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DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE UN SECADOR AL VACÍO

RUBÉN DARÍO RIAÑO PASCAGAZA MILLER ALEXANDER ROMERO NEMPEQUE

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA. FACULTAD INGENIERÍA, INGENIERÍA DE ALIMENTOS. CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS, DISEÑO DE EQUIPOS. BOGOTÁ 2013


DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE UN SECADOR AL VACÍO.

RUBÉN DARÍO RIAÑO PASCAGAZA MILLER ALEXANDER ROMERO NEMPEQUE

TRABAJO DE GRADO

Director: PEDRO ALEJANDRO GARCÍA.

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA. FACULTAD INGENIERÍA, INGENIERÍA DE ALIMENTOS. CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS, DISEÑO DE EQUIPOS. BOGOTÁ 2013


Nota de aceptaci贸n: _____________________________________ _____________________________________ _____________________________________ _____________________________________ _____________________________________ _____________________________________

_____________________________________ Firma del presidente del jurado.

_____________________________________ Firma del jurado

_____________________________________ Firma del jurado

Bogot谩, 22 de Octubre de 2013


DEDICATORIA A Dios por darme la oportunidad de obtener un nuevo logro, a mi esposa por el apoyo incondicional a lo largo de mi carrera, por ser mi fuente de inspiración, por estar en los buenos y malos momentos siempre animándome y ahora por darme la felicidad de ser padre, a mis padres por sus buenos consejos y los buenos valores que inculcaron en mí y por darme la oportunidad de estudiar, a mis hermanos ya que fueron mi guía y me dieron ánimos de seguir estudiando. Rubén Darío

A Dios por darme la oportunidad de este un nuevo logro, a mis padres por el apoyo incondicional a lo largo de mi carrera, por haberme dado la oportunidad de estudiar, por sus buenos consejos y los buenos valores que me inculcaron, por estar apoyándome en todo momento, a mis hermanos por estar en los buenos y malos momentos junto a mí. Miller Alexander


AGRADECIMIENTOS

Al Ingeniero Pedro Alejandro García por compartir sus conocimientos en nuestra formación académica, y orientación en el desarrollo del presente trabajo de grado, al Ingeniero Igor Alexis Prieto, por su apoyo en el desarrollo del software, al Señor José Elmer Romero por su ayuda y asesoría en el montaje y construcción del equipo y en el desarrollo del proyecto, a la Ingeniera Marcela Guzmán por su apoyo y colaboración en los análisis de secado.


CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCIÓN........................................................................................................... 19 PROBLEMA A SOLUCIONAR..................................................................................... 21 JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................ 21 OBJETIVOS .................................................................................................................... 22 OBJETIVO GENERAL ................................................................................................... 22 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................................... 22 1. MARCO TEÓRICO .................................................................................................. 23 1.1.

SECADO ............................................................................................................... 23

1.2. EFECTOS DE LA TEMPERATURA EN LOS CONSTITUYENTES DE LOS ALIMENTOS ................................................................................................................... 23 1.3.

LA ACTIVIDAD ACUOSA (aw) ......................................................................... 23

1.4.

PROCESO DE SECADO ...................................................................................... 24

1.5.

LA VELOCIDAD DE SECADO .......................................................................... 25

1.6.

PERIODOS DE SECADO .................................................................................... 25

1.7.

TIPOS DE SECADO ............................................................................................. 27

1.7.1. Secado natural o solar ............................................................................................ 27 1.7.2. Secado por contacto con aire a presión atmosférica .............................................. 28 1.7.3. Secado a vacío ....................................................................................................... 28 1.7.4. Liofilización .......................................................................................................... 28 1.8.

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ....................................... 29

1.8.1. Mecanismo de conducción .................................................................................... 29 1.8.2. Mecanismo de convección .................................................................................... 29 1.8.3. Mecanismo de radiación ........................................................................................ 30 1.8.4. Mecanismos simultáneos de transferencia de calor............................................... 31 1.9.

VACÍO .................................................................................................................. 32

1.9.1. Sistemas de vacío .................................................................................................. 33 1.9.2. Equipos de secado con vacío ................................................................................. 34 1.9.2.1.

Secado en estufa de vacío .............................................................................. 34


1.9.2.2.

Secador al vacío con anaqueles ...................................................................... 35

1.9.2.3.

Secador de cinta a vacío ................................................................................. 35

1.10. ECUACIONES EMPLEADAS PARA EL CÁLCULO DEL EQUIPO ............... 36 1.10.1.

Ecuaciones para el cálculo de transferencia de calor por conducción ........... 36

1.10.2.

Cálculo del espesor del aislante ..................................................................... 37

1.10.3.

Cálculo de la bomba de vacío ........................................................................ 37

1.10.3.1.

Cálculo del flujo volumétrico de la bomba .................................................... 37

1.10.4.

Cálculo de la potencia de la resistencia eléctrica ........................................... 38

1.11. SISTEMAS DE CONTROL PID .......................................................................... 38 1.11.1.

Microcontrolador............................................................................................ 39

1.11.2.

Sensor de temperatura .................................................................................... 39

1.11.3.

Sensores de presión ........................................................................................ 41

2. METODOLOGÍA ..................................................................................................... 42 2.1.

DETERMINACIÓN DE LA GEOMETRÍA PARA LA CÁMARA DE VACÍO 42

2.1.1. Propuesta 1 Geometría Cubica .............................................................................. 42 2.1.2. Propuesta 2 Geometría Cilíndrica ......................................................................... 43 2.2.

SELECCIÓN DE ELEMENTOS DEL EQUIPO. ................................................ 43

2.2.1. Bomba de vacío ..................................................................................................... 43 2.2.2. Vacuometro ........................................................................................................... 44 2.2.3. Sensor de presión ................................................................................................... 44 2.2.4. Sensor de Temperatura .......................................................................................... 45 2.2.5. Filtro para vapor de agua ....................................................................................... 45 2.2.6. Resistencia eléctrica .............................................................................................. 45 2.2.7. Electro Válvula ...................................................................................................... 46 2.2.8. Software Tera Term Pro ........................................................................................ 46 2.2.9. Computador ........................................................................................................... 46 2.3.

SELECCIÓN DE MATERIALES ........................................................................ 47

2.3.1. Acero inoxidable ................................................................................................... 47 2.3.2. Aislante térmico .................................................................................................... 47 2.3.3. Puerta cámara de vacío .......................................................................................... 47 2.3.4. Tuberías y accesorios. ........................................................................................... 48 2.4.

CONSTRUCCIÓN DEL SECADOR AL VACÍO ............................................... 48

2.4.1. PERFORACIONES DE LA CÁMARA. .............................................................. 48


2.4.1.1.

Perforación para la succión de la bomba........................................................ 48

2.4.1.2.

Perforación para la electroválvula .................................................................. 48

2.4.1.3.

Perforación resistencias eléctricas.................................................................. 48

2.4.1.4.

Perforación para el sensor de temperatura ..................................................... 49

2.5.

SOPORTE PARA LAS BANDEJAS DE SECADO ............................................ 49

2.6.

BANDEJAS DE SECADO ................................................................................... 49

2.7. ACCESORIOS PARA LA CONEXIÓN DE LA BOMBA CON LA CÁMARA DE VACÍO ....................................................................................................................... 49 2.8.

ESTRUCTURA PARA LA BASE DEL EQUIPO ............................................... 49

2.9.

SOPORTE FILTRO RETENCIÓN DE HUMEDAD ........................................... 50

2.10. UNIVERSAL DE PVC ......................................................................................... 50 2.11. INSTALACIÓN DE LA BOMBA DE VACÍO .................................................... 50 2.12. EVALUACIÓN DEL EQUIPO ............................................................................ 50 3. RESULTADOS ......................................................................................................... 51 3.1.

DETERMINACIÓN DE LA GEOMETRÍA PARA LA CÁMARA DE VACÍO. 51

3.2. SELECCIÓN DE ELEMENTOS Y MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO .................................................................................. 52 3.2.1. Elementos del equipo ............................................................................................ 52 3.2.1.1.

Bomba de vacío .............................................................................................. 52

3.2.1.2.

Vacuometro .................................................................................................... 52

3.2.1.3.

Sensor de presión ........................................................................................... 52

3.2.1.4.

Sensor de temperatura .................................................................................... 52

3.2.1.5.

Filtro para vapor de agua................................................................................ 53

3.2.1.6.

Resistencia eléctrica ....................................................................................... 54

3.2.1.7.

Electro válvula ............................................................................................... 54

3.2.1.8.

Software Tera Term Pro ................................................................................. 54

3.2.2. SELECCIÓN DE MATERIALES ........................................................................ 55 3.2.2.1.

Acero inoxidable ............................................................................................ 55

3.2.2.2.

Aislante térmico ............................................................................................. 55

3.2.2.3.

Puerta cámara de vacío................................................................................... 56

3.2.2.4.

Tuberías y accesorios ..................................................................................... 56

3.3.

CONSTRUCCIÓN DEL SECADOR AL VACÍO ............................................... 57

3.3.1. Cámara de vacío .................................................................................................... 57


3.3.2. PERFORACIONES DE LA CÁMARA ............................................................... 57 3.3.2.1.

Perforación para la Succión de la bomba. ...................................................... 57

3.3.2.2.

Perforación electro válvula ............................................................................ 58

3.3.2.3.

Perforación resistencias eléctricas.................................................................. 59

3.3.2.4.

Perforación para el sensor de temperatura ..................................................... 60

3.4.

SOPORTES PARA LAS BANDEJAS DE SECADO .......................................... 61

3.5.

BANDEJAS DE SECADO ................................................................................... 62

3.6. ACCESORIOS PARA LA CONEXIÓN DE LA BOMBA CON LA CÁMARA DE VACÍO ....................................................................................................................... 63 3.7.

ESTRUCTURA PARA LA BASE DEL EQUIPO ............................................... 64

3.8.

SOPORTE FILTRO RETENCIÓN DE HUMEDAD ........................................... 65

3.9.

UNIVERSAL DE PVC ......................................................................................... 66

3.10. INSTALACIÓN DE LA BOMBA DE VACÍO .................................................... 67 3.11. INSTALACIÓN DE LA PUERTA DE LA CÁMARA DE VACÍO .................... 68 3.12. INSTALACIÓN DEL SENSOR DE TEMPERATURA ...................................... 69 3.13. INSTALACIÓN SENSOR DE PRESIÓN ............................................................ 69 3.14. SISTEMA DE CONTROL PID ............................................................................ 69 3.15. CONEXIÓN DE LA ELECTRO VÁLVULA A LA CÁMARA DE VACÍO ..... 70 3.16. INSTALACIÓN DE CABLES A CAJA DE CONTROL .................................... 71 3.17. RECUBRIMIENTO DE LA CÁMARA DE VACÍO ........................................... 71 3.18. PARTE EXTERIOR DEL EQUIPO ..................................................................... 71 3.19. EVALUACIÓN DEL EQUIPO ............................................................................ 72 3.19.1.

ANÁLISIS % PERDIDA DE HUMEDAD. .................................................. 72

3.19.2.

ANALISIS VELOCIDAD PERDIDA DE HUMEDAD. .............................. 73

4. CONCLUSIONES .................................................................................................... 75 5. RECOMENDACIONES ........................................................................................... 76 ANEXOS ......................................................................................................................... 77 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................. 85


LISTAS ESPECIALES ILUSTRACIÓN Ilustración 1. Proceso Básico de Secado Ilustración 2 Periodos de secado Ilustración 3 Periodo de velocidad constante Ilustración 4 Alcances de vacío Ilustración 5 Estufa de vacío Ilustración 6 Secador al vacío con anaqueles Ilustración 7 Secador cinta de vacío Ilustración 8 Sistema de control PID Ilustración 9 Termistores Ilustración 10 Termopares Ilustración 11 Sensor de estado sólido Ilustración 12. Propuesta Geometría Cubica Ilustración 13 Propuesta Geometría Cilíndrica Ilustración 14 Prueba sensor temperatura Ilustración 15 Aceite contaminado con agua Ilustración 16 Ubicación de las resistencias Ilustración 17 cámara de vacío. Ilustración 18 Orificio succión de la bomba de vacío Ilustración 19 Perforación electro válvula Ilustración 20 Resistencias eléctricas Ilustración 21 Orificio sensor de temperatura Ilustración 22 Soporte bandejas Ilustración 23 Bandejas perforadas Ilustración 24 Acople, vacuometro, válvula de bola Ilustración 25 Estructura base del secador Ilustración 26 Soporte filtro retención de Humedad Ilustración 27 Universal PVC Ilustración 28 Bomba de vacio Ilustración 29 Puerta vidrio templado Ilustración 30 Sensor temperatura Ilustración 31 Sensor de presión Ilustración 32 Sistema de control Ilustración 33 Electro válvula con control Ilustración 34 Caja de control Ilustración 35 Aislante térmico Ilustración 36 Recubrimiento exterior Ilustración 37 %perdida de humedad. Ilustración 38 Velocidad perdida de humedad.

25 26 27 33 35 35 36 39 40 40 41 42 43 53 54 54 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 68 69 69 70 70 71 71 72 73 74


TABLAS

Tabla 1 Comparación tubo 6 metros Tabla 2 Evaluación propuesta geometría Tabla 3 Comparación costos del aislante Tabla 4 Evaluación puerta cámara de vacío. Tabla 5 Evaluación perforaciones electro válvula Tabla 6 Evaluación perforación resistencias electricas. Tabla 7 Evaluación perforación sensor de temperatura. Tabla 8 Evaluación soportes de las bandejas de secado. Tabla 9 Evaluación bandejas de secado. Tabla 10 Evaluación acople de conexión cámara con la bomba de vacío. Tabla 11 Evaluación material estructura del equipo. Tabla 12 Evaluación soporte del filtro. Tabla 13 Evaluación universal de PVC. Tabla 14 Evaluación instalación de la bomba de vacío. Tabla 15 % perdida de humedad. Tabla 16 Velocidad perdida de humedad.

48 51 55 56 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 72 73


ANEXOS Anexo 1 Cálculo de caudal de la bomba de vacío ....................................................... 77 Anexo 2 Selección del sensor de presión ..................................................................... 78 Anexo 3 Cálculo resistencia eléctrica ............................................................................ 79 Anexo 4 Cálculo del espesor del aislante ..................................................................... 80 Anexo 5 Cálculo espesor pared del material para la construcción cámara de vacío. .............................................................................................................................................. 82 Anexo 6 Datos proceso secado a vacío. ....................................................................... 83


GLOSARIO

ACTIVIDAD ACUOSA: es la medida indirecta del agua disponible en un producto, para participar en diferentes reacciones deteriorarías y de crecimiento microbiano. Puede ser descrita en forma más simple como la relación de la presión parcial de vapor de agua del alimento dividida por la presión parcial del agua pura, ambas medidas a la misma temperatura. Su valor varía entre 0 y 1. AGUA LIBRE: es la de mayor porcentaje en la composición de un alimento fresco o procesado, no sale espontáneamente de los tejidos animales o vegetales, regularmente se encuentra en forma de gel, tanto a nivel celular como en los espacios intercelulares, se ubica en los espacios intercelulares y los poros del material, su retención está fuertemente influenciada por el pH y las fuerzas iónicas por lo tanto esto hace que se hinchen los geles de proteínas, pectinas o de almidón. AGUA LIGADA: esta se absorbe sobre las superficies de las macromoléculas coloidales (almidones, celulosas y proteínas), está unida por fuerzas de Van der waals o por puentes de hidrógeno. Forma una capa única o monomolecular, la característica de esta agua es que no está disponible para reacciones químicas, no es congelable, ni disponible para los microorganismos, en reacciones donde interviene el oxígeno esta sirve de protección. AISLANTE TÉRMICO: es un material usado en la construcción y la industria que se caracteriza por su alta resistencia térmica, con el fin de evitar la trasferencia de calor a través de una estructura. AROMA: consiste en la percepción de las sustancias olorosas y aromáticas de un alimento después de haberse puesto en la boca. El aroma es el principal componente de sabor de los alimentos. β-CAROTENO: son pigmentos vegetales de color amarillo o naranja. Pertenecen al grupo de los carotenoides, un tipo de flavonoide. Los beta carotenos son precursores de la vitamina A. BOMBA DE VACÍO: es un motor que aprovecha la energía eléctrica, para generar una succión lo suficientemente potente para crear un vacío parcial o total dentro de una cámara. CAPACIDAD CALORIFICA: es la cantidad de energía necesaria que permite variar, en un grado, la temperatura de un cuerpo.


CAPILARIDAD: la capilaridad es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial (la cual a su vez, depende de la cohesión o fuerza intermolecular del líquido), que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar. CAUDAL: volumen que pasa a través de una superficie por unidad de tiempo CONDUCCIÓN: es un mecanismo de transferencia de energía entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas, que tienden a igualar su temperatura o estado de excitación térmica. CONDUCTIVIDAD TÉRMICA: es una propiedad de los materiales que valora la capacidad de transmitir el calor a través de ellos. Es elevada en metales, baja en polímeros y muy baja en materiales como fibra de vidrio. CONVECCIÓN: es la transmisión de calor por movimiento real de las moléculas de una sustancia. Este fenómeno sólo podrá producirse en fluidos en los que por movimiento natural (diferencia de densidades) o circulación forzada (con la ayuda de ventiladores, bombas, etc.) puedan las partículas desplazarse transportando el calor sin interrumpir la continuidad física del cuerpo. CUERPO NEGRO: es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él. Nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través del cuerpo negro. CURVA DE SECADO: grafica en la cual se relacionan los datos obtenidos en pruebas de secado, donde se construye una curva de del contenido de humedad del alimento contra el tiempo. DENSIDAD: es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen de una sustancia. DESHIDRATACIÓN: principio básico de conservación en el cual se elimina agua del alimento por adición de corrientes de aire y temperatura. DESNATURALIZACIÓN: la desnaturalización es un cambio estructural de las proteínas o ácidos nucleicos, donde pierden su estructura nativa, y de esta forma su óptimo funcionamiento y a veces también cambian sus propiedades físico-químicas. DIAMETRO: Segmento rectilíneo que une dos puntos de una circunferencia o de la superficie de una esfera pasando por su centro.


DIFUSIÓN: Difusión se define como el lento movimiento de moléculas individuales de una región a otra. EBULLICIÓN: es el proceso físico en el que la materia pasa a estado gaseoso. Se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión. ELECTROVALVULA: es una válvula electromecánica, diseñada para controlar el flujo de un fluido a través de un conducto como puede ser una tubería. La válvula está controlada por una corriente eléctrica a través de una bobina solenoidal. EMULADOR: un emulador es un software que permite ejecutar programas o videojuegos en una plataforma (sea una arquitectura de hardware o un sistema operativo) diferente de aquella para la cual fueron escritos originalmente. A diferencia de un simulador, que sólo trata de reproducir el comportamiento del programa, un emulador trata de modelar de forma precisa el dispositivo de manera que este funcione como si estuviese siendo usado en el aparato original. GRADIENTE DE TEMPERATURA: La razón del cambio de la temperatura por unidad de distancia, muy comúnmente referido con respecto a la altura. HUMEDAD: es el contenido de agua presente en los alimentos en mayor o menor proporción, este varia del 60 al 90%.en el alimento existen dos formas generales agua libre y agua ligada. PARDEAMIENTO: reacciones responsables a aparición de clores, aromas y sabores característicos de los alimentos en ocasiones deseables y en otras no deseables. Existen dos tipos de reacciones, pardeamiento enzimático y pardeamiento no enzimático. PID: es un mecanismo de control por realimentación que calcula la desviación o error entre un valor medido y el valor que se quiere obtener, para aplicar una acción correctora que ajuste el proceso. El algoritmo de cálculo del control PID se da en tres parámetros distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo. PIEZO RESISTIVO: es la propiedad de algunos materiales conductores y semiconductores, cuya resistencia eléctrica cambia cuando se los somete a un esfuerzo o estrés mecánico (tracción o compresión) que los deforma. POLIURETANO: El poliuretano es una resina sintética que se obtiene mediante condensación de poliésteres; se caracteriza por su baja densidad y son muy utilizados como aislantes térmicos, elastómeros durables, adhesivos y selladores de alto rendimiento, pinturas, fibras, sellos, empaques, juntas, preservativos,


partes automotrices, en la industria de la construcción, del mueble y múltiples aplicaciones más. PRESIÓN: puede definirse como la fuerza por unidad de masa PRESIÓN ABSOLUTA: es el resultado de la presión atmosférica menos la presión manométrica. PRESIÓN ATMOSFERICA: es la presión que ejerce el aire sobre la tierra, numéricamente la presión atmosférica en un punto coincide con el peso de una columna estática de aire de sección recta unitaria que se extiende desde el punto hasta la atmosfera. PRESIÓN MANOMETRICA: presión por encima de la presión de la presión absoluta RADIACIÓN: La radiación a la transmisión de calor entre dos cuerpos los cuales, en un instante dado, tienen temperaturas distintas, sin que entre ellos exista contacto ni conexión por otro sólido conductor. Es una forma de emisión de ondas electromagnéticas (asociaciones de campos eléctricos y magnéticos que se propagan a la velocidad de la luz) que emana todo cuerpo que esté a mayor temperatura que el cero absoluto. TORIESFERICO: es una estructura que sirve para formar cascos resistentes o cerrar, rematar y terminar el extremo de los cascos cilíndricos de construcciones y equipos. VACUOMETRO: instrumento medidor de presión tarado para valores inferiores a la presión atmosférica.


RESUMEN

El presente trabajo tiene como objetivo diseñar y construir un equipo de secado al vacío para la fundación universitaria Agraria de Colombia. En primer lugar se realizó un proceso de evaluación y selección de materiales y accesorios necesarios para la construcción del equipo. Se aplicaron principios físicos, con el fin de obtener los requerimientos de calibre y cantidad de material de construcción y características que estos deben cumplir para el buen funcionamiento del secador. El equipo de secado, se construyó con una cámara de vacío cilíndrica de dos bandejas en acero inoxidable 304 y una bomba de vacío con la que se alcanzan un vacío de 23 inHg, además este cuenta con sensores de presión y temperatura, los cuales son controlados por un sistema PID, el cual permite programar y controlar presiones de vacío deseadas de 9 - 23 inHg y temperaturas hasta 375.15 Kelvin. Este equipo alcanza su máxima presión de vacío en 1 minuto y 40 segundos lo cual permite iniciar en poco tiempo el proceso de deshidratación. Se realizaron pruebas para la evaluación del equipo, con muestras de piña cuales perdieron un 58 % de humedad en un tiempo de secado de 5 horas a una presión de 22 inHg y temperatura de 333.15 Kelvin. Palabras clave: secado, vacío, presión, temperatura, sensor.


ABSTRACT

This project was done with the goal of designing and building Vacuum Drying Equipment for the "Fundaci贸n Universitaria Agraria" of Colombia. First, an assessment procedure and a selection process of materials and accessories required to develop the equipment was done. Physical principles were applied in order to obtain the calibration conditions and the amount of building materials with the features that were appropriate for the performance of the dryer. The drying equipment was developed with a cylindrical vacuum chamber which contains two 304 stainless steel trays and a vacuum pump that reaches a vacuum of 23 inHg. Moreover, it has pressure and temperature sensors which are controlled by a PID system, which allows it to set up and to control vacuum pressures from 9 to 23 inHg and temperatures up to 375.15 Kelvin. This equipment attains its maximum vacuum pressure at 1 minute and 40 seconds, which enables it to begin the dehydration process in a short period of time. Testing for the assessment of the equipment was developed with samples of pineapple. The results were a 58% decrease of humidity in a drying lapse of 5 hours with a pressure of 22 inHg and a temperature of 333.15 Kelvin. Key concepts: Druing, vacuum, pressure, temperatura, sensor.


INTRODUCCIÓN El secado es uno de los métodos más importantes y más usados de conservación de alimentos (Vega, A; Andrés, A y Fito, P 2005), con el avance tecnológico, este método se ha ido desarrollando, mejorando la construcción de equipos e implementando herramientas las cuales facilitan el proceso y el estudio de los cambios que sufren los alimentos al someterse a dicho proceso. Estos equipos son capaces de deshidratar mayor cantidad de alimento por unidad de tiempo, mejorando la calidad del producto final y disminuyendo los tiempos de secado.

En los procesos de deshidratación de alimentos a presión atmosférica y altas temperaturas, los productos tratados pierden nutrientes y características propias del alimento deshidratado como lo son el color, aroma y textura (Mujumdar 1995). Otros de los problemas del secado con altas temperaturas a presión atmosférica es el pardeamiento no enzimático y baja capacidad de rehidratación (Mongpraneet, Abe, y Tsurusaki, 2002). En el secado de perejil liso, el principal problema es la degradación de aroma y color, en comparación con el producto fresco. Estudios realizados por Castro, A. Rodriguez, L. y Vargas, E, M. (2008) demuestran que en el secado de uchuva Physalis peruviana L, hay perdida de βcaroteno durante la deshidratación por aire caliente.

Uno de los desarrollos importantes en los métodos de secado de alimentos es la liofilización, la cual elimina el agua de los alimentos tratados por sublimación; donde el agua pasa del estado sólido a vapor sin pasar por el estado líquido. Este método garantiza que el alimento no tenga perdidas de componentes termo sensibles, a diferencia con los procesos de secado a altas temperaturas. Las desventajas que presenta la liofilización son: largos tiempos de procesamiento, alto consumo de energía y altos costos de operación, equipos e instalaciones usados en el proceso (Pardo, B. 2002).

El secado al vacío es un proceso el cual es utilizado ampliamente en la industria farmacéutica, química, alimentaria y biotecnología, (Talavera, L. Farias, M. 1995). Con el secado al vacío se elimina el agua contenida en los alimentos debido a principio en el cual al disminuir la presión la temperatura de ebullición del agua disminuye.

Con el diseño y construcción del equipo de secado al vacío, se pretende dar un punto inicial en la investigación y la indagación sobre los procesos de deshidratación de alimentos, controlando variables como presión y temperatura, lo

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cual permitirá a los alumnos del programa de Ingeniería de Alimentos de la fundación universitaria agraria de Colombia realizar trabajos de investigación. Además se puede demostrar que con la integración de las diferentes áreas académicas se pueden realizar desarrollos tecnológicos, en la construcción de equipos para la industria de alimentos desde las aulas de clase.

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PROBLEMA A SOLUCIONAR Algunos productos alimenticios al secarse a presión atmosférica, con altas temperaturas, pierden propiedades nutricionales y organolépticas, debido a la sensibilidad térmica de algunos de sus componentes, generando de esta forma una reducción en su contenido nutricional. Adicionalmente, la Fundación Universitaria Agraria de Colombia no cuenta con un equipo de secado al vacío, con el cual se garantizaría una menor pérdida en el contenido alimenticio al momento de realizar el secado y con el cual se puedan realizar prácticas de formación académica, dada la importancia de esta operación en los procesos de conservación de alimentos.

JUSTIFICACIÓN El presente trabajo se llevará a cabo por la necesidad que existe, de mantener las propiedades nutricionales y organolépticas de los alimentos, ya que al ser sometidos a procesos de secado con presión atmosférica y altas temperaturas estas propiedades se pierden. Con el secado al vacío se disminuyen las temperaturas de evaporación del agua, lo cual permite mantener las características nutricionales y organolépticas de los productos tratados. El diseño y construcción del equipo de secado al vacío permitirá a La Fundación Universitaria Agraria de Colombia, realizar prácticas de formación académica, y adelantar trabajos de investigación en conservación de alimentos, mediante operaciones de secado al vacío.

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OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL  Diseñar, construir e implementar un secador al vacío para la planta piloto de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia en Bogotá.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS  Dimensionar y diseñar el secador a vacío.  Seleccionar materiales e instrumentos de medición necesarios para el equipo.  Construir el equipo de secado a vacío.  Realizar el montaje, evaluar y poner en marcha el equipo.

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1. MARCO TEÓRICO 1.1. SECADO La deshidratación o desecación consiste en la reducción del agua libre de un producto o alimento. El secado es una de las operaciones más importantes en la industria de alimentos, éste es empleado para: conservar, facilitar el transporte y disminuir el volumen en procesos de empaque de alimentos. “El secado se define como la remoción de humedad de los productos alimenticios con el fin de prolongar su vida útil” (Guzmán 1991). Según Geankoplis (1998) el contenido de humedad del producto seco final varía según el tipo de producto. Generalmente la carne, el pescado y los productos lácteos se deshidratan hasta un contenido de humedad del 3% o menor; los productos vegetales normal mente hasta 5% (Kitinoja 1992). El agua es, quizás, el factor individual que más influye en la alterabilidad de los alimentos. Se ha demostrado que alimentos con el mismo contenido de agua se alteran de forma distinta, por lo que se deduce que la cantidad de agua no es por sí sola una herramienta indicativa del deterioro de los alimentos. 1.2. EFECTOS DE LA TEMPERATURA EN LOS CONSTITUYENTES DE LOS ALIMENTOS En el proceso de secado de alimentos como frutas y verduras, se debe controlar la temperatura de secado, debido que a altas temperaturas hay desnaturalización de proteínas, rompe las emulsiones destruye las vitaminas. La desnaturalización de las proteínas solubles comienza entre los 323.15 y 328.15 grados Kelvin y es prácticamente total entre los 339.15 y 343.15 grados Kelvin y se completa a los 353.15 grados Kelvin (Caps, V, C, A. Abril R, J. 2008). 1.3. LA ACTIVIDAD ACUOSA (aw) Desde la antigüedad se ha sabido que los alimentos con mayor contenido de agua son los más perecederos, por lo cual, ha sido importante controlar la cantidad de esta en los alimentos, para poder conservar y aumentar vida útil y estabilidad de los mismos. El contenido de agua de un alimento es un factor indicativo de su propensión al deterioro, pero también se ha demostrado que alimentos con el mismo contenido de humedad, tienen una estabilidad diferente, es por esto, que el contenido de humedad no es suficiente si no se tiene en cuenta la interacción del agua con los otros componentes del alimento (Welti, Ch, J. y Vergara, B, Fidel, 2010). La actividad acuosa (aw activity water por sus siglas en ingles) de un alimento o de una solución, se conoce como la relación existente entre la presión de vapor de

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agua del alimento y la del agua pura a la misma temperatura, el concepto de actividad acuosa fue introducido por primera vez en 1957 por el microbiólogo scott. La deshidratación disminuye el aw, y a menor agua en el alimento, menor aw. A medida que la solución se concentra, la presión de vapor disminuye y la aw desciende hasta un valor máximo de 1 para el agua pura. La proporción de agua en un alimento depende de cada producto. En productos más hidratados como frutas y hortalizas una parte importante del agua está en forma libre y débilmente absorbida retenida por capilaridad en los tejidos del producto. Por otro lado en los productos más secos, como la mayoría de los cereales, según su estructura y su composición química, una parte importante de agua estará fuertemente absorbida por el producto (Casp, V, A. Abril, R, J. 2008).

1.4. PROCESO DE SECADO En el proceso de secado, el agua se elimina de los alimentos por medio de su difusión, en fase liquida y/o vapor, a través de su estructura interior, para lograr la evaporación del agua, en la mayoría de los métodos de secado es necesario el uso de energía en forma de calor, por lo cual el proceso requiere de un transporte simultaneo de materia y calor. Para la evaporación del agua, se suministra suficiente energía al agua, para su evaporación, el vapor producido, se transporta desde el interior del alimento hacia la superficie de este, la diferencia de presiones entre la superficie del agua en el interior y la presión del aire en la superficie exterior del alimento provoca la difusión del vapor de agua al exterior de este. Debido a esto, en el proceso de secado se producen cuatro procesos de transporte: 1. Transmisión de calor desde el medio hacia la superficie del producto. 2. Transmisión de calor desde la interface solido – gas hasta el interior del sólido. 3. Transmisión de materia a través del sólido. 4. Transferencia de vapor desde la interface solido – gas hacia el seno del gas (Casp, V, A. Abril, R, J. 2008).

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Ilustración 1. Proceso Básico de Secado

Fuente CASP, V, A. ABRIL, R, J. (2008)

Los cuatros procesos de transporte anterior mente citados, se deben tener en cuenta ya que la velocidad de secado será proporcional al más lento de ellos (Casp, V, A. Abril, R, J. 2008). 1.5. LA VELOCIDAD DE SECADO La velocidad de secado se define como la perdida de humedad del producto en determinado tiempo, es decir: ( 1)

Dónde: Vs: velocidad de secado. Xw: contenido de humedad del material. t: tiempo. Por tanto, la pendiente de la curva de secado (dXw/dt), nos da la velocidad de secado (Maupoey, F,P. Grau, A, A. 2001).

1.6. PERIODOS DE SECADO El proceso de secado, tiene tres periodos marcados en los cuales se lleva a cabo la extracción del agua del producto alimenticio. Estos son, un periodo inicial de precalentamiento, un segundo periodo de velocidad constante y el último periodo de velocidad decreciente.

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Ilustración 2 Periodos de secado

Fuente CASP, V, A. ABRIL, R, J. (2008).

1.6.1. Periodo de precalentamiento En este periodo, el alimento y el agua contenida en él, se calientan hasta llegar a la temperatura de bulbo húmedo del ambiente secante, la mayor parte del calor transferido se concentra en la superficie del producto, ya que este inicialmente esta frio, ver grafica 1 (Casp, V, A. Abril, R, J. 2008).

1.6.2. Periodo de velocidad constante En este periodo se produce una reducción del contenido de agua importante, con una velocidad y un flujo de eliminación constante (Casp, V, A. Abril, R, J. 2008). Durante este periodo la superficie del alimento está lo suficientemente húmeda, y sobre ella hay una capa de agua libre, la cual es evaporada durante este proceso, esta capa superficial es alimentada por el agua interna del producto, por capilaridad ver ilustración 2. Este periodo continua mientras el agua llega a la superficie del alimento con la misma rapidez con la que se evapora (Geankoplis 1998). El diámetro de los poros y de los capilares disminuye y la pérdida de peso es aproximadamente igual a la del volumen de agua evaporada. El flujo de agua evaporada arrastra solutos que se depositan en la superficie, si no son volátiles, produciendo un fenómeno llamado “case hardening” que afecta la eliminación de agua en los periodos posteriores. Este periodo de velocidad constante culmina

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generalmente, cuando el contenido medio de humedad del producto alcance el valor de humedad critica, ver ilustración 3. (Casp, V, A. Abril, R, J. 2008). Ilustración 3 Periodo de velocidad constante

Fuente CASP, V, A. ABRIL, R, J. (2008).

1.6.3. Periodo de velocidad decreciente Durante este periodo la superficie del alimento no está totalmente húmeda, y la superficie húmeda comienza a disminuir hasta quedar completamente seca. El punto inicial de este periodo corresponde al punto crítico de humedad libre, en la curva de secado el punto crítico de humedad se encuentra ajustando una recta al periodo de velocidad contante, donde la recta se separe de la curva de secado se encuentra el punto crítico de humedad, ver ilustración 3. En este punto no hay suficiente agua en la superficie para mantener una película continua (Geankoplis 1998). En este periodo la zona de secado se desplaza a interior del alimento, lo cual es la causa de la disminución de la velocidad de secado. La eliminación del agua es más difícil, por lo cual, la trasferencia de masa es un factor limitante en este periodo, debido a que los poros se obstruyen por los solutos depositados en estos (Casp, V, A. Abril, R, J. 2008).

1.7. TIPOS DE SECADO 1.7.1. Secado natural o solar Los productos pueden secarse usando la radiación solar directa o indirecta. El método más simple de secado solar consiste en colocar el producto a secar

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directamente sobre una superficie negra plana; el sol y el viento secarán los productos (Kitinoja, L. 1992).

1.7.2. Secado por contacto con aire a presión atmosférica En este método se transmite calor al alimento, bien sea por medio de aire caliente o por superficies calientes, y se extrae el vapor de agua eliminado del alimento junto con el aire. Usando un equipo que combina un flujo constante de aire con una fuente externa de calor, este consta de una cámara en la cual se coloca el producto a secar en bandejas perforadas; el secador tiene un ventilador que impulsa el aire caliente a través del producto (Orrego, C 2003).

1.7.3. Secado a vacío En el proceso de secado al vacío se utiliza la propiedad del agua en que a presiones reducidas tiene lugar más fácilmente su evaporación, es decir, que cuanto más baja sea la presión interna en un equipo de secado, los productos contenidos en él se deshidrataran a la temperatura de saturación del agua a dicha presión. Teóricamente se sabe que el agua hierve a 373.15 Kelvin, con una presión de 29.92 inHg, sí se aumenta la presión, la temperatura de ebullición del agua aumenta, o por lo contrario, sí se disminuye la presión, el punto de ebullición del agua disminuye, por ejemplo; si se tiene una presión de 5.91 inHg el agua se evapora a 333.15 Kelvin (Universidad Tecnológica Nacional del Rosario Argentina 2010). En el proceso de secado al vacío, para alcanzar el punto de evaporación del agua de un producto, se requiere de un factor importante como lo es la energía en forma de calor, la cual se transmite mediante el mecanismo de transferencia de calor por conducción y/o radiación (Andrés, G, Et al. 2001).

1.7.4. Liofilización El vapor de agua se extrae por sublimación desde el alimento congelado, la estructura de la sustancia alimenticia se conserva mejor, siendo necesario mantener en el secador las temperaturas y presiones adecuadas para asegurarse que tiene lugar la sublimación. La calidad de un alimento secado por liofilización, es directamente proporcional al a las características en sabor, olor y consistencia, del alimento fresco de origen, una vez hidratado (o reconstituido). Para conseguir una buena calidad del alimento conviene tener en cuenta una serie de aspectos relacionados con el proceso de desecación, así como la composición química y las condiciones de almacenamiento (Ramírez, N. 2006).

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1.8. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR La transferencia de calor siempre se produce del sistema de temperatura más elevada hacia el de temperatura más baja. La transferencia de calor se detiene cuando los dos sistemas alcanzan la misma temperatura. La transferencia de calor se da principalmente mediante los mecanismos de conducción, convección y radiación (Chamarro, E, Esplugas, S 2005).

1.8.1. Mecanismo de conducción Es la forma de transferencia de calor en el cual el intercambio de energía ocurre de la región de mayor temperatura a la región de menor temperatura por el movimiento cinético o el impacto directo de las moléculas o por el arrastre de los electrones (Nollet, L. M. 1996). Para el cálculo del flujo de calor transferido se emplea la ecuación de Fourier: ( 2)

Dónde: Q es la tasa de flujo de calor a través del área (A) en dirección x positivo. K es la constante de proporcionalidad o la conductividad térmica de material y es positiva. Es el gradiente de temperatura.

1.8.2. Mecanismo de convección La convección es el modo en que se transfiere la energía entre una superficie sólida y el fluido adyacente (líquido o gas). Comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento del fluido. Existe movimiento macroscópico de las partículas del fluido. Cuanto más rápido es el movimiento del fluido mayor es la transferencia de calor por convección. En ausencia de dicho movimiento la transferencia de calor entre una superficie sólida y el fluido adyacente sería por conducción pura (Salwin, H. 1960). Existen dos tipos de transferencia de calor por convección; forzada y natural.

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La convección forzada es cuando el movimiento del fluido es inducido artificialmente, como con una bomba o un ventilador que impulse el fluido sobre la superficie. La convección natural cuando el movimiento del fluido es ocasionado por fuerzas de empuje debidas a diferencias de densidad causadas por diferencias de temperatura en un fluido. Para realizar los cálculos de transferencia de calor por convección se emplea la siguiente ecuación: ( 3)

Dónde: q es el flujo de calor en dirección normal o perpendicular a la superficie. h es el coeficiente de transferencia de calor por convección. A es el área. Ts temperatura de la superficie. Tf temperatura del fluido que se desplaza.

1.8.3. Mecanismo de radiación Cuando dos cuerpos de temperaturas diferentes están separados por un vacío perfecto, no es posible la transferencia de calor entre ellos por conducción o convección, la transferencia de calor se realiza por radiación térmica. La energía radiante emitida por un cuerpo, debida a su temperatura, es transmitida en el espacio en forma de ondas electromagnéticas (Chamarro, E, Esplugas, S. 2005). La emisión o absorción de energía radiante por un cuerpo es un proceso en el que la radiación que se origina en el interior del cuerpo se emite a través de la superficie. La radiación que incide sobre la superficie de un cuerpo penetra en el medio, en donde es atenuada (Donald, R, P. 1979). No toda la radiación emitida es absorbida por un cuerpo, ya que una parte de esta es absorbida y la otra emitida. Idealmente existen cuerpos que absorben toda la energía radiante que incide sobre ellos, estos son llamados cuerpos negros. Los cuerpos tienen la siguiente clasificación de acuerdo al comportamiento con respecto a la radiación que incide sobre ellos:

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 Cuerpos opacos: son aquellos que absorben la mayor parte de energía radiante y la convierten en calor.  Cuerpos transparentes: son aquellos que dejan pasar la mayor parte de la energía radiante que incide sobre ellos.  Cuerpos reflexivos o espejos térmicos: son aquellos que reflejan la mayor parte de la radiación que incide sobre ellos. Los cuerpos de color negro y mate absorben la mayor parte de la radiación que incide sobre ellos. Para los cuerpos negros la radiación emitida desde ellos se expresa como: ( 4)

E∝T4

Donde la energía radiante (E) emitida por el cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del mismo. De acuerdo a los métodos experimentales y matemáticos de Stefan y Boltzman se determinó la constante de proporcionalidad ᵹ la cual tiene el siguiente valor: 0,56697 X 10 W/m2K4. Remplazando esta constante en la ecuación experimental se obtiene ( 5)

EᵹT4

Para calcular el flujo de calor por radiación se debe tener en cuenta un cuerpo emisor con área (A1) y temperatura (T1), y un cuerpo receptor con área (A2) y temperatura (T2), teniendo en cuenta que T1>T2. Cuando se tienen dos cuerpos negros e infinitos el flujo de calor por radiación para el cuerpo que absorbe toda la radiación se determina por: ( 6)

Esta ecuación de denomina la ley de Stefan-Boltzman.

1.8.4. Mecanismos simultáneos de transferencia de calor La conducción y la convección no existen simultáneamente. Puede haber: a) Radiación b) Conducción c) Convección

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d) Radiación + conducción e) Radiación + convección

1.9. VACÍO De acuerdo con la definición de la Sociedad Americana de Vacío (1958), el término vacío se refiere a cierto espacio lleno con gases a una presión total menor que la presión atmosférica, por lo que el grado de vacío se incrementa en relación directa con la disminución de presión del gas residual. Esto significa que en cuanto más disminuyamos la presión, mayor vacío obtendremos, lo que nos permite clasificar el grado de vacío. Según Talavera, L. Farías, M. (1995) se puede hablar de:  Vacío relativo: también conocido como presión negativa o vacío negativo (en inglés gauge vacuum). Presión menor a la presión atmosférica local, medida con respecto a la presión atmosférica.  Cero absoluto: presión nula que se obtendría en el caso ideal de la ausencia total de moléculas.  Presión absoluta: presión que se mide respecto a la presión de cero absoluto, la presión atmosférica es un ejemplo de la presión absoluta.  Vacío absoluto: vacío que se mide con respecto al cero absoluto, como una presión absoluta de gas, menor a la presión atmosférica.  Bajo vacío: (LV) en inglés low vacuum, presión absoluta de gas en el alcance de 29.53 inHg a 0.03 inHg.  Medio vacío: (MV) en ingles medium vacuum, presión absoluta de gas en el alcance de 0.03 inHg a 2.95x10-5 inHg.  Alto vacío: (HV) en ingles high vacuum, presión absoluta de gas en el alcance de 2.95x10-5 inHg a 2.95x10-7 inHg.  Ultra alto vacío: (UHV) en ingles ultra high vacuum, presión absoluta de gas menor a 2.95x10-7 inHg. Cada uno corresponde a intervalos de presiones cada vez menores. Cada intervalo tiene unas características propias, las cuales se pueden evidenciar en la ilustración 4.

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Ilustración 4 Alcances de vacío

Fuente La guía de metas boletín de metrología marzo 2002

1.9.1. Sistemas de vacío Los sistemas para obtener vacío constan de 4 elementos principales:  Cámara de vacío: es un recipiente cerrado donde se pretende eliminar los gases.  Accesorios: que comprenden los elementos pasivos necesarios que conectan los restantes elementos del sistema. Incluyen las tuberías de vacío que se usan para las conexiones, las llaves o válvulas de vacío que aíslan unas partes del sistema de otras y el conjunto del exterior, las juntas de vacío para evitar pérdidas, los pasa muros para introducir los cables eléctricos en el sistema, etc.  Las bombas de vacío, que son los elementos activos capaces de crear una diferencia de presión entre sus salidas extremas.  Los manómetros o sistemas de medida de la presión alcanzada en la cámara de vacío (Carranza, M. 1998).

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Un sistema de vacío funciona principalmente por dos características:  Velocidad de bombeo.  Diferencial de volumen en un determinado tiempo. 1.9.2. Equipos de secado con vacío A partir del descubrimiento de la existencia del vacío realizado por Galileo en el siglo XVII, éste se ha estudiado y empleado en la creación de equipos los cuales facilitan procesos básicos como la remoción de partículas; con la invención de la aspiradora, la remoción de humedad de alimentos, concentración de jugo de frutas y leche, entre otros. Estos son algunos ejemplos del uso y la aplicación del vacío en equipos para la industria, los cuales permiten trabajar a bajas temperaturas y bajas presiones. En la industria el empleo de equipos de secado con vacío no es muy común debido a los altos costos que estos tienen, en comparación a equipos de secado convencionales (Andrés, G, Et al. 2001). En el mercado internacional, actualmente se encuentran una variedad de equipos de secado al vacío de las marcas comerciales como MAGUIRE, AMIXON, HEINKEL, IKA, NOVATEC (Direct Industry 2012), pero por sus altos costos y la tecnología que estos emplean no es de fácil acceso para el público la información de los mismos o las fichas técnicas de operación, por lo cual existe poca bibliografía acerca de este tipo de equipos. De los equipos de secado al vacío los más comunes son:

1.9.2.1.

Secado en estufa de vacío

Estos equipos operan con una salida de aire constante, teniendo en cuenta que la presión no exceda los 3.94 inHg y una temperatura de 343.15 Kelvin, Según Nollet, L.M. (1996) las estufas de secado al vacío se basan en el principio fisicoquímico, que relacionan la presión de vapor con la presión del sistema a una temperatura dada.

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Ilustración 5 Estufa de vacío

Fuente www.solostocks.com

1.9.2.2.

Secador al vacío con anaqueles

Estos equipos operan por calentamiento indirecto, del tipo de lotes. Éste secador consta de un gabinete construido en acero o hierro con puertas herméticas, dentro de la cámara se encuentran los anaqueles, los cuales se calientan por conducción, ya que estos están en contacto con ductos que transportan vapor de agua. Ilustración 6 Secador al vacío con anaqueles

Fuente www.spanish.alibaba.com

1.9.2.3.

Secador de cinta a vacío

Es un secador con una banda sin fin de teflón montada en un cilindro horizontal de acero inoxidable, este se mantiene a vacío. El equipo opera con cinco intercambiadores de calor planos que ayudan a secar el producto los cuales están en contacto con una banda transportadora, la cual se debe mover a una velocidad de 5 a 25 cm/min, esto provoca una evaporación paulatina, al final del secador un dispositivo raspa el sólido de la banda y lo evacua en un recipiente (Unidad de Desarrollo Tecnológico, 2005).

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Ilustración 7 Secador cinta de vacío

Fuente www.spanish.alibaba.com

1.10.

ECUACIONES EMPLEADAS PARA EL CÁLCULO DEL EQUIPO

En el diseño del equipo de secado al vacío intervienen un conjunto de ecuaciones con las cuales se pueden predecir y calcular los valores que se emplearan para: conocer las dimensiones del equipo, bomba de vacío requerida, resistencias eléctricas, cantidad de aislante requerido, transferencia de calor.

1.10.1. Ecuaciones para el cálculo de transferencia de calor por conducción Para determinar el flujo de calor se utilizara la ecuación de Fourier: ( 7)

Dónde: Q es el flujo de calor; es el diferencial de temperatura y R es la resistencia por conducción (Geankoplis, 1998). Para determinar la resistencia por conducción se tiene: ( 8)

Dónde: R es la resistencia; r1 es el radio interno de la cámara y r2 es el radio externo de la cámara; K es el coeficiente de conductividad térmica y A es el área (Geankoplis 1998).

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1.10.2.

Cálculo del espesor del aislante

Para determinar el espesor del aislante se tiene la siguiente ecuación que viene de la combinación de las ecuaciones 7 y 8:

( 9)

Dónde es la resistencia del material aislante. R1 es la sumatoria de las resistencias de materiales diferentes al aislante. Despejando r2 de la ecuación 10 se tiene: ( 10)

Dónde: r2 es el espesor del aislante; es el diferencial de temperatura; q es el flujo de calor; K es el coeficiente de conductividad térmica; A es el área; R1 es la sumatoria de las resistencias de materiales diferentes al aislante, r3 es el radio exterior que cubre al aislante.

1.10.3.

Cálculo de la bomba de vacío

1.10.3.1. Cálculo del flujo volumétrico de la bomba Según Weissler (1979) el caudal es el volumen de aire o de gases que se desplaza por unidad de tiempo, también se puede definir como velocidad de fluido por el área transversal del ducto que atraviesa. S es el flujo volumétrico de la bomba de vacío. ( 11)

Weissler (1979) dice que dentro de las aplicaciones de las bombas de vacío se tiene el proceso de evacuación de recipientes y las siguientes ecuaciones ayudan a evaluar este proceso:

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( 12)

( 13)

Dónde: V es el volumen del recipiente en litros; P1 presión inicial generalmente la presión atmosférica (29.92 inHg); P presión que se desea alcanzar en inHg; t tiempo de evacuación en segundos; Sr velocidad real de aspiración en litros/segundos 1.10.4.

Cálculo de la potencia de la resistencia eléctrica

Para el cálculo de la potencia requerida de la resistencia que se va a emplear para el calentamiento de la cámara de vacío, se empleará la siguiente ecuación: ( 14)

Dónde: W es la potencia en watts. K coeficiente de convección térmica dada en W/m2 *°C. S Área dada en m2. Tdmin temperatura interna mínima deseada dada en °C. Temin temperatura ambiente mínima dada en °C. (Schneider Electric, Consultado el 24 de mayo de 2013).

1.11.

SISTEMAS DE CONTROL PID

Un PID es un sistema de control el cual funciona por retroalimentación y calcula la desviación o error entre un valor medido y el que se quiere obtener y lo ajusta al valor deseado para un proceso, los controladores PID incluyen tres acciones las cuales son proporcional (P), integral (I) y derivativo (D).  (P) acción de control proporcional: el sistema proporcional se encarga en captar la señal de error del producto, para lograr que el error llegue a un estado próximo a cero.

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 (I) acción de control integral: el sistema de control integral tiene como objetivo disminuir el error, obtenido del sistema proporcional, interactuando cuando se tiene una desviación de la variable; este sistema corrige las desviaciones obtenidas en el proceso brindando mayor exactitud.  (D) acción de control derivativo: la función del sistema derivativa es hacer la corrección del error de la forma más rápida posible evitando que este se incremente (Mazzone V. 2002). Ilustración 8 Sistema de control PID

Fuente www.mn-rbts.blogspot.com

1.11.1.

Microcontrolador

Los microcontroladores son dispositivos electrónicos capaces de llevar procesos lógicos. Estos procesos son programados en un lenguaje ensamblado por un usuario, y son introducidos a este a través de un programa, los cuales son capaces de controlar procesos lógicos (Aguayo P. 2004).

1.11.2.

Sensor de temperatura

La temperatura es una de las variables que se deben controlar en los procesos de secado, existen diferentes tipos de sensores con los cuales podemos medir la temperatura dentro de una cámara de vacio entre los más comerciales se tienen los termistores, termopares y sensores de estado sólido.  Termistores: son conductores los cuales cambian su resistencia eléctrica cuando se someten a cambios de temperatura.

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Ilustración 9 Termistores

Fuente www.recursostic.educacion.es

 Termopares: son transductores que constan de 2 metales diferentes u otros materiales fundidos o unidos, la unión de estos materiales produce un voltaje cuando este es expuesto al calor. Ilustración 10 Termopares

Fuente www.jmi.com.mx

 Sensor de estado sólido: este sensor consta de la unión de un diodo rectificador de esta solido conectado a un óhmetro, la resistencia del diodo cambia conforme la temperatura cambia, si la temperatura aumenta la resistencia del diodo crece o viceversa (Carrillo, A. J 2003).

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Ilustración 11 Sensor de estado sólido

Fuente www.directindustry.es

1.11.3.

Sensores de presión

Son dispositivos los cuales permiten medir diferentes presiones, que al variar provocan un cambio y emiten una señal eléctrica (López J. 2005), los cuales pueden ser:  Strain Cage: es una variación en la resistencia que puede proporcionar una señal de presión.  Sistemas capacitivos: es la capacidad de modificar la distancia entre dos placas, los desplazamientos ocurridos por el cambio de presión generan una señal adecuada de salida.  Tecnología de resonante: es cuando se somete un elemento flexible a diferentes niveles de tensión mecánica, la resonancia de este elemento es directamente proporcional a la tensión aplicada.  Sistemas piezoeléctricos: consiste en el cambio de ciertas características de los elementos que son sometidas a cambios eléctricos, estas señales pueden sensarse.  Tecnología reluctancia variable: se componen de dos núcleos magnéticos fijados a dos diafragmas del sensor, desplazándose y teniendo un cambio de reluctancia que transforma la señal en una salida. (López J. 2005).

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2. METODOLOGÍA Para el diseño y construcción del secador al vacío, se tuvo en cuenta los elementos, materiales y geometría de la cámara que componen el equipo de secado. Se evaluaron características de funcionamiento, costo y resistencia en condiciones de vacío. Posteriormente se realizaron pruebas técnicas y de funcionamiento de cada uno de los elementos, determinando cuáles cumplen con los requisitos técnicos y económicos, para llevar a cabo la construcción y puesta en marcha del equipo. 2.1. DETERMINACIÓN DE LA GEOMETRÍA PARA LA CÁMARA DE VACÍO Se plantearon dos opciones para la geometría de la cámara de vacío y se evaluaron las siguientes características: Facilidad de maquinado, hermeticidad, resistencia a la implosión, consumo de acero para la construcción, costo y facilidad de limpieza. 2.1.1. Propuesta 1 Geometría Cubica Se planteó una cámara de vacio con una geometría cubica. Ilustración 12. Propuesta Geometría Cubica

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2012)

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2.1.2. Propuesta 2 Geometría Cilíndrica Se planteó una cámara de vacío la cual tendrá una geometría cilíndrica. Ilustración 13 Propuesta Geometría Cilíndrica

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

2.2. SELECCIÓN DE ELEMENTOS DEL EQUIPO. El equipo de secado al vacío se acondicionó con los siguientes elementos, los cuales se seleccionaron de acuerdo a las necesidades de operación (Andrés, G. et al 2001).       

Bomba de vacío Instrumentos de medición (sensores de presión y temperatura, vacuometro) Filtro de retención de agua Resistencias térmicas Electro válvula Software Tera Term Pro Computador

2.2.1. Bomba de vacío Se buscó en el mercado nacional tres tipos de bombas de vacío diferentes, se solicitaron especificaciones técnicas como capacidad de arrastre o generación de vacío, potencia y voltaje, obteniendo la siguiente información:  Bomba de vacío en sello liquido: es una bomba de fácil funcionamiento requiere de alimentación continua de agua. Una bomba marca Rulce de 1½ caballos de potencia y 220/440 voltios, la cual logra un vacío de 14 inHg.

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 Bomba de vacío sello de aceite: es una bomba de marca Busch, cuenta con un motor de ½ caballo de potencia, con el cual se logra un vacío de 23 inHg.  Bomba de vacío rotativa de paletas deslizantes: es una bomba de bajo nivel sonoro, funciona con un motor de 1000 rpm de 110 voltios, con la cual se logra un vacío de 13 inHg.

2.2.2. Vacuometro Se verificó la presión de la cámara con respecto a la lectura registrada por el sensor de presión, mediante el uso de un vacuometro. Se evaluaron dos tipos de vacuometro, seleccionando el menos costoso.  Vacuometro análogo marca Mouma Fina, con un rango de medida de 0 – 30 inHg y de 0 – 1bar. Costo $ 80.000.  Vacuometro Ashcroft 45-1010-A-02B-30/0IMV, conexión lateral y trasera, rango de medida, 0 – 30 inHg. Costo $ 220.000.

2.2.3. Sensor de presión Se evaluaron tres tipos de sensores de presión, los cuales se encuentran actualmente en el mercado, y se seleccionó el más conveniente por sus características técnicas y por su costo.  Sensor de presión MPXM2102 que proporciona una salida de voltaje exacta y lineal-directamente proporcional a la presión ejercida por la bomba, costo $50.000, Marca Motorola.  Sensor SCX01DN internamente calibrado y compensado por variación de temperatura para dar una salida estable y precisa en un rango amplio de operación de 0 a 70°C, presión de lectura 40 inHg, costo $ 164.000, Marca Honeywell.  Sensor SSC sensor de silicio piezo resistivo, rango de presión de 2 – 300 inHg, exactitud de ± 0,25 %. Marca Honeywell.

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2.2.4. Sensor de Temperatura En el mercado nacional se encuentra gran variedad de sensores de temperatura, para este caso se evaluaron tres tipos de sensores los cuales debían cumplir con unas características determinadas, como resistencia a la humedad y costo.  Sensor de la serie LM35 circuito integrado de precisión, el cual garantiza un rango de exactitud en la medición de la temperatura, con una desviación del 0.05 %.  Circuito integrado sensor DS18S20 tiene un rango de medida de -323.15 a 398.15 Kelvin y tiene una precisión de +/- 0.5 Kelvin, este sensor no puede recibir directamente humedad.  Sensor de temperatura RTD este sensor tiene un margen de temperatura muy alto y tiene una desviación en la medida de 0.1 Kelvin por grado, tiene el inconveniente que es de un valor muy alto y se sobre calienta teniendo variación en sus lecturas.

2.2.5. Filtro para vapor de agua El filtro se empleó para atrapar el vapor de agua extraído de la cámara de vacío y garantizar, que este no pase hacia la bomba de vacío. Se evaluaron dos tipos de filtros:  Filtro marca moisés: alta capacidad de flujo, conexión tubería de ½ in, fabricado en polipropileno reforzado, cartucho en polipropileno. Temperatura máxima de operación 353.15 Kelvin.  Filtro para retención de agua modelo 303: diámetro del cartucho 2 ½ in, altura 5 in, temperatura máxima de operación 311.15 Kelvin, presión máxima de operación 254 inHg, marca Filsa.

2.2.6. Resistencia eléctrica Se estudiaron tres tipos de resistencias eléctricas con diferentes especificaciones, evaluando el tiempo de calentamiento y su consumo de energía.  Resistencia eléctrica de 110 V, de 40 cm de longitud y 5/16 de diámetro, la cual alcanzo una temperatura de 328 Kelvin, en aproximadamente 40 minutos.

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 Resistencia eléctrica de 110 V, de 90 cm de longitud y 5/16 pulgadas de diámetro, la cual genera calor suficiente para llevar la temperatura de la cámara a 338.15 Kelvin, en aproximadamente 20 minutos.  Resistencia eléctrica de 220 V, de 40 cm de longitud y 5/16 pulgadas de diámetro, esta alcanza una temperatura de 343.15 Kelvin en aproximadamente 15 minutos, esta genera un alto consumo de energía.

2.2.7. Electro Válvula Para el control de la presión mediante el uso del sistema PID, se acopló una electroválvula a la cámara de vacío. Se evaluaron dos tipos diferentes de electro válvulas, seleccionando la que haga un mejor control de la presión.  Electroválvula de ¼ in, alimentación de 110 V, con un orificio de 2,5 mm de diámetro, esta cuenta con un conector plástico EMC de dos posiciones, la cual controla la entrada de aire para mantener la presión dentro de los límites programados.  Electroválvula de acción directa de dos vías, válvula solenoide de actuación directa de 10 mm de diámetro, funcionamiento a 220 V y presiones de 0 a 305 inHg, marca Bimba Manufacturin.

2.2.8. Software Tera Term Pro Se empleó el softwareTera Term Pro, el cual es un emulador de Telnet que utiliza un lenguaje propio a la hora de ejecutar secuencias de comandos. El emulador funciona con distintos tipos de conexiones por puertos los cuales permiten obtener información en tiempo real del proceso.

2.2.9. Computador Se dispuso de un computador, en el cual se instaló el software tera term pro, para controlar las variables de presión y temperatura en el equipo, así como, visualizar la información de presión y temperatura del equipo en tiempo real. Este no viene incluido con el equipo.

46


2.3. SELECCIÓN DE MATERIALES Los materiales empleados en la construcción del equipo se rigen según el Decreto 3075 capítulo 2, el cual especifica los requerimientos mínimos que debe cumplir el equipo para el procesamiento de alimentos, dentro de los cuales están: Acero inoxidable. Aislante térmico. Puerta para la cámara de vacío. Tuberías y accesorios. 2.3.1. Acero inoxidable Existen una gran variedad de aceros inoxidables, los cuales contienen mínimo un 11% de cromo, este forma en la superficie del acero una capa muy fina que deja la superficie inerte a las reacciones químicas, por lo cual, es ampliamente usado en la industria de alimentos. Para la selección del acero se tuvo en cuenta, que este cumpla con los requerimientos del decreto 3075 y la norma ASTM A240-Tp304, 2.3.2. Aislante térmico Para aislar la cámara de vacío y disminuir las perdidas por transferencia de calor con el ambiente se evaluaron dos tipos de materiales:  Lana de vidrio marca PAVCO, minimiza las pérdidas de calor, ya que es un material con baja conductividad térmica (0.032 W/m K), su costo es de 12.500 pesos m2 y es de fácil adquisición.  Espuma de poliuretano marca Texsport, es un buen aislante térmico y minimiza las pérdidas de calor, tiene un coeficiente de conductividad térmica 0.045 W/m K y su costo es de 66.500 pesos m2. 2.3.3. Puerta cámara de vacío En la construcción de equipos, la puerta se realiza del mismo material con el cual se fabrica su estructura, o pueden ser puertas de vidrio templado. Para seleccionar el tipo de puerta a instalar se evaluó las ventajas y desventajas de los dos tipos de puerta.

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2.3.4. Tuberías y accesorios. Para realizar la conexión de la bomba de vacío con la cámara, y acoplar los diferentes accesorios, se evaluaron dos tipos de materiales los cuales por sus características técnicas soportan la presión de vacio generada por la bomba. Estos materiales son: PVC de ½ in y Acero inoxidable, para la selección del material más adecuado, se dio importancia al costo. En la tabla 1 se observa el costo comercial de la tubería. Tabla 1 Comparación tubo 6 metros

TIPO MATERIAL DE TUBO PVC ACERO INOXIDABLE

VALOR EN PESOS TUBO 6 M DE ½ in 11.000 98.150

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

2.4. CONSTRUCCIÓN DEL SECADOR AL VACÍO Para la construcción del equipo se llevó el material seleccionado a un taller de metalmecánica el cual cuenta una robladora, equipo de soldadura para acero inoxidable, cortadora de metal y pulidora, para poder realizar la cámara de vacío. 2.4.1. PERFORACIONES DE LA CÁMARA. 2.4.1.1.

Perforación para la succión de la bomba

Para determinar la perforación de la succión de la bomba de vacío se planteó que el vapor de agua deberá tener un periodo de enfriamiento, para evitar que este llegue de forma directa a la bomba. 2.4.1.2.

Perforación para la electroválvula

Se evaluó la posible ubicación de la electro válvula, la cual permita: que el aire atraviese las bandejas con producto, una fácil instalación y que no dificulte las conexiones eléctricas. De acuerdo a esto se hizo la perforación en el lugar seleccionado. 2.4.1.3.

Perforación resistencias eléctricas

Para la ubicación de las perforaciones de las resistencias eléctricas, se tuvo en cuenta el calentamiento de los productos a secar, el espacio disponible en la cámara y la ubicación de las bandejas.

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2.4.1.4.

Perforación para el sensor de temperatura

Para la ubicación del sensor de temperatura se tuvo en cuenta la ubicación de las resistencias eléctricas y las bandejas de secado, para obtener lecturas uniformes de la temperatura de la cámara.

2.5. SOPORTE PARA LAS BANDEJAS DE SECADO Se soldaron soportes para ubicar las bandejas de secado, estos deben facilitar la carga del equipo permitiendo retirar las bandejas de la cámara de vacío. Se plantearon dos opciones:  Soportes laterales para las bandejas de secado.  Soportes colgantes para las bandejas de secado.

2.6. BANDEJAS DE SECADO Para ubicar los productos a secar, la cámara de vacío se diseñó con bandejas las cuales permitan transferencia de calor al producto, paso de aire a través del alimento generado por la activación de la electro válvula y fácil limpieza. Se plantearon dos tipos de bandeja para la cámara de vacío:  Bandejas perforadas.  Bandejas sin perforar.

2.7. ACCESORIOS PARA LA CONEXIÓN DE LA BOMBA CON LA CÁMARA DE VACÍO Para realizar la conexión de la bomba de vacío con la cámara, se propuso dos tipos de acoples de diferentes materiales, los cuales deben cumplen características como: higiene, costo y fácil de obtener en el mercado nacional.

2.8. ESTRUCTURA PARA LA BASE DEL EQUIPO Para la estructura del equipo tuvo en cuenta un material fácil de maquinar, con disponibilidad en el mercado nacional y con un bajo costo.

49


2.9. SOPORTE FILTRO RETENCIÓN DE HUMEDAD Para el soporte del filtro se evaluaron dos posibles materiales que cumplieran con la función de soportar el filtro de retención de humedad, los dos materiales que se evaluaron son:  Soporte metálico.  Soporte plástico.

2.10.

UNIVERSAL DE PVC

Se evaluó la facilidad del mantenimiento de la bomba, buscando la posibilidad de desmontarla sin que esto incurra en gastos adicionales o pueda causar daños en el equipo de secado al vacío. 2.11.

INSTALACIÓN DE LA BOMBA DE VACÍO

Se evaluó la instalación de la bomba de vacío en un lugar adecuado el cual facilite su transporte, manipulación y mantenimiento.

2.12.

EVALUACIÓN DEL EQUIPO

Para la evaluación del equipo, se realizaron pruebas de secado a una presión y temperatura determinada, con piña de la variedad manzana. Posteriormente se hicieron curvas de % de pérdida de humedad y de velocidad de pérdida de humedad con los datos obtenidos, demostrando que el equipo cumplió con el objetivo de su diseño y construcción, secar alimentos a presiones de vacío y bajas temperaturas.

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3. RESULTADOS Para el diseño y construcción del secador al vacío, se contó con la asesoría, de personal calificado en áreas de diseño, construcción y automatización. 3.1. DETERMINACIÓN DE LA GEOMETRÍA PARA LA CÁMARA DE VACÍO. Inicialmente se procedió a seleccionar la forma que tendrá la cámara de vacío del equipo, de acuerdo a la metodología planteada, la revisión bibliográfica y las condiciones de trabajo del secador. Se realizó una evaluación objetiva teniendo en cuenta las características más importantes en el diseño y construcción de cámaras de vacío, apoyándonos en la opinión y asesoría de las personas involucradas en el proyecto, calificando de 1 a 5 cada característica, donde 1 es menos favorable y 5 más favorable, la propuesta que alcance mayor puntuación será la seleccionada. Tabla 2 Evaluación propuesta geometría

PROPUESTA 1 GEOMETRÍA CUBICA 5

PROPUESTA 2 GEOMETRÍA CILÍNDRICA 3

Hermeticidad

3

5

Resistencia a la implosión

3

5

Consumo de acero para la construcción

3

5

Costo

4

5

Facilidad de limpieza

3

5

TOTAL PUNTAJE

21

28

CARACTERÍSTICA EVALUADA Facilidad de maquinado

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

Como se puede observar en la tabla 2 la propuesta 2 (Geometría cilíndrica) obtuvo la mayor calificación, por lo cual se considera como la propuesta escogida para la geometría que consta de un cilindro que tendrá las siguientes dimensiones diámetro 0,30m y una altura de 0,25m y una toriesfera con las siguientes dimensiones diámetro de 0,30m y una altura de 0,09m, además esta decisión se soporta, con lo expresado por Talavera, L. Farías, M. (1995) donde afirma que la geometría más recomendada para la construcción de una cámara de vacío es la cilíndrica, debido a que la característica más importante es la resistencia del material a la presión atmosférica ejercida sobre ella.

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3.2. SELECCIÓN DE ELEMENTOS Y MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO 3.2.1. Elementos del equipo De acuerdo a la metodología planteada y a las características de cada uno de los elementos evaluados se seleccionaron los siguientes materiales y elementos para la construcción del equipo de secado al vacío: 3.2.1.1.

Bomba de vacío

Se selecciono la bomba de vacío sello de aceite de marca Busch, la bomba está dentro del presupuesto establecido y alcanza una presión de vacío de 23 inHg, con esta se logra un caudal de succión de 0,0207 m3/s ver anexo 1 a esta presión el punto de ebullición se logra a una temperatura inferior de 338.15 Kelvin. Con la bomba de vacío en sello líquido se alcanzan presiones de vacío de 14 inHg, pero el costo de esta es muy alto y se requiere una alimentación continua de agua, generando un costo adicional. 3.2.1.2.

Vacuometro

Se seleccionó el Vacuometro análogo marca Mouma Fina ya que es menos costoso, además este nos garantiza dos lecturas; en inHg y en bar, el vacuometro Ashcroft 45-1010-A-02B-30/0IMV solo reporta inHg. 3.2.1.3.

Sensor de presión

Se hicieron pruebas de lectura de presión, con los dos sensores en la cámara de vacío, tomando como referencia el vacuometro seleccionado Mouma Fina, donde el sensor MPXM2102 mostro mejores lecturas con relación a manómetro de referencia. Se analizaron los datos obtenidos de esta prueba mediante el uso estadístico de desviación estándar, donde se evidencia que el sensor MPXM2102 tuvo una desviación de 0,58 lo cual da mayor confianza en los datos tomados en comparación con el sensor SCX01DN el cual la desviación fue 1,4 dando menor precisión en las lecturas. Ver anexo 2. 3.2.1.4.

Sensor de temperatura

Después de evaluar el funcionamiento de los tres sensores de temperatura se optó por utilizar el sensor serie LM35 circuito integrado de precisión, el cual presento mayor exactitud en la medición de la temperatura y resistió la humedad presente en la cámara ver ilustración 14.

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Ilustración 14 Prueba sensor temperatura

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

El circuito integrado sensor DS18S20 presento gran exactitud en el registro de los datos pero al contacto con la humedad de la cámara presento fallas. 3.2.1.5.

Filtro para vapor de agua

Al equipo se instaló un filtro Moisés de retención de Humedad, ya que sí está pasa a la bomba de vacío causará serios daños en los mecanismos de la misma, en la ilustración 15 se puede notar el daño que sufre el aceite si no se usa el filtro. El agua en el aceite hace que este se emulsifique y tome un aspecto lechoso, lo cual reduce la fuerza de su película, permitiendo el contacto entre piezas y dañando los mecanismos de la bomba, WIDMAN, R (2005).

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Ilustración 15 Aceite contaminado con agua

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

3.2.1.6.

Resistencia eléctrica

La resistencia eléctrica seleccionada fue la de 110 V, de 90 cm de longitud y 5/16 de diámetro ver ilustración 16, la cual generan calor suficiente para llevar la temperatura de la cámara a 338.15 Kelvin, en aproximadamente 20 minutos, según su potencia calculada ver anexo 3. Ilustración 16 Ubicación de las resistencias

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

3.2.1.7.

Electro válvula

Se selecciono la electroválvula de ¼ in, ya que cuenta con una alimentación de 110 V esté es el voltaje con el que trabaja el equipo. 3.2.1.8.

Software Tera Term Pro

Este software se seleccionó de acuerdo a la recomendación del asesor externo, por su fácil manejo y porque nos permite ver un historial de las variables en el proceso.

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3.2.2. SELECCIÓN DE MATERIALES 3.2.2.1.

Acero inoxidable

El acero inoxidable 304 es el más apropiado para la construcción del equipo, según la norma ASTM A240-Tp304. El acero 304 de uso para alimentos cumple las siguientes características:      

Resistencia a la corrosión Factor de higiene y limpieza Fácil de maquinar Excelente soldabilidad No presenta cambios estructurales con tratamientos térmicos Se puede emplear en altas y bajas temperaturas

Las 2 primeras características cumplen con lo establecido en el decreto 3075 capitulo 2 articulo 11. 3.2.2.2.

Aislante térmico

Se empleó lana de vidrio como aislante térmico, para disminuir pérdidas de calor, ya que es un material con baja conductividad térmica 0.032 W/m°k, en comparación con el coeficiente de la espuma de polietileno que es de 0.045 W/m°k. Por otro lado el costo de lana de vidrio es más bajo a diferencia de la espuma de polietileno. De acuerdo a los cálculos realizados ver anexo 4 es más económico utilizar lana de vidrio ver tabla 3. Este material garantiza la estabilidad térmica dentro de la cámara de vacío, evitando perdidas de energía en forma de calor, la cual se disipa al ambiente debido al diferencial de temperatura existente. Tabla 3 Comparación costos del aislante

AISLANTE Lana de vidrio (PAVCO) Espuma de polietileno (Texsport)

COSTO EN PESOS m2

CANTIDAD REQUERIDA m2

COSTO TOTAL EN PESOS

12.500

0.459

5.800

66.500

0.459

30.530

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

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3.2.2.3.

Puerta cámara de vacío

En la tabla 4 se realizo la evaluación de las ventajas y desventajas de la puerta que se instalo en el equipo. Tabla 4 Evaluación puerta cámara de vacío.

POSIBLE SOLUCIÓN

Puerta de vidrio

VENTAJA  Permite observar el proceso.  Es más liviana.  Baja conductividad térmica.  Bajo costo.  Fácil limpieza.

 Fácil limpieza.

Puerta metálica

DESVENTAJA

 Ninguna.

 No permite observar el proceso.  Es más pesada.  Alta conductividad térmica.  Costo elevado.

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

La puerta seleccionada de acuerdo a las ventajas presentadas en la tabla 4 es la puerta de vidrio templado. 3.2.2.4.

Tuberías y accesorios

Para realizar la conexión de la bomba de vacío con la cámara se seleccionó tubería y accesorios en PVC de ½ in, ya que este material soporta presiones hasta de 1018 inHg es de bajo costo y fácil adquisición ver tabla 1.       

Válvula de globo Codo de 90° T Adaptador Adaptador hembra soldado Unión universal Reducción de ½ a ¾

Otros Accesorios  Miple de ¾ en acero  Racor en bronce 1 in

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3.3. CONSTRUCCIÓN DEL SECADOR AL VACÍO Después de realizar la selección de los diferentes elementos del equipo se ensambló y adecuó en una unidad que se denominara secador al vacío, el cual permitirá controlar de una forma sistematizada dos variables como lo son la temperatura y la presión, además de esto se podrá visualizar dentro del equipo el proceso de deshidratación de los alimentos. 3.3.1. Cámara de vacío Se realizó la construcción de la cámara con el material recomendado con base en los cálculos realizados para el espesor del material ver anexo 5, teniendo las medidas, se procedió a rolar y soldar el acero para la construcción de la cámara de vacío, se hizo un cilindro con una altura de 0,25m y un diámetro de 0,30m, en la parte de atrás de la cámara se soldó una toriesfera con las siguientes dimensiones 0,09 m de altura y un diámetro de 0,30 m para formar la cámara de vacío ver ilustración 17. Ilustración 17 cámara de vacío.

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

3.3.2. PERFORACIONES DE LA CÁMARA 3.3.2.1.

Perforación para la Succión de la bomba.

Se realizó la perforación para ubicar la succión de la bomba de vació en la parte superior de la cámara, ya que así se logra que el vapor logre un recorrido adecuado para su enfriamiento; por lo cual se descarto realizar esta perforación por un costado ver ilustración 18.

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Ilustración 18 Orificio succión de la bomba de vacío

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

3.3.2.2.

Perforación electro válvula

Se evaluaron dos posibles ubicaciones en la parte lateral e inferior de la cámara, en la tabla 5 se presentan las ventajas y desventajas de cada una de estas. Tabla 5 Evaluación perforaciones electro válvula

POSIBLES SOLUCIONES

VENTAJA

Perforación lateral electroválvula.

 Ninguna.

Perforación inferior electroválvula.

 Facilita su instalación, permite que el aire atraviese las bandejas de secado.  Las conexiones se pueden realizar de una forma más fácil.

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

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DESVENTAJA  Dificulta la instalación,  No permite que el aire atraviese las bandejas de secado.  Aumenta el volumen exterior del equipo.

 Ninguna.


Según la tabla 5 la perforación inferior es más factible para la instalación de la electro válvula reguladora de presión ver ilustración 19. Ilustración 19 Perforación electro válvula

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

3.3.2.3.

Perforación resistencias eléctricas

Se evaluaron los lugares donde se pueden ubicar las resistencias eléctricas, que brinden un mejor calentamiento para los productos, en la tabla 6 se presentan las ventajas y desventajas de los lugares sugeridos. Tabla 6 Evaluación perforación resistencias electricas.

POSIBLE SOLUCIÓN 

Perforación superior e inferior de las resistencias.

  

VENTAJA Permite tener más espacio dentro de la cámara de vacío. Permite el aumento de temperatura de una forma uniforme. El calentamiento se genera directamente por radiación. El calentamiento se genera directamente por radiación.

Perforación lateral de las resistencias

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

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DESVENTAJA  La parte que está cerca a la puerta tiene perdida de calor más rápido.

 No permite que las bandejas para el producto se puedan colocar de una forma adecuada.  No se tiene un calentamiento uniforme en las bandejas.


Según la tabla 6 la ubicación superior e inferior de las resistencias eléctricas presentan un mejor desempeño ver ilustración 20 Ilustración 20 Resistencias eléctricas

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

3.3.2.4.

Perforación para el sensor de temperatura

Para le evaluación de la ubicación del sensor de temperatura se tienen en cuenta los aspectos relacionados en la tabla 7. Tabla 7 Evaluación perforación sensor de temperatura.

POSIBLE SOLUCIÓN

VENTAJA

Perforación superior sensor de temperatura

 Ninguna

Perforación lateral sensor de temperatura.

 En esta posición el sensor está en la mitad de las resistencias y nos registra una temperatura media.

DESVENTAJA  El vapor de agua puede alterar la medición del sensor,  Por su cercanía a las resistencias eléctricas los valores registrados pueden variar.  Dificulta el paso de las bandejas.  Puede ser dañado al manipular las bandejas.

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

Según la tabla 7 la ubicación del sensor de temperatura más adecuada es en la parte lateral de la cámara ver ilustración 21.

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Ilustración 21 Orificio sensor de temperatura

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

3.4. SOPORTES PARA LAS BANDEJAS DE SECADO Se evaluaron dos posibles soluciones para ubicación de los soportes de las bandejas ver tabla 8, donde se puede observar algunas ventajas y desventajas. Tabla 8 Evaluación soportes de las bandejas de secado.

POSIBLE SOLUCIÓN

Soportes laterales para las bandejas de secado.

Soportes colgantes para las bandejas.

VENTAJAS  Por su ubicación facilita la manipulación de las bandejas.  permite utilizar dos bandejas para mejorar la capacidad de carga del equipo.  Se pueden desmontar fácilmente.

DESVENTAJAS  Se puede golpear el sensor de temperatura.

 Es de más cuidado su instalación, se puede desarmar con un golpe.

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

Según la tabla 8 se soldaron cuatro soportes laterales sobre los cuales descansan las bandejas donde se ubicaran los alimentos a deshidratar ver ilustración 22.

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Ilustración 22 Soporte bandejas

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

3.5. BANDEJAS DE SECADO Se evaluaron las dos posibles soluciones planteadas ver tabla 9, para seleccionar la más adecuada. Tabla 9 Evaluación bandejas de secado.

POSIBLES SOLUCIONES

Bandejas perforadas

Bandejas sin perforar

VENTAJAS  Permite el paso del aire y vapor de agua por las perforaciones.  Evita la condensación de vapor de agua.  Fácil limpieza  Tiene mayor transferencia de calor por conducción.  Fácil limpieza.

DESVENTAJAS  Necesita de un tratamiento térmico extra para que el acero no pierda su rigidez.

 No permite el paso de corrientes de aire.  Puede quemar el producto.

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

Según la tabla 9 las bandejas se hicieron en acero inoxidable 304 calibre 22. De acuerdo al espacio disponible en la cámara de vació, se ubicaran dos bandejas con las siguientes dimensiones 0,23m de largo por 0,29m de ancho, se realizaron perforaciones de 5/16 in en las bandejas cada 0,015m ver ilustración 23.

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Ilustración 23 Bandejas perforadas

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

3.6. ACCESORIOS PARA LA CONEXIÓN DE LA BOMBA CON LA CÁMARA DE VACÍO Para seleccionar el acople para la conexión de la cámara con la bomba de vacío se tienen en cuenta las características de la tabla 10. Tabla 10 Evaluación acople de conexión cámara con la bomba de vacío.

POSIBLES SOLUCIONES Acople en acero inoxidable

Acople metálico

VENTAJA  No se oxida.  Higiénico.

 Es de fácil acceso.  Es más barato.

DESVENTAJA  Es costoso,  Su maquinado se debe hacer en lugares especializados.  Se puede oxidar.  Necesita de una película de pintura para evitar que se dañe por el vapor de agua.

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

Para la instalación del acople de 1 in en metal se tuvo en cuenta las ventajas mostradas en la tabla 10, el acople se selló con silicona LOCTITE de alta temperatura para evitar posibles pérdidas de presión, en este se acoplo un tuvo en PVC el cual soporta presiones de hasta 1018 inHg, y se fijó un adaptador macho de ½ in. Se ubicó un vacuometro a 0,17m de la salida de la cámara para realizar lecturas del grado de vació, posteriormente se ubicó una válvula de bola soldada para mantener el vació dentro de la cámara en caso de fallas eléctricas ver ilustración 24.

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Ilustración 24 Acople, vacuometro, válvula de bola

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

3.7. ESTRUCTURA PARA LA BASE DEL EQUIPO Para la construcción de la base del equipo se evaluaron dos tipos de materiales ver tabla 11. Tabla 11 Evaluación material estructura del equipo.

POSIBLES SOLUCIONES  Estructura metálica del equipo

  

VENTAJA El material se deja maquinar de una forma más fácil. Es de bajo costo. Fácil adquisición en el mercado. No se oxida.

Estructura en acero inoxidable

DESVENTAJA  Se necesita de una base pintura para evitar que se oxide.  Es un material muy costoso.  Su maquinado se debe hacer con maquinaria especial.

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

Según la tabla 11 la estructura metálica del equipo se construyó en ángulo de 1in por 3/16 in y platina de 1in por 3/16 in, con las siguientes medidas alto 0,82, ancho 0,74 y profundidad 0,50 ver ilustración 25.

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Ilustración 25 Estructura base del secador

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

3.8. SOPORTE FILTRO RETENCIÓN DE HUMEDAD Se evaluaron los posibles materiales con los que se pueden fabricar el soporte para el filtro de retención de humedad, ver tabla 12. Tabla 12 Evaluación soporte del filtro.

POSIBLES SOLUCIONES Soporte metálico filtro retención humedad

Soporte plástico filtro retención de humedad

VENTAJA  Soporta mejor la vibración del equipo.  Su maquinado es más fácil.  Es liviano, no necesita de recubrimiento.

DESVENTAJA  Se necesita de un recubrimiento para evitar que se oxide.  Se puede romper por vibración, su maquinado es más difícil.

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

Según la tabla 12 se escogió un soporte metálico, para fijarlo a la estructura de la unidad de secado y en este asegurar el filtro de retención de humedad ver ilustración 26.

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Ilustración 26 Soporte filtro retención de Humedad

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

3.9. UNIVERSAL DE PVC Para el desmontaje de la bomba y su mantenimiento se evaluó el uso y no uso de una universal de PVC ver tabla 13. Tabla 13 Evaluación universal de PVC.

POSIBLES SOLUCIONES Uso de universal PVC

No uso universal de PVC

VENTAJA  Permite desmotar la bomba cuando sea necesario.  Hace que el sistema sea más sellado.

DESVENTAJA  Puede tener fugas de presión.  No permite desmontar la bomba para mantenimiento.

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

Según la tabla 13 se instaló una universal de PVC para facilitar el desmontaje de la bomba para su mantenimiento ver ilustración 27.

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Ilustración 27 Universal PVC

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

3.10.

INSTALACIÓN DE LA BOMBA DE VACÍO

Para la instalación de la bomba de vacío se evaluaron dos posibles soluciones que se presentan en la tabla 14. Tabla 14 Evaluación instalación de la bomba de vacío.

POSIBLES SOLUCIONES Bomba de vacío instalada a la cámara de vacío (unidad de secado).

VENTAJA  Permite tener todos los aditamentos en una unidad compacta denominada secador de vacío.  Más fácil para transportar.  Permite que el secador sea menos pesado.

Bomba de vacío separada de la unidad de secado.

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

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DESVENTAJA  Hace que la unidad de secado de vacío sea más pesada.

 Se necesitan de más conexiones.  Puede presentar fugas.  Su transporte te hace más difícil.  Disminuye la vida útil de las conexiones debido a la manipulación.


De acuerdo a la tabla 14 se fijo la bomba de vacío al soporte de la unidad de secado ver ilustración 28. Ilustración 28 Bomba de vacio

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

3.11.

INSTALACIÓN DE LA PUERTA DE LA CÁMARA DE VACÍO

Se instaló una puerta de vidrio templado de 6 mm de espesor, la cual permitirá visualizar el proceso de secado ver ilustración 29. Ilustración 29 Puerta vidrio templado

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

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3.12.

INSTALACIÓN DEL SENSOR DE TEMPERATURA

Se realizó la instalación del sensor de temperatura ilustración 30. Ilustración 30 Sensor temperatura

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

3.13.

INSTALACIÓN SENSOR DE PRESIÓN

Se realizó la instalación del sensor de presión ver ilustración 31. Ilustración 31 Sensor de presión

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

3.14.

SISTEMA DE CONTROL PID

Se realizó la conexión del sensor de temperatura y el sensor de presión al sistema de control PID ilustración 32.

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Ilustración 32 Sistema de control

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

3.15. CONEXIÓN DE LA ELECTRO VÁLVULA A LA CÁMARA DE VACÍO Se realizó la conexión de la electro válvula a la cámara de vacío ver ilustración 33. Ilustración 33 Electro válvula con control

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

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3.16.

INSTALACIÓN DE CABLES A CAJA DE CONTROL

Se realizó la instalación de los cables de señal electica a la caja de control ver ilustración 34. Ilustración 34 Caja de control

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

3.17.

RECUBRIMIENTO DE LA CÁMARA DE VACÍO

Se realizó el recubrimiento de la cámara de vacío con una capa aislante de lana de vidrio, para disminuir pérdidas de temperatura por transferencia de calor con el ambiente ver ilustración 35. Ilustración 35 Aislante térmico

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

3.18.

PARTE EXTERIOR DEL EQUIPO

Se recubrió el equipo con una capa en acero inoxidable 304 calibre 22, la cual será la parte exterior del equipo ver ilustración 36.

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Ilustración 36 Recubrimiento exterior

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

3.19.

EVALUACIÓN DEL EQUIPO

Se realizaron pruebas de secado a una presión de 22 InHg y a una temperatura de 60 grados centígrados por 300 minutos con intervalos de 30 minutos. Tabla de datos anexo 6. 3.19.1.

ANÁLISIS % PERDIDA DE HUMEDAD.

Para determinar el % de pérdida de humedad se graficaron los resultados de la tabla 15. Tabla 15 % perdida de humedad.

TIEMPO EN MINUTOS % DE PERDIDA DE HUMEDAD 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

0,00 2,00 4,65 12,15 20,21 36,74 39,21 54,38 55,63 57,38 58,89

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

72


Ilustración 37 %perdida de humedad.

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

Como se puede observar en la ilustración 37, del tiempo 0 a los 300 minutos, se tuvo una pérdida de humedad del 58.89%, demostrando que el equipo ésta deshidratando a las condiciones de presión y temperatura programadas. 3.19.2.

ANALISIS VELOCIDAD PERDIDA DE HUMEDAD.

Para determinar la velocidad de pérdida de humedad se graficaron los resultados de la tabla 16. Tabla 16 Velocidad perdida de humedad.

TIEMPO EN MINUTOS VELOCIDAD 0 0,00 30 0,06 60 0,07 90 0,11 120 0,14 150 0,21 180 0,18 210 0,22 240 0,20 270 0,18 300 0,17 Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

73


Ilustración 38 Velocidad perdida de humedad.

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

Como se puede observar en la ilustración 38, del primer intervalo cero al intervalo de 150 minutos la velocidad de pérdida de humendad del producto fue creciente, del intervalo de 150 a 210 minutos la velocidad de pérdida de humedad se comportó constante y del intervalo de 210 a 300 minutos la velocidad de pérdida de humedad fue decreciente.

74


4. CONCLUSIONES  Se dimensionó y diseño un secador al vacío de acuerdo a los cálculos realizados, cuenta con una cámara de vacío con un diámetro de 0,30m, 0,25m de altura y una toriesfera de 0,30m de diámetro, 0,09m de altura, con un volumen de 0,02072 m3 y una capacidad de 250 gramos aproximados por lote de secado.  Se realizó la selección y evaluación de materiales para la construcción del equipo, estos cumplen con las normas establecidas por los entes de control en Colombia, los instrumentos de medición empleados para controlar las variables presión y temperatura registraron las lecturas programadas por el sistema de control.  Se construyó la unidad de secado al vacio, con los materiales y accesorios propuestos, adaptándole un sistema de control PID.  El sistema PID permite controlar las variables de presión y temperatura de una forma controlada, y con esto se pueden realizar estudios para diferentes alimentos variando las condiciones de presión y temperatura.  Se realizó la evaluación y puesta en marcha del equipo alcanzando presiones de vacío de 23 inHg en 1:40 minutos, se deshidrataron productos que perdieron aproximadamente 58 % de humedad en un tiempo de 300 minutos a 333.15 Kelvin.

75


5. RECOMENDACIONES  Se recomienda instalar un sensor el cual registre el peso del producto dentro de la cámara de vacío.  Se recomienda disponer de un equipo de cómputo permanente para la operación del equipo de secado.  Se recomienda instalar un sensor de humedad que nos permita tener una lectura de la humedad en tiempo real dentro de la cámara.  Se recomienda cambiar el manómetro análogo por uno digital, para tener una lectura de referencia más exacta.

76


ANEXOS

Anexo 1 Cálculo de caudal de la bomba de vacío  Calculo del volumen del cilindro Donde V es el volumen, r es el radio (0,15m), h es la altura (0,25m).

 Volumen de la toriesfera

Donde V es el volumen, r es el radio (0,15m), h es la altura (0,09m).

 Volumen total de la cámara es: VT=volumen del cilindro + volumen toriesfera

 Calculo caudal de la bomba (S)

Donde volumen es 0,02072 m3, tiempo es 1,40 s.

77


Anexo 2 Selección del sensor de presión  Calculo desviación estándar. La desviación estándar es una medida de centralización de datos, que se calcula mediante la raíz cuadra de la varianza. ( 15)

Donde: S es desviación estándar, sumatoria de datos, Yi datos, X promedio, N cantidad de datos. Ruiz, M, D. (2004) Se denomina A a las lecturas reportadas por sensor MPXM2102. Se denomina B a las lecturas reportadas sensor SCX01DN. Se denomina C a las lectura tomadas del vacuometro instalado en la cámara de vacío, el cual, esta calibrado y se usa de referencia para evaluar los dos sensores. Calculo desviación estándar de la lectura de los sensores

A 5 6 9 9 10 12 11 13 14 15 16 18 18 19 20 22 22 23 VARIANZA DESVIACION

B 3 5 8 10 11 13 11 15 15 16 17 19 20 19 21 23 21 23

A–C 0 -1 1 0 0 1 -1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0

C 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

A

B

0,33 0,58

2 1,4

(A - C)^2 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0

Fuente: Riaño, R. Romero, M. (2013)

78

B–C -2 -2 0 1 1 2 -1 2 1 1 1 2 2 0 1 2 -1 0

(B - C)^2 4 4 0 1 1 4 1 4 1 1 1 4 4 0 1 4 1 0


Anexo 3 Cálculo resistencia eléctrica  Cálculo del área del cilindro

Donde r es el radio (0,15m), h es la altura (0,25m).

 Área de la toriesfera

Donde r es el radio (0,15m), h es la altura (0,09m).  Área total de la cámara:

 Calculo de la resistencia eléctrica

Donde W potencia en Watts, k coeficiente de convección del acero, S área en m 2, Tdmin temperatura mínima deseada, Temin temperatura mínima ambiente.

79


Anexo 4 Cálculo del espesor del aislante  Datos: Coeficientes de conductividad térmica Kacero= 21,63 w/m°C Kfibra= 0,041 w/m°C Radios r1= 0,15 m r2= 0,2 m r3= 0,201 m  Para calcular las áreas se tiene una longitud L= 0,25 m A1= 2*π*L*r1= 2* π*0,25*0,15=0,235 m2 A2= 2*π*L*r2= 2* π*0,25*0,2=0,314 m2 A3= 2*π*L*r3= 2* π*0,25*0,201=0,315 m2  Calculo de las áreas logarítmicas

 Calculo de las resistencias

 Calculo del flujo de calor

80


ďƒ˜ Calculo del aislante

r2=0,201 m

81


Anexo 5 Cálculo espesor pared del material para la construcción cámara de vacío.

DONDE: t: Espesor mínimo de la pared (in) P: presión interna de diseño (psi) R: radio interno de la cámara (in) S: esfuerzo máximo permisible del material (psi) E: eficiencia de la soldadura P0: Presión interna deseada de trabajo P=P0 + 30 Desarrollo de la ecuación con datos reales

11.27 Psi + 30 =41.27 Psi= P  Calculo de espesor mínimo de la pared (t)

R=5.91 in El esfuerzo máximo permisible o módulo de elasticidad es de 21 kg/mm 2, haciendo la conversión a Psi S=9576 Psi E= 0.7 P= 41.27 Psi Desarrollando t= 0.0038 in = 0.1 mm De acuerdo a este cálculo el espesor mínimo requerido para que la cámara soporte el vacío de 23 inHg es de 0.1 mm.

82


Anexo 6 Datos proceso secado a vacío.

TIEMPO (min)

0

30

60

90

120

Rep.

Peso del aluminio

SECADO DE PIÑA (Tiempo 5 Horas) Peso de Peso de Peso de % de la la la % de Pérdida muestra muestra muestra Humedad de final + inicial final Humedad aluminio

3

0,0839

2,815

0,5255

0,4416

84,31

0,00

2

0,0908

2,0729

0,4025

0,3117

84,96

0,00

1

0,0915

2,4428

0,5011

0,4096

83,23

0,00

Promedio

Promedio

84,17

0,00

Desviación estándar 1

Desviación estándar

0,87

0,00

0,0959

2,2888

0,5048

0,4089

82,13

2,42

2

0,0787

2,7311

0,607

0,5283

80,66

4,17

3

0,0745

2,8092

0,5054

0,4309

84,66

-0,58 2,00

Promedio

Promedio

82,48

Desviación estándar 1

Desviación estándar

2,03

1,65

0,0856

2,0658

0,4816

0,396

80,83

3,97

2

0,0818

2,7216

0,6355

0,5537

79,66

5,36

3

0,0774

2,5235

0,5752

0,4978

80,27

4,63

Promedio

Promedio

80,25

4,65

Desviación estándar 1

Desviación estándar

0,59

0,70

0,0887

2,4735

0,6720

0,5833

76,42

9,21

2

0,0839

2,1124

0,6604

0,5765

72,71

13,62

3

0,0699

1,9495

0,6020

0,5321

72,71

13,62

Promedio

Promedio

73,94

12,15

Desviación estándar 1

Desviación estándar

2,14

2,55

0,0891

2,5353

0,8832

0,794

68,68

18,40

2

0,0808

2,3976

0,8973

0,817

65,95

21,65

0,784

66,84

20,59

3

0,0918

2,3628

0,8753

Promedio

Promedio

67,15

20,21

Desviación estándar

Desviación estándar

1,39

1,66

83


TIEMPO

Rep.

1

150

180

210

240

270

300

SECADO DE PIÑA (Tiempo 5 Horas)

0,0739

TIEMPO

2,2573

2

0,0855

2,8217

3

0,0802

1,8481

Rep.

SECADO DE PIÑA (Tiempo 5 Horas)

TIEMPO

Rep.

0,971

57,01

32,27

1,1787

1,093

61,26

27,22

1,1617

1,082

41,48

50,72

1,0444

Promedio

Promedio

53,25

36,74

Desviación estándar 1

Desviación estándar

10,41

12,37

0,072

2,1586

1,177

1,105

48,82

41,99

2

0,0799

2,3476

1,194

1,114

52,54

37,57

3

0,0786

2,1441

1,105

1,026

52,13

38,07

Promedio

Promedio

51,17

39,21

Desviación estándar 1

Desviación estándar

2,04

2,42

0,0792

1,8470

1,3062

1,227

33,57

60,12

2

0,1126

2,4145

1,3395

1,227

49,19

41,56

1,470

32,43

61,47

3

0,1161

2,1760

1,5864

Promedio

Promedio

38,40

54,38

Desviación estándar 1

Desviación estándar

9,36

11,12

0,0851

2,3793

1,3683

1,283

46,07

45,27

2

0,0819

2,3587

1,6038

1,522

35,48

57,85

3

0,0855

2,1216

1,5603

1,475

30,49

63,78

Promedio

Promedio

37,34

55,63

Desviación estándar 1

Desviación estándar

7,96

9,45

0,0824

2,2645

1,0833

1,001

55,80

33,70

2

0,0828

2,2007

1,4108

1,328

39,66

52,89

3

0,0952

1,9322

1,7922

1,697

12,17

85,54 57,38

Promedio

Promedio

35,88

Desviación estándar 1

Desviación estándar

22,06

26,21

0,1424

1,854

1,3685

1,226

33,87

59,76

2

0,0744

1,9837

1,4806

1,406

29,11

65,41

3

0,0843

1,9142

1,2171

1,133

40,82

51,50

Promedio

Promedio

34,60

58,89

Desviación estándar

Desviación estándar

5,89

7,00

84


BIBLIOGRAFÍA 1. ANDRÉS, G.ANA, ALBORS. S ANA, BARAT. JOSÉ, FITO. M PEDRO. Introducción al secado de alimentos por aire caliente. Valencia (España). Editorial Universidad Politécnica de Valencia. 2001, p 36. 2. AGUAYO, P. Introducción al Microcontrolador. Noviembre 2004. 3. CARRANZA, Z. MANUEL. Un estudio de los sistemas Termodinámicos. Sevilla (España). Secretaria de Publicaciones Universidad de Sevilla. 1998. P 506. 4. CARRILLO, A.J. Construcción de un secador para la universidad de las Américas Puebla. Universidad de las Américas Puebla (2003). 5. CASP, V, A; ABRIL, R, J. (2008). Procesos de Conservación de Alimentos. Segunda edición. Editorial Mundi Prensa. España 2008. Página 327. 6. CASTRO, A, M; RODRIGUEZ, L and VARGAS, E, M. SECADO DE UCHUVA (Physalis peruviana L) POR AIRE CALIENTE CON PRETRATAMIENTO DE OSMODESHIDRATACIÓN. Vitae [online]. 2008, vol.15, n.2 [cited 2013-08-11], pp. 226-231 . Available from: <http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S012140042008000200004&lng=en&nrm=iso>. ISSN 0121-4004. 7. CHAMARRO, ESTER, ESPLUGAS, SANTIAGO. Fundamentos de Transmisión de calor, Barcelona (España), publicaciones y ediciones de la Universidad de Barcelona. 2005, P 5. 8. RAO, V,V; GHOSH, T,B; CHOPRA, K, L. Vacuum Science and Technology 1998 9. DIRECT INDUSTRY. The Virtual Industrial Exhibition. (online). Consultado el 27 de noviembre de 2012, 15:36. Disponible en http://www.directindustry.com/industrial-manufacturer/vacuum-dryer75583.html 10. DONALD, R. PITTS. Teoría y problemas de transferencia de calor. Bogotá (Colombia). McGraw-Hill latinoamericana, S.A. 1979, p 2. 11. GEANKOPLIS, C. J. procesos de transportes y operaciones unitarias. México Continental S.A. 1998, p 579. 12. GUZMAN, R. R. y SEGURA, V. E. Introducción a la tecnología de alimentos. Bogotá D.C. UNISUR, 1991. P 335. 13. KITINOJA, L 1992. Consultancy for Africare / USAID on food processing in the Ouadhai, Chad, Central Africa. Extension Systems International, 73 Antelope Street, Woodland, California 95695. 14. LOPEZ, J. Sensores de Presión, Universidad de Chile, Departamento de Ingeniería Eléctrica. Octubre 2005. 15. MAUPOEY, P, F. GRAU, A, M. BARAT, J, M. ALBORS, A, M. Introducción al Secado de Alimentos por Aire Caliente. Editorial universidad politécnica de valencia. 2001. 16. MAZZONE, V. Control Automático 1. Automatización y Control Industrial, Universidad Nacional de Quilmes. Marzo 2002.

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87


MANUAL DE USO SECADOR AL VACÍO

88


Para un uso correcto del equipo y para que este funcione adecuadamente se debe leer este manual de uso completamente. 1. PARTES DEL EQUIPO

1 Manómetro 2 Cámara de vacío 3 Interruptores Electroválvula, Bomba y resistencias eléctricas (de Izquierda a Derecha) 4 Caja control software 5 Sensor de presión 6 Filtro de vapor 7 Motor eléctrico monofásico 8 Filtro silenciador 9 Bomba de vacío 10 Bandeja 11 Resistencia eléctrica 12 Bandejas de secado

89


2. INSTALACIÓN DEL EQUIPO El equipo de secado debe ser enchufado en su propio tomacorriente eléctrico individual de 110v, el cordón eléctrico del equipo cuenta con un enchufe de tres clavijas con puesta a tierra para protegerlo de los peligros de choque eléctrico. Debe ser enchufado directamente a un tomacorriente de tres alvéolos debidamente puesto a tierra. No retire ninguna clavija del cordón eléctrico.

3. FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO Para el funcionamiento del equipo se debe contar con un equipo PC o portátil en cual debe ser instalado el emulador tera term. 3.1.

Conexiones

Conecte los cables serial y USB a los puertos del computador

3.2.

Inicio tera term

Buscar el icono en el equipo de cómputo tera term

90


Hacer clic en inicio buscar el icono seleccionado en la imagen anterior y hacer doble clic. (El emulador debi贸 ser estar instalado previamente). Aparece la siguiente ventana

Haga clic en la opci贸n serial

Repita las acciones del punto 3.2 Aparece la siguiente ventana en la que se selecciona serial y debe aparecer en el recuadro blanco COM2

91


Con las acciones anteriores se abren las ventanas de aplicaci贸n, donde se programan las presiones y temperaturas de trabajo del equipo.

Conecte las terminales de los cables serial conectados en el punto 3.1 al equipo de secado

Conecte el cable de potencia al computador

92


Automáticamente los sensores comienzan a tomar lecturas de presión y temperatura, lo cual se evidencia en las ventanas de aplicación abiertas

3.3.

Presión de Trabajo

Hacer clic en la ventana de aplicación tera term para presión, verificar que sea la de presión, hacer clic en la parte inferior de la ventana y digitar la presión de proceso deseada.

93


3.4.

Programar Temperatura de Trabajo

Hacer clic en la ventana de aplicación tera term para temperatura, verificar que sea la de temperatura, hacer clic en la parte inferior de la ventana y digitar la temperatura de proceso deseada.

Inicio de la electroválvula y resistencias eléctricas En la caja de mando poner en posición ON los interruptores de la electroválvula y resistencias Posición OFF

3.5.

Posición ON

Precalentamiento del Equipo

Para poder iniciar un proceso de secado eficiente, se debe precalentar el equipo antes de cargar la cámara con las muestras de alimento a secar: Verificar que los sensores de presión y temperatura estén registrando la presión y temperatura programada y las lecturas reales Cierre la tapa de vidrio ajustando la perilla plástica Precaución: no ajustar demasiado ya que puede partir el vidrio

94


Cuando la lectura del sensor de temperatura indique una temperatura igual o mayor que la temperatura programada, la cámara de vacío ya está lista para ser cargada con alimento. 3.6.

Cargar Alimento en la Cámara

Abra la puerta nuevamente y saque las dos bandejas en acero inoxidable dispuestas para colocar el alimento. Cierre la puerta nuevamente para evitar pedidas de calor por transferencia con el ambiente. Coloque las muestras de alimento a secar en las bandejas, y ubique las dentro de la cámara de vació.

Precaución: tenga cuidado al meter la bandeja inferior, ya que puede hacer contacto con el sensor de temperatura y lo puede partir. Cierre la puerta. Ponga en posición ON el interruptor de la bomba (inmediatamente se da inicio la succión del aire de la cámara de vacío.

95


El equipo ya empieza el proceso de secado. 4. PARAR EL PROCESO PARA TOMA DE MUESTRAS En caso que se necesiten tomar muestras del equipo después de un determinado tiempo de proceso, ponga en OFF el interruptor de la bomba, y programe una presión de 1 InHg, espere que despresurice la cámara y abra la puerta de vidrio, tome la muestra en el menor tiempo posible, para evitar pérdidas de temperatura. Inicie nuevamente el proceso de secado programando la presión deseada y poniendo en la posición ON el interruptor de la bomba. 5. MANTENIMIENTO DEL EQUIPO 5.1.

Desmontar el recubrimiento del equipo

Retire el manómetro de presión

Retire la tapa superior, haciendo fuerza hacia arriba

96


Retire los tornillos de la tapa frontal

Quitando esta tapa se tiene acceso a la bomba de vacio para el cambio de aceite, y/o para quitar el filtro de retenci贸n de vapor de agua. 5.2.

Cambio de aceite

Una vez retirada la cubierta del equipo, retire el filtro de la salida de la bomba, soltando la tuerca de mariposa que este tiene, el tornillo que queda tambi茅n se retira.

Suelte el tornillo de la parte inferior de la bomba, con un destornillador de pala y drene todo el aceite de la bomba

Ponga nuevamente el tornillo cuando haya terminado de drenar todo el aceite Con los anteriores pasos queda lista la bomba para ponerle el aceite nuevo.

97


Ponga aceite hidráulico ISO 68 hasta que el nivel llegue a la mitad de la mirilla que esta al costado izquierdo de la bomba.

Ponga nuevamente el filtro de la salida de la bomba 6. ¿Cómo quitar el filtro de retención de vapor de agua? Teniendo el equipo sin la tapa superior, se toma el filtro de la parte transparente y se desenrosca en sentido contrario a las manecillas del reloj, retire el agua “si tiene”.

Recomendaciones 1. Se deben preparar las muestras a secar antes de iniciar el precalentamiento ya que de lo contrario se perdería el precalentamiento. 2. Cuando vaya a cargar la cámara y/o cuando se tomen muestras durante el proceso se recomienda cerrar la puerta mientras se ponen las muestras en la bandeja, para evitar pérdidas de temperatura. 3. Se debe cambiar el aceite de la bomba cada 50 horas de uso. 4. Se debe tener precaución de no tocar las resistencias ya que podría causar serios daños por quemadura. 5. Después de cada prueba de secado se debe limpiar la misma para evitar acumulación e incrustación de residuos. Se debe esperar a que las resistencias estén completamente frías.

98


Tesis0289ia