Calentamiento del aire

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La potencia que hay que transferir al aire por el sistema de calentamiento, Na, expresada en watts, se determina por el incremento de temperatura, AT en C, del flujo de aire, Q, en m3/s, de la masa especifica del aire, pu, en kg m3, y de la entalpia específica del aire, Ca, en J/kg. OC por medio de la ecuación:

ec.7

Como la masa especifica y la entalpta especifica del aire se pueden considerar constantes e iguales a 1,2 kg/m3 y 1005 J/kg. C, respectivamente, dentro de la banda de temperaturas utilizadas en los procesos de secado a bajas temperaturas, la potencia que hay que transferir al aire por un sistema de calentamiento se puede determinar, de manera simplificada, por la ecuación siguiente:

ec.8

EJEMPLO 11 - Determinar la potencia que hay que transferir al aire por un sistema de calentamiento para producir un incremento de temperatura de 2,5 C, sabiendo que el silo de secado a bajas temperaturas tiene un ventilador con flujo de aire de 5 m3/s.

SOLUCION - La potencia que hay que transferir al aire por el sistema de calentamiento es

Na= 1206x5x2,5= 15075W

Fuentes de calentamiento del aire

Una de las formas de calentamiento del aire que se emplean es el uso de resistencias eléctricas. La eficiencia térmica, en tal caso, se puede considerar 1 00%.

EJEMPLO 12 - Dimensionar un sistema de calentamiento eléctrico capaz de promover un incremento de temperatura de 2,5C. El silo que tiene capacidad para 20,4 m3 utiliza un ventilador que proporciona 1,27 m3/s de aire. Determinar el consumo de energía eléctrica del sistema de resistencias eléctricas, considerando un tiempo de secado de 170 horas.

SOLUCION - La potencia que se debe transferir al aire es

Na = 1206 x 1,27 x 2,5 = 3829 kW

Como la eficiencia térmica, cuando se utilizan resistencias eléctricas, se puede considerar 100%, se tiene que el conjunto de resistencias eléctricas debe tener una potencia igual a

Na = 3829 kW

El consumo de energía, Ec, expresado en joule, se calcula sobre la base de la potencia del conjunto de resistencias eléctricas, Na, en watts, y del tiempo de utilización del sistema, t, en segundos, con la ecuación

Ec = Na t ec.9

En tal caso, se tiene que

Na = 3829 kW;
t = 170 x 3600 = 612000 s
Ec = 3829 x 612000 = 2,34 x 109 J

Dicho consumo de energía equivale a 650 -kWh.

Otra forma de calentamiento del aire que se puede usar para el secado a bajas temperaturas son los hornos de leña. La eficiencia energética, en ese caso, está en la gama de 50 a 90%. Para los efectos de calcular el consumo de leña, se puede considerar que 1 kg de ese combustible libera 12000 kJ.

EJEMPLO 13 - Determinar el consumo de leña, por hora, de un horno que se empleará para calentar el aire destinado a un silo de secado de granos a bajas temperaturas. La reglón en que se encuentra instalado el silo exige un calentamiento suplementario del aire de 3C, además del calentamiento producido por el ventilador. El silo tiene capacidad para 300 t y utiliza un ventilador con flujo de aire de 5 m3/s.

SOLUCION - La potencia que hay que transferir al aire es

Na = 1206 x 5 x 3 = 18090 W

Con una eficiencia térmica de 70%, el horno tendrá que quemar leña de manera que se produzca la potencia siguiente:

Na = 80090 = 25843 W

El consumo de energía, con una potencia Na = 25843 W, para una hora de operación (t = 3600s) es

Ec = 25843 x 3600 = 93,03 x 106J

Como 1 kg de leña libera 12000 kJ, el consumo de leña, C', en kg por hora, es:

Luego, el consumo de leña, en este caso, es de 7,8 kg por hora.

Otra manera de calentar el aire que se puede utilizar en el secado a bajas temperaturas es el uso de colectores solares. El colector solar plano es el que se está ocupando más en el secado a bajas temperaturas.

La energía solar que llega a la superficie de la tierra es variable y depende de la época del año,la latitud del lugar y una serie de otros factores. Dicha fuente

no está disponible durante la noche ni en tiempo lluvioso, pero como el proceso de secado a bajas temperaturas es lento, hay un periodo prolongado de acumulación de energía. Además, parte de la energía solar queda almacenada en el producto en forma de calor sensible, lo que puede compensar la no disponibilidad de energía en determinados períodos.

La cantidad de radiación solar media diaria que llega a la superficie de la tierra, en el Brasil, se puede obtener en mapas de medias mensuales elaborados por Nunes et al.(1979). En promedio, la radiación solar que llega a la superficie de la tierra, en el Brasil, se aproxima a los 15000 kJ/m2.

La eficiencia térmica de los colectores planos está en la gama de 30% a 50%.

EJEMPLO 14 - Determinar el área de un colector solar plano para un sistema de secado a bajas temperaturas. El sistema se compone de un silo, con capacidad para 90 t, y un ventilador que proporciona un flujo de 1,9 m3/s. Durante la época del año en que se utiliza el sistema, la radiación solar media diaria es de 15500 kJ.m2 y el colector solar tendrá que promover un calentamiento del aire promedio de 2C para obtener el contenido de humedad final que se persigue.

SOLUCION - La potencia que hay que transferir, ir al aire para promover un calentamiento de 2C, con un flujo de 1,9m3/s, es:

Na = 1260 x 1,9 x 2 = 4583 W

Si la eficiencia térmica del colector solar es de 35%, la potencia necesaria de dicho colector solar será:

Na = = 13094 W

La cantidad de energía solar que tendrá que llegar a la superficie del colector solar, para producir el calentamiento medio diario que se desea, es:

Ec = 13094 x 24 x 3600 = 1,13.109J

Como la radiación solar media diaria es de 15500 kJ.m2, el área necesaria del colector solar es:

A = = 73m2

Por tanto, el área de colector solar necesaria para promover un calentamiento medio de 2C es de 73 m2.

El dimensionamiento, tanto de los hornos de leña como de los colectores solares se podrá obtener en la literatura especializada.


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