Prologo

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El presente folleto forma parte de la serie: "Tecnología Postcosecha", publicación de la Oficina Regional de la FAO para América Latina y el Caribe, que trata diversos temas relacionados con las tecnologías y procedimientos utilizados en la cosecha, beneficio y almacenamiento de los granos, raíces, tubérculos, frutas y hortalizas que se emplean en la alimentación humana, así como de las plagas que los atacan, los métodos para su control y los factores de calidad que intervienen en su manejo y comercialización.

Su contenido está escrito en un lenguaje sencillo, pero apoyado en los conocimientos y experiencias de técnicos e instituciones que han encaminado sus esfuerzos para especializarse en alguna de las muchas disciplinas científicas y técnicas que intervienen en el manejo de estos productos, desde su madurez fisiológica en la planta, hasta que es utilizado como alimento.

Con su publicación se busca proporcionar información de utilidad para todas aquellas personas que tienen bajo su responsabilidad el manejo de estos productos agrícolas, en algunas de sus múltiples etapas, especialmente agricultores y personal técnico encargado de centros de acoplo y almacenamiento; así como también a los extensionistas encargados de programas de capacitación en esta área. No dudamos que la información también será de utilidad para profesionales, personal de docencia y estudiantes que tengan interés en este campo.

La FAO espera que la información ayude a mejorar las técnicas y procedimientos actualmente utilizados en el manejo y almacenamiento de los productos agrícolas en Latinoamérica y con ello, contribuir a disminuir las cuantiosas pérdidas postcosecha de alimentos que son necesarios para una población cada día más numerosa y hambrienta.

1. Principios de secado de granos

Introduccion

En el mundo se han desplegado muchos esfuerzos con el fin de aumentar la producción y la productividad de los productos agrícolas. Estos esfuerzos, que exigen inversiones importantes, se han visto parcialmente neutralizados por las pérdidas que se producen después de la maduración del grano.

No hay estudios concluyentes relativos a las pérdidas de granos posteriores a la cosecha, en América Latina. Se han hecho estimaciones, todas las cuales indican un mínimo de 20%. Tomando esa cifra como base, el perjuicio anual para el Brasil, por ejemplo, es superior a mil millones de dólares. Se piensa que en los demás países de América Latina las pérdidas de granos posteriores a la cosecha también son elevadas. Lo dicho refleja indirectamente las precarias condiciones en que se realiza el tratamiento de la mayor parte de los granos producidos. El tratamiento de granos se compone de una serie de operaciones unitarias, entre las que se destaca el secado. La falta de secado adecuado es una de las principales fuentes de pérdida de productos agrícolas.

El secado de granos se puede definir como el método universal de adecuar los granos mediante la eliminación del agua hasta un nivel que prevenga el crecimiento de hongos y bacterias, de manera que se conserve el aspecto y la calidad nutritiva del grano como alimento, o su viabilidad como semilla. El nivel seguro de humedad para el almacenamiento de granos se encuentra entre el 10 y el 13%, base húmeda, para las principales especies, dadas las condiciones medias de temperatura y humedad relativa en América Latina.

Las técnicas de secado y almacenamiento de granos son ampliamente conocidas y utilizadas en paises desarrollados. Esto quiere decir que, luego de adaptarias a las condiciones de clima y realidad económica, es posible mejorar las técnicas y equipos que se emplean en América Latina. Por lo menos en principio, esta afirmación es valedera; no obstante, el mejoramiento aludido puede verse limitado por algunos factores entre los cuales los más importantes son: a) el nivel de instrucción del usuario; b) el costo de la tecnologia; c) el volumen de producción por productor rural; y d) la disponibilidad de energía eléctrica.

Un sistema de secado y almacenamiento exige costos de inversión relativamente elevados, dependiendo del poder adquisitivo del comprador. La adquisición o construcción de un sistema de secado involucra la necesidad de adiestramiento técnico del usuario, para que pueda aprovechar al máximo los beneficios que la tecnología instalada puede ofrecer, puesto que las ventajas del sistema dependen de su buen manejo. Además de conocer las características del equipo de secado, el usuario debe saber que su capacidad de negociación aumenta en la comercialización, al obtener un grano de mejor calidad. Debido a los costos iniciales aludidos, para que el uso de las técnicas de secado más modernas sea económicamente viable, debe haber un nivel de producción mínimo. Con todo, es un error suponer que esta tecnología es recomendable sólo para grandes volúmenes de producción. Las variaciones de la técnica extienden su utilización a un abanico amplio de producción de granos. Como es natural, a medida que se traten volúmenes mayores, mejor será el tratamiento que ellos podrán recibir, por los refinamientos que se podrán incorporar al sistema de secado.

En los equipos de secado, los intercambios de aire y masa entre el grano y el aire de secado se producen principalmente por convección forzada de aire. Por tal motivo, los secadores de granos están provistos generalmente, de un ventilador, como agente de movimiento del aire. La falta de energía eléctrica para impulsar estos ventiladores es una de las mayores trabas que impide, en los países en desarrollo, la popularización del sistema de secado y almacenamiento a nivel de predio.

En los últimos diez anos se han producido importantes cambios y perfeccionamientos en las técnicas y equipos que se usan para el secado de granos en los paises desarrollados. Los adelantos en los estudios de las teorías de secado y la ayuda del computador en la técnica de simulación del proceso de secado, para optimizar el procedimiento y los equipos, contribuyeron a ese perfeccionamiento.

El propósito de este material es el de servir como fuente de consulta respecto de los principios del secado y de ciertas tecnologías y equipos (secadores) destinados a secar granos. Aquí se tratan dos temas básicos para comprender los principios del secado: la psicrometria y la higroscopia. Se espera que este material pueda contribuir a mejorar los conocimientos de técnicos e investigadores que trabajan en el sector de postcosecha de granos en América Latina.

2. Psicrometría

Introduccion
Aire atmosferico
Propiedades termodinamicas del aire humedo
Temperatura psicrometrica de bulbo humedo
Grafico psicrometrico
Ecuaciones psicrometricas

Introduccion

El estudio detallado de las propiedades de la mezcla de aire seco y vapor de agua es de tal importancia que constituye una ciencia aparte, la psicrometría.

La psicrometría. se define como "aquella rama de la física relacionada con la medición o determinación de las condiciones del aire atmosférico, particularmente respecto de la mezcla de aire seco y vapor de agua", o bien "aquella parte de la ciencia que está en cierta forma intimamente ligada a las propiedades termodinámicas del aire húmedo". Las propiedades termodinámicas de la mezcla de aire seco y vapor de agua revisten gran interés en la etapa de postcosecha de productos agrícolas, por el efecto que tiene la humedad del aire atmosférico sobre el contenido de humedad de los productos.

En la conservación y almacenamiento de productos agrícolas se emplean diversas prácticas con participación directa de la psicrometría; una de dichas prácticas es el secado. En el secado a bajas temperaturas en particular, la tasa de secado depende de la capacidad del aire para evaporar la humedad (potencial de secado), la cual es determinada por las condiciones psicrométricas del aire: temperatura y humedad relativa.

En el secado y almacenamiento, uno de los conceptos más importantes es el contenido de humedad de equilibrio. Asf se denomina al intercambio recíproco de humedad entre materiales higroscópicos, tales como los granos, y el aire que los rodea; la condición de intercambio recíproco de humedad indica el equilibrio que hay entre el aire y el material. Se establece dicho equilibrio cuando la presión de vapor que corresponde a la humedad del producto es igual a la presión de vapor de la humedad presente en el aire, en condiciones fijas de temperatura. Por tanto, en los estudios de higroscopia, las propiedades termodinámicas del aire húmedo son de fundamental importancia.

El conocimiento de las condiciones de humedad y temperatura del aire es de gran importancia también en muchos otros aspectos de la actividad humana. La conservación de productos talas como frutas, hortalizas, huevos y carnes, en cámaras frigoríficas, depende en gran medida de la mantención de la adecuada humedad relativa del ambiente. - a pérdida de peso depende de la humedad del aire en la cámara de almacenamiento; si la humedad es baja, la pérdida de peso es elevada.

Aire atmosferico

Por sus dimensiones y por los procesos físico-químicos que se produjeron, el planeta Tierra posee hoy una capa gaseosa que lo envuelve (aire atmosférico), la que constituye la atmósfera de la Tierra y es esencial para las formas de vida que se encuentran en ella.

El aire atmosférico se compone de una mezcla de gases, vapor de agua y una mezcla de contaminantes, tales como humo, polvo, y otros elementos gaseosos que no están presentes normalmente, en lugares distantes de las fuentes de contaminación.

Por definición, existe aire seco cuando se ha extraído todo el vapor de agua y los contaminantes del aire atmosférico. Mediante extensas mediciones se ha demostrado que la composición del aire seco es relativamente constante, si bien el tiempo, la ubicación geográfica y la altura determinan pequeñas variaciones en la cantidad de componentes. La composición porcentual, en volumen o número de males por 100 moles de aire seco, aparece en el Cuadro 1.

Cuadro 1 Composición del aire seco

Fuente: ASHRAE, 1977

La masa molecular aparente del aire seco es de 28,9645 kg-mol y la del vapor de agua es de 18,1535 kg-mol, ambas en la escala del carbono 12 (ASHRAE, 1977). El aire seco, normalmente tiene vapor de agua asociado, lo que da origen al que se denomina aire húmedo, que es una mezcla binaria de aire seco y vapor de agua. La cantidad de vapor presente en la mezcla puede variar entre cero y un valor correspondiente al estado de saturación. Esto corresponde a la cantidad máxima de vapor de agua que el aire puede soportar a una temperatura determinada.

Propiedades termodinamicas del aire humedo

Hay diversas propiedades termodinámicas fundamentales ligadas a las propiedades del aire húmedo. Hay dos propiedades independientes, además de la presión atmosférica necesarias para establecer el estado termodinámica del aire húmedo.

Tres propiedades se relacionan con la temperatura:

1. temperatura de bulbo seco;
2. temperatura termodinámica de bulbo húmedo;
3. temperatura del punto de rocio.

Algunas propiedades termodinámicas caracterizan la cantidad de vapor de agua presente en el aire húmedo:

1. presión de vapor;
2. razón de humedad;
3. humedad relativa;
4. grado de saturación.

Otras propiedades de fundamental importancia, relacionadas con el volumen ocupado por el aire y con la energía del aire, respectivamente, son:

1. el volumen específico,
2. la entalpía.

La entampía y el volumen especifico son propiedades de la mezcla de aire seco y vapor de agua, pero para mayor comodidad se expresan sobre la base de una unidad de masa de aire seco.

La temperatura psicrométrica de bulbo húmedo. (Tbh) no es una propiedad termodinámica de la mezcla de aire seco y vapor de agua y se tratará separadamente.

A continuación se presenta una breve descripción de cada una de estas propiedades.

Temperatura de bulbo seco (T)
La temperatura de bulbo seco, es la verdadera temperatura del aire húmedo y con frecuencia se la denomina sólo temperatura del aire; es la temperatura del aire que marca un termómetro común.

Temperatura de punto de rocio (Tpr)
La temperatura de punto de rocio, es la temperatura a la cual el aire húmedo no saturado se satura, es decir, cuando el vapor de agua comienza a condensarse, por un proceso de enfriamiento, mientras que la presión y la razón de humedad se mantienen constantes.

Temperatura termodinámica de bulbo húmedo (T*)
La temperatura termodinámica de bulbo húmedo, es la temperatura de equilibrio que se alcanza cuando la mezcla de aire seco y vapor de agua pasa por un proceso de enfriamiento adiabático hasta llegar a la saturación.

Presión de vapor (Pv)
La presión de vapor, es la presión parcial que ejercen las moléculas de vapor de agua presentes en el aire húmedo. Cuando el aire está totalmente saturado de vapor de agua, su presión de vapor se denomina presión de vapor saturado (P_VS).

Razón de humedad (razón de mezcla) (W)
La razón de humedad del aire, se define como la relación entre la masa de vapor de agua y la masa de aire seco en un volumen dado de mezcla. Algunos autores confunden los términos razón de humedad y humedad absoluta; la humedad absoluta, denominada también densidad del vapor de agua, es la relación entre la masa de vapor de agua y el volumen que ocupa la mezcla de aire seco y vapor de agua.

Humedad relativa (f)
La humedad relativa del aire, se define como la razón entre la presión de vapor de agua en un momento dado (Pv) y la presión de vapor de agua cuando el aire está saturado de humedad (Pvs), a la misma temperatura. La humedad relativa se puede expresar como decimal o como porcentaje.

Grado de saturación (m)
El grado de saturación, es la relación entre la razón de humedad real de la mezcla (W) y la razón de humedad del aire en estado de saturación (Ws), a igual temperatura y presión atmosférica.

Entalpía (h)
La entalpía de la mezcla de aire seco y vapor de agua, es la energía del aire húmedo por unidad de masa de aire seco, por encima de una temperatura de referencia; dado que en ingeniería sólo las diferencias de entalpía tienen interés práctico, el valor que se escoja para la temperatura de referencia carece de importancia.

Volumen específico (Ve)
El volumen específico del aire húmedo, se define como el volumen que ocupa la mezcla de aire seco y vapor de agua por unidad de masa de aire seco. La masa especÍfica del aire húmedo no es igual al recíproco de su volumen específica. La masa específico del aire húmedo es la relación entre la masa total de la mezcla y el volumen que ella ocupa.

Temperatura psicrometrica de bulbo humedo

Un psicrómetro (Figura 1) se compone de dos termómetros, uno de ellos envuelto en una tela constantemente humedecida (termómetro de bulbo húmedo) y otro, al lado del primero, en simple equilibrio térmico con el aire atmosférico (termómetro de bulbo seco). El termómetro de bulbo húmedo recibe sobre sí un flujo de aire constante por medio de un sistema de ventilación. Se evapora así la humedad y se retira energía del bulbo humedo. La temperatura baja, y al llegar al punto de equilibrio, se estabiliza. La temperatura que registra el termómetro en esas condiciones se llama temperatura psicrométrica de bulbo húmedo. (Tbh)

Se entiende por estado de equilibrio la situación en que el flujo de energía del aire al bulbo del termómetro es igual a la energía necesaria para la evaporación de la humedad. En ese estado de equilibrio, a partir de un balance de energía, se puede escribir la ecuación siguiente

P_v = P_VS,_bh - a₁ P(T-T_bh)

ec.1

en que a₁ se denomina constante psicrométrica, y depende de la temperatura, de la geometría del bulbo del termómetro y de la velocidad del aire. Varios investigadores determinaron empíricamente los valores de la constante psicrométrica, con los siguientes resultados:

a₁ = 0,000662 °C^-1 - para psicrómetros con sistema de movimiento de aire (aspiración) de tipo ASSMANN, donde la velocidad del aire es mayor que 3 mis.

a₁ = 0,000800 °C^-1 - para psicrómetros sin aspiración de aire, instalado en una caseta meteorológica, donde la velocidad del aire es del orden de 1 m/s.

a₁ = 0,00120 °C (-1) - para psicrómetros no ventilados, es decir, aire sin movimiento (en reposo).

Figura 1. Esquema de un psicrómetro con sistema de aspiración de aire psicrómetro de aspiración)

Grafico psicrometrico

Determinación de las propiedades en un punto de estado
Calentamiento y enfriamiento sensible del aire
Enfriamiento con deshumedecimiento
Secado y humedecimiento adiabático del aire
Humedad relativa y déficit de presión de vapor
Tabla psicrométrica

Las propiedades termodinámicas de la mezcla de aire seco y vapor de agua que constituyen el aire atmosférico, se pueden presentar adecuadamente en forma de gráfico, con el nombre de gráfico psicrométrico, el cual se construye según una presión atmosférica determinada, aunque suele haber curvas de corrección para otras presiones.

Hay diferentes gráficos psicrométricos en uso. Ellos difieren en cuanto a la presión barométrica, la banda de temperaturas, número de propiedades comprendidas, elección de las coordenadas y temperatura de referencia para la entalpía. El de uso más frecuente en EE.UU. es aquél en que la razón de humedad o la presión de vapor, que es una de las coordinadas, se gráfica en función de la temperatura de bulbo seco, y en que la otra coordenada que se escoge para la construcción (coordenada oblicua) es la entalpía. En Europa en cambio, se usa el gráfico de MOLLIER, cuyas coordenadas son la razón de humedad y la entalpía. En las Figuras 2 y 3 se ven gráficos psicrométricos de temperaturas normales y temperaturas elevadas, construidos con presión atmosférica normal. Al final del texto se presentan gráficos de presiones atmosféricas inferiores a la normal.

En el gráfico psicrométrico, una vez elegidos las coordenadas, las demás propiedades aparecen como parámetros. Dos propiedades independientes cualesquiera, incluso la temperatura psicrométrica de bulbo húmedo, fijan el estado de la mezcla (punto de estado).

La Figura 4 muestra en forma esquemática las lineas que representan las propiedades termodinámicas del aire húmedo en el gráfico psicrométrico.

Determinación de las propiedades en un punto de estado

Supongamos que se ha determinado, por medio de un psicrómetro ventilado, la temperatura de bulbo seco 25 °C, y la temperatura de bulbo húmedo 20 °C. Mediante el gráfico psicrométrico se pueden determinar las demás propiedades termodinámicas del aire húmedo. En el Cuadro 2 se muestran los valores de las propiedades del aire húmedo, definidas en ese punto de estado, obtenidos del gráfico psicrométrico (Figura 5), en el cual se representa el punto de estado número 1.

FIGURA 2 - GRAFICO PSICROMETRICO, TEMPERATURAS NORMALES, PRESION ATMOSFERICA 101,325 kPa

FIGURA 3 - GRAFICO PSICROMETRICO, ALTAS TEMPERATURAS, PRESION ATMOSFERICA 101,325 KPa

Figura 4. Gráficos psicrométricos que representan las lineas de las propiedades del aire.

Cuadro 2 Propiedades termodinámicas del aire húmedo definidas en un punto de estado

Figura 5. Gráfico psicrométrico con representación de las propiedades termodinámicas del aire húmedo, definidas en un punto de estado.

Para complementar los conocimientos, se propone que se determinen las propiedades termodinámicas del aire en los puntos de estado constante del Cuadro 3, utilizando el gráfico psicrométrico.

Cuadro 3 Propiedades termodinámicas del aire húmedo definidas en varios puntos de estado

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