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Planta de alimentos: mitos y realidades. VI ¡Volver a los básicos! VAPOR. El otro Ingrediente

Publicado el: 7/5/2020
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Estamos haciendo un recuento de los PRINCIPIOS BÁSICOS del manejo de vapor durante el proceso de peletizado. Es algo que en un momento lo aprendimos y por situaciones del día a día lo hemos ido dejando a un lado. Todo esto ya lo sabíamos, no es nuevo, está en la literatura.

Arranquemos entonces recordando un poco de los fundamentos básicos de la termodinámica para poder entender al otro ingrediente de la formulación; EL VAPOR.

¿Por qué acondicionar con vapor?

  • Medio de calentamiento probado y relativamente seguro.
  • Enormes cantidades de energía en pequeño volumen (* "punto clave").
  • Fácil de transportar.
  • Hecho con agua. Barato y utilizable.
  • La temperatura está relacionada con la presión.
  • Las bombas normalmente no son necesarias.
  • Transferencia de calor con una disminución inmediata de temperatura.
  • Condensa el agua inmediatamente después de que el calor está sobre el punto deseado.

El vapor en la caldera está formado por la Conversión de Energía Química (combustóleo, diésel, gas) a Energía Térmica (calor de la llama, transferido al agua). A medida que se agrega calor al agua, la temperatura se eleva al punto de ebullición. (1ª Ley Termodinámica).

Cuando se alcanza el punto de ebullición, se comienza a formarse vapor a temperatura constante.  Si toda el agua existe en la temperatura de ebullición, tenemos lo que se llama un líquido saturado. Si todo vapor existe en la temperatura de ebullición, tenemos lo que se llama un vapor saturado.

Ya que vapor y agua pueden existir a la misma temperatura, es necesario definir el término, Calidad del Vapor: De forma simple, podemos decir que es el porcentaje de la mezcla vapor-agua en un sistema de vapor, que está en la fase de vapor. 

En otras palabras, si en 0,5 kg de mezcla vapor-agua, 0,45 kg es vapor y 0,05 kg es líquido, la calidad del vapor se describe como 90%.

No es otra cosa que una indicación de que se ha perdido suficiente calor del sistema para condensar el 10% del vapor a una fase líquida.

Esta pérdida de calor no solo representa una pérdida significativa en los costos de energía, sino que puede ocasionar problemas de peletización si el equilibrio entre la humedad de la harina y la temperatura de acondicionamiento es incorrecto.

Como ejemplo, 0.5 kg de vapor a 100 °C tiene 1,200 KJ de calor total, mientras que 0.5 kg de agua a 100 °C tienen solo 190 KJ de calor total o 84% menos de calor que el vapor. Si uno intenta acondicionar a una temperatura particular, digamos 82 °C, la harina puede volverse demasiado húmeda para peletizar si se utiliza vapor de baja calidad.

Para nuestros propósitos, nos enfocaremos en las fases de líquido y vapor y la transición de una fase a la otra. Primero de líquido a vapor: A medida que la Energía Térmica se agrega al agua, su temperatura aumenta hasta que el agua ya no puede existir como un líquido. Desde este punto de "saturación", cualquier calor adicional agregado al agua hará que el agua hierva como vapor. Esta evaporación requiere una gran cantidad de energía por unidad de peso de agua vaporizada. 

De manera contraria, si rodeamos un objeto relativamente frío (por ejemplo, una partícula de maíz) con vapor, el vapor Liberará Energía al objeto y se condensará en la superficie del objeto (Es lo que deseamos con el acondicionado).

Entender completamente los conceptos de mover la energía térmica dentro y fuera del vapor de agua y de usar vapor para transportar grandes cantidades de calor a una ubicación necesaria son los puntos básicos de nuestra plática.

Imaginemos que colocamos 0,5 kg de agua helada (0 ° C) en un recipiente perfectamente aislado. Encima del agua, colocamos un pistón sin peso y sin fricción. El agua helada, para nuestros propósitos, se supone que tiene un contenido de calor cero o "entalpía“ (Cantidad de energía que contiene una sustancia). Aplicamos calor al agua, su temperatura comienza a aumentar. Continuar calentando el agua hasta que su temperatura sea de 100 ° C sin cambios en el estado del agua (es decir, sigue siendo un líquido). Si se agrega más calor al agua, ya no puede existir solo como líquido y parte del agua se convertirá en vapor.
El calor total retenido por el agua líquida a la temperatura de ebullición se conoce como "calor sensible" y se indica con el símbolo hf.

El calor adicional agregado que da como resultado la evaporación en vapor se llama "calor latente" y se indica con el símbolo hfg.

El calor total (hg) de vapor es la suma del calor latente más el calor sensible:

hg = hfg + hf

Si se agrega suficiente calor, los 0.5 kg de agua se convertirán a 0.5 kg de vapor a presión atmosférica.  El volumen que ocupará el vapor es tremendo en comparación con el del agua; de hecho, el volumen de vapor será 1,650 veces mayor que el del agua.

Es obvio que las moléculas de agua se mantienen más juntas en la fase líquida que en la fase de vapor. Si la presión sobre el pistón en nuestro cilindro imaginario aumentara, las moléculas de agua en el líquido encontrarían más difícil moverse a la fase de vapor. Por lo tanto, se necesitaría más energía (calor) para forzar la evaporación, y la temperatura del agua debería aumentar más allá de los 100 ° C.

Esto es exactamente lo que sucede en una caldera operada a una presión elevada.

Reforzando:

A medida que el agua y el vapor se calientan, absorben energía. La energía calorífica absorbida total consiste en calor sensible y calor latente. Calor sensible, o calor del líquido, es el calor requerido para elevar la temperatura de una unidad de masa de agua líquida a la temperatura de saturación (punto de ebullición). Calor latente, o calor del vapor, es el calor requerido para convertir una unidad de masa de agua líquida a la temperatura de saturación al vapor seco de la misma temperatura.

La siguiente tabla es solo un extracto de la “Tablas de Vapor” y nos ayudan a conocer la temperatura y la entalpía del vapor de agua a una presión específica.

Un suministro de vapor adecuado representa la cantidad de vapor, presión y calidad. La cantidad de vapor requerido también se puede calcular en función de la energía térmica necesaria para elevar la temperatura de la harina.

Cada material tiene un calor específico característico (cp). El agua tiene un calor específico de 1 Kcal/kg-°C, que se define como la cantidad de energía térmica necesaria para elevar la temperatura de un kilogramo de agua, un grado centígrado.

La mayoría de los granos y los ingredientes del alimento tienen un calor específico de 0.45 Kcal / kg-°C

Para entender mejor los conceptos, hagamos un ejercicio:

¿Cuánto vapor (Kg/h) a 2 Kg/cm2 se requiere para acondicionar 10,000 kg/h de harina a base de maíz desde 21 °C a 85 °C antes de peletizar?

1: Determine la energía térmica requerida:

Calor (Kcal / h) = M x cp x (Tf - Ti)
= 10,000 kg/h x 0.45 Kcal / kg °C x (85°C – 21°C) = 288,000 Kcal / h

2: Determine el contenido de calor del vapor de las tablas de vapor saturado a 2 Kg/cm2, lo que produce:

Calor latente = 516.51 Kcal/Kg. Calor sensible = 135.15 Kcal/Kg

3: Considerar el contenido de calor sensible en la harina acondicionada:

El calor sensible del agua a 0 Kg/cm2 y 85 °F es de 85 Kcal/kg

4: calcula la cantidad de energía de vapor condensada en la harina:

Energía del vapor (Kcal/kg) = calor latente + diferencia de calor sensible
= 516.51 + (135.15—85) = 566.3 Kcal/kg
= 566.3 Kcal/kg de energía de vapor condensada

5: Calcule la cantidad de vapor requerida:

Vapor (Kg / h) = calor requerido / vapor condensado =
288,000 Kcal/hr /566.3 Kcal/kg = 508.56 Kg/hr

(Solo como referencia; Cada Caballo Caldera genera 15.6 Kg/hr de vapor con agua de alimentación a 100°C; en este caso requeriremos 32.6 Caballos Caldera solo para peletizar más un 20% por concepto de calentamientos y pérdidas. Una caldera de 50 C.C. es más que suficiente para cubrir estas necesidades).

Ejemplo: ¿Cuál es el contenido de humedad final de la mezcla anterior si el contenido inicial de humedad fue del 13%?

1: Determine el contenido inicial de agua:

Agua (Kg) = 10,000 kg x 0.13 = 1,300 kg.

2: Determina el contenido de materia seca de la harina alimentada:

Materia seca (kg) = 10,000 kg total – 1,300 kg agua = 8,700 kg materia seca

3: Determine el contenido de humedad final de la harina:

Contenido de humedad final = (Contenido inicial de agua + condensación de vapor) / (Materia seca + agua total)
= [(1,300 kg + 508.56 kg.) / (8,700 kg. + 1,300 kg + 508.56 kg.) × 100%
= 17.2% de contenido de humedad.

En nuestra próxima entrega, nos enfocaremos en los ACONDICIONADORES Y EL TIEMPO DE RETENCIÓN. También haremos otro par de ejemplos numéricos para cálculo de vapor y humedad añadidos.

Todo esto ya lo sabíamos, está en la literatura, por eso; ¡REGRESEMOS A LOS PRINCIPIOS BÁSICOS!

Referencias: Feed Pelleting Reference Guide; publicado por la Kansas State University y la North Carolina State University.

Todo esto ya lo sabíamos, está en la literatura, por eso; ¡REGRESEMOS A LOS BÁSICOS!


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