Determinación del uso energético y la eficiencia ... · Teo T H i H f e. e = − − − − ......
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Determinación del uso energético y la eficiencia energética durante el secado en secadoras comerciales
Alejandra Billiris y Terry SiebenmorgenImpacto de los procesos de producción y elaboración de arroz en
la calidad molinera y sensorial, últimas investigacionesMontevideo, Uruguay10 de octubre de 2013
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ObjetivoDeterminar los requerimientos energéticos y la eficiencia energética de secadoras comerciales de flujo cruzado utilizando requerimientos energéticos teóricos como línea base de comparación.
Med
Teo
EE
=η
η es la eficiencia energética del proceso de secado
Energía medida
Energía teórica
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Estadíos del proyecto
Requerimientos energéticos
teóricos
Requerimientos energéticos medidos
(Industrial)
Requerimientos energéticos medidos
(Productor)
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Determinación de los requerimientos energéticos teóricos
Ecuación de presión de vapor de Clausius-Clapeyron
Curvas de desorción de
arrozH
umed
ad d
e eq
uilib
rio, %
Humedad relativa de equilibrio, %
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2400
2450
2500
2550
2600
2650
2700
10 12 14 16 18 20 22 24
Ener
gía
teór
ica,
kJ/
kg a
gua
Contenido de humedad inicial (Hi), % base húmeda
Energía teórica para secar arroz
Temperatura (T): 40°CContenido de humedad final (Hf):12,5%
)(0.4))(5,22.3( 2.242.24536 fi HHfiTeo eeHHTE −− −−−−=
40°C 18,0%
12,5% 18,0% 12,5%
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2200
2250
2300
2350
2400
2450
2500
2550
2600
2650
2700
10 12 14 16 18 20 22 24
Ener
gía
teór
ica,
kJ/
kg a
gua
Contenido de humedad inicial (Hi), % base húmeda
Efecto del tipo de grano en la energía teóricaTemperatura (T): 40°CContenido de humedad final (Hf):12,5%
Grano medio
Grano largo
Parboiled
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Estadíos del proyecto
Requerimientos enrgéticos teóricos
Requerimientos energéticos medidos
(Industrial)
Requerimientos energéticos medidos
(Productor)
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Silos para reposo
Secadora
Secadora industrialCorning, Arkansas
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Arroz húmedo
Plenum
Arroz seco
Quemador
Columna de secado
Diagrama secadora industrial
Columna de secado
Ventilador
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Configuración secadora industrialArroz húmedo
Quemador
Salida de aire
Aire ambiente
Arroz seco
Línea de simetría
Trayectoria del aire de secado
Trayectoria del arrozPlenum
Columna de secado
Energía térmicaCalentar el aire de secado
Energía eléctricaForzar el aire hacia la secadora Mallas
Ventilador
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Arroz húmedo
Plenum
GM
Zonas de muestreo a la entrada y salida de la secadora para determinación de humedad
GM Medidor de gas (volumen de gas utilizado)
Arroz seco
Columna de secado
AMP
AMP Amperímetro (corriente)
Mediciones
14 m
Quemador
Ventilador
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Medidor de humedad (Infratec)
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Requerimientos energéticos térmicos “por paso” (Etérmica)
Mediciones
Contenido de humedad inicial (Hi )Contenido de humedad final (Hf )
Masa inicial de arroz húmedo
Volumen de gas natural utilizado (V)
Medidor de humedad
Medidor de gas
BalanzaMasa de agua removida (ma)
Etérmica = V×CC CC es el calor de combustión (37,260 kJ/m3)ma ma es la masa de agua removida durante cada corrida
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Requerimientos energéticos eléctricos “por paso”
•Se registró la intensidad de la corriente consumida por el ventilador cada 15 minutos y se calculó la corriente promedio utilizada durante cada corrida
•Se calculó la potencia promedio consumida por el ventilador:
P = V×I×√3P es la potencia promedio consumida por el ventilador durante cada corrida en WattsV es el voltaje en volts ~ 480 VI es la corriente promedio consumida por el ventilador durante cada corrida en amperes
• Se calculó la energía eléctrica consumida:
Eelec= P×tiempo
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Sensor midiendo la temperatura y la humedad relativa del aire de secado
1/3
1/3
1/3Plenum
Sensor midiendo la temperatura y la humedad relativa del ambiente
Mediciones de las condiciones ambientales y de secado
Quemador
Ventilador
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Pruebas de secadoPrueba Humedad
cosecha, %
Temperaturas en cada paso (Tas/Ta)
Primer °C
Segundo °C
Tercer °C
Cuarto °C
Zafra: Setiembre – Octubre 20111 20,4 68/23 58/23 53/22 37/14
2 19,0 65/18 54/25 38/25 ….
3 19,4 70/23 59/12 38/25 ….
4 19,4 …. …. …. ….
Zafra: Julio - Octubre 20121 15,5 54/23 39/26 …. ….
2 18,3 68/20 61/18 20/12 ….
3 15,4 60/25 35/11 15/15 ….
Tas es temperatura del aire de secadoTa es temperatura ambiente
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0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
1 2 3 4 5 6 7
Ener
gía,
kJ/
kg a
gua
Energía teórica
20,4
Consumo energético por prueba
19,0
19,415,418,3
15,5
19,4
Hi, %
ηtérmica= 28%
Energía térmica
20122011
Energía eléctrica
Prueba
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Varios factores incluyendo, la temperatura del aire de secado, la temperatura ambiente y la humedad del arroz afectan los requirimientos energéticos durante el secado.
Se utilizó un análisis de regresión múltiple para predecir los requerimientos energéticos durante el secado
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Selección de variablesLas temperaturas ambiente y de secado afectan los requerimientos energéticos simultáneamente
La diferencia entre la temperatura del aire de secado y la temperatura ambiente (Tas-Ta) podría ser un factor importante afectando los requerimientos energéticos
Representa la cantidad de energía necesaria para calentar el aire ambiente hasta la temperatura de secado
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Selección de variables cont.
La humedad inicial y final afectan los requerimientos energéticos
La cantidad de agua removida por masa de materia seca de arroz (ma/ms) podría ser otro factor relevante
Caracteriza el arroz, dado que involucra la humedad inicial y final del arroz
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Ecuaciones
( ) 180.6723.432250 +
−−=
msmTTE a
aastérmica R2 = 0,65
( ) 8,40682.101,1 +
+−−=
msmTT a
aastérmicaη R2 = 0.74
•Otros factores como la temperatura de entrada del arroz y el grado de saturación del aire de salida podrían ser responsables de la variabilidad no explicada en Etérmica
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0
0.5
1
1.5
2
2.5
15.4 15.5 18.3 19.0 19.4 19.4 20.4Contenido de humedad inicial de cada prueba, % base húmeda
Costo para secar arroz desde la humedad inicial hasta ~12,5%C
osto
, $/to
n de
arr
oz
Precio gas natural: $3/1.000 ft3 ($3/millón Btu)
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Estadíos del proyecto
Requerimientos enrgéticos teóricos
Requerimientos energéticos medidos
(Industrial)
Requerimientos energéticos medidos
(Productor)
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Drying system Silos para almacenamiento
Silos precalentamiento/
reposo
Secadora
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Diagrama de flujo
ReposoSecado 1er pasoCosecha Precalentamiento
AeraciónSecado 2do paso Reposo
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Precalentamiento
Arroz húmedo: entrada
Ventilador Quemador
Columna de secado
Arroz seco: salida
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Entrada de arroz
Salida de arroz
Entrada de aire
Ventilador
Vista de perfil
S Sensor para temperatura y humedad de arroz
S
S
GM Medidor de gas (volumen de gas utilizado)
GM
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Pruebas de secado (CL XL745)Prueba Número de
pasosHi
(cosecha) Temperaturas en cada paso (Tas/Ta)
Primer°C
Segundo °C
Zafra: Setiembre – Octubre 20111 2 21,7 56/23 49/16
2 1 18,6 49/18 ----3 1 16,6 48/29 ----4 2 18,9 50/27 46/14
5 2 21,0 45/20 48/17
Zafra: Julio – Octubre 20121 2 17,6 52/19 43/222 2 18,2 49/9.0 44/233 1 17,4 44/22 ….
Hi es el contenido de humedad inicial del arrozTas es la temperatura del aire de secadoTa es la temperatura del aire ambiente
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Medidas de contenido de humedad
14151617181920212223
0 1 2 3 4 5 6
Con
teni
do d
e hu
med
ad in
icia
l, %
Prueba
10
11
12
13
14
0 1 2 3 4 5 6
Con
teni
do d
e hu
med
ad fi
nal,
%
Prueba
Contenido de humedad en la cosecha
Luego del precalentamiento
Salida de la secadora
Luego del reposo
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Resultados
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0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
1 2 3 4 5 6 7 8
Consumo energético por pruebaEn
ergí
a, k
J/kg
agu
a re
mov
ida
Prueba
22%
19%19%
17%
21%18%
18%
17%
η=90% η=43%
Hi
Energía térmica
Energía teórica
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0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1 2 3 4 5
Ener
gía,
kJ/
kg a
gua
rem
ovid
a
Prueba
Hi
Primer pasoSegundo paso
Temperatura ambiente Baja eficiencia energética parece estar relacionada con las bajas temperaturas nocturnas
Requerimientos energéticos “por paso” (2011)
14°C16°C 27°C29°C18°C 20°C 17°C23°C
21,7%
15,4%16,4%
21,0%
18,9%16,6%
18,6%
15,7%
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Ecuaciones
( ) 048,2792,54215 +
−−=
msmTTE a
aastérmica R2 = 0,79
( ) 2.9552044.2 +
+−−=
msmTT a
aastérmicaη R2 = 0,71
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0123456789
10
16.6 17.4 17.6 18.2 18.6 18.9 210 21.7
Costo para secar arroz desde la humedad inicial hasta ~13%
Contenido de humedad inicial en cada prueba, % w.b.
Cos
to, $
/ton
arro
z
Precio propano: $2/gal de líquido ($11/millón Btu )
21.0
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Resumen Los requerimientos energéticos para secar arroz variaron desde
7.200 hasta 11.100 kJ/kg de agua removida para la secadora industrial y desde 2.840 hasta 5.840 kJ/kg de agua removida para la secadora a nivel productor
La eficiencia energética varió desde 25 hasta 35% para la secadora industrial y desde 44 hasta 90% para la secadora a nivel productor
La temperatura ambiente, la temperatura de secado y el contenido de humedad del arroz afectaron los requerimientos energéticos durante el secado
Las ecuaciones desarrolladas podrían ser usadas para evaluar las condiciones de secado que llevan a ahorrar energía
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Resumen cont.
Ajustar el calendario de secado de modo de aprovechar las altas temperaturas durante el día podría conducir a ahorro energético
Es posible que el precalentamiento conduzca a ahorro energético
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Gracias
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0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 10 20 30 40 50 60
Ener
gía
térm
ica,
kJ/
kg a
gua
Tas-Ta, °C
Predicción de los requerimientos energéticos
0.020 = ma/msTípico primer paso
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0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 10 20 30 40 50 60
Ener
gyth
erm
al, k
J/kg
agu
a
Tas-Ta, °C
Predicción de los requerimientos energéticos
0.006 = ma/msTípico tercer paso
0.016 = ma/msTípico segundo paso
0.020 = ma/msTípico primer paso