Universidad de Los Andes - Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Química

Curso: Procesos de Separación

Documento Proyecto Final – Grupo 6

David Moreno Solano 201127074

Laura Prieto Saavedra 201114218

Nicolás Rodríguez Díaz

Andrés Solano Rincón 201225432

1. Introducción

El secado es una operación unitaria basada en la remoción de humedad ya sea agua u otros

compuestos volátiles de sólidos, soluciones, pastas y mezclas para obtener productos sólidos que

generalmente están en perfectas condiciones después de la operación. El propósito de este proyecto

fue realizar el diseño y la construcción de un secador para secar una camiseta mojada. De este modo

se aplicaron los conocimientos de la operación de secado, teniendo en cuenta la transferencia de

masa y los mecanismos de transferencia de calor con el fin de lograr el objetivo principal. Se debe

tener en cuenta que el presupuesto del proyecto fue de $100.000 pesos y que el costo energético del

secador también es un factor importante.

2. Tipos de secado y equipos relacionados al modelo propuesto

En primera instancia, se debe realizar una revisión de los tipos de secado y equipos que existen en

la actualidad relacionados con la propuesta actual para el modelo del secador. Cabe aclarar que el

modelo presentado no se encuentra completamente relacionado con un tipo de secador en

específico, por lo cual, no se encontrará un método tradicional que sea muy similar al propuesto. A

partir de esto, se puede proceder a relacionar el experimento con la literatura. En primera instancia y

con el objetivo de delimitar la información que se encuentra disponible, es bueno denotar que el

secador propuesto funciona por lotes. Sin embargo, es bueno conocer otros tipos de secadores con

los cuales se cuenta para procesos de secado continuo ya que son los más usados en la industria,

tales como: Secador de túnel, de banda, turbo de bandejas (o platos) o el secador rotatorio de calor

directo. Cada uno de estos tipos de secador responde a diferentes exigencias de un proceso dado y

por tanto todos tienen ventajas y desventajas en su uso. En cuanto a secadores por lotes, la gran

mayoría de los modelos se pueden formar mediante combinaciones de secadores de platos y de

agitación, en el caso específico del secador propuesto, si se tuviera que relacionar con un tipo de

secador por lotes existente, su mecanismo de acción se asimilaría al secador de platos, aunque

difiere en su configuración, el método de secado usado es relativamente parecido. Otra manera de

delimitar el secador es por el modo de transferencia de calor, en este caso específico, el secador

funciona mediante varios mecanismos de transmisión de calor, sin embargo, en su gran mayoría, el

modelo se puede considerar como un secador convectivo (conocido también como adiabático o de

calor directo), estos secadores se caracterizan por el contacto directo de un gas caliente que ayuda a

remover la humedad del solido deseado. Sin embargo, también tiene rasgos de secado por medios

de radiación, debido a la presencia de los reflectores, por tanto se puede decir que también tiene un

carácter de calor indirecto. Por último, otro método de clasificación es por el carácter de agitación

del secador, en este caso, el secador propuesto se considera un secador estático pues no se le ha

implementado en ninguna parte de su estructura un eje rotatorio que afecte el proceso de secado.

3. Metodología de solución

Se decidió diseñar un secador que tiene los tres tipos de transferencia de calor: conducción,

convección y radiación. Sin embargo la transferencia que más va a aportar al secado es la de

convección por medio de un gas caliente en contacto con el material. Se debe tener en cuenta que se

quiere obtener una camiseta en la cual propiedades como el estado de la tela, el color y la textura,

no deben ser afectados. La camiseta que se debe secar es de algodón blanco con impresiones a

color, de talla L, con un peso seco de 180 g y unas medidas de 70 cm de largo, 77 cm de ancho con

mangas y 49 cm de ancho sin mangas.

3.1 Diseño del secador

De este modo, el diseño del secador especial para camisetas está conformado por dos partes

esenciales: zona de soporte de la camiseta y zona del circuito (Figura 1, 2). En primer lugar, la

zona de soporte de la camiseta está dada por un armazón de alambre muy similar a una

estructura de un maniquí. Este se elaboró con una malla de alambre la cual fue moldeada para

obtener la forma deseada. Este diseño se debe principalmente al deseo de aumentar el área de

contacto para favorecer la transferencia de masa.

En cuanto a la zona de circuitos, ésta está configurada por tres ventiladores y cuatro bombillos.

Esto se debe a que los bombillos están encargados de la generación de calor y los ventiladores

de la generación del flujo de viento a lo largo del secador. Esto se hace para realizar la

convección; para esto se ubican los ventiladores en zonas estratégicas cercanas a los bombillos

para tener una transferencia de calor eficiente.

Figura 1. Zona de soporte de la camiseta

Figura 2. Configuración circuitos

Se realizó una modificación del modelo inicial, en la cual la base del secador es mucho más

larga, esto se hizo para comodidad de uso del secador, puesto que resulta mucho mejor a una

altura razonable. Se debe tener en cuenta que se trata de un soporte redondo con una varilla en

la mitad del mismo. La base tiene un diámetro de 25 cm y la varilla un largo de 150 cm. A lo

largo de esta varilla se ubicó la zona de circuitos (ventiladores y bombillos) y encima del

mismo se ubicó el armazón de alambre el cual soporta la camiseta. Este armazón tiene las

siguientes dimensiones 90 cm de alto, 40 cm de ancho y tiene mangas con un diámetro y largo

de 20 cm y 19 cm, respectivamente. Dadas estas medidas, se asegura que el secador sirva para

las dimensiones de la camiseta dadas y para un amplio rango de las mismas. Adicionalmente, se

debe tener en cuenta que no se utiliza todo el armazón pero los ventiladores y bombillos están

ubicados en la parte superior donde va a estar la camiseta mojada. Una mejora importante a

tener en cuenta es el cambio del montaje de los ventiladores, inicialmente se tenía planeado

armar el circuito con motores y aspas por separado, sin embargo, se planteó una mejor

alternativa, la compra de extractores (ventiladores) ya construidos y con un transformador para

soportar la corriente alterna de las tomas eléctricas, esta alternativa era mejor ya que el precio

no excedía el presupuesto y se aseguraba un correcto funcionamiento con mayor potencia.

3.2 Protocolos de medición

Teniendo en cuenta que se conoce el peso inicial de la camiseta desde el inicio del experimento

es necesario cuantificar este dato a lo largo del mismo, puesto que esto es lo que va a ayudar a

definir qué tan eficiente fue el secado por medio del diseño realizado. El experimento se

realizará durante una hora por lo cual se debe pesar la camiseta durante ese tiempo. Para esto, se

pondrá el montaje encima de una pesa durante todo el experimento y se va a poder monitorear

el peso de todo el montaje en distintos tiempos. De este modo, se debe inicialmente pesar el

montaje sin camiseta, para poder después obtener el peso de la camiseta solamente.

3.2.1 Humedad libre

Se sabe que la humedad es el porcentaje de la masa de agua con respecto a la nada total de

la camiseta. Esto se puede cuantificar teniendo en cuenta que con la masa inicial del

montaje y la masa en un tiempo t, se puede calcular el agua evaporada en ese tiempo t

específico.

3.2.2 Curva de secado

Se sabe que está curva se obtiene al graficar la humedad libre antes hallada con respecto al

tiempo. Por lo que se puede realizar tomando unas cuantas mediciones durante el

experimento para obtener una gráfica similar a la teórica que se muestra en la siguiente

figura.

Figura #. Curva de humedad libre contra tiempo (UNAL virtual, 2004)

3.2.3 Velocidad de secado

En cuanto a la gráfica de velocidad se sabe que tiene la siguiente forma:

Figura #. Curva de velocidad (UNAL virtual, 2004)

Por lo que teniendo en cuenta que en la siguiente gráfica la pendiente está dada por la

siguiente expresión se cuantifica esta velocidad:

𝑅 = (𝑆

𝐴)

𝑑𝑋

𝑑𝑡 (𝐸𝑐. 1)

Donde:

𝑆: 𝐾𝑖𝑙𝑜𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜

𝐴: Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑎𝑑𝑜

3.2.4 Gasto energético

El costo por kilovatio hora será especificado por los instructores debido a que es el mismo

por el lugar en el que se realizará el experimento. La potencia utilizada por el montaje se

puede expresar como el producto entre un diferencial de voltaje y la intensidad de la

corriente que pasa por el circuito:

𝑃 = Δ𝑉 ∗ 𝐼 (𝐸𝑐. 2)

Estos pueden ser medidos fácilmente por medio de un multímetro. De este modo el

consumo total estará dado por:

𝑃𝑡 = 𝑃 ∗ 𝑡 (𝐸𝑐. 3)

Donde 𝑃 es la potencia y 𝑡 es el tiempo total de la operación.

3.3 Costos del proyecto

Al realizar el proyecto se encontraron todos los materiales necesarios para su construcción. La

siguiente tabla muestra el costo de cada uno de estos y el costo total del proyecto, el cuál

cumplió con el presupuesto establecido.

Tabla 1.

Articulo Precio unidad ($) Cantidad Total ($)

Ventiladores $ 12.500,00 3 $ 37.500,00

Cable $ 450,00 3 $ 1.350,00

Conectores $ 300,00 1 $ 300,00

Base y Palo $ 2.000,00 1 $ 2.000,00

Bombillos $ 4.900,00 4 $ 19.600,00

Adaptadores $ 2.900,00 4 $ 11.600,00

Malla $ 10.900,00 1 $ 10.900,00

Costo Total $ 83.250,00

4. Evaluación crítica del diseño

5. Discusión artículo

En el primer artículo, Sharpe y otros, advierten que la calidad de aire dentro de los hogares

escoceses se ve afectado al secar la ropa dentro de la casa. Altos niveles de humedad estimulan a las

poblaciones de esporas de moho y ácaros de polvo, los cuales causan problemas a personas con

asma, rinitis y otras alergias (Sharpe, Porteous, Foster, & Shearer, 2014). De hecho, se encontró una

espora que causa infecciones pulmonares en 25% de los hogares analizados.

Específicamente, se descubrió que un tercio de la humedad en hogares escoceses era causada por el

secado pasivo de ropa lavada (Sharpe, Porteous, Foster, & Shearer, 2014). Se propone como

solución a este problema el uso de secadoras automáticas, sin embargo, el costo energético de estas

máquinas puede ser demasiado alto para muchas personas (Sharpe, Porteous, Foster, & Shearer,

2014).

Esta opinión tiene sustento en la mecánica de las máquinas de secado. Stawreberg y Nilsson,

afirman que la eficiencia energética de las máquinas disminuye al reducir la cantidad de materiales

secados. De hecho, las máquinas de secado son diseñadas para secar entre 6 y 8 kg de ropa seca,

mientras que en el hogar promedio se secan entre 2 y 4 kg de ropa seca (Strawreberg & Nilsson,

2013). Así, el área de transferencia de masa disminuye y se disminuye la velocidad de secado para

una misma cantidad de energía aplicada. En el estudio se utilizó diferentes estrategias de control

para reducir el suministro de calor y el flujo de aire dentro del secador. Sin embargo, no se pudo

llegar a una misma eficiencia energética que cuando el secador se opera a carga máxima.

Debe tenerse en cuenta que estos estudios se realizaron con datos tomados de las culturas Escocesas

y Alemanas respectivamente. Con respecto al primer artículo, en los hogares Escoceses se suele

secar la ropa en la sala o habitaciones en las temporadas frías de invierno. En comparación, en

países tropicales como Colombia, existen espacios adecuados para secar la ropa con ventilación

independiente. Así, se debería realizar un estudio similar en Colombia para evaluar el riesgo para la

población Colombiana. Con respecto al segundo estudio, la cantidad carga seca está basada en el

promedio alemán. Debido a las diferencias de temperatura y la densidad de habitantes bajo un

mismo techo, es probable que la cantidad de ropa utilizada y puesta a secar varíe significativamente

en varios lugares en el mundo.

Aun así, es evidente que para evitar las condiciones de humedad en países con fuertes inviernos, es

necesario trabajar en el aumento de la eficiencia energética de las máquinas de secado, así que en un

futuro cercano se recomienda trabajar para mejorar la eficiencia energética de los aparatos de

secado. Este proyecto tendría implicaciones de ingeniería con objetivos de ayudar al medio

ambiente y a los humanos que se podría trabajar en alguna materia universitaria.

6. Referencias

Seader, J., Henley, E., & Roper, D. (2010). Separation Process Principles. John Wiley & Sons Inc.

Sharpe, T., Porteous, C., Foster, J., & Shearer, D. (2014). An assessment of environmental

conditions in bedrooms of contemporary low energy houses in Scotland. Indoor and Built

Environment.

Strawreberg, L., & Nilsson, L. (2013). Potential energy savings made by using a specific control

strategy when tumble drying small loads. Applied Energy 102, 484-491.

UNAL virtual. (2004). Lección 7.5: Cálculos de Secado. Obtenido de UNAL virtual:

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4070035/lecciones/cap7/leccion7_5.

htm

7. Anexos

Anexo 1: Abstract artículo Sharpe y otros

‘’Abstract:

As the UK and Scottish governments aim for zero-carbon housing, with tightly sealed building

envelopes becoming paramount, indoor air quality (IAQ) and its implications for health has become

a concern. This context relates to a 2008–2011 study, ‘Environmental Assessment of Domestic

Laundering’, concerning the prevalence of passive indoor drying (PID). Assessment of PID

impacts, shaped by built and social context including occupants’ habits and trends, draws on

monitored data from 22 case studies out of a wider survey of 100 dwellings in Glasgow. The

smaller group included analysis of air samples and provided scenarios for enhanced dynamic

modelling via laboratory work on moisture buffering. The evidence suggests PID has important

implications for energy consumption and IAQ; in the latter case because moisture levels are likely

to boost dust mite populations and concentrations of airborne mould spores. Thus, findings indicate

possible negative impacts on health, and the paper recommends amended standards allied to design

guidance for improved practice, as well as further work related to volatile organic compounds.’’

(Sharpe, Porteous, Foster, & Shearer, 2014).

Anexo 2: Resumen artículo Stawreberg y Nilsson

‘’Abstract:

Tumble dryers manufactured today are optimised for their maximum capacity, i.e., 6–8 kg of dry

load. An average washing load in ordinary households lands at between 2 and 3.5 kg dry load,

which implies that the drying load is even smaller. The energy efficiency decreases with reduced

drying load. The aim of this study is to establish a mathematical model for studying alternative

control strategies for the venting tumble dryer in order to increase the energy efficiency of drying

small loads. Two series of test runs were performed: the first series with three different drying loads

was used as reference tests for validation of the mathematical model, and the second series was

performed with airflow reduction. The model shows good agreement with the test runs. Two control

strategies were tested using the model on the smallest drying load. By lowering the heat supply to

the heater and by reducing the airflow, the energy efficiency increases by 6% in a small load drying

cycle. It was not possible, however, for the investigated dryer, to reach the same energy efficiency

for small loads as for the maximum drying load by using a control strategy’’ (Strawreberg &

Nilsson, 2013).