Análisis de las condiciones límite para un modelo de secado al vacío por contacto

Abstract

El secado de tubérculos utilizando aire caliente degrada en gran medida al material, por lo cual se recurre a métodos modernos como el secado a vacío. Para poder diseñar, optimizar, y mejorar el control de un proceso a vacío es necesario recurrir a la simulación con la finalidad de predecir el comportamiento de la migración de humedad bajo ciertas condiciones. En este trabajo se propone un modelo matemático que considera la migración de humedad, de calor y el transporte de la fase gaseosa en rodajas de papa de3.5mm de espesor y45 mm de diámetro, para simular un secado a 55, 65 y 75 °C con una presión de 26, 56 y 79 kPa. El modelo considera tres ecuaciones diferenciales parciales, para capturar la conservación del contenido de humedad (agua líquida y vapor de agua), aire seco y la transferencia de energía. Para simular el comportamiento y dinámica del secador se proponendos ecuaciones ordinarias que describen el efecto de la bomba de vacío en la concentración de vapor de agua y aire seco en la cámara de secado. Los mecanismos de transporte de humedad consideran la ley de Fick y Darcy para transporte de vapor (en esta fase el principal aporte es difusivo), para el trasporte líquido (agua libre) se utiliza la difusividad capilar y para transporte de aire la ley de Fick y Darcy. Para la condición límite de la ecuación de conservación de humedad, se propone un balance de masa en términos de la tasa de evaporación considerando la diferencia de presiones entre la cámara de secado y la superficie del material. La condición límite depende principalmente de la diferencia de presión y de un coeficiente de transferencia estimado de datos experimentales cuyo valor es 2E-3kg s-1. Para la condición frontera de calor se considera la energía necesaria para la evaporación del agua, la cual es función del flux de evaporación y el calor latente.Para el cálculo de la presión de vapor en la superficie se utilizaron las isotermas de de sorción, en tanto que para la presión en la cámara las densidades obtenidas porlas EDO s. EL modelo simula las cinéticas de secado desde un contenido de humedad inicial de 5.3en base seca,hasta un contenido final de 0.05 en un proceso que dura 4horas, y predice el calentamiento del material observándose 3 periodos de calentamiento. Se observa que la condición límite para transporte de masa es capaz de predecir los cambios de presión generados por la bomba. El efecto del funcionamiento de la bomba en el flux de masa permite observar las fases activas y pasivas del secado. En el perfil del contenido de humedad se simulan las zonas higroscópicas y la no higroscópica del secado. El modelo simula las cinéticas de secado con un RMSE de 0.03 cuando son comparadas contra datos experimentales de la literatura.