INGENIERIA AGRICOLA

Potencial de secado de yucacon aire natural y energía solar

ALFONSO PARRA CORONADOInstructor asociado,Departamento de Ingeniería agrícola,Facultad de Ingeniería,Universidad Nacional de Colombia.

JORGE DOMINGUEZ BELLOIngeniero agrícola, U.N.

RENE CAITAIngeniero agrícola, U.N.

En este trabajo se presentan los resultados de estudiosdel potencial de secado de productos agropecuarioscon aire natural y energía solar de regiones tropicales,considerando el caso específico de la yuca.

La evaluación del potencial de secado de una región sebasa en el uso de un programa de computador (Simu-lación matemática), mediante el cual se obtienen losvalores del caudal mínimo de aire requerido para secarel producto antes que éste alcance un nivel de deterioropreestablecido.

Otros elementos metodológicos incluyen: manejo de lainformación meteorológica, mes crítico, patrón de agi-tación del producto, hora de iniciación del secado, pa-trón de operación del ventilador, uso de calorsuplementario (energía solar) e interpretación de losresultados con el fin de optimizar el sistema.

Se presentan mapas para Colombia de líneas isocauda-les e isoáreas de colector solar plano, con base en loscuales se puede obtener fácilmente la información re-querida para el diseño de sistemas de secado de yucaa baja temperatura.

INTRODUCCION

La yuca tiene buen potencial como alimento y materiaprima, para diversos usos industriales. Por su alto con-tenido de carbohidratos fácilmente digeribles, puede serutilizada en la fabricación de alimentos concentradospara animales. La yuca con contenido de humedad del14% bh, puede sustituir a los cereales en rangos supe-riores al 30% en raciones para aves, cerdos y rumian-tes. Para tales propósitos se requieren técnicasadecuadas de manejo y conservación, entre las cualesse destaca el secado.

El secado es un buen sistema de acondicionamiento yconservación de productos agropecuarios. En el casode la yuca, por su alto contenido de humedad, el secadoimplica la remoción de gran cantidad de agua, lo cualsignifica alto consumo de combustible. El costo de esteúltimo hace no viable económicamente el uso de siste-

Ingenierl. e Investigación 5

INGENIERIA AGRICOLA

mas con alta temperatura. Por esta razón, la aplicaciónde sistemas de secado a baja temperatura con uso deenergía solar es una alternativa conveniente, especial-mente para pequeños agricultores; además, se puedeobtener un producto final de alta calidad si utiliza correc-tamente el sistema.

En el secado con aire natural y energía solar intervienenun gran número de variables, que hacen que el estudioy análisis del proceso sean muy complejos. A nivel decampo sería muy dispendiosa su realización. Se reque-riría estudiar el proceso permanente durante una seriede años lo suficientemente larga, para lograr repre-sentatividad de los resultados. Además, tales resultadossólo serían aplicables al lugar o lugares de estudio. Laconstante variación de las características climáticas ha-ría difícil la optimización de las condiciones de opera-ción del sistema.

El estudio detallado y la solución de problemas como elque se acaba de mencionar, se ha facilitado mediante eluso de la técnica de simulación matemática. La simula-ción matemática permite cuantificar la influencia real decada una de las variables consideradas.

El desarrollo de modelos matemáticos de simulación delsecado y la deterioración de productos agropecuarios,ha otorgado un mejor conocimiento de su comporta-miento, lo cual conduce a un mejor manejo de losmismos. Se identifican los aspectos críticos inherentestanto al producto como al sistema, y se pueden estable-cer criterios para su perfeccionamiento.

La integración de los modelos de secado a baja tempe-ratura y de deterioración en programas de computador,permite estudiar lugares o regiones de interés. Igual-mente, se puede considerar un número suficiente de

variables, cada una de ellas con un amplio rango devariación. De esta manera se logra definir las condicio-nes más adecuadas de operación de sistemas de seca-do a baja temperatura y seleccionar los mejores sitiospara su implementación. Se utiliza la información refe-rente a condiciones climáticas, características del pro-ducto a secar y condiciones de operación del sistema.

EL POTENCIAL DE SECADO

El potencial de secado de una región o un lugar es lacapacidad que pueden tener sus parámetros climáticosnaturales para incidir en mayor o menor medida sobreel secado. Para cuantificar el potencial de secado seutiliza el caudal de aire requerido para realizar el proce-so, pues este factor sintetiza el efecto de las variablesinvolucradas. Un factor adicional para la evaluación delpotencial de secado es el requerimiento de área decolector solar para obtener un determinado incrementode temperatura del aire de secado, el cual permita efec-tuar el proceso en buenas condiciones.

Mediante el uso de información meteorológica de unaserie adecuada de años y el análisis probabilístico de losresultados, se puede evaluar con precisión el potencialde secado de un lugar o de una región.

METODOLOGIA

La metodología propuesta para la evaluación del poten-cial de secado con aire natural y energía solar de unaregión, se basa en el uso de un programa de computa-dor, el cual es la herramienta básica para la obtenciónde la información requerida. Otros elementos metodo-lógicos, incluyen el manejo de la información meteoro-lógica, mes crítico, patrón de agitación del producto,hora de iniciación del secado, patrón de operación delventilador, uso de calor suplementario (energía solar) y

Programa principal:estima caudales hasta encontrar ,.__

el caudal mínimo

1Subrutina SECADO:Simula el proceso de

secado de la capa gruesade producto para cada

caudal estimado

~ 1Subrutina DETER: Subrutina THOMP:

Simula la deterioración Simula el secado deuna capade la última capa de producto delgada de producto

6 Ingenleri. e Investigación

FIGURA 1. Diagrama general del programa.

INGENIERIA AGRICOLA

la interpretación de la información obtenida con el fin deoptimizar el sistema.

Programa de optimización de caudales

En la Figura 1 se presenta el diagrama general delsistema. En las referencias 5 y 6, se describe el progra-ma utilizado y su proceso de validación. Los datos deentrada para el programa de computador son la infor-mación meteorológica del lugar y las condiciones deoperación del sistema. Con base en dicha información,se simulan simultáneamente los procesos de secado ydeterioración. Se optimiza el flujo de aire, calculando elcaudal mínimo requerido bajo las condiciones simula-das para culminar el proceso antes de que se alcanceun nivel de deterioro preestablecido. El programa espe-cifica también las condiciones del producto después desecado.

Manejo de la información meteorológica

Se considera que una serie de información de 10 añosconsecutivos es adecuada para el estudio del potencialde secado de un lugar, dado que la probabilidad deocurrencia de los fenómenos meteorológicos es perió-dica. Con los datos meteorológicos promedio de cadames, se calcula la variación horaria de temperatura yhumedad relativa. Este será el comportamiento de lascondiciones sicrométricas del aire durante un día típicodel mes. Los valores obtenidos se utilizan como datosde entrada para el programa de computador.

Estudio de la estación tipo

Si las características climáticas de la región son simila-res, es suficiente analizar una "estación tipo", cuya ubi-cación sea representativa de la región y de la zona demayor producción, también se debe considerar la infor-mación meteorológica disponible y su confiabilidad.

Estudiando la estación tipo se optimizan los parámetrosde operación del sistema para la región, según el criteriodel caudal mínimo y tomando en cuenta la uniformidaddel contenido de humedad final del producto. Se consi-deran los siguientes aspectos: mes crítico, patrón deagitación del producto, hora de iniciación del secado,patrón de operación del ventilador y nivel de calor su-plementario.

Estudio para todas las estaciones de la región

Los parámetros de operación del sistema, optimizadosen el estudio de la estación tipo, se aplican para obtenerlos caudales y tiempos de secado de los años de estudioen cada una de las estaciones empleadas para la eva-luación de la región. Ordenando los resultados de cau-dal de manera ascendente, se puede calcular laprobabilidad de que en un año cualquiera dicho valor nosea superado. Con base en ello se pueden seleccionar

los caudales de diseño para diferentes niveles de con-fiabilidad.

Utilizando la información meteorológica del peor año decada estación (100% de confiabilidad), se puede estu-diar el secado para otros niveles de calor suplementarioy/o diferentes contenidos de humedad inicial.

Teniendo en cuenta las condiciones óptimas de opera-ción del sistema, los resultados para el año crítico encada estación y el contenido de humedad inicial delproducto, se pueden trazar mapas de líneas isocaudalesde la región.

Dimensionamiento de sistemas de secado a bajatemperatura usando colectores solares

Con el fin de obtener una primera aproximación parahacer un análisis de costos, se dimensionan sistemasde secado de yuca a baja temperatura con uso deenergía solar, bajo diferentes condiciones de contenidode humedad inicial e incrementos de temperatura. Seutilizan los resultados de la evaluación del potencial desecado de la región, empleando el caudal mínimo reque-rido con un 100% de contiabilldad, para el períodoestudiado en cada estación. Se estudian series entre 5y 10 años, con información de radiación solar paraobtener el área necesaria de colector.

Se evalúa también el requerimiento de potencia delventilador, en función del incremento de temperatura ydel caudal.

Por estar en función de la variable climática de radica-ción solar, el área requerida de colector solar se analizaprobabilísticamente, ordenando ascendentemente losvalores obtenidos. De esta forma se puede hallar el áreamínima de colector solar, con un grado de confiabilidaddeterminado, que proporcione un incremento de tempe-ratura dado. Teniendo en cuenta los resultados obteni-dos, se escoge un grado de confiabilidad razonable parael área de colector solar. Es posible entonces, elaborarmapas de líneas con igual requerimiento de área decolector solar, que complementen los mapas de líneasisocaudales.

Resultados y discusión

Hasta el momento se ha estudiado el potencial de seca-do con aire natural y energía solar para los siguientesproductos: yuca (alto contenido de humedad inicial) ymaíz (bajo contenido de humedad inicial).

Puesto que la yuca es la primera cosecha para la cualya se han estudiado las regiones productoras más im-portantes y extensas del país, en este artículo se presen-tan solamente los resultados para este producto. Encuanto al maíz, sólo se ha estudiado la Costa Atlántica.

Ingeniería e Investigación 7

INGENIERIAAGRleOLA

Cuadro 1

Potencial de secado de yuca con aire natural y E. solar condiciones óptimas de secadoe.H. inicial = 60% b.h. Altura del producto en el silo = 0.3 m. Deterioración permisible promedio = 15%e.H. final = 14%b.h. Densidad de la yuca cortada = 0.52 ton/m3 Agitar hasta e.H. =35% b.h. en última capa

RegiónSistema Valle del río Uanos Valle del Costa

Cauca Orientales Magdalena Atlántica,Operación del ventilador continuo continuo continuo continuo

Iniciación del secado entre las 7 y 14horas entre las 8 y 13 horas entre las 8 y 13 horas entre las 10Y 14horas

Patrón.deagitación cada 3 horas cada 3 horas cada 3 horas cada 4 horas

Caudal mínimo Inc. tem 5°e entre 83 y 148 entre 93 y 153 entre 88.8 y 127.1 entre 110y 150(m3 Imin-tonConf/dad 100% Inc. tem 10°C Entre 56y 79 entre 61 y 83 entre 59.5 y 76.5 entre 70 y 85

Peormes para secar noviembre junio medio: octubre octubrealto: noviembre

Tiempo de Inc. tem 50e entre 32 y 52 horas entre 35 y 39 horas entre 32 y 42 hras entre 33 y 36 horassecado(horas) Inc.10oe entre 28 y 42 horas entre 30 y 33 horas entre 29 y 35 horas entre 26 y 30 horas

Areacolector Inc. tem 50e entre 39.9 y 123.7m2 entre 54.6 y·104.8 m2 entre 33.7 y 49 m2

solar (m2/tn)confldad 80% Inc. tem 100e entre 56.5 y 183m2 entre 86.9 y 235.7 m2 entre 48.2 y 64.5 m2

Estación tipo

En la Costa Atlántica y los Llanos Orientales, se selec-cionaron como estaciones tipo las de Aracataca (Mag-dalena) y Villavicencio (Meta), respectivamente, losValles del Río Magdalena y del Río Cauca, por suscaracterísticas climáticas, fueron subdivididos: AltoMagdalena, estación tipo Honda (Tolima); MagdalenaMedio, Sabana de Torres (Santander); Cauca Medio,Tuluá (Valle); Bajo Cauca, Valdivia (Antioquia). En elcuadro 1 se presentan los resultados finales de la opti-mización de los parámetros de operación del sistema.

El caudal en el mes crítico fue superior en cerca del 14%al promedio de todos los meses.

La agitación periódica del producto permite reducir sig-nificativamente el caudal de secado; además, se unifor-mizan las condiciones de humedad y grado de deteriorode toda la masa del producto. La disminución del caudalhace que aumente el tiempo de secado. Con respectoa la no agitación, el patrón de agitación de tres horaspermite reducir el caudal de secado en aproximadamen-te un 25%.

La hora de iniciación del secado debe estar en el períodocomprendido entre las 8 y 13 horas, con el fin de apro-vechar las condiciones más favorables del aire ambientey utilizar los menores caudales de secado. Si se inicia elproceso a una hora fuera del intervalo mencionado, el

8 Ingeniería e Investigación

caudal se incrementa notablemente.

La operación continua del ventilador, permite alcanzarlas mejores condiciones de operación del sistema y portanto, el caudal de secado más conveniente. Si se apagael ventilador, aun durante la madrugada que es el perío-do más desfavorable al secado, el caudal necesario seincrementa por encima del 20%.

Las características del aire ambiente durante la tempo-rada de invierno en cada región, impiden secar el pro-ducto hasta el nivel del 14% bh. El contenido dehumedad de equilibrio de la yuca en tales condicioneses mayor del 18% bh. Por esta razón, es necesario utili-zar calor suplementario, con el fin de aumentar el poten-cial de secado. Usando el nivel de 8°C el caudal desecado se reduce en aproximadamente 50%, con res-pecto al nivel de11,10C (el cual se obtiene al pasar el ai-re por el ventilador).

Estudio para todas las estaciones de cada región

Utilizando la información meteorológica correspondien-te al mes crítico en cada región y los parámetros ópti-mos de operación del sistema, se simuló el secado deyuca durante la serie de años de estudio en cada esta-ción y los resultados se analizaron probabilísticamente.

Utilizando el caudal obtenido para el peor año de la seriede estudio en cada estación, se trazó el mapa de líneas

INGENIERIAAGRICOLA

FLORENCIA

", '-- ...

CAQUETA

'-_ECUADOR

VENEZUELA

GUAVIARE "I{

AMAZONAS

PERU

FIGURA 2. Mapa unificado de Un... lsocaudal ..

isocaudales, (ver Figura 2). Los valores del mapa deisocaudales, los cuales presentan una confiabilidad del100%, son utilizables bajo las siguientes condiciones:

- Parámetros óptimos de operación del sistema: mescrñíco, según la región; patrón de agitación, treshoras; hora de iniciación del secado, entre las 8 y 13horas; patrón de operación del ventilador, continuo;nivel de calor suplementario, SOCo

- Producto: humedad inicial, 60% bh; humedad final,14% bh; deterioración permisible, 15%.

- Según el mapa de lIneas isocaudales, el mejor poten-cial de secado de yuca lo presenta el Cauca Medio,seguido por el Alto Magdalena, Alto Cauca, CostaAtlántica, Magdalena Medio, Bajo Cauca y UanosOrientales. El mapa de Ifneas isocaudales sintetizalos resultados de la evaluación del potencial de

Ingenlerr. e Investigación 9

INGENIERIA AGRICOLA

VENEZUELA

BRASIL

AMAZONAS

FIGURA 3.Mapa unificado de líneas Isoáreas.

secado de las regiones de estudio. Mediante dichomapa se puede obtener el caudal de secado paracualquier lugar dentro de las regiones ya estudiadas.Con dicho caudal se puede diseñar, con un 100% deconfiabilidad, el sistema de secado de yuca a bajatemperatura.

Utilizando la información meteorológica del peor año encada estación y considerando un contenido de hume-

10 Ingeniería e Investigación

dad de la yuca del 60% bh, se simuló el secado utilizan-do niveles de calor suplementario entre 3° y 1DOC.Seelaboraron gráficas que permiten obtener los caudalesy tiempos de secado, al usar un determinado incremen-to de temperatura.

Al estudiar el secado de yuca con contenidos de hume-dad inicial entre 60 y 65% bh, se observó la variaciónexponencial del caudal al aumentar la humedad inicial.

INGENIERIAAGRICOLA

Al aumentar el contenido de esta última en un S% (del60 al 6S% bh), el caudal de secado se incrementa encerca de un 1S0%. Este hecho resalta la importancia deprocesar yuca con alto contenido de materia seca, paraasí tener las condiciones más ventajosas.

Dimensionamiento de sistemas de secado a bajatemperatura usando colectores solares

En todos los casos, se dimensionó el sistema para secaruna tonelada de yuca fresca. Se dimensionó el sistemade secado usando la información de radiación solar parael mes crítico, según la región. Se consideraron conte-nidos de humedad inicial del 60 y 6S% bh. Se dimensio-nó el colector solar para obtener incrementos detemperatura de S, 6,8 Y 100C.Se emplearon los caudalesmínimos con un 100% de confiabilidad.

Al realizar el análisis probabilístico del área de colectorsolar, se encontró que no es conveniente utilizar un100% de confiabilidad porque, aparentemente, las áreasson muy grandes. Los resultados sugieren que el gradode confiabilidad más adecuado a emplear es del 80%.

Se evaluó la incidencia del nivel de calor suplementarioy del contenido de humedad inicial sobre el requerimien-to de potencia del ventilador. Los requerimientos depotencia disminuyen al aumentar el nivel de calor suple-mentario, reduciéndose en aproximadamente un 30% alusar 100Cen vez de SoCoProcesar yuca con humedadinicial del 6S% bh hace que aumenten los requerimien-tos de potencia del ventilador en más de 700%, conrespecto a la humedad inicial del 60% bh.

Con base en los resultados del dimensionamiento delsistema de secado, se elaboró el mapa de líneas de igualrequerimiento de área de colector solar para secar yuca(ver Figura 3), el cual sirve de complemento al mapa delíneas isocaudales. Además de las condiciones de uso

mencionadas para el mapa de isocaudales, se conside-ra un nivel de confiabilidad del área de colector del 80%y un peso de yuca fresca de una tonelada. Si se deseaconocer el área de colector a usar para procesar unacantidad diferente de producto, se debe multiplicar elvalor obtenido del mapa por el peso de yuca en tonela-das.

CONCLUSIONES

La utilización de programas de computador para elestudio del potencial de secado de productos agrope-cuarios a baja temperatura, ofrece importantes ventajas.Se examinan detalladamente las características del pro-ducto y las condiciones de operación del sistema, conla cual se logra optimizar el proceso. Asimismo, sepueden estudiar regiones completas en poco tiempo ycon resultados seguros, lo cual sería difícil conseguirmediante experimentación directa en el campo.

Es de suma importancia determinar y utilizar los pará-metros óptimos de operación del sistema, por su granincidencia sobre el caudal y el tiempo de secado.

El mapa de líneas isocaudales permite seleccionar loslugares o zonas más adecuadas para la implementaciónde plantas de secado de yuca a baja temperatura.

Los factores básicos para el diseño y operación desistemas de secado de yuca a baja temperatura, apartede las condiciones meteorológicas, son el contenido dehumedad inicial del producto y el nivel de calor suple-mentario a utilizar. Estos factores definen los valores decaudal, área de colector solar, potencia del ventilador ytiempo de secado. Además, el contenido de humedadinicial determina la relación de conversión yuca fresca:yuca seca, lo cual repercute en la eficiencia de uso delsistema y en los beneficios económicos.

BIBLlOGRAFIA

1. Gaita, Luis René. "Potencial de secado de yuca con aire natural yenergía solar en los Llanos Orientales". Tesis Ingeniería Agrícola.Bogotá, Universidad Nacional de Colombia, 1987.

2. Díaz Granados, Alfonso, Manrique, Nsstor. "Potencial de secadode yuca con aire natural y energía solar enel Valle del RíoGauca".Tesis Ingeniería Agrícola. Bogotá, Universidad Nacional de Co-lombia, 1987.

3. Domínguez, Jorge. Parra, Alfonso y Villa, Luis G."Simulaciónmatemática y optimización del secado de productos agropecua-rios con aire natural y energía solar". Revista Ingeniería e Inves-tigación, Volumen 2, Número 2, (PP. 57 - 62). Bogotá,Universidad Nacional de Colombia, 1983.

4. Domínguez, Jorge. Parra, Alfonso y Villa, Luis G. "Estudio delPotencial de secado con aire natural y energía solar". Revista

Ingeniería e Investigación, Volumen 2, Número 3. (PP.5 - 15).Bogotá, Universidad Nacional de Colombia, 1983.

5. Marín, Carlos y Villalobos, Roberto. "Potencial de secado de yucacon aire natural y energía solar en el Valle del Magdalena". TesisIngeniería Agrícola. Bogotá, Universidad Nacional de Colombia,1986.

6. Ramos, Jaime y Villamizar, Julio. "Potencial de secado de yucacon aire natural y energía solar en la Gosta Atlántica". TesisIngeniería Agrícola. Bogotá, Universidad Nacional de Colombia,1984.

7. Rossi, Silvio José y Roa, Gonzalo. Secagem e armazenamento deproductos agropecuarios con uso de energía solar e ar natural.Sao Paulo. ACIESP, 1980.

8. Villa, Luis Gabriel Roa, Gonzalo y Braunbeck, Osear. "Natural anconvected air drying of Gassava Chips". ASAE. Paper No. 79-4037, StoJoseph, Michigan, 1979.

Ingenierra e Investigación 11