Pérdida de presión del aire al fluir a través de un lecho empacado con sólidos

PÉRDIDA DE PRESIÓN DEL AIRE AL FLUIR A TRAVÉS DE UN LECHO EMPACADO CON SÓLIDOS

1. MATERIALES Y MÉTODOS

Esta práctica se llevó a cabo utilizando el montaje que se observa en la Figura 1, el cual constaba de varios componentes clave: un reóstato, un compresor de aire, una tubería tipo Venturi al cual estaba acoplado un tubo vertical y un manómetro de columna de agua que estaba conectado al tubo.

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 Figura 1. Diagrama del montaje experimental del equipo utilizado

Se comenzó llenando un tubo vertical con maíz y se permitió que el aire fluyera a través del producto a diferentes velocidades.

La determinación del flujo de aire (velocidades) se hizo con la ayuda de un anemómetro por promedio (triplicado) y con la ayuda de un manómetro se determinó la caída de presión en las válvulas (1-2 y 1-3) ubicadas al costado del tubo vertical cada vez que se aumentaba el voltaje.

Para calcular la caída de presión a diferentes flujos de aire, se utilizó la Ec. 1

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En donde,  es la caída de presión, P la presión y h la distancia entre las válvulas.  La distancia entre las válvulas 1-2 es de 0,29 m y entre las válvulas 1-3 es de 0,58m; para ambos alimentos.[pic 3]

Para la determinación de la profundidad se

empleó la Ec. 2, donde P es la presión a 5, 6, 7 y 8kPa y ∆P corresponde a la caída de presión calculada a partir de la Ec. 1

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Para finalizar, se realizó un ajuste logarítmico a las gráficas obtenidas y con ayuda de la Ec. 3 y Ec. 4 se encontró las alturas máximas del lecho con aire a 3.0 m3 /s*m2.

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En donde y es el flujo de aire (3.0 m3/s*m2), x la altura máxima, a la pendiente de la curva y b el intercepto.

1. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los datos de velocidad del aire, presión y caía de presión obtenidos para el maíz y la papa amarilla se muestran en las Tablas 1, 2, 3 y 4 (ver anexos).

Con los datos obtenidos se realizó una curva de la caída de presión en función del fluido de aire. Ver Figura 2 y 3 

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Figura 2. Caída de presión en función del flujo de aire para el maíz

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Figura 3. Caída de presión en función del flujo de aire para la papa amarilla

Según Pérez Hernandez et al. (2022), un fluido, líquido o gaseoso, que pasa a través de un lecho de partículas sólidas, producirá una transferencia de cantidad de movimiento de la corriente al sólido, conllevando a una pérdida de energía por parte del fluido a la que se llama caída de presión. La caída de presión en el fluido en su paso por el lecho es producto de: efectos de fricción, en los cuales interviene la rugosidad de la partícula, y las pérdidas de energía cinética, consecuencia de la aceleración y desaceleración del fluido

En la figura 2 y 3, se puede observar que la caída de presión es directamente proporcional al flujo de aire en el lecho empacado con alimentos sólidos, comportándose de manera creciente. El comportamiento anterior, indica que si el fluido que se encuentra en movimiento a baja velocidad (en este caso aire), este asciende por el lecho a través de los espacios entre partículas, los cuales en este momento permanecen estacionarios, este estado también es denominado “lecho fijo” (De Prada Díaz, 2014), este estado se observó en la práctica de laboratorio tanto para el maíz como para la papa amarilla, dado a que el flujo de aire por el lecho no superó el peso de la muestra que se encontraba dentro de este.

Además, se observa que la caída de presión en la papa amarilla es menor en comparación a la caída de presión en el maíz esto debido a que existe una diferencia en las propiedades de dichos productos, la papa presenta un tamaño y forma que permite formar un lecho más uniforme, con más espacios, lo que causa una menor resistencia al flujo de aire, ya que como lo menciona Telis Romero & Amaral Sobral, (2003), los factores que hacen parte de este proceso incluyen el caudal del aire, características físicas del alimento como lo puede ser la porosidad, la esfericidad, el tamaño y la distribución de tamaño de partículas, organización de los espacios y espesor del lecho de partículas.

Posteriormente, con la Ec. 2 se calculó la profundidad para presiones de 5kPa, 6kPa, 7kPa y 8kPa para las diferentes distancias de las válvulas, los datos obtenidos se muestran en las tablas 5, 6, 7 y 8 (ver anexos). En las figuras 4, 5, 6 y 7 se observa el comportamiento del flujo de aire en función de la profundidades obtenidas.

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Figura 4. Flujo de aire vs profundidad a diferentes presiones para el maíz, distancia 1-2

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Figura 5. Flujo de aire vs profundidad a diferentes presiones para el maíz, distancia 1-3

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Figura 6. Flujo de aire vs profundidad a diferentes presiones para la papa amarilla, distancia 1-2

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Figura 7. Flujo de aire vs profundidad a diferentes presiones para la papa amarilla, distancia 1-3

En las figuras 4, 5, 6 y 7 se puede observar que el comportamiento del flujo de aire es inversamente proporcional a la profundidad, por lo tanto, se tiene que a mayor profundidad se tiene un flujo de aire menor. Para el caso del maíz, uno de los factores que causa el incremento de la resistencia al flujo de aire por unidad de profundidad, es la densidad aparente de este. Una de las propiedades físicas de los alimentos asociadas a la resistencia a un flujo de aire es el contenido de humedad, ya que cuando esta varía, asimismo lo hace el espacio intersticial entre los granos y por lo tanto también afectará la resistencia al flujo de aire (Aguilar, 2011).

Con las ecuaciones de las gráficas obtenidas luego de realizar el ajusto logarítmico y con ayuda de la Ec. 4, se calculó las alturas máximas del lecho del producto para remover calor con aire a una razón de 3.0 m3/sm2 

Los datos obtenidos se muestran en las tablas 9 y 10, para el maíz y la papa respectivamente.

Tabla 9. Altura máxima obtenida para el maíz

Tabla 10. Altura máxima obtenida para la papa

Al comparar los resultados obtenidos para la altura máxima de remoción de calor por aire a 3.0 m/s, se puede observar que los valores obtenidos presentan variabilidad, debido a las diferencias de geometría que existen entre el maíz y la papa. En el maíz las alturas máximas en cada uno de los intervalos medidos son menor que en la papa, esto se debe principalmente a su forma.

1. CONCLUSIONES

• Se observó que la caída de presión en el flujo de aire a través de lecho de maíz y de papa amarilla fue directamente proporcional al flujo de aire. Este comportamiento básicamente es atribuido a la resistencia proporcionada por las partículas sólidas en el lecho.
• La papa amarilla mostró una menor caída de presión en comparación con el maíz, esto es debido a las propiedades físicas, como lo es la porosidad entre sí y la forma de las partículas

1. BIBLIOGRAFÍA

Aguilar Pereira, J. F. (2007). Análisis de los factores que intervienen sobre la resistencia al flujo de aire en granos y semillas en operaciones de manejo poscosecha. Ingeniería, 17(1), 113-124

De Prada Díaz, A. (2014). Estudio experimental de la aglomeración de partículas en un lecho fluidizado. Madrid, España: Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Ingeniería Térmica y de Fluidos.

Pérez Hernandez, M. M., Da Silva, A. S., Toledo De Blasio, M. P., & Segura Rodriguez, D. A. (2022). Simulación de una práctica de fluidización para el laboratorio de procesos de separación de la Universidad Metropolitana. Tekhné, 25(2), 113-133.

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