ENERGY AND EXERGY ANALYSIS OF THIN LAYER DRYING OF COROBA SLICES

ANÁLISIS DE ENERGÍA Y EXERGÍA DEL SECADO EN CAPA FINA DE RODAJAS DE COROBA

Abstract

1

Energy and exergy analysis were conducted of the thin layer drying of coroba slices at

three different air temperatures (71, 82 and 93°C) and velocities (0.82 - 1.00 and 1.18

m/s). The effects of inlet air temperature and velocity and drying time on both energy

and exergy were studied. Both energy utilization and energy utilization ratio increased

with increasing drying time while exergy efficiency decreased. The values of energy

utilization and energy utilization ratio were found to be in the range of 0.009- 0.65 KJ/s

and 0.00007 - 0.008 from 71°C to 93°C with drying air velocities of 0.82 m/s - 1.18 m/s,

respectively. The values of exergy inflow and exergy outflow were found to be in the

range of 0.33 - 0.87 KJ/s and 0.25 - 0.75 KJ/s from 71°C to 93°C with drying air

velocities of 0.82 m/s - 1.18 m/s, respectively. The values of exergy loss and exergy

efficiency were found to be in the range of 0.005 - 0.010 KJ/s and 0.97 - 0.80 from

71°C to 93°C with drying air velocities of 0.82 m/s - 1.18 m/s, respectively.

2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Keywords: Energy and exergy analysis; Thin layer drying; Coroba slices

Resumen

Se llevó a cabo el análisis de energía y exergía del secado en capa fina de rodajas de

coroba a tres temperaturas diferentes de aire (71, 82 y 93 °C) y velocidades (0,82 a

1,00 y 1,18 m /s). Se estudiaron los efectos de la temperatura del aire en la entrada y

la velocidad y tiempo de secado tanto en energía y exergía. Tanto la utilización de

energía y la relación de utilización de energía incrementó al aumentar el tiempo de

secado, mientras que la eficiencia de la exergía disminuyo. Se encontró que los

valores de la utilización de la energía y la relación de utilización de la energía están en

el intervalo de 0.009- 0,65 KJ/s y 0,00007-0,008 de 71 °C a 93 °C con velocidades de

aire de secado de 0,82 m/s - 1,18 m/s, respectivamente. Se encontró que los valores

de flujo de entrada y salida de exergía están en el rango de 0,33 a 0,87 KJ/s y 0,25-

0,75 KJ/s desde 71°C a 93°C con velocidades de aire de secado de 0,82 m/s - 1,18

m/s, respectivamente. Se encontró que los valores de la pérdida de exergía y de la

eficiencia de exergía están en el rango de 0,005 a 0,010 KJ/s y 0,97 - 0,80 desde 71°C

a 93°C con velocidades de aire de secado de 0,82 m/s - 1,18 m/s,

respectivamente .Palabras claves: Análisis de energía y exergía; Secado en capa fina;

Rodajas de coroba.

2

1. Introduction

Drying is one of the oldest methods known for the preservation of vegetables, which

has a wide production potential in the world. The drying of food materials by the use of

heated air has advantages on quality control, on achievement of hygienic conditions,

and on reduction of product loss. The most affecting factors related to the drying air are

the drying air temperature, the drying air relative humidity and the drying air velocity in

addition to the product initial moisture content (Amer, Morcos, Sabbah, 2003).

Recently, many studies covering mathematical modeling and kinetics of the drying

process have been undertaken by several researchers (Akpinar et al., 2003; Ertekin

and Yaldiz, 2004; Midilli and Kucuk, 2003a; Togrul and Pehlivan, 2003). Mathematical

models have proved to be very useful design and analysis of the mass and heat

transfer processes during drying. All parameters use by simulation models are directly

related to the drying conditions. Thermodynamic analysis, particularly exergy analysis,

has appeared to be an essential tool for system design, analysis and optimization of

thermal systems (Dincer and Sahin, 2004). Exergy is defined as the maximum amount

of work which can be produced by a stream of matter, heat or work as it comes to

equilibrium with a reference environment (Dincer, 2000; Dincer, 2002). In the drying

industry, the goal is to use a minimum amount of energy for maximum moisture

removal for the desired final conditions of the product. Several studies have been

conducted on exergy analysis of food drying. Syahrul et al. (2002) conduct an exergy

analysis of fluidized bed drying of moist particles. Midilli and Kucuk (2003b) performed

the energy and exergy analysis of the drying process of shelled and unshelled

pistachios using a solar drying cabinet. Dincer and Sahin (2004) developed a new

model for exergy analysis of a drying process. Akpiner (2004) performed energy and

exergy analysis of drying of red pepper slices in a convective type dryer. Akpinar et al.

(2005, 2006) performed energy and exergy analysis of potato and pumpkin drying

processes via cyclone type dryer. Colak and Hepbasli (2007) performed an exergy

analysis of thin layer drying of green olive in a tray dryer. Ozgener and Ozgener (2006)

presented an energy and exergy modelling of industrial final macaroni drying process.

The primary objective of this study is to present energy and exergy analysis of thin

layer drying of coroba slices at different conditions of air temperature and velocity in a

convective dryer.

3

1. Introducción

El secado es uno de los métodos más antiguos conocidos para la preservación de los

vegetales, que tiene un amplio potencial de producción en el mundo. El secado de los

materiales alimenticios mediante el uso de aire caliente tiene ventajas sobre el control

de calidad, en el logro de las condiciones higiénicas, y en la reducción de la pérdida de

producto. Los factores relativos que afectan más al aire de secado son la temperatura

del aire de secado, la humedad relativa del aire de secado y la velocidad del aire de

secado en adición al contenido inicial de humedad del producto (Amer, Morcos,

Sabbah, 2003). Recientemente, muchos estudios que abarcan los modelos

matemáticos y la cinética del proceso de secado se han llevado a cabo por varios

investigadores (Akpinar et al, 2003;. Ertekin y Yaldiz, 2004; Midilli y Kucuk, 2003a;

Togrul y Pehlivan, 2003). Los modelos matemáticos han demostrado ser muy útiles en

el diseño y análisis de los procesos de transferencia de masa y calor durante el

secado. Todos los parámetros usados por los modelos de simulación están

directamente relacionados con las condiciones de secado. El análisis termodinámico,

en particular el análisis de exergía, ha resultado ser una herramienta esencial para el

diseño de sistemas, análisis y optimización de sistemas térmicos (Dincer y Sahin,

2004). Exergía se define como la cantidad máxima de trabajo que puede ser producido

por una corriente de materia, calor o trabajo a la hora de equilibrio con un ambiente de

referencia (Dincer, 2000; Dincer, 2002). En la industria del secado, el objetivo es

utilizar una cantidad mínima de energía para la máxima eliminación de humedad para

las condiciones finales deseadas del producto. Varios estudios se han realizado sobre

el análisis de exergía de secado de alimentos. Syahrul et al. (2002) presentó un

análisis de exergía de secado en lecho fluidizado de partículas húmedas. Midilli y

Kucuk (2003b) realizó el análisis energético y exergético del proceso de secado de

pistachos sin cáscara y con cáscara utilizando una cabina de secado solar. Dincer y

Sahin (2004) desarrollaron un nuevo modelo para el análisis de exergía de un proceso

de secado. Akpiner (2004) realizó el análisis de energía y exergía del secado de

rodajas de pimiento rojo en un secador de tipo convectivo. Akpinar et al. (2005, 2006)

realizaron el análisis de energía y exergía de los procesos de secado de patata y

calabaza a través de un secador tipo ciclón. Colak y Hepbasli (2007) realizaron un

análisis de exergía del secado en capa fina del olivo verde en un secador de bandeja.

Ozgener y Ozgener (2006) presentaron un modelado de energía y exergía del proceso

de secado para la actual industria de macarrones. El objetivo principal de este estudio

es presentar el análisis de energía y de exergía del secado en capa fina de rodajas de

4

coroba a diferentes condiciones de temperatura y velocidad de aire en un secador de

convección.

Nomenclature

C p❑ specific heat (J/kg.s)

EU energy utilization (KJ/s)

EUR energy utilization ratio (dimensionless)

h specific enthalpy (KJ/kg)

h❑fg latent heat of vaporization of water (KJ/kg)

m mass flow rate (kg/s)

p significance level

¿ heat transfer rate due to evaporation (KJ/s)

T temperature (°C)

w humidity ratio of air (kg water/kg da)

Subscripts

da dry air

e environment

i inlet

o outlet

ref refers to characteristic value

Nomenclatura

C p❑ calor especifico (J/kg.s)

EU Energia utilizada (KJ/s)

EUR Tasa de utilizacion de energia (sin dimensiones)

h entalpia especifica (KJ/kg)

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h❑fg calor latente vaporización del agua (KJ/kg)

m flujo de masa (kg/s)

p nivel de significacion

¿ transferencia de calor debido a la evaporación (KJ/s)

T temperatura (°C)

w relacion de humedad del aire (kg water/kg da)

Subíndices

da aire seco

e ambiente

i entrada

o salida

ref referencia de las carateristicas evaluadas

2. Materials and methods

2.1. Sample preparation

The fruit of coroba palm (Attalea maripa) were acquired from same crop grown in

Cedeño municipality, Bolivar State, Venezuela. Beginning to ripen fruits was peeled

and the pulp cut into slices with an average thickness of 1.86×10❑−3m. The

determination of moisture content for coroba pulp was carried out in four replicates.

The moisture content was determined by drying under vacuum (1.93 Pa) at 60°C until

constant weight (AOAC, 1990).

2. Materiales y métodos

2.1. Preparación de la muestra

La fruta de la palma coroba (Attalea maripa) fueron adquirida del mismo cultivo en el

municipio Cedeño, estado Bolívar, Venezuela. Al inicio de su maduración la fruta fue

pelada y la pulpa cortado en rodajas con un espesor promedio de 1.86 * 10³ m. La

determinación del contenido de humedad para la pulpa coroba se llevó a cabo en

cuatro repeticiones. Se determinó el contenido de humedad por secado al vacío (1.93

Pa) a 60° C hasta peso constante (AOAC, 1990).

6

2.2. Air drying

The air dryer used mainly (Wells Equipment C.O) consists of three basic units, a fan

providing desired drying air velocity, heat exchanger using saturated steam controlling

the temperature of drying air and and drying chamber (Fig. 1). The required air flow

rate for drying is kept at the desired level by arranging the cycle number of the

electrical motor. The air heated up to the desired dry bulb temperature by the heat

exchanger inside the air channel.

2.2. Secado del aire

El secador de aire usado principalmente (pozos equipos C.O) consta de tres unidades

básicas, proporcionando un ventilador que controla la velocidad de secado aire, un

intercambiador de calor mediante vapor saturado que controla la temperatura del aire

de secado y una cámara de secado (Fig. 1). El flujo de aire necesario para el secado

es mantenido al nivel deseado por un ciclo del motor eléctrico. El aire se calienta hasta

la temperatura de bulbo seco deseada por el intercambiador de calor dentro del canal

de aire.

7

Fig 1. Set experimental .(1) ancho graduable (2) ventilador (3) intercambiador de calor

, (4) termómetros seco y húmedo (5) cámara de secado (6) termómetro seco y

húmedo, (7) balance digital , (8) linea de vapor saturado ,, ( 9) ancho graduable (10)

panel de control

The coroba slices (0.454 kg) were uniformly spread in a drying pan as thin layer. After

the dryer is reached at steady state conditions for operation temperatures and

velocities, the

slices were put on the drying pad and dried there. The drying experiments were carried

out in a cabinet air dryer operated at air velocity of 0.82, 1.00 or 1.18 m/s and

temperature of 71, 82 or 93 C with drying from the top surface of the drying slices. The

ambient air humidity was

0.018 ± 0.001 kg/kg dry air. Changes in weight of slices were monitored at 15 min

intervals by a digital balance (Denver, model PK-1201) of 0.01 g accuracy. The drying

was continued until 150 min. Drying experiments were done in triplicate.

8

Las rebanadas de coroba (0,454 kg) fueron separadas uniformemente en una cámara

de secado como en una capa delgada. Después de que la secadora alcanza las

condiciones del estado estacionario para temperaturas de operación y las

velocidades, las rodajas fueron puestos en la plataforma de secado y secados allí. Se

llevaron a cabo los experimentos de secado en un secador de aire que funciona a una

velocidad de aire de 0,82, 1.00 o 1.18 m/s y rodajas de temperatura de 71, 82 o 93 C

con el secado de la superficie superior del secado. La humedad del aire ambiente fue

de 0.018 ± 0,001 kg/kg aire seco. Cambios en el peso de las rebanadas fueron

monitoreados a intervalos de 15 minutos por una balanza digital (Denver, modelo PK-

1201) de precisión de 0,01 g. El secado fue continuado hasta 150 min y los

experimentos se realizaron por triplicado

2.3. Energy

2.3. Energía

The energy utilization (EU) was calculated by using the following equation:

...........(1)

La utilización de energía fue calculada usando la siguiente ecuación :

EU = mda ¿ ..........(1)The enthalpy of drying air can be determined as follows (Heldman and Singh, 1981):

.............................(2)

La entalpía del aire seco puede ser determinada por (Heldman and Singh, 1981) :

hda❑ =c pda(T−T ref )+hfgw=(1.004+1.88w)(T−T ref )+h fgw......(2)

Segun cengel:

9

Nomenclatura:

haireseco= hda

Cpda= Cp : calor especifico a presion constante del aire

10

Fig. 2. Variación del peso de coroba

como una función de tiempo de secado a : ( a) diferentes temperaturas del aire y la

velocidad del aire constante, (-) 71 °C; (- -) 82 °C; (. .) 93 °C; ( b ) diferentes

velocidades del aire y la temperatura del aire constante , ( - ) 0,82 m / s ; (- -) 1,00 m /

s ; (. . ) 1,18 m / s.

The heat transfer rate due to evaporation of the dryer (Q_ evap is determined as

follows, respectively (Syahrulet al., 2002):

11

Q_ evap = m*w*hfg…………………….(3)

El calor transferido debido a la evaporación del secador Q vap es determindado por

lo siguiente repectivamente (Syahrulet al., 2002):

Q_ evap = m*w*hfg…………………….(3)

The mass flow rate of evaporation of the moisture removed from coroba slices within a

period of time Dt was calculated by dividing the difference in food mass within this

period of time.

El flujo de masa de evaporación de la humedad removida de la capa de la coroba

dentro de un periodo de tiempo T fue calculado dividiendo la diferencia entre la flujo

másico dentro del periodo de tiempo.

The energy utilization ratio of drying chamber (EUR) was calculated using the following

equation (Midilli and Kucuk, 2003b):

………….(4)

La relación de la utilización de energía de la cámara de secado ( EUR ) fue calculada

por la siguiente ecuación

EUR = mda(h¿¿dai−hdao)mda ¿¿¿

¿…… (4)

2.4. Exergy

In the scope of the second law analysis of thermodynamics,total exergy inflow, outflow

and losses of the drying chamber were estimated. The basic procedure for exergy

analysis of drying chamber is to determine the exergy values at steady-state points and

the reason of exergy variation for the process (Akpinar et al., 2006; Midilli and Kucuk,

2003b). The exergy values are calculated by using the characteristics of the working

medium from a first-law energy balance (Szargut et al., 1988). For this purpose, the

general form of exergy equation applicable for steady flow systems (Midilli and Kucuk,

2003b) was employed:

12

Fig. 3.

Variación

de la

energía utilizada como una función del tiempo de secado a: ( a) diferentes

temperaturas del aire y la velocidad del aire constante, (-) 71 °C; (- -) 82 °C; (. .) 93 C; (

b ) diferentes velocidades del aire y la temperatura del aire constante , ( - ) 0,82 m / s ;

(- -) 1,00 m / s ; (. . ) 1,18 m / s.

2.4 . Exergía

13

En el ámbito de aplicación del análisis de la segunda ley de la termodinámica, la

entrada total de exergía, salida y las pérdidas de la cámara de secado se estimaron. El

procedimiento básico para análisis de exergía de la cámara de secado consiste en

determinar los valores de exergía en el estado estacionario y la razón de cambio de

exergía del proceso (, et al., 2006; Midilli, Kucuk, 2003b). Los valores de exergía se

calculan utilizando las características del medio de trabajo de la primera ley de

equilibrio energético (Szargut et al., 1988). Para ello, se forma una balance de energía.

Se aplica en sistemas de flujo continuo (Midilli, Kucuk, 2003b), fue empleado:

Exergía = mda cpda [(T−T ref )−T ref lnTT ref

] ……………. (5)

Applying Eq. (6), the inflow and outflow of exergy can be determined depending on the

inlet or outlet temperatures of the drying chamber.

Aplicando la ecuación (6), la entrada y salida de exergía pueden determinarse

dependiendo de las temperaturas de entrada o salida de la cámara de secado.

The exergy loss can be determined as follows (Akpinar,2004; Akpinar et al., 2006):

La pérdida de exergía puede determinarse como siguiente (Akpinar, 2004; Akpinar et

al., 2006):

Exergy loss = Exergy inflow - Exergy outflow …………………………….(6)

Exergía perdida = exergía de entrada - exergía en la salida……………(6)

The exergy efficiency can be defined as the ratio of exergy use (investment) in the

drying of the product to exergy of the drying air supplied to the system (Akpinar, 2004;

Akpinar et al., 2006; Midilli and Kucuk, 2003b):

La eficiencia exergetica puede ser definida como una relacion de la exergia utilizada o

invertida en el secado del producto y la exergia del aire suministrado al sistema .

(Akpinar, 2004;

Akpinar et al.,

2006; Midilli and

Kucuk, 2003b):

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eficiencia exergética =exergiaque entra−exergia que sale

exergia queentra=1− Exergía perdida

Exergíaqueentra

(7)

En este estudio la temperatura de referencia fue tomada como la del ambiente , T ref)

32 °C (305.15K ).

2.5. Statistical Analysis

Statistical evaluation of the results was performed using a 3 x 3 split (on time) factorial

design (three temperatures and three velocities). Analysis of variance was carried out

to find effects (p < 0.05) of air temperature and velocity on both energy and exergy.

Multiple comparison tests were performed using LSD’s test at the 95% confidence

level. All the analysis was carried out by using the Statgraphics 5.0 statistical software

(Statistical Graphics Corp., Rockville, Md., USA.).

2.5 Análisis estadístico

La evaluación estadística de los resultados fue hecha usando el método de 3 x 3 del

diseño factorial (tres temperaturas y tre4s velocidades ) . El análisis de varianza fue

llevado para encontrar los efectos de la temperatura del aire y la velocidad en la

energía y exergia. Se realizaron pruebas de comparación múltiple mediante prueba de

LSD en el nivel de confianza del 95%. Todos los análisis se realizaron utilizando el

software estadístico Statgraphics 5.0 (Statistical Graphics Corp., Rockville, Maryland,

EEUU).

15

16

Fig. 4. Variación de la relación de

utilización de la energía como una función de tiempo de secado a : ( a) diferentes

temperaturas del aire y la velocidad del aire constante, (-) 71 °C; (- -) 82 °C; (. .) 93 °C;

( b ) diferentes velocidades del aire y la temperatura del aire constante , ( - ) 0,82 m /

s ; (- -) 1,00 m / s ; (. . ) 1,18 m / s.

17

3. Results and discussion

3.1. Mass changes

Drying kinetics of coroba slices are shown in Fig. 2 where weight is represented along

drying time for air temperatures between 71°C and 93°C, and air velocities between

0.82 and 1.18 m/s. The initial weight of coroba slices was 0.450 kg and the final weight

ranged from 0.300 kg to 0.270 kg. It can be seen that mass decreased (p < 0.05) with

increasing drying time, temperature and velocity. The decreases were faster in the

initial period of drying and then the rate decreased.

3. Resultados y discusiones

3.1. Cambios de masa

La cinética de secado de rebanadas de coroba se muestra en la figura 2, donde se

representa el peso a lo largo de un tiempo de secado para temperaturas del aire entre

71 y 93 °C, y velocidades de aire entre 0,82 y 1.18 m/s. El peso inicial de las rodajas

de coroba era 0,450 kg y el peso final osciló entre 0,300 kg a 0,270 kg. Se puede

observar que la masa disminuyó (p< 0.05) con el aumento de tiempo de secado,

temperatura y velocidad. Las disminuciones eran más rápidas en el período inicial de

secado y luego el ritmo disminuyó.

3.2. Energy analysis

The energy analysis of a thin layer drying process of coroba was performed by using

data obtained from the experiments. The results obtained from these calculations are

presented in Figs. 3–5.

18

3.2. Análisis energético

El análisis de energía de un proceso de secado en capa fina de coroba se realizó

mediante el uso de datos obtenidos de los experimentos. Los resultados obtenidos a

partir de estos cálculos se presentan en las Figs. 3-5.

19

Fig. 5. Variación de calor de evaporación como una función de tiempo de secado a :

( a) diferentes temperaturas del aire y la velocidad del aire constante, (-) 71 °C; (- -) 82

°C; (. .)93 °C; ( b ) diferentes velocidades del aire y la temperatura del aire constante , (

- ) 0,82 m / s ; (- -) 1,00 m / s ; (. . ) 1,18 m / s .

Fig. 3 shows the variation of energy utilization (EU) as a function of drying time for

different air temperatures and velocities. The energy utilization decreased with

increasing drying time. The energy utilization was high and getting higher at the

beginning of drying process due to the high moisture of the simples while it quickly

decreased because of the low moisture content of the samples towards the end of the

process. Similar findings were reported for drying of red pepper slices in a convective

type dryer (Akpinar, 2004) and drying of potato and pumpkin slices via cyclone type

dryer (Akpinar et al., 2005; Akpinar et al., 2006). An analysis of variance showed that

EU increased (p < 0.05) with the increasing in air temperature from 71°C to 82°C but

decreased (p < 0.05) with the increasing in temperatura from 82 °C to 93[1]C for all air

velocities. The EU value increased (p < 0.005) with the increasing in air velocity for

both 82 °C and 93 °C but there were not significant differences (p > 0.05) in EU when

drying carried out at 71 °C and different velocities. Maximum value of EU of 0.65 kJ/s

was obtained at a drying air of 82 °C with an air velocity of 1.18 m/s. Minimum value of

EU was 0.009 kJ/s while drying air temperature was 71 °C and air velocity was 0.82

m/s. Effects of air velocity on EU were lower than those by air temperature.

Fig. La figura 3 muestra la variación de la utilización de la energía (UE) como una

función del tiempo de secado para diferentes temperaturas y velocidades de aire. La

utilización de la energía disminuyó al aumentar el tiempo de secado. La utilización de

la energía fue alta y cada vez más alta al comienzo del proceso de secado debido a la

alta humedad de las simples mientras que rápidamente disminuyó hacia el final del

proceso debido al bajo contenido de humedad de las muestras. Resultados similares

fueron reportados para el secado de rodajas de pimiento rojo en un secador de tipo

convectivo (Akpinar, 2004) y el secado de rodajas de la patata y calabaza a través de

secador de tipo ciclón (Akpinar et al, 2005;. Akpinar et al., 2006). Un análisis de

varianza mostró que la UE aumentó (p <0,05) con el aumento en la temperatura del

aire de 71 ° C a 82 ° C, pero se redujo (p <0,05) con el aumento en la temperatura de

82 ° C a 93 °C para todas las velocidades de aire. El valor de la UE aumentó (p

20

<0,005) con el incremento en la velocidad del aire, tanto para 82 ° C y 93 ° C, pero no

hubo diferencias significativas (p> 0,05) en la UE cuando el secado lleva a cabo a 71 °

C y diferentes velocidades. El valor máximo de la UE de 0,65 kJ / s se obtuvo en el

aire de secado de 82 ° C con una velocidad de aire de 1,18 m / s. El valor mínimo de la

UE fue de 0.009 kJ / s, mientras que la temperatura de secado del aire era de 71 ° C y

la velocidad del aire fue de 0,82 m / s. Los efectos de la velocidad del aire en la UE

fueron inferiores a las de la temperatura del aire.

21

Fig.6. Variación del flujo de salida de exergía como una función de tiempo de secado

a: ( a) diferentes temperaturas del aire y la velocidad del aire constante, (-) 71 °C; (- -)

82 °C; (. .) 93 °C; ( b ) diferentes velocidades del aire y la temperatura del aire

constante , ( - ) 0,82 m / s ; (- -) 1,00 m / s ; (. . ) 1,18 m/s.

22

Fig. 4 shows the variation of energy utilization ratio (EUR) as a function of drying time

for different air temperatures and velocities. The values of EUR decreased (p < 0.05)

with increasing drying time. An analysis of variance showed that the EUR increased (p

< 0.05) with the increasing in air temperature from 71 °C to 82°C but decreased (p <

0.05) with the increasing in temperature from 82 °C to 93 °C for all air velocities. There

were not significant differences (p > 0.05) in the EUR by effect of air velocity. Maximum

value of EUR of 0.008 was obtained at a drying air of 82°C with all air velocity.

Minimum value of EUR was 0.00007 while drying air temperature was 71°C and air

velocity ranged from 0.082 m/s to 1.18 m/s. The values of EUR were low for different

conditions of drying. This means that the energy is still available at the outlet. In order

to use the energy more effectively we can reuse the energy leaving the dryer by

feeding it back. It would be advantageous if enthalpy could be further exploited through

recycling of the exhaust air.

Fig. La figura 4 muestra la variación de la relación de utilización de la energía (EUR)

como una función del tiempo de secado para diferentes temperaturas y velocidades

del aire. Los valores de EUR disminuyeron (p <0,05) al aumentar el tiempo de secado.

Un análisis de varianza mostró que el EUR se incrementó (p <0,05) con el aumento en

la temperatura del aire de 71 ° C a 82 ° C, pero se redujo (p <0,05) con el aumento de

la temperatura desde 82 ° C a 93 ° C para todos velocidades de aire. No se

encontraron diferencias significativas (p> 0.05) en el par EUR por efecto de la

velocidad del aire. El valor máximo de EUR de 0.008 , se obtuvo del aire de secado a

82 ° C con toda la velocidad del aire. Valor mínimo de EUR fue 0,00007 mientras la

temperatura del aire de secado fue de 71 ° C y la velocidad del aire osciló entre 0,082

m / s a 1,18 m / s. Los valores de EUR fueron bajas para diferentes condiciones de

secado. Esto significa que la energía está todavía disponible en la salida. Con el fin de

utilizar la energía de manera más eficaz podemos reutilizar la energía que sale del

secador por la alimentación de nuevo. Sería ventajoso si la entalpía podría ser

explotada aún más a través del reciclaje del aire de escape.

23

Fig. 5 shows the heat transfer rate due to evaporation of the dryer (Q° evap) as a

function of drying time at different air temperature and velocity. The (Q° evap)

decreases as the surface moisture evaporate until the end of the drying process.

Fig. La figura 5 muestra la tasa de transferencia de calor debido a la evaporación de

la secadora (Q° evap) como una función de tiempo de secado a diferente temperatura

y velocidad del aire. El (Q° evap) disminuye a medida que se evapore la humedad de

la superficie hasta el final del proceso de secado.

24

Fig. 7. Variación de la pérdida de exergía como una función de tiempo de secado : ( a)

diferentes temperaturas del aire y la velocidad del aire constante, (-) 71 °C; (- -) 82 °C;

(. .) 93 °C; ( b ) diferentes velocidades del aire y la temperatura del aire constante , ( - )

0,82 m / s ; (- -) 1,00 m / s ; (. . ) 1,18 m / s .

This can be explained by the fact that the surface moisture evaporates very quickly due

to high heat and mass transfer coefficients in thin layer drying. It can be pointed out

that the drying rate is very high at the initial stage of the drying process, but it

decreases exponentially when all the surface moisture evaporates and the drying front

diffuses inside the material. The range of moisture content was varied from an initial

value of 1.14 kg water/kg dry basis to a final moisture content of 0.20 kg water/kg dry

basis. An analysis of variance showed that the (Q evap) decreased (p < 0.05) with the

increasing in air temperature and velocity.

Esto se puede explicar por el hecho de que la humedad de la superficie se evapora

muy rápido debido a que los coeficientes de la transferencia de calor y masa de

secado en capa fina son altos. Se puede señalar que la velocidad de secado es muy

alta en la etapa inicial de secado proceso, pero disminuye exponencialmente cuando

en toda la superficie la humedad se evapora y el frente de secado se difunde dentro

del material. La gama de contenido de humedad varió de una valor inicial de 1,14 kg

de agua base / kg en seco a una humedad final contenido de 0,20 kg de agua / kg

seco. Un análisis de varianza mostró que el (Qevap) disminuyó ( p < 0,05 ) con el

aumento en la temperatura del aire y la velocidad .

Maximum value of (Qevap) of 0.11 kJ/s was obtained at a drying air of 93 C with an air

velocity of 1.18 m/s. Minimum value of (Qevap) was 0.0096 kJ/s while drying air

temperature was 93 C and air velocity was 1.18 m/s. The variation of (Qevap) by effect

of air drying was lower than that by effect of air temperature.

El valor máximo de ( Qevap ) de 0,11 kJ/s se obtuvo en una aire de secado a 93 °C

con una velocidad de aire de 1,18 m/s . El valor mínimo de ( Qevap ) fue de 0,0096

kJ/s durante el secado con temperatura de aire de 93 °C y la velocidad del aire de 1.18

m /s . La variación de ( Qevap ) por efecto de secado del aire fue menor que por efecto

de la temperatura del aire.

3.3. Exergy analysis

25

The exergy analysis of thin layer drying process of coroba was performed by using

data obtained from the experiments. The results obtained from these calculations are

presented in Figs. 6–8.

3.3. Análisis de exergía

El análisis de exergía en el proceso de secado de la capa fina de coroba se

realizó mediante el uso de datos obtenidos en los experimentos. Los resultados

obtenidos a partir de estos cálculos se presentan en las Figs . 6-8.

26

Fig 8 . La variación de la eficiencia exergetica como una función del tiempo de secado a ) diferentes temperaturas y a una velocidad de aire constante.( -) 71 °C , (- - ) 82 °C , ( ° ° ) 93°C. b) a diferentes velocidades de aire y a una temperatura de aire constante.27

The exergy inflow varied between 0.26 and 0.61 kJ/s at drying air temperature

increased from 71 °C to 93 °C with an air velocity of 0.82 m/s. The exergy inflow varied

between 0.33 and 0.75 kJ/s at drying air temperature increased from 71 °C to 93 °C

with an air velocity of 1.00 m/s. The exergy inflow varied between 0.55 and 0.87 kJ/s at

drying air temperature increased from 71 °C to 93 °C with a air velocity of 1.18 m/s.

Maximum value of exergy inflow of 0.87 kJ/s was obtained at a drying air of 93 °C with

an air velocity of 1.18 m/s. Minimum value of exergy inflow was 0.33 kJ/s while drying

air temperature was 71 °C and air velocity was 0.82 m/s.

El flujo de entrada de exergía varía entre 0,26 y 0,61 kJ/s en el secado con el aumento

de la temperatura del aire desde 71 °C a 93 °C con una velocidad de aire de 0,82 m/s .

El flujo de entrada de exergía varia entre 0,33 y 0,75 kJ / s en el secado con el

aumento de la temperatura del aire desde 71°C a 93 °C con una velocidad de aire de

1,00 m/s. El flujo de entrada de exergía varia entre 0,55 y 0,87 kJ / s en el secado con

el aumento de la temperatura del aire desde 71 °C a 93 °C con una velocidad de aire

de 1,18 m/s . El valor máximo de flujo de entrada de exergia de 0,87 kJ/s se obtuvo en

un aire de secado a 93 °C con una velocidad de aire de 1,18 m/s . El valor mínimo de

flujo de entrada exergía fue de 0,33 kJ/s , mientras la temperatura del aire de secado

fue de 71 °C y la velocidad del aire fue de 0,82 m/s.

Fig. 6 shows the exergy outflow as a function of drying time for different air temperature

and velocity. The value of exergy outflow increased (p < 0.05) with decreasing drying

time. An analysis of variance showed that the exergy outflow decreased (p < 0.05) with

the increasing in air temperature and velocity. Maximum value of exergy outflow of 0.75

kJ/s was obtained at a drying air of 93 °C with an air velocity of 1.18 m/s. Minimum

value of exergy outflow was 0.25 kJ/s while drying air temperature was 71 °C and air

velocity was 0.82 m/s. We can note that the exergy outflow is still comparable to the

exergy inflow. This indicates that a small amount of exergy is used. This also means

that the energy is still available at the outlet.

La figura 6 muestra el flujo de salida de exergía como una función del tiempo de

secado para diferentes temperatura del aire y la velocidad. El valor máximo del flujo de

salida de exergía aumentó (p<0,05 ) con la disminución del tiempo de secado. Un

análisis de varianza mostró que el flujo de salida de exergía disminuyó ( p < 0,05 ) con

el aumento en la temperatura del aire y la velocidad . El valor máximo de exergía flujo

de salida de 0,75 kJ / s se obtuvo en un aire de secado de 93 °C con una velocidad de 28

aire de 1,18 m / s . El valor mínimo de salida de exergía fue de 0,25 kJ / s , mientras

que la temperatura del aire de secado fue de 71 °C y la velocidad del aire fue de 0,82

m/s . Podemos notar que el flujo de salida de exergía es todavía comparable a el flujo

de entrada de exergía . Esto indica que se utiliza una pequeña cantidad de exergía .

Esto también significa que la energía está todavía disponible en la salida.

Fig. 7 shows the exergy loss as a function of drying time for different air temperature

and velocity. The value of exergy loss increased (p < 0.05) with increasing drying time.

An analysis of variance showed that the exergy loss increased (p < 0.05) with the

increasing in air temperature and velocity. Maximum value of exergy loss of 0.11 was

obtained at a drying air of 93 °C with an air velocity of 1.18 m/s. Minimum value of

exergy loss was 0.005 while drying air temperature was 71 °C and air velocity was

0.82 m/s.

Fig. La figura 7 muestra la pérdida de exergía como una función de tiempo de secado

de diferente temperatura del aire y de la velocidad . El valor de pérdida de exergía

aumentó ( p < 0,05 ) al aumentar el tiempo de secado. Un análisis de varianza mostró

que la pérdida de exergía aumentado ( p < 0,05 ) con el aumento en la temperatura del

aire y la velocidad . El valor máximo de la pérdida de exergía de 0,11 fue obtenido a un

aire de secado de 93 °C con una velocidad de aire de 1,18 m / s . Valor mínimo de la

pérdida de exergía era 0,005 , mientras que temperatura del aire de secado fue de 71

°C y la velocidad del aire era 0,82 m / s .

Fig. 8 shows the variation of exergy efficiency as a function of drying time for different

air temperatures and velocities. The value of exergy efficiency decreased (p < 0.05)

with increasing drying time. An analysis of variance showed that the exergy efficiency

decreased (p < 0.05) with the increasing in air temperature and velocity. Maximum

value of exergy efficiency of 0.97 was obtained at drying at different air temperature

and velocity. Minimum value of exergy efficiency was 0.80 while drying air temperature

was 71 °C and air velocity was 0.82 m/s.

Fig. 8 muestra la variación de la eficiencia de exergía como una función del tiempo

para diferentes temperaturas del aire y las velocidades de secado. El valor de la

eficiencia de exergía disminuyó ( p < 0.05 ) al aumentar el tiempo de secado. Un

análisis de varianza mostró que la eficiencia de exergía disminuyó ( p < 0,05 ) con el

aumento en la temperatura del aire y la velocidad . máximo valor de la eficiencia de

29

exergía de 0.97 se obtuvo a secado a diferente temperatura del aire y de la velocidad .

valor mínimo de la eficiencia de exergía fue de 0,80 , mientras que la temperatura del

aire de secado fue de 71 °C y la velocidad del aire fue de 0,82 m / s .

The exergy efficiency was found to be high at the initial stage of the drying process but

it decreases during the drying from inside the coroba until the end of the drying

process.

It clearly identifies the exergy outflow the dryer system, as the major site of

thermodynamic inefficiency,showing that a large portion of the thermal exergy supplied

is lost in the outlet air, which represents a serious disadvantage for this drying. The

next contributions to inefficiency are made by exergy loss.

La eficiencia de exergetica fue encontrada de ser alta en la etapa inicial del proceso de

secado pero disminuye durante el secado del interior de la coroba hasta el final del

proceso de secado. Claramente se identifica que el flujo exergético del sistema de

secado como el principal lado de la ineficiencia termodinámica, demostrando que una

gran parte de la exergia térmica suministrada se pierde en el aire de salida, lo que

representa una seria desventaja para el secado de este. Las próximas contribuciones

a la ineficacia son hechas por pérdida de exergía.

The exergy loss occurs in cases where the temperature boundary of the dryer is higher

than the ambient temperature. Thus, avoiding heat transfer across the boundary of the

system could reduce the exergy loss. The last contribution to inefficiency is exergy of

the material. The increase of exergy of the material is a slightly smaller contributor. As

reported by Topic (1995) the increase of the material entropy is very small.

La pérdida de exergía ocurre en casos donde el límite de temperatura de la secador es

mayor que la temperatura ambiente. Por lo tanto, evitando la transferencia de calor a

través de la frontera del sistema podría reducir la pérdida de exergía. La última

aportación a la ineficacia es la exergía del material. El aumento de exergía del material

es un contribuidor insignificante Según lo informado por tema (1995) el aumento de la

entropía material es muy pequeño.

30

4. Conclusions

Energy and exergy analyses of the thin layer drying of coroba slices were

accomplished in this study. Taking in considerations the result from these analyses, the

following conclusion may be drawn: energy utilization, energy utilization ratio and

exergy efficiency decreased with increasing drying; both energy utilization and energy

utilization ratio increased with the increasing in air temperature and velocity

while exergy efficiency decreased; in order to use the energy and exergy more

effectively we can reuse the energy leaving the dryer by feeding it back. Air

temperature of 93 °C and 1.18 m/s are the appropriate conditions for drying coroba

slices. However, an optimization study must be carry out in order to find optimal energy

and exergy for the thin layer drying.

4 ) Conclusiones

El análisis de energía y exergía del secado de la capa fina de rebanadas de coroba

fueron logrados en este estudio. Tomando en consideraciones el resultado de estos

análisis, se puede llegar a la siguiente conclusión: la utilización de la energía, el ratio

de la utilización de energía y la eficiencia exergética disminuyeron con el de secado;

tanto la utilización de la energía y la tasa de utilización de energía incrementaron con

el aumento en la temperatura del aire y la velocidad

Mientras que la eficiencia exergetica disminuyó; para poder utilizar la energía y

exergía más efectivamente podemos reutilizar la energía liberada del secador como un

retroalimentador.

La temperatura del aire de 93 °C y una velocidad de 1.18 m/s son las condiciones

más adecuadas para secar rebanadas de coroba. Sin embargo, se debe realizar un

estudio de optimización para encontrar energía óptima y exergía para el secado de

capa fina.

31

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● Topic, R. (1995). Mathematical model for exergy analysis of drying plants.

Drying Technology, 13(1&2), 437–445.

EVALUACIÓN MEDIANTE RÚBRICAS

ARTÍCULO DE APLICACIÓN DE TERMODINÁMICA - EXERGíA

EN PROCESOS AGROINDUSTRIALES - SECADO

ECUACIÓN DE LA EVALUACIÓN:

Conducentes a la evaluación del primer trabajo encargado - rubro de silabo de Termodinámica

Aplicada

Entonces

INF=0.30 PROM (Eq ,Tab y Fig )+0.50(Trad )+0.20 PROM (For , Par , An)

20 - 16 15 - 11 10 - 5 4 - 0

Formato

(For)

Hoja tamaño A-4 en

márgenes Sup e Inf 2.5;

Izq 3.5 y Der 2.5 e

Interlineado 1.5. Arial 11

Cumple al 100% con

las especificaciones del

formato, cumple con la

estructura que se dio

para este artículo

Cumple con la mayoría

de las especificaciones

del formato.

Solo cumplio con

algunas de ellas o al

menos las

especificaciones del

formato

Hicieron como les

parece, sin cumplir con

ninguna de las

especificaciones acerca

del formato

Participación

(Par)

Los integrantes del grupo

han participado de

manera colaborativa y

sostenida en el tiempo

Todo el grupo ha

participado de manera

coordinada usando el

tiempo designado

para la elaboración

del informe.

La mayoría al menos

tres estudiantes han

participado de manera

coordinada en todo en

la realización del

documento

Solo uno o dos

estudiantes han

participado de manera

coordinada en todo en

la realización del

documento

Han hecho a última

hora, pero aducen que

ya lo tenían en word, y

que recién se han

puesto de acuerdo para

unir su informe, a última

34

hora.

Traducción

(Trad)

Se muestrea al azar

porciones del texto y se

cuenta el número de

errores

Esta muy bien

traducido, y las

palabras técnicas son

adecuadas al español

Esta bien traducido,

pero las palabras

técnicas son traducidas

a términos pocos

comunes

El artículo se encuentra

mal traducido y en

desorden

El artículo se encuentra

incompleto.

Bibliografía (Bib) La bibliografía no se

ha traducido al

español

La bibliografia se ha

traducido

intercaladamente

La bibliografia esta

incompletaNo hay bibliografia

Ecuaciones

(Eq)

Las ecuaciones son

numeradas usadas

con las herramientas

del documento drive y

el formato es el

mismo que el texto.

Se puede usar mayor

numeración en el

tamaño de letra

Las ecuaciones esta

bien pequeñas en

discordancia con el

texto

Las ecuaciones estan

incompleta y

parcialmente no fueron

usadas

Las ecuaciones son

solo imagenes

Tablas (Tab)

Tamaño de letra arial -

de forma libre para que

cuadre con el

documento

Las tablas son

realizadas traducidas

del texto y

distribuidas

homogeneamente

Las tablas estan

descuadradas

Las tablas estan

incompletas

Las tablas son

imagenes pegadas

Figuras (Fig) Las figuras son

editadas en imagenes

pero con las leyendas

traducidas. Si hubiera

figuras redibujadas se

premiara

Las figuras se nota que

son imagenes esta un

con manchas y el

traducido de las

leyendas no parecen

original,

Las figuras estan

incompletas

todas las figuras estan

sin editar o lo que es

peor copiadas y

pegadas tal cual como

estan.

Anexos (An) En anexos estara la

imagen y

caracteristicas de los

instrumentos que se

citan en el articulo..

Faltan mas

especificaciones a los

instrumentos

Esta incompleto No hay anexos

35

Anexos:

Aporte al artículo Planta de secado fija AgroDry®

Mediante la tecnología de descarga moderna, se genera una humedad del producto

uniforme en la secadora fija AgroDry®. La conducción de aire de gran desarrollo se

alcanza una capacidad de saturación máxima del aire. Ahorro energético óptimo

gracias a la recirculación de aire y a la recuperación de calor.

Para la producción de secadoras agrícolas fijas AgroDry® se emplea únicamente

aluminio de alta calidad, lo que posibilita una instalación tanto en el interior como en el

exterior. Además, la aleación de aluminio permite una vida útil larga de la secadora. En

todo el mundo hay más de 3900 plantas de secado fijas Agrodry® de STELA.

Resumen de las ventajas:

• Uso de materiales de la más alta calidad

• Secadora de aleación de aluminio especial

• Larga vida útil

• Sin límite de potencia

• Ahorro energético óptimo gracias a la recirculación de aire y a la recuperación de

calor

• Sofisticada conducción de aire, capacidad de saturación máxima del aire

• Gran rentabilidad

• Estructura modular flexible

• Sistema de eliminación de polvo de última generación

• Potente tecnología de ventiladores y calentadores de aire de fabricación propia

• Grado de utilización y aprovechamiento óptimo gracias al funcionamiento continúo

• Humedad uniforme del producto gracias a la moderna tecnología de descarga

• Tecnología MSR propia conforme a las exigencias de la normativa más reciente de la

VDE (asociación alemana de ingenieros electrotécnicos)

• Manejo fácil y seguro mediante PLC

• Apto para instalación interior y exterior

• Planta de una y varias columnas, con modo de funcionamiento dividido si así se

solicita

• También en versión móvil, exclusivamente a cargo de STELA36

• Gran ahorro de energía gracias al sistema EQtronic

• También desarrollamos la solución adecuada con condiciones especiales poco

habituales

Diseño constructivo

En el diseño constructivo de su planta de secado hay toda una serie de variantes que

pueden ensamblarse de forma individualizada. Usted recibirá un diseño óptimo

adaptado a su aplicación concreta, con los componentes precisos, de acuerdo con sus

necesidades. En los siguientes ejemplos pueden verse distintas posibilidades de

diseños personalizados.

Construcción con separador Centro

El producto de secado granulado es enviado al depósito de almacenamiento (1),

atraviesa por gravedad los elementos de secado (2) y refrigeración (3), hasta ser

descargado en tandas por el dispositivo de descarga (4) en la tolva de descarga (5). El

quemador (6) y el calentador de aire (7) (pueden escogerse opcionalmente sistemas

de combustión directa o indirecta) calientan el aire fresco. Este aire se mezcla en los

elementos refrigeradores con el aire de salida. De este modo todo el calor acumulado

en el producto seco es reconducido al proceso de secado (ahorro de energía en virtud

de la recuperación de calor).

Las cúpulas o cubiertas de aire caliente (8) y aire de salida (9) de grandes

dimensiones garantizan una distribución óptima del aire y del calor en la columna de la

37

secadora. El aire caliente atraviesa estratégicamente las pilas de producto, se

humedece al atravesarlos y a continuación es aspirado por el ventilador de aire de

salida (10), siendo conducido fuera de la cubierta de aire de salida. El aire de salida

que contiene polvo es depurado en el separador Centro (11) y llevado hasta el

exterior. El polvo separado es conducido a través de tuberías hasta el depósito de

polvo o hasta una estación ensacadora.

Construcción con recirculación de aire

38

Aquí se reutiliza no solo el aire de escape procedente de la zona refrigerante, sino,

mediante un ventilador separado de recirculación del aire (1), el aire de escape (y con

ello la energía existente todavía en él) procedente de los elementos inferiores del

secador.

Con ayuda de una válvula de aire de escape accionada neumáticamente (válvula

despolvoradora) (2), que se ubica en el lado de presión del ventilador del aire de

escape (3), se interrumpe la corriente de aire durante el ciclo de descarga. Esta misma

función la desempeña la válvula neumática de recirculación del aire (4) instalada en el

lado de succión del ventilador de recirculación del aire (1). Mediante el bloqueo de la

corriente de aire de ambos ventiladores (de aire de escape y de recirculación del aire)

se evita que el polvo existente en el producto sea expulsado durante el proceso de

escape. Un factor decisivo para la proporción de la cantidad total del aire, válido para

ser reutilizado como denominado aire de recirculación, es entre otras cosas el

promedio de la humedad de entrada prevista del producto, así como los parámetros

del aire ambiental. De esta forma, las instalaciones se calculan y diseñan en función

de la ubicación, como por ejemplo Europa Central, Europa del Sur o los Trópicos. Una

instalación ubicada en el corazón de Alemania, cuya tarea principal consiste en secar

39

maíz con un promedio de humedad de entrada del 35 %, requiere una proporción del

aire diferente que por ejemplo una instalación situada en el sur de Hungría, donde hay

que contar con un promedio de humedad de entrada del 20 %.

Bibliografía :

http://www.stela.de/es/products/agrartrockner/stationaere_trockungsanlage/

40