El flujo del aire en la aireación de granos

Actualización Técnica PRECOP Nº 14
Reimp. Febrero 2006
El flujo del aire en la aireación de granos
Ing. Agr. Ricardo E. Bartosik, Ing. Agr. Juan C. Rodríguez. EEA INTA Balcarce, Área de Agronomía.
Introducción
La regla básica para la conservación de granos almacenados es ingresar al granel, grano seco, sano, limpio y
frío.
La temperatura y la humedad actúan como catalizadores de los procesos metabólicos aumentando la tasa de
respiración de los granos, y por ende, las pérdidas de materia seca. A mayor temperatura y humedad, mayor riesgo
en la conservación de los granos, y a su vez, un grano que
no está sano y limpio, es más propenso a ser atacado por
hongos e insectos.
La técnica de aireación se basa en utilizar al aire como un fluido que intercambia energía, en forma de calor o
de agua, con los granos. Si las condiciones del aire en cuanto a temperatura y humedad son adecuadas, se puede utilizar el flujo del aire para enfriar los granos, y en algunos casos, para extraer humedad disminuyendo su actividad metabólica (menos pérdidas de materia seca por respiración)
y controlando, de manera, indirecta a través de la disminución de la temperatura y humedad, el desarrollo de hongos
e insectos.
Se puede utilizar la aireación para enfriar y mantener frío grano seco durante el almacenamiento, almacenar
grano húmedo hasta que pueda ser secado o inclusive para
secar grano, ya sea, con el sistema de seca aireación o en secado con aire natural; se debe tener en cuenta que los sistemas son diferentes en cuanto a características y requerimientos.
específico son diferentes para cada caso, en la tabla 1 se
observa que el caudal específico demandado para el secado con aire natural pueden ser hasta 100 veces mayor que
los utilizados para enfriar y uniformar la temperatura dentro del granel; por este motivo se debe tener bien claro
cuales serán las funciones que se le demandarán a los sistemas de aireación y de ahí poder dimensionarlos adecuadamente.
Objetivo
Caudal específico (Qe)
Tabla 1. Qe requeridos en m³/h/m³ para diferentes objetivos de la aireación.
La presión es el otro parámetro que caracteriza al
flujo del aire, y su magnitud, depende de la suma total de
las pérdidas de carga que debe soportar el sistema.
Los ventiladores de los sistemas de aireación se
pueden caracterizar por sus curvas típicas de presión y
caudal. En líneas generales, a medida que aumenta la presión que debe soportar el ventilador, disminuye el caudal
que puede otorgar, por lo que las pérdidas de carga que se
producen en el sistema afectan directamente al caudal de
aire (Figura 1). En algunas situaciones esto puede resultar
crítico y comprometer la calidad de la aireación. El aumento de las pérdidas de cargas también implica un mayor gasto de energía, por lo que el sistema se vuelve más
ineficiente.
Flujo de aire
Los fabricantes deberían ofrecer las curvas preEl movimiento del aire a través del grano se denosión-caudal
de sus ventiladores, ya que éstas, dependen
mina flujo. Este flujo se puede caracterizar a través de dos
exclusivamente
del diseño del ventilador. El conocimienparámetros que son caudal (Q) y presión (P).
to de estas curvas permite saber si para una determinada
El caudal de aire se define como el volumen de aire
función de la aireación, el ventilador puede satisfacer las
que se suministra en la unidad de tiempo. De esta manera
demandas de caudal venciendo las pérdidas de carga del
3
3
puede encontrarse expresado como m /h, m /min, etc. Pasistema. Ventiladores equipados con motores de igual pora independizarlo del volumen del
Curvas caracteristicas de presión caudal
granel se utiliza el concepto de
5000 A
caudal específico (Qe), el cual, se
B
refiere a la cantidad de aire que reP
3
(
Pascales
)
cibe un m o tn de grano en la uniE
C
dad de tiempo, y es el parámetro
a
e
D
400
más adecuado para determinar
los requerimientos de los distintos tipos de aireación. Se puede
2,5 5,0 8,0 11,5 17,0 20,0 37,5
encontrar expresado como
Q ( m³ / h ) en miles
m³/m³/h, m3/tn/min, m3/m3/min,
Figura 1. Curva característica de presión-caudal de ventiladores de igual
potencia y diferentes diseños (Lasseran J.C., 1981).
etc. Los requerimientos de caudal
tencia, debido a sus diferentes diseños pueden o no ser aptos para determinadas funciones de la aireación (Figura 1). De
esta manera, si se debe airear un granel cuyo sistema posee una pérdida de carga de aproximadamente 400 Pa, el ventilador A ofrecería un caudal de 7.300 m³/h (a); en cambio, el ventilador E ofrecería un caudal de aproximadamente
28.700 m³/h (e). Entre estos dos ventiladores, ambos funcionando con motores de la misma potencia, hay una diferencia de más de 20.000 m³/h. Si estos ventiladores se encuentran instalados en un silo de 800 m³, el ventilador A ofrecería
un caudal específico de 9,1 m³/h/m³, sólo apto para enfriar grano seco. En cambio, el ventilador E, estaría ofreciendo un
caudal específico de 35,8 m³/h/m³, apto para mantener frío grano húmedo e inclusive para utilizarlo en un sistema de seca-aireación.
Por lo dicho anteriormente y según se desprende de la Figura1, las pérdidas de carga aumentan la presión del flujo
al atravesar el sistema, y este aumento de la presión, generalmente va acompañado por una disminución del caudal. En
función de esto, resulta importante conocer cuáles son los factores que aumentan las pérdidas de carga en el sistema de
aireación.
Factores que afectan las pérdidas de carga
A- Tipo de granos: el tipo de grano afecta la resistencia al pasaje del aire a través del volumen de aire que requiere,
la superficie y forma característica de los granos, el número, tamaño y configuración de los espacios vacíos y la variabilidad en el tamaño de los granos. En general, los granos más pequeños se acomodan mejor, dejando un espacio intergranario más pequeño, lo que aumenta la resistencia al pasaje del aire (Tabla 2).
Tabla 2. Resistencia al flujo del aire, en mm de columna de agua, para un metro de profundidad de semilla o grano (McLean K.A., 1980).
B- Altura del granel: la resistencia al flujo del aire es
directamente proporcional a la altura: a mayor altura, mayores son las pérdidas de carga. Es importante que los silos
con equipos de aireación tengan recomendaciones acerca
de la altura máxima para la cual están dimensionados, para
evitar caídas de caudal que perjudiquen la calidad de aireación.
Conviene que los silos tengan una relación altura/diámetro no mayor de 1,5 porque, de otra manera, la
potencia insumida para vencer las pérdidas de carga son
demasiado elevadas, tornándose el sistema extremadamente ineficiente (Figura 2). Además, el aire de ventilación
se calienta 1ºC por cada kPa de compresión. Si la presión
no excede 2 kPa se podrá insuflar aire; si es mayor de 2 kPa
es mejor aspirar aire, para aprovechar al máximo el potencial de enfriamiento.
C- Volumen de aire: en la Tabla 2 se puede observar
que al aumentar el volumen de aire proporcionado, aumenta la resistencia a su flujo.
ALTURA
RELACION ALTURA
< 1,5
DIÁMETRO
DIÁMETRO
Figura 2. Relación altura diámetro de un silo.
D- Humedad del grano: se ha determinado experimentalmente que cuando el contenido de humedad de los
granos almacenados aumenta, también lo hace el espacio
de aire entre los mismos, por lo que la resistencia al flujo
del aire de los granos cuando están húmedos debería ser
menor que cuando están secos, con la excepción de los
granos de arroz, que disminuyen su peso hectolítrico cuando se secan.
E- Método de llenado: los desparramadores de granos pueden producir un acomodamiento de estos, de manera tal, que ocupan un volumen menor, aumentando su
densidad y su resistencia al flujo del aire. Este efecto sería
homogéneo, por lo que no se producirían zonas con mayor resistencia, siendo la aireación uniforme en todo el granel.
F- Polvo e impurezas: la presencia de estos elementos aumenta la resistencia al flujo del aire ya que disminuye
el espacio libre entre los granos. Es muy importante realizar una prelimpieza de los granos antes de almacenarlos,
ya que, de lo contrario, puede ocurrir que el material más
pequeño y pesado se ubique en el centro del granel, obstruyendo además la normal salida del aire de los conductos de aireación (Figura 3).
Esto se puede solucionar extrayendo una pequeña cantidad de material una vez finalizado el llenado. Por otra parte, son recomendables los desparramadores de grano
que realizan una distribución más pareja de todo el material, ya sea grano entero o partículas más pequeñas.
G- Dirección del flujo: el sentido del flujo del aire a
través de una masa de granos, posee un marcado efecto
ser mayor que 1,3; por lo tanto, la máxima distancia entre
dos conductos consecutivos será de aproximadamente el
50% de la altura del granel. Esto es así, ya que el aire sigue
el camino del menor esfuerzo. Si la relación es mayor a 1,3
se corre el riesgo de que se produzcan canalizaciones, y
por lo tanto, una aireación desuniforme (Figura 4).
MATERIAL
FINO
NIVEL DE GRANO
A
Figura 3. Ubicación del material fino en un silo.
A
sobre sus pérdidas de carga. En general, se ha encontrado
que el flujo horizontal ofrece un 50 al 60 % de la resistencia del flujo vertical.
H- Diseño del sistema: las características aerodinámicas del sistema son probablemente el factor más importante, ya que no pueden ser fácilmente modificadas, y
en general, ello resulta muy costoso.
Las pérdidas de carga se producen a lo largo de todo el sistema de aireación, disminuyendo la energía del aire con la dirección del flujo. Estas pérdidas de energía pueden deberse a fricciones y turbulencias. Las pérdidas de
fricción se producen por el rozamiento contra la superficie de los tubos; en cambio, las debidas a turbulencias, son
causadas por la variación de la sección de los conductos o
por cambios en la dirección de los flujos. Debido a ello, se
deben evitar todas las disminuciones y cambios bruscos
de sección que sean innecesarios.
La velocidad del aire dentro de los conductos es la
variable que más influye en las pérdidas de carga, por lo
que pueden establecerse algunas recomendaciones acerca de la velocidad máxima que debería respetarse para
mantener las pérdidas en valores aceptables (Tabla 3).
Lugar
Velocidad máxima
Tabla 3. Velocidades máximas (m/s) recomendadas.
A partir de estos valores de velocidades máximas, y conociendo el caudal de aire que se requiere, se pueden realizar los cálculos de las secciones mínimas del sistema de aireación, ya que:
Q = A x v --------> A = Q / v
Donde
Q = caudal, A = área y v = velocidad.
Los sistemas de distribución de aire pueden ser de
las más diversas características, desde falso piso perforado
hasta conductos, todos ellos con la misma función: realizar
una distribución lo más pareja posible del aire en toda la superficie.
Para determinar el distanciamiento entre dos conductos consecutivos, se debe tener en cuenta la siguiente
regla: la relación entre la distancia del recorrido más largo
y del más corto que puede hacer el aire desde que sale del
conducto hasta que llega a la superficie del grano, no debe
B
B
B /A <1.3
Figura 4. Relación entre distancias menores y mayores de recorrido del aire en
una celda.
En general los diseños de los conductos de distribución se basan en tres reglas:
1. La velocidad del aire en el conducto principal y en los laterales, no debe ser mayor que 8 m/s y 4 m/s respectivamente.
2. La relación entre la superficie abierta y la superficie total del piso debe ser 0,25 o mayor. Se considera superficie abierta a la superficie de los conductos que poseen
10% o más de área perforada, debido a que no ofrecen
resistencia al pasaje del aire desde los conductos a la masa de granos.
3. La distancia entre conductos adyacentes no debe ser
mayor que la mitad de la profundidad del granel.
Debe quedar bien claro que un problema clave de
los sistemas de ventilación son las pérdidas de carga que
en él se producen. Cuanto más elevadas son éstas, más
tiende a cero el caudal del ventilador y más elevado es el
“recalentamiento” del aire de enfriado, retrasando el proceso de enfriamiento de los granos.
Sr. Productor, no deje solos a los granos durante el almacenamiento.
Cuídelos y recuerde que usted está produciendo alimentos.
Unidades Participantes
INTA EEA Famaillá (03863) 461048
Ing. Agr. Luis Vicini ([email protected])
Ing. Agr. Pablo M. Saleme ([email protected])
Ing. Agr. Omar Triadani ([email protected])
(03865) 481232 (Aguilares)
INTA EEA Manfredi (03572) 493039 / 53 / 58 / 61
Ing. Agr. M.Sc. Mario Bragachini ([email protected]
Ing. Agr. Ph. D. Cristiano Casini ([email protected])
Ing. Agr. José Peiretti ([email protected])
Ing. Agr. Diego M. Santa Juliana ([email protected])
Lic. Daniel Damen ([email protected])
INTA EEA Sáenz Peña (03732) 421781/722
Ing. Agr. Vicente Rister ([email protected])
INTA EEA Oliveros (03476) 498010 / 011
Ing. Agr. Roque Craviotto ([email protected])
Ing. Agr. José Méndez ([email protected])
(03476) 460208 (INTA AER Totoras)
Ing. Agr. Rubén Roskopf ([email protected])
INTA EEA Balcarce (02266) 439100
Ing. Agr. Juan Rodríguez ([email protected])
Ing. Agr. Ricardo Bartosik ([email protected])
Ing. Agr. Leandro Cardoso ([email protected])
INTA EEA Concepción del Uruguay (03442) 425561
Ing. Agr. Oscar Pozzolo ([email protected])
Ing. Agr. Hernán Ferrari ([email protected])
INTA EEA Reconquista (03482) 420117
Ing. Agr. Orlando Pilatti ([email protected])
Ing. Agr. Arturo Regonat ([email protected])
Ing. Agr. Aldo Wultrich ([email protected])
(03482) 492460 (INTA AER Las Toscas)
INTA EEA Marcos Juárez (03472) 425001
Av. Libertador 1100 (2553) Justiniano Posse (Cba.)
Ing. Agr. Alejandro Saavedra (03534) 471331 ([email protected])
Ing. Agr. M.Sc. José Marcellino ([email protected])
(0358) 4640329 (INTA AER Río Cuarto)
INTA EEA Paraná (0343) 4951170
Ing. Agr. Ricardo De Carli ([email protected])
Ing. Agr. Enrique Behr ([email protected])
INTA EEA Pergamino (02477) 431250 int. 169
Ing. Agr. Néstor González ([email protected])
Ing. Agr. Javier Elisei ([email protected])
INTA EEA Anguil (02954) 495057
Ing. Agr. Jesús Pérez Hernández ([email protected])
Ing. Agr. Mauricio Farrel ([email protected])
INTA EEA Rafaela (03492) 440121
Ing. Agr. Juan Giordano ([email protected])
Ing. Agr. Enzo Bianchi ([email protected])
INTA EEA Salta (0387) 4902224 / 4902087
Ing. Agr. Mario Desimone ([email protected])
Ing. Agr. Adriana Godoy ([email protected])
INTA EEA Las Breñas (03731) 460033 / 460260
Ing. Agr. Rubén Luque ([email protected])
Ing. Agr. Diego S. Valdez ([email protected])
INTA EEA San Luis (02657) 422616/426249
Ing. Agr. Benito Coen ([email protected])
Ing. Agr. Ricardo Rivarola ([email protected])
Unidad Ejecutora:
INTA EEA Manfredi.
Ruta Nac. 9, km 636.
(5988). Manfredi
Córdoba - Rep. Argentina
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