Drying mechanism for rice/es

Este artículo presenta instrucciones para construir un secadero de aire caliente de lote fijo con materiales locales. Para más información sobre el cultivo de arroz y las prácticas adecuadas, consulte Arroz .

Métodos de secado

Secado de campo

• El arroz se deja secar en los campos.
• Costo relativo muy bajo
• Ventajas: Afloja las panículas para facilitar la trilla.
• Desventajas: Arroz de muy mala calidad, no se puede secar con la lluvia (por ejemplo, temporada de lluvias) o por la noche ^{[ 1 ]}

Secado al sol

• El arroz se seca sobre pavimento o esteras de secado gracias al calor del sol.
• Costo relativo muy bajo
• Ventajas: Mejor calidad que el secado en campo, relativamente económico.
• Desventajas: Mala calidad de molienda, requiere mucha mano de obra, no se puede secar con lluvia (por ejemplo, temporada de lluvias) o por la noche ^{[ 1 ]}

Secado con aire caliente

Secadora de lecho fijo

• El aire caliente fluye a través del lote.
• Costo relativo bajo ($150 para lote circular – también se puede considerar una secadora en tienda debido al largo tiempo de secado, ver a continuación – y $1500 para una cama plana) ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}
• Ventajas: Sencillo, económico, secado rápido.
• Desventajas: Reducción del rendimiento de la molienda (debido a la rehumectación de los granos secos), riesgo de matar las semillas, requiere mucha mano de obra ^{[ 1 ]}

Lote de recirculación

• El arroz pasa por secciones que lo secan y lo templan alternativamente.
• Costo relativo medio ($10,000) ^{[ 3 ]}
• Ventajas: Buen rendimiento de calidad, gran capacidad, poca mano de obra para mezclar, menor gradiente de humedad.
• Desventajas: Requiere mantenimiento y mano de obra calificada, componentes móviles ^{[ 1 ]}

Secador de flujo continuo

• El arroz y el aire fluyen en dos direcciones distintas.
• Alto coste relativo (producciones a gran escala)
• Ventajas: Gran capacidad
• Desventajas: Mecanismos complicados ^{[ 1 ]}

Secado en tienda

• Secado en lecho profundo a baja temperatura
• Alto coste relativo (producciones a gran escala)
• Ventajas: Eficiencia energética, grandes tolvas, excelente calidad del grano, se seca durante el almacenamiento.
• Desventajas: Tiempo de secado muy largo, necesita un sistema de manipulación a granel, riesgo de deterioro por suministro eléctrico defectuoso ^{[ 1 ]}

Notas adicionales

Las investigaciones para mejorar el secado al sol con colectores solares han demostrado que la intensidad del sol no puede aumentar lo suficiente el tiempo de secado como para justificar el coste adicional. Además, al igual que con el secado al sol, los colectores solares no pueden utilizarse para secar arroz de noche o bajo la lluvia. ^{[ 1 ]}

Economía del secado

Existen varios beneficios económicos aparentes al usar secadores mecánicos para secar arroz. Estos incluyen un mayor valor de mercado del producto de mayor calidad, ingresos más seguros gracias a la reducción de los riesgos climáticos y la capacidad de procesar más grano en un período de tiempo determinado. Además, la mayoría de los mercados venden arroz por peso o por volumen. El secado reduce tanto el peso como el volumen del arroz paddy. ^{[ 1 ]} Generalmente, para justificar el costo de secar arroz mecánicamente, el aumento de las ganancias debido a una mayor calidad del arroz debe superar el costo de instalación y funcionamiento de la máquina, así como la pérdida de peso o volumen del arroz paddy. Si se consideran otras consideraciones económicas, como el mantenimiento, la depreciación y los intereses, es muy difícil alcanzar el punto de equilibrio durante la vida útil de un secador mecánico en operaciones a pequeña escala.

Los secadores de lecho plano fijos por lotes (secadores de lecho plano fijos por lotes con aire caliente) son los secadores mecánicos de mayor éxito comercial y se utilizan con mayor frecuencia en molinos de arroz de tamaño pequeño a mediano. Si bien no ofrecen la mejor solución técnica para el secado de arroz, parecen ofrecer un buen equilibrio entre costo y rentabilidad. El secador de lecho plano vietnamita (más de 6000 instalaciones a un costo de $1500) tiene una capacidad de cuatro a diez toneladas y puede secar el arroz en seis a ocho horas. El secador de lecho plano IRRI (1000 dólares) tiene una capacidad de una tonelada y puede secar el arroz en seis a ocho horas. Según el sitio web del IRRI, este secador se ha instalado miles de veces desde la década de 1970; sin embargo, admite que su diseño es muy anticuado. ^{[ 3 ] [ 1 ]}

Los secadores circulares por lotes (secadores de lecho profundo de baja temperatura) han tenido un éxito moderado. Algunos ejemplos son los secadores de semillas IRRI y los secadores vietnamitas de bajo costo SRR y SRT. Aunque son relativamente económicos (entre 100 y 150 dólares), producen lotes pequeños (máximo una tonelada) y tardan de uno a dos días en secar el arroz. ^{[ 3 ] [ 1 ]}

Como regla general, una secadora debe reducir el contenido de humedad a una velocidad del 1 % por hora para ser considerada eficiente. Por ejemplo, si desea reducir el contenido de humedad de su arroz paddy del 22 % al 13 % (para un tiempo de almacenamiento de ocho a doce meses), su secadora debería poder secar el arroz en nueve horas. ^{[ 1 ]}

Diseño

El objetivo de este diseño fue crear un secador que mantuviera la calidad del arroz con bajos costos de capital y operación, ofreciendo un tiempo de secado razonablemente alto y accesible para el procesamiento a pequeña escala. El secador de lecho fijo produce arroz de buena calidad y tiene un tiempo de secado rápido; sin embargo, tiene costos de capital y operación elevados. Estos costos se asocian principalmente con el tipo de material utilizado, el combustible y la complejidad de la máquina (que requiere mano de obra calificada para su reparación). Debido al número de unidades vendidas de secadores de lecho fijo en comparación con los secadores circulares de lecho fijo, este último es obviamente el preferido. Por lo tanto, este diseño buscó optimizar el secador de lecho fijo actual incorporando las características exitosas del secador circular de lecho fijo.

Los secadores por lotes de lecho fijo a mayor escala tienen una capacidad de 4 a 10 toneladas y se alimentan de grandes hornos, mientras que los secadores por lotes circulares a menor escala se alimentan de pequeños fuegos de carbón, madera o cascarilla de arroz. Los secadores por lotes de lecho fijo, debido a su gran capacidad, a menudo están hechos de metal, mientras que los secadores por lotes circulares a menudo se hacen de materiales locales menos costosos, como ladrillos y bambú. Ambos utilizan una malla de alambre de metal para mantener el arroz en su lugar mientras permiten el flujo de aire caliente a través del lote. También ambos utilizan ventiladores axiales económicos para impulsar el aire a través del sistema. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 4 ]} El secador de lecho fijo rediseñado está hecho de materiales locales menos costosos, similares al secador por lotes circular. También se alimenta quemando biomasa en forma de cascarilla de arroz. ^{[ 8 ]} Esto disminuye los costos operativos y, junto con el sistema de transferencia de calor adecuado, produce una temperatura más alta que los secadores por lotes circulares.

Los secadores circulares por lotes secan el arroz con una pequeña diferencia de temperatura, mientras que los secadores de lecho fijo lo hacen a una temperatura más alta (óptima a 43 ^° C). Esto permite que los secadores circulares tengan un gradiente de humedad mucho menor. Un alto gradiente de humedad en el lote permite la rehumectación del arroz con menor contenido de humedad, lo que reduce su calidad. Para reducir el gradiente de humedad en el secador de lecho fijo, el arroz no debe estar a una profundidad superior a 70 cm. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Evaporación del agua

El secado del arroz se caracteriza por una evaporación desigual de la humedad. Durante el precalentamiento, la mayor parte del calor suministrado al arroz se utiliza para calentarlo, por lo que la evaporación es mínima. A continuación, en el período de velocidad constante, el arroz se calienta completamente y el agua se evapora de la superficie del grano. Posteriormente, en el período de velocidad decreciente, la humedad de la superficie del grano se evapora casi por completo y la humedad del interior debe ascender a la superficie antes de evaporarse. Esto reduce drásticamente la velocidad de evaporación y provoca un mayor calentamiento de los granos de arroz.

Al diseñar este aparato, se calculó la tasa de evaporación para estimar el tiempo de secado para diferentes diseños. Se asumió que el arroz tenía una tasa de evaporación constante. Sin embargo, debido al período de disminución de la tasa, esta suposición hace que el tiempo de secado calculado sea ligeramente inferior al necesario para alcanzar el contenido de humedad deseado.

La tasa de evaporación del agua en una piscina grande viene dada por: ^{[ 11 ]}

g=kAx(1-h)

y

k=(25+19v)

dónde

• g es la cantidad de agua evaporada en kg/h
• k es el coeficiente de evaporación en kg/m2h
• v es la velocidad del viento en m/s
• A es el área en m2
• x es la humedad de saturación a la temperatura de la superficie (43 grados Celsius para un secado óptimo) en kg de agua/kg de aire
• h es la humedad relativa del aire ambiente

La cantidad deseada de agua a eliminar del arroz viene dada por:

d=m(MCo-MC)

dónde

• d es la cantidad de agua deseada que se debe eliminar del arroz en kg
• m es la masa inicial del arroz
• MCo es el contenido de humedad inicial (normalmente entre el 20% y el 25%)
• MC es el contenido de humedad deseado (normalmente entre el 9% y el 14%)

El tiempo total de secado viene dado por:

el=dMETROdoogramo

dónde

• t es el tiempo total de secado en horas

Para secar una tonelada de arroz, el secador por lotes de lecho fijo rediseñado pasa del 22% al 13% de contenido de humedad a la temperatura ideal de secado de 43 grados Celsius con una brisa tranquila de 1 m/s al 60% de humedad relativa; el tiempo de secado para el secador de 1x3 metros es de 7 horas.

Análisis de pérdida de calor

La siguiente figura muestra las ecuaciones y el diagrama para determinar la pérdida de calor a través de una tubería de longitud L, con diámetro interior r1 y diámetro exterior r2, con coeficiente de transferencia de calor conductivo k, que contiene un fluido caliente con temperatura Tinf1 y coeficiente de transferencia de calor convectivo h1, rodeado por un fluido frío con temperatura Tinf2 y coeficiente de transferencia de calor convectivo h2. Ts1 y Ts2 se refieren a las temperaturas superficiales de la tubería en los diámetros interior y exterior, respectivamente. ^{[ 12 ]}

El acero inoxidable AISI 304 tiene un coeficiente de transferencia de calor conductivo (k) igual a 14,9 W/m²K. El acero es más económico que el acero inoxidable y, por lo tanto, se utilizaría en el diseño; sin embargo, se asumirá que tienen un valor k aproximadamente igual. En convección libre para gases, el coeficiente de convección (h) suele estar entre 2 y 25 W/m²K. En convección forzada para gases, el coeficiente de convección suele estar entre 25 y 250 W/m²K. ^{[ 12 ]} Para esta aplicación, se asumirá que h1 es de 50 W/m²K debido a la ligera fuerza de aire a través de la tubería causada por el ventilador y que h2 es de 5 W/m²K porque la tubería estaría expuesta a vientos en calma. Una tubería de acero en una temperatura ambiente del aire de 30 grados Celsius, que contiene aire caliente a una temperatura de 525 grados Celsius (supuesto de incendio de biomasa fría) con diámetros interior y exterior de 20 cm y 25 cm respectivamente, experimentará una pérdida de calor de 1,7 kW/m con la superficie exterior de la tubería a una temperatura de 88 grados Celsius.

Para enfriar una tonelada de arroz a 43 grados Celsius, se debe impulsar aire con 14 W de calor a través del arroz con un ventilador de 0,7-1,0 W. ^{[ 1 ]} Sin información sobre el calor en vatios producido por el fuego de biomasa, es difícil determinar si la temperatura de secado alcanzará el nivel deseado. Sin embargo, los económicos secaderos circulares actuales utilizan un sistema de calor similar para producir temperaturas de secado justo por encima de la temperatura ambiente. Además, la tubería tiene una curva adicional de 90 grados que puede ralentizar el aire, permitiendo que se pierda más calor a través de ella. Dadas estas consideraciones, es probable que el sistema no produzca una temperatura superior al nivel deseado. Secar el arroz a una temperatura superior a 43 grados Celsius tendría un efecto perjudicial en la calidad del arroz. ^{[ 1 ]}

Diseño final

Tenga en cuenta: ESTE DISEÑO NO HA SIDO PROBADO

Consulte el sitio web de ejemplos de secadores IRRI para ver imágenes de los secadores descritos. La primera imagen corresponde al secador IRRI STR/SRR y la segunda al secador de lecho plano vietnamita. Este nuevo diseño combina la mayor calidad del grano y el rápido secado del secador de lecho plano con los materiales económicos y la fuente de calor de los secadores circulares por lotes. La mezcla frecuente del lecho poco profundo de arroz paddy durante el secado ayudará a reducir el alto gradiente de humedad que suele asociarse con los secadores de lecho plano.

• Ventajas: La mezcla permite que el arroz alcance una humedad más constante (reduciendo el gradiente de humedad) lo que mejora la calidad de la molienda, la mezcla también promueve el flujo de aire que aumenta la velocidad sobre los granos y evita que la cámara de calor se caliente demasiado (lo que reduce drásticamente la calidad del arroz), económico y de secado rápido.
• Desventajas: No hay sustituto para el secador de dos etapas, las temperaturas pueden alcanzar un pico por encima de los 43 grados Celsius ideales si la mezcla no es lo suficientemente frecuente, requiere mucha mano de obra, aún es un poco más caro que el secador circular, el filtro puede perder algo de humo u otros subproductos de la combustión creando arroz ahumado, requiere suministro de energía (a diferencia del secado en campo y al sol)
• Notas de uso: Llene la tolva de secado superior con 50 cm de arroz. Esto alcanza la capacidad de la secadora de una tonelada. Añada cáscara de arroz a la tolva de combustible para mantener una fuente de calor constante.
• Trabajo futuro: El ventilador impulsa aire a través del sistema, pero dificulta el análisis del flujo. Una simulación de CFD y transferencia de calor evaluaría las suposiciones y la validez del diseño.

Costo

• Depósito de combustible, tubería, ventilador y filtro de tela: $100 (estimado) ^{[ 13 ]}
• Madera - $25 ^{[ 14 ]}
• Malla de alambre - $70 ^{[ 15 ]}
• Ladrillos - $20 (estimado)

Costo total estimado: $215

Materiales necesarios

• Cuenca de fuego (de aproximadamente 50 cm de diámetro y 50 cm de alto) sostenida por ladrillos (A)
• Tubería de acero de entre 20 cm y 30 cm de diámetro con abertura de 50 cm (B)
• Ventilador de flujo axial (0,7-1 W) (C)
• Filtro de humo (mismo diámetro que la tubería de aluminio) (D)
• Madera contrachapada (1/2 pulgada de espesor) - 2 x 1 mx 0,3 m (E)
• Madera contrachapada (1/2 pulgada de espesor) - 2 x 1 mx 0,7 m (F)
• Madera contrachapada (1/2 pulgada de espesor) - 2 x 3 mx 0,3 m (G)
• Madera contrachapada (1/2 pulgada de espesor) - 2 x 3 mx 0,7 m (alto)
• Madera contrachapada (1/2 pulgada de espesor) - 8 x 0,3 mx 0,1 m cortada en ángulos de 45 grados en los extremos para reforzar (I)
• Malla de alambre tejido o metal perforado (aberturas no mayores a 0,05 pulgadas) – 1 mx 3 m (J)
• Ladrillos adicionales para soportar la malla de alambre (K)

Herramientas necesarias

• Fuente de alimentación para ventilador
• Clavos
• Martillo
• sierra de mano
• Cinta métrica o regla métrica
• Rompecabezas (opcional)

Instrucciones de construcción

1

• Una las partes G y E juntas usando los tirantes I
• Utilice 2 clavos en cada soporte (16 clavos en total para este paso)
• Martilla cada clavo a través de la parte G o E hasta la parte I

2

• Corte un agujero solo en un lado de la secadora.
• Si dispone de una sierra de calar, corte un círculo con una tolerancia estrecha respecto a la tubería de aluminio.
• Si no dispone de una sierra de calar, corte un cuadrado de la parte inferior del marco con una sierra de mano.
• El agujero debe hacerse en la parte E

3

• Coloque el ventilador C dentro de la secadora cerca del orificio del paso 2

4

• Coloque la capa de malla en la parte superior del marco.
• Utilice clavos espaciados 10 cm entre sí

5

• Repita el paso 1 utilizando las partes F, H y la I restante.
• Utilice 2 clavos en cada soporte como antes.
• Coloque el segundo marco encima de la malla de alambre como se muestra.

6

• Coloque el tubo de aluminio B entre el orificio realizado en el paso 2 y la carcasa del horno A.
• Asegúrese de dejar un pequeño espacio para que se pueda retirar el horno de cáscara y volver a llenarlo con combustible.
• Coloque la cortina de humo D dentro del tubo de aluminio encima del horno de cáscara A

7

Producto final

El producto final debería verse como las imágenes a continuación.

Referencias

Véase también

• Arroz