Secado industrial y psicrometría: diseño de secaderos

El secado industrial con aire es un proceso psicrométrico: el aire caliente y seco entra en contacto con el material húmedo, recoge el agua evaporada y sale del secadero más húmedo. Ajustar bien la temperatura, la humedad y el caudal del aire de secado significa minimizar el consumo, maximizar la velocidad de secado y no dañar el material, y el diagrama psicrométrico está hecho precisamente para estos cálculos.

Las dos fases del secado y su perfil psicrométrico

Fase de velocidad de secado constante

En la superficie del material hay agua libre suficiente. El secado avanza como la evaporación desde una superficie de agua libre: la velocidad es constante y solo depende de las condiciones del aire (temperatura, humedad, velocidad). El aire recoge humedad a una temperatura de bulbo húmedo aproximadamente constante, es decir, aproximadamente a lo largo de una isoentálpica. Toda la energía se va en evaporar, y la temperatura del material se mantiene baja, cerca de la temperatura de bulbo húmedo.

Fase de velocidad de secado decreciente

El agua libre de la superficie se ha eliminado, y la humedad restante migra desde el interior del material hasta la superficie por difusión. La velocidad de secado baja y la temperatura del material sube, acercándose a la temperatura seca. Esta fase es crítica para la calidad: un secado demasiado rápido agrieta la madera o forma una costra dura en los alimentos. Se controla bajando la temperatura o subiendo la humedad del aire de secado.

Los parámetros psicrométricos del aire de secado

• Temperatura del aire de impulsión $t_{imp}$: cuanto más alta, más rápido el secado, pero la limita la sensibilidad del producto. Madera, 50–90 °C según la especie y el programa de secado; alimentos, 40–70 °C; papel, 100–150 °C.
• Humedad relativa del aire de salida $\varphi_{sal}$: determina el aprovechamiento del aire de secado. Una $\varphi_{sal}$ mayor significa menos aire necesario, pero un secado más lento.
• Caudal de aire $\dot{m}$: más caudal, secado más rápido, pero costes de explotación más altos.

Agua evaporada y balance energético

La cantidad de agua evaporada:

$$\dot{m}_{agua} = \dot{m} \cdot \Delta W, \qquad \Delta W = W_{sal} - W_{imp} \quad \text{[kg/kg}_{as}\text{]}$$

(si $\Delta W$ se sustituye en g/kg, el resultado hay que dividirlo entre 1000 para que $\dot{m}_{agua}$ salga en las mismas unidades que $\dot{m}$)

La potencia de la batería, que solo calienta el aire con humedad específica constante:

$$P_{bat} = \dot{m} \cdot (h_{imp} - h_{ent})$$

Pero esa no es la demanda energética total del secadero. La batería solo acondiciona el aire; en el balance hay que sumar el calor latente del agua que el aire se lleva. El aporte de calor total sale del estado del aire de salida y del caudal de aire nuevo $\dot{m}_n$, es decir, el aire que realmente atraviesa el secadero y sale, no el que recircula:

$$P = \dot{m}_n \cdot (h_{sal} - h_{ext})$$

El consumo específico por kilogramo de agua evaporada es $e = P / \dot{m}_{agua}$ [kJ/kg]. Los secaderos convencionales sin recuperación de calor suelen quedar entre 3000 y 6000 kJ/kg. El suelo físico es el calor latente del agua, unos 2400 kJ/kg: si el cálculo sale por debajo, falta algo en el balance.

Recirculación: qué ahorra de verdad y qué no

Una gran parte del ahorro de explotación viene de recircular el aire de salida, que está más caliente que el exterior: expulsarlo y sustituirlo por aire exterior frío sería un derroche. La recirculación devuelve una parte del aire de salida a la entrada, donde se mezcla con aire nuevo y se recalienta. En el diagrama es un punto de mezcla sobre la recta que une el estado de salida con el exterior; su posición sobre esa recta corresponde a la fracción de recirculación $r$.

Lo que ahorra es una fuente de errores frecuente. Si solo se expulsa la fracción $(1-r)$ del aire, el aporte de calor baja exactamente en proporción a $(1-r)$, pero también la cantidad de agua evaporada, porque el aire de impulsión ya va humedecido y puede recoger menos humedad. La carga tarda proporcionalmente más. Si se sustituye la mezcla en el balance, el factor $(1-r)$ se anula:

$$e = \frac{P}{\dot{m}_{agua}} = \frac{h_{sal} - h_{ext}}{W_{sal} - W_{ext}}$$

El consumo específico por kilogramo de agua evaporada es por tanto completamente independiente de la fracción de recirculación: solo lo fijan el estado de salida y el exterior. La recirculación reduce la potencia de la batería, y con ella el tamaño de la fuente de calor, pero por sí sola no ahorra energía en el secado de la carga.

La misma fórmula muestra dónde está el ahorro: en un aire de salida más húmedo. Cada kilogramo de aire que sale del edificio debería llevarse la mayor cantidad posible de agua y la menor posible de calor. Y para eso sirve precisamente la recirculación: es lo que mantiene alta la humedad en la cámara sin detener el secado.

El límite es la acumulación de humedad: cuanto mayor es la humedad específica del aire de impulsión, menor es la fuerza impulsora del secado y más tarda la carga.

Ejemplo: un secadero de madera del 60 al 12 % de humedad (base seca)

La humedad de la madera se da en la práctica en base seca (referida a la masa seca, no a la masa húmeda total). Para una carga con una masa seca de 6250 kg (es decir, 10 000 kg de madera húmeda con una humedad inicial del 60 % en base seca), el agua inicial es $0{,}60\cdot6250=3750$ kg y la final, al 12 %, $0{,}12\cdot6250=750$ kg: hay que evaporar 3000 kg de agua.

El aire de secado circula por la cámara a 10 kg/s (de aire seco): impulsión a 60 °C y φ = 15 % ($W \approx 19\ \text{g/kg}$, $h \approx 110\ \text{kJ/kg}$), salida a 60 °C y φ = 45 % ($W \approx 61\ \text{g/kg}$, $h \approx 219\ \text{kJ/kg}$), así que $\Delta W \approx 42\ \text{g/kg} = 0{,}042\ \text{kg/kg}$. El aire exterior está a 20 °C y φ = 60 % ($W \approx 8{,}8\ \text{g/kg}$, $h \approx 42\ \text{kJ/kg}$).

Observe que el aire de impulsión tiene más humedad específica que el exterior. Calentando solo aire exterior nunca se obtendría: el calentamiento va a $W$ constante y daría 60 °C y φ = 7 %. El estado de impulsión es un punto de mezcla: aproximadamente un 20 % de aire de salida recirculado y un 80 % de aire nuevo, que después se calienta. Por la cámara circulan 10 kg/s, pero solo unos 8 kg/s salen y se sustituyen por aire nuevo.

Tiempo de secado:

$$\tau = \frac{3000}{10 \cdot 0{,}042} \approx 7140\ \text{s} \approx 2\ \text{horas}$$

Es el tiempo teórico (el más corto posible), suponiendo que el aire sale todo el tiempo exactamente a φ = 45 %. En la realidad el secado dura más: en cuanto empieza la fase de velocidad decreciente, el aire de salida ya no va tan húmedo y la fuerza impulsora del proceso baja.

El aporte de calor se calcula con el caudal de aire nuevo y el estado de salida: es la única forma de que el calor latente del agua evacuada entre en el balance:

$$P = \dot{m}_n\,(h_{sal} - h_{ext}) \approx 8 \cdot (219 - 42) \approx 1420\ \text{kW}$$

El consumo específico es $e = 1420 / 0{,}42 \approx 3400\ \text{kJ/kg}$ de agua evaporada: dentro del rango habitual y con holgura por encima del calor latente del agua. Si solo se hubiera contado el calentamiento del aire de impulsión, $10\cdot(110-42) = 680\ \text{kW}$, habrían salido 1620 kJ/kg, menos de lo que cuesta la evaporación sola, y eso es imposible.

Más recirculación reduce la fuente de calor, pero alarga la carga en la misma proporción:

Recirculación $r$	Aire de impulsión	Aporte de calor $P$	Tiempo	Consumo específico $e$
0 %	8,8 g/kg (φ 7 %)	1770 kW	1,6 h	3400 kJ/kg
20 %	19 g/kg (φ 15 %)	1420 kW	2,0 h	3400 kJ/kg
40 %	30 g/kg (φ 23 %)	1060 kW	2,7 h	3400 kJ/kg
60 %	40 g/kg (φ 31 %)	710 kW	4,0 h	3400 kJ/kg
70 %	45 g/kg (φ 34 %)	530 kW	5,3 h	3400 kJ/kg

La columna de humedad relativa muestra por qué la recirculación es imprescindible: un aire de impulsión a φ = 7 % secaría la madera más deprisa, pero la superficie se agrietaría. (Compruebe los valores concretos para sus condiciones en el diagrama de PsychroView.)

Aplicaciones en la industria

• Madera: secaderos de cámara a 50–90 °C; la calidad de la madera secada se evalúa según la UNE-EN 14298.
• Industria alimentaria: temperaturas bajas (40–60 °C) para conservar el valor nutritivo, con un control preciso de la humedad; el curado de jamones y embutidos, en cambio, trabaja a temperaturas bajas y humedades altas, controladas durante meses.
• Papel: temperaturas muy altas (100–150 °C), funcionamiento continuo; es el mayor consumidor de energía de la producción.
• Cerámica y materiales de construcción: secado lento y sin choques térmicos para evitar grietas.

Preguntas frecuentes

¿Por qué no sube la temperatura del material en la primera fase del secado? Porque toda la energía aportada se va en evaporar el agua libre. La temperatura de la superficie mojada en la corriente de aire se estabiliza aproximadamente en la temperatura de bulbo húmedo del aire de secado; solo cuando se ha eliminado el agua libre empieza a calentarse el material.

¿Cuánto puede ahorrar la recirculación? La potencia de la batería baja en proporción a la fracción expulsada: con un 60 % de recirculación, a un 40 % aproximadamente. Pero eso por sí solo no ahorra energía en el secado de la carga: el secado dura proporcionalmente más y el consumo por kilogramo de agua evaporada sigue igual. Esa cifra la fija solo el estado de salida.

¿Se diferencian el secado de la madera y el del grano? Los principios son los mismos; cambian los rangos de temperatura y la sensibilidad del producto. El secado de cosechas se trata en el artículo sobre la psicrometría en la agricultura.