INGENIERIA AGRICOLA IMPLEMENTACI o N del secado mecánico de café en carros secadores OSCAR BUITRAGO BERMUOEZ Ingeniero Agrícola JULIO E. OSPINA M. Ingeniero Agrícola Msc. Profesor Asociado Opto. de Ing. Agrícola. Universidad Nacional de Colombia JOSE ALVAREZ G. Ingeniero Agrónomo Investigador del Centro Nacional de Investigaciones de Café RESUMEN on el objetivo de presentar una nueva alternativa de secado a los pequeños y medianos cefleulteres, se desarrolló un seca- dor mecánico de capa fija, a partir de un secador solar de tradicional uso en la zona cafetera denominado carro secador, el cual consta de dos a cuatro plataformas de secado, un entramado de soporte y desplazamiento de las plataformas y un techo de teja de zinc para resguardarlas en caso de lluvia. e Se hicieron las modificaciones necesarias para convertir el carro secador en un secador mecánico, se tuvo en cuenta que el secador pudiera seguirse usando como secador solar, se realizaron seis pruebas de secado, en las cuales se midieron variables del grano, del aire y del secador. La uniformi- dad del contenido de humedad final del grano se determinó comparando muestras tomadas en las plataformas y después de empacado el grano. De la evaluación del equipo se hicieron las siguientes deducciones: -- Cada una de las partes acondicionadas al carro funcionaron satisfacto- riamente. No se presentaron fugas de aire caliente. -- El consumo de combustible del quemador de olla fue 0.239 y 0.275 L. kg" café pergamino seco (c.p.s.) -- El caudal de aire aumentó al final del secado alrededor del 90%, debido a la disminución continua del espesor de la capa de grano. -- Los consumos energéticos del secador estuvieron 4500 y 7000 kJ.kg·' c.p.s. -- El contenido de humedad final del grano fue uniforme, con coeficientes de variación cercanos al 10%. El beneficio de café en Colombia se realiza por vía húmeda; cuando el café cereza llega al beneficiadero su contenido de humedad está alrededor del 67%b.h.; durante el beneficio la cereza es sometida a diferentes transformaciones, comenzando por el despulpado, mediante el cual le es retirado el epicarpio o pulpa; seguido a esto se inicia el proceso de fermentación en donde es desprendido el mesocarpio o mucílago; para remover los residuos de la fermentación el grano es sometido al lavado, etapa de la que sale con un contenido de humedad cercano al 55%b.h., la reduc- cron de esa humedad a niveles establecidos para la comercialización del grano, lOa 12%b.h, se hace me- diante el secado, proceso que se puede realizar natural o artificialmente. Elsecado natural de café es operacio- nalmente factible en fincas con producciones inferio- res a 1000@ de café pergamino seco (c.p.s.) por año y es realizado extendiendo una capa de grano de 3.5 cm. en paseras, patios, elbas, casaelbas o carro seca- dores. Para que el contenido de humedad del grano esté entre lOa 12%b.h., se requieren de 40 a 50 horas de sol con condiciones climáticas adecuadas y movi- Ingeniería e Investigación 3
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INGENIERIA AGRICOLA
IMPLEMENTACI oNdel secado mecánico decafé en carros secadores
OSCAR BUITRAGO BERMUOEZIngeniero Agrícola
JULIO E. OSPINA M.Ingeniero Agrícola Msc. Profesor Asociado
Opto. de Ing. Agrícola. Universidad Nacional de ColombiaJOSE ALVAREZ G.Ingeniero Agrónomo
Investigador del Centro Nacional de Investigaciones de Café
RESUMEN
on el objetivo de presentar una nueva alternativa de secadoa los pequeños y medianos cefleulteres, se desarrolló un seca-dor mecánico de capa fija, a partir de un secador solar detradicional uso en la zona cafetera denominado carro secador,
el cual consta de dos a cuatro plataformas de secado, un entramado desoporte y desplazamiento de las plataformas y un techo de teja de zincpara resguardarlas en caso de lluvia.
eSe hicieron las modificaciones necesarias para convertir el carro secadoren un secador mecánico, se tuvo en cuenta que el secador pudiera seguirseusando como secador solar, se realizaron seis pruebas de secado, en lascuales se midieron variables del grano, del aire y del secador. La uniformi-dad del contenido de humedad final del grano se determinó comparandomuestras tomadas en las plataformas y después de empacado el grano.
De la evaluación del equipo se hicieron las siguientes deducciones:-- Cada una de las partes acondicionadas al carro funcionaron satisfacto-riamente. No se presentaron fugas de aire caliente.
-- El consumo de combustible del quemador de olla fue 0.239 y 0.275 L.kg" café pergamino seco (c.p.s.)
-- El caudal de aire aumentó al final del secado alrededor del 90%, debidoa la disminución continua del espesor de la capa de grano.
-- Los consumos energéticos del secador estuvieron 4500 y 7000 kJ.kg·'c.p.s.
-- El contenido de humedad final del grano fue uniforme, con coeficientesde variación cercanos al 10%.
El beneficio de café en Colombia se realiza por víahúmeda; cuando el café cereza llega al beneficiaderosu contenido de humedad está alrededor del 67%b.h.;durante el beneficio la cereza es sometida a diferentestransformaciones, comenzando por el despulpado,mediante el cual le es retirado el epicarpio o pulpa;seguido a esto se inicia el proceso de fermentaciónen donde es desprendido el mesocarpio o mucílago;para remover los residuos de la fermentación el granoes sometido al lavado, etapa de la que sale con uncontenido de humedad cercano al 55%b.h., la reduc-
cron de esa humedad a niveles establecidos para lacomercialización del grano, lOa 12%b.h, se hace me-diante el secado, proceso que se puede realizar naturalo artificialmente. El secado natural de café es operacio-nalmente factible en fincas con producciones inferio-res a 1000@ de café pergamino seco (c.p.s.) por añoy es realizado extendiendo una capa de grano de 3.5cm. en paseras, patios, elbas, casaelbas o carro seca-dores. Para que el contenido de humedad del granoesté entre lOa 12%b.h., se requieren de 40 a 50 horasde sol con condiciones climáticas adecuadas y movi-
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miento frecuente del qrano" 6 y 7. Aunque el secadonatural de café presenta los mejores resultados decalidad del grano, está siendo desplazado por el se-cado artificial, debido al aumento del volumen de lascosechas como consecuencia de la implantación denuevas técnicas de cultivo y variedades mejoradas.
El secado artificial de café se realiza en sistemas cons-tituidos por una fuente de calor, un 'intercambiadorde calor, Un ventilador y un secador con uno o máscompartimientos con piso de malla sobre el cual esdepositado el grano. Este sistema de secado satisfaceproducciones superiores a las 2000@ de café perga-mino seco (c.p.s.) por año. Según Valencia", para fin-cas con producciones entre 2000 y 3000@ C.p.S. poraño se requiere de un secador con una capacidad de80 @ c.p.s. por tanda, sin embargo, la encuesta sobrebeneficio realizada por la subgerencia técnica de FE-DERACAFP, deja ver que en fincas con produccionesentre 1000 Y 3000@ de C.p.S. por año, la capacidadpromedio de los equipos de secado artificial es 117@ c.p.s. por tanda. Se requiere de alternativas de se-cado mecánico acordes con la producción de las fincasmedianas y pequeñas, teniendo en cuenta-que satisfa-gan la necesidad de secar el grano en menor espacioy tiempo que los utilizados por el secado solar y conmayor facilidad de manejo y reducción de pérdidas.El secado mecánico de café más utilizado en Colombiaes el de capa fija o estática y se efectúa forzando uncaudal de aire, entre 60 y 80 m3.min".ton:'c.p.s, previa-mente calentado a una temperatura de aproximada-mente 50°C, a través de una capa de grano cuyo espe-sor varía entre 0.40 y 0.80m5• Entre los secadores es-táticos para café el más recomendado es el silo seca-dor CENICAFE, el cual está provisto de dos cámarasde secado, denominadas comúnmente de secado ypresecado=". La inversión del flujo de aire disminuyelas elevadas diferencias de humedad que pueden en-contrarse entre la parte inferior y la parte superior dela capa de grano, Bovce' y Ospina", reportan, parasecado con flujo en una dirección, diferencias de hasta13 puntos, en tanto que con la inversión del flujo estadiferencia puede reducirse a 4 puntos". Los paráme-tros que influyen en el secado estático de café son:el espesor de la capa de grano, el flujo de aire, latemperatura de secado y el contenido de humedadinicial del gran03 y '9.
El objetivo de este trabajo fue desarrollar un secadormecánico de capa fija para pequeños y medianos ca-ficultores, con capacidad alrededor de 60@ c.p.s., apartir de un secador solar de carros. El secador solarde carros está constituido por varias plataformas desecado dispuestas una sobre otra,' soportadas sobrerodachinas que facilitan su desplazamiento para expo-ner el grano al solo resguardarlo en caso de lluvia.
MATERIALES Y METODOS
El presente trabajo se desarrolló en la SubestaciónParaguaicito del CENTRO NACIONAL DE INVESTIGA-CIONES DE CAFE "CENICAFE", localizada en el muni-
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crpro de Buenavista, Departamento del Ouindío. Lasubestación presenta las siguientes característicasgeográficas: Latitud, 4° 23' N. Longitud, 75° 44' W.Altitud, 1.250m. Presión atmosférica promedio,86.6kP. Temperatura media, 22°C. Humedad relativapromedio, 77.2%.
Del equipo de secado solar de la subestación Paraquai-cito de CENICAFE, se seleccionó un Carro Secador,figura 1, en el cual se realizaron las modificacionesnecesarias para aplicar el secado mecánico.
Figura 1. Vista general del carro secador seleccionado pararealizar las modificaciones.
Adecuación del carro secador solar asecador mecánico.
El piso de madera de las cuatro plataformas fue reem-plazado por anjeo cafetero de 4x4 huecos por pulgadacuadrada. Esta malla fue apoyada sobre un entramadode madera construido con vigas, de sección transver-sal 0.040mxO.08m, colocadas cada 0.45m y viguetasde 0.02mxO.04m colocadas cada 0.45m.
El sellamiento lateral y posterior se realizó mediantela construcción de paredes de ladrillo farol revocadasinternamente. En las partes laterales y posterior delmarco de cada plataforma fue implementado un sis-tema sellante para evitar fugas de aire entre la plata-forma y las paredes.
El sellamiento frontal del espacio libre entre las plata-formas se realizó mediante dos compuertas construi-das en lámina calibre 18 y ángulo de 1/8"xl ", fijadaspor medio de bisagras en el extremo de las paredeslaterales, estas compuertas se construyeron con cierrecentral.
Se construyó un techo de dos alas, con teja de zinc yvigas de madera para facilitar el manejo del café dela plataforma superior. El giro de cada ala del techose efectuó por medio de cuatro bisagras.
La cámara plenum del secador se formó por el espaciolibre entre el anjeo de la plataforma inferior y el pisodel secador.
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Lafigura 2muestra un corte transversal del secador.
Construida la cámara de secado a partir de los carrossecadores, fue adaptado el sistema generador de airecaliente de tipo indirecto y un ventilador. La figura 3,muestra la vista lateral del secador con el sistema
generador de aire caliente acoplado. El calentador deaire de tipo indirecto, constó de un intercambiador decalor horizontal de flujos paralelos y un quemadortipo olla. Ver figura 4.
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Vista lateral del carro modificado ._. '·.s
Se seleccionó un ventilador tipo axial cuyas caracterís-ticas generales fueron: Caudal = 1.3m3_s-', caída depresión = 30N.m,2. (0.31mm. c.a.). Potencia = 0.2kW.
Diámetro = 515mm, ancho = 300mm, tipo de motor= trifásico sin refrigeración, con transmisión de poten-cia directa.
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Vista del equipo generador de aire caliente del carro secadormodificado.
Evaluación de Sistema de Secado
Para efectuar la evaluación del secador adaptado serealizaron seis pruebas de secado; se utilizó café varie-dad Caturra lavado, procedente de la subestación Pa-raguaycito, beneficiado por vía húmeda. En estaspruebas se midieron:Variables de grano, variables del aire, variables delsecador, uso de la energía y datos de desempeño.
El café recién lavado se distribuyó uniformemente encada plataforma con un espesor aproximado de0.06m. Se usó la temperatura de aire de secado de50°C recomendada por FEDERACAFP.
A intervalos de cuatro horas se tomaron muestras degrano de cinco puntos distintos en cada plataforma,para verificar el contenido de humedad del grano.
Los valores de temperatura y humedad relativa am-bientales se tomaron como el promedio de los datosobtenidos de la estación metereológica, de los díasdurante los cuales se efectuó cada una de las pruebas.
La temperatura de bulbo seco del aire de secado seregistró a intervalos de cuatro horas a la descarga delventilador, en la cámara plenum y a la salida del aireen el secador. La temperatura de bulbo húmedo delaire de secado se registró a intervalos de cuatro horasen la cámara plenum y a la salida del aire del secador.Estas temperaturas fueron determinadas mediantetermómetros de mercurio, marca SILVER-BRANT, sen-sibilidad ±1°C.
La caída de presión, a través de la capa de grano, semidió al inicio de la prueba y a intervalos de cuatrohoras, en la cámara plenum, mediante un manómetroinclinado de agua.
El consumo de combustible, se determinó registrandoel nivel del líquido en el recipiente que lo contenía, alinicio y al final de cada prueba.
Se confrontó la uniformidad del secado, comparandolos contenidos de humedad de las muestras de grano
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tomadas de las plataformas al final de cada prueba, .con los contenidos de humedad de las muestras toma-das de los bultos de café, parte superior, media einferior, obtenidos de cada plataforma.
Para determinar los contenidos de humedad de todaslas muestras de grano tomadas durante cada prueba,se siguió la metodología establecida por la norma ISO6673" (temperatura 105°C /16 horas), utilizando unaestufa con ventilación forzada marca BLUE M. (STABILTHERM) y una balanza electrónica de precisión, sensi-bilidad 0.1mg, marca METTLER.
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
El secador solar de carros modificado, presentó uncomportamiento satisfactorio, obteniéndose buenosresultados en el proceso de secado.
En la tabla 1 se observan las condiciones generalespara cada prueba tanto del aire como del grano, asícomo el tiempo total de secado. Las temperaturas desecado son el promedio de los registros realizadosdurante cada prueba.
Tabla 1.Condiciones generales de cada prueba realizada en el secador.
Prub T.A. H.R.% T.S. e.H.I. E.e.G. CAP TIEMoC oC e.v.% %b.h. m. Kg. h.
* En esta prueba fueron cargadas las plataformas de secado 2, 3Y4.T.A. = temperatura ambiente.H.R. = humedad relativa ambiental.T.S. = temperatura de secado promedio con su coeficiente de
variaciónC.H.I. = contenido de humedad inicial del grano % S.H.E. C. G. = espesor de la capa de grano.CAP. = capacidad del secador en kg C.p.s.TIEM. = tiempo total de secado, h.
Variación del caudal de aire y eficiencia térmica delintercambiador.
Los caudales de aire utilizados en cada prueba, fueroncalculados a partir de las ecuaciones de pérdida depresión de Oliveros y Hoa" en función de la altura decapa de grano y la presión estática medidas durantecada una de las pruebas.
Se observa de la tabla 2, como en una misma pruebade secado los valores de caudal aumentan al final delsecado en 97.1% estos incrementos se debieron a queel espesor de la capa de grano fue disminuido en un
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25% cada vez que se retiraba del secador una plata-forma de secado y a que el grano reduce su resistenciaal paso del aire cuando su contenido de humedad sedisminuye; los caudales, al inicio del secado, estánalrededor del valor utilizado para el cálculo del venti-lador, en tanto que los valores a finales del proceso,son del orden de los reportados por Ospina" en laevaluación de un secador CENICAFE de 80 arrobasc.p.s. (cargando una sola cámara, 40 @ c.p.s.). El com-portamiento del flujo de aire es igual al del caudalpuesto que depende de éste, el mínimo valor de flujocalculado fue 5.23m3.min-1.m-2 en tanto que el máximofue 10.42m3.min-1.m-2• Los flujos de aire son muy infe-riores a los recomendados para el secador CENICAFPy a los reportados por Correa".
La eficiencia térmica del intercambiador, vario enforma ascendente durante cada prueba de secado. Enlas pruebas 2 y 4 aumentó al final del secado en 96.5y 97.5% respectivamente. Ver Tabla 2. Los valores deeficiencia del intercambiador al inicio de cada pruebafueron similares a los reportados para equipos de se-cado de café".
Comportamiento del proceso de secado.
La figura 5, muestra las curvas de secado de la prueba1, cada punto de éstas es el promedio de cinco mues-tras tomadas en cada plataforma. Su comportamientoes similar a las curvas de secado obtenidas en un silosecador CENICAFE'.
De la tabla 3, se deduce que el tiempo de secado paracada plataforma, en las diferentes pruebas, son pare-cidos, con excepción de la plataforma 3, en donde haysimilitud entre los tiempos de las pruebas 1 y 3, (29.5y 32 horas) y difieren para las pruebas 2 y 5 (36 horas),esto se debió a que en la prueba 1 y 3 el secador fuecargado con menor cantidad de grano.
Tabla 3.
Tiempo total de secado para cada plataforma y para cada prueba.
* En esta prueba no fue cargada la plataforma inferior.** En esta prueba el espesor de la capa de grano fue 0.20m.
En la tabla 4, se muestran los resultados promediosde los contenidos de humedad finales obtenidos encada plataforma con sus respectivos coeficientes devariación (muestreo A) y los datos obtenidos delmuestreo realizado en el café seco y empacado (mues-treo B), con su respectivo coeficiente de variación.
Al final del secado se puede obtener grano con conte-nido de humedad dentro de la norma, establecida para
1101&,
50,1 401).oD tciEHu
2tiM:EDJI lOD%b oh O l. 20 24
TlEMPOIHI32 311 311• 12
PLATAFORMA 1
~ PLATAFORtI.~
0004- PLATAFORMA 2
~ PLATAFORMA 4 I
Figura 5. Curvas de secado de la prueba uno.
café pergamino seco. Considerando que el secado seefectúa en una sola dirección, los coeficientes de va-riación son aceptables e inferiores a los reportadospor Ospina", para un secador CENICAFE con flujo enuna sola dirección y espesor de capa de grano de40cm.
Tabla 4.Comparación de los contenidos de humedad final y
A = Muestreo realizado al final del secado en cada plataforma.S = Muestreo realizado al final del secado en los bultos de café.
Los coeficientes de variación reportados por Ospina"para secado de café en un secador Cenicafé con inver-sión del flujo de aire están alrededor del 14%;. Loscoeficientes de variación hallados para el carro seca-dor mecánico, en la mayoría de los casos estuvieronalrededor del 10%, esto indica una menor variabilidaddel contenido de humedad final, lo cual repercute enuna mejor calidad del grano por haber mayor unifor-midad en el contenido de humedad final y a su vezeconómicamente favorece al caficultor, ya que no ob-tiene grano sobresecado.
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Desempeño del secador
Los valores de eficiencia térmica global del secador ydel secado, la capacidad dinámica y el consumo decombustible para cada prueba son mostrados en latabla 5. El calor latente de vaporización se calculó apartir de la ecuación de Trejos'" asumiendo la tempe-ratura del grano igual a la del ambiente; el caudalutilizado para el cálculo de la eficiencia fue el inicialde cada una de las pruebas. La menor eficiencia globalse encontró en la prueba sexta, 41.6%, debido a queel caudal de aire con respecto a los caudales con losque se calcularon las demás eficiencias globales fueel mayor, esto disminuyó el tiempo de contacto entreel aire y el grano necesario para efectuar los procesosde transferencias de calor y de masa, además la ener-gía suministrada al aire fue mucho más de la requeridapara la vaporización del agua en el grano.
Tabla 5.
o Eficiencia térmica global del secador, eficienciatérmica del secado, capacidad dinámica del secador
y consumo de combustible por kilogramode grano procesado -,
El mayor valor de eficiencia térmica global se obtuvoen la segunda prueba, 62.7%, debido a que el flujo deaire del caudal correspondiente fue el menor, de modoque facilitó la interacción grano-aire; la cantidad deagua removida del grano por hora en esta prueba fue
la mayor, con aproximadamente la misma energía su-ministrada al aire en las demás pruebas. Los valoresde eficiencia térmica del secador son calculados comola energía suministrada al aire sobre el agua evapo-rada desde el grano, estas eficiencias fueron calcula-das con el caudal inicial de cada prueba.
Las eficiencias térmicas del secador, son similares alas reportadas para secado de café. La menor de ellasse presentó en la segunda prueba, ésto se debió aque la cantidad de agua evaporada fue mayor que enlas demás experiencias y con aproximadamente lamisma energía suministrada. En la sexta prueba, laeficiencia térmica del secador fue mayor en un 61.3%que la menor eficiencia térmica hallada, debido a quela cantidad de agua evaporada fue menar y la energíaque se suministró fue del mismo orden de las demáspruebas. El menor valor de eficiencia térmica encon-trado es superior a los reportados por l.ópez" para unsecador intermitente de flujos concurrentes para caféen un 15%. Los demás valores con excepción del en-contrado en la sexta prueba, son alrededor de un32% inferiores al reportado por Valencia, citado porCorrea" para el secador CENICAFE; en tanto que eldato para la sexta prueba es del mismo orden delreportado para secador CENICAFP. Es de anotar quela menor eficiencia térmica de secador se presentócon la mayor eficiencia global.
Los valores de la capacidad dinámica del secador es-tán cercanos a los de un silo secador CENICAFE DE60 @. También se puede observar en la tabla 5, queen las pruebas donde se obtuvo la mayor capacidaddinámica, se presentaron los menores consumos decombustible por unidad de grano procesado, esto eslógico puesto que para un mismo equipo de secado,a mayor cantidad de materia prima procesada, meno-res serán las inversiones requeridas para el proceso.En la sexta prueba el consumo de combustible porkilogramo fue el mayor debido a que se usó la mayortemperatura de secado, se utilizó un menor espesorde capa de grano y a que el contenido de humedadfinal del grano fue muy bajo.
LITERATURA REVISADA
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