El presente folleto forma parte de la serie: "Tecnolog�a Postcosecha", publicaci�n de la Oficina Regional de la FAO para Am�rica Latina y el Caribe, que trata diversos temas relacionados con las tecnolog�as y procedimientos utilizados en la cosecha, beneficio y almacenamiento de los granos, ra�ces, tub�rculos, frutas y hortalizas que se emplean en la alimentaci�n humana, as� como de las plagas que los atacan, los m�todos para su control y los factores de calidad que intervienen en su manejo y comercializaci�n.
Su contenido est� escrito en un lenguaje sencillo, pero apoyado en los conocimientos y experiencias de t�cnicos e instituciones que han encaminado sus esfuerzos para especializarse en alguna de las muchas disciplinas cient�ficas y t�cnicas que intervienen en el manejo de estos productos, desde su madurez fisiol�gica en la planta, hasta que es utilizado como alimento.
Con su publicaci�n se busca proporcionar informaci�n de utilidad para todas aquellas personas que tienen bajo su responsabilidad el manejo de estos productos agr�colas, en algunas de sus m�ltiples etapas, especialmente agricultores y personal t�cnico encargado de centros de acoplo y almacenamiento; as� como tambi�n a los extensionistas encargados de programas de capacitaci�n en esta �rea. No dudamos que la informaci�n tambi�n ser� de utilidad para profesionales, personal de docencia y estudiantes que tengan inter�s en este campo.
La FAO espera que la informaci�n ayude a mejorar las t�cnicas y procedimientos actualmente utilizados en el manejo y almacenamiento de los productos agr�colas en Latinoam�rica y con ello, contribuir a disminuir las cuantiosas p�rdidas postcosecha de alimentos que son necesarios para una poblaci�n cada d�a m�s numerosa y hambrienta.
En el mundo se han desplegado muchos esfuerzos con el fin de aumentar la producci�n y la productividad de los productos agr�colas. Estos esfuerzos, que exigen inversiones importantes, se han visto parcialmente neutralizados por las p�rdidas que se producen despu�s de la maduraci�n del grano.
No hay estudios concluyentes relativos a las p�rdidas de granos posteriores a la cosecha, en Am�rica Latina. Se han hecho estimaciones, todas las cuales indican un m�nimo de 20%. Tomando esa cifra como base, el perjuicio anual para el Brasil, por ejemplo, es superior a mil millones de d�lares. Se piensa que en los dem�s pa�ses de Am�rica Latina las p�rdidas de granos posteriores a la cosecha tambi�n son elevadas. Lo dicho refleja indirectamente las precarias condiciones en que se realiza el tratamiento de la mayor parte de los granos producidos. El tratamiento de granos se compone de una serie de operaciones unitarias, entre las que se destaca el secado. La falta de secado adecuado es una de las principales fuentes de p�rdida de productos agr�colas.
El secado de granos se puede definir como el m�todo universal de adecuar los granos mediante la eliminaci�n del agua hasta un nivel que prevenga el crecimiento de hongos y bacterias, de manera que se conserve el aspecto y la calidad nutritiva del grano como alimento, o su viabilidad como semilla. El nivel seguro de humedad para el almacenamiento de granos se encuentra entre el 10 y el 13%, base h�meda, para las principales especies, dadas las condiciones medias de temperatura y humedad relativa en Am�rica Latina.
Las t�cnicas de secado y almacenamiento de granos son ampliamente conocidas y utilizadas en paises desarrollados. Esto quiere decir que, luego de adaptarias a las condiciones de clima y realidad econ�mica, es posible mejorar las t�cnicas y equipos que se emplean en Am�rica Latina. Por lo menos en principio, esta afirmaci�n es valedera; no obstante, el mejoramiento aludido puede verse limitado por algunos factores entre los cuales los m�s importantes son: a) el nivel de instrucci�n del usuario; b) el costo de la tecnologia; c) el volumen de producci�n por productor rural; y d) la disponibilidad de energ�a el�ctrica.
Un sistema de secado y almacenamiento exige costos de inversi�n relativamente elevados, dependiendo del poder adquisitivo del comprador. La adquisici�n o construcci�n de un sistema de secado involucra la necesidad de adiestramiento t�cnico del usuario, para que pueda aprovechar al m�ximo los beneficios que la tecnolog�a instalada puede ofrecer, puesto que las ventajas del sistema dependen de su buen manejo. Adem�s de conocer las caracter�sticas del equipo de secado, el usuario debe saber que su capacidad de negociaci�n aumenta en la comercializaci�n, al obtener un grano de mejor calidad. Debido a los costos iniciales aludidos, para que el uso de las t�cnicas de secado m�s modernas sea econ�micamente viable, debe haber un nivel de producci�n m�nimo. Con todo, es un error suponer que esta tecnolog�a es recomendable s�lo para grandes vol�menes de producci�n. Las variaciones de la t�cnica extienden su utilizaci�n a un abanico amplio de producci�n de granos. Como es natural, a medida que se traten vol�menes mayores, mejor ser� el tratamiento que ellos podr�n recibir, por los refinamientos que se podr�n incorporar al sistema de secado.
En los equipos de secado, los intercambios de aire y masa entre el grano y el aire de secado se producen principalmente por convecci�n forzada de aire. Por tal motivo, los secadores de granos est�n provistos generalmente, de un ventilador, como agente de movimiento del aire. La falta de energ�a el�ctrica para impulsar estos ventiladores es una de las mayores trabas que impide, en los pa�ses en desarrollo, la popularizaci�n del sistema de secado y almacenamiento a nivel de predio.
En los �ltimos diez anos se han producido importantes cambios y perfeccionamientos en las t�cnicas y equipos que se usan para el secado de granos en los paises desarrollados. Los adelantos en los estudios de las teor�as de secado y la ayuda del computador en la t�cnica de simulaci�n del proceso de secado, para optimizar el procedimiento y los equipos, contribuyeron a ese perfeccionamiento.
El prop�sito de este material es el de servir como fuente de consulta respecto de los principios del secado y de ciertas tecnolog�as y equipos (secadores) destinados a secar granos. Aqu� se tratan dos temas b�sicos para comprender los principios del secado: la psicrometria y la higroscopia. Se espera que este material pueda contribuir a mejorar los conocimientos de t�cnicos e investigadores que trabajan en el sector de postcosecha de granos en Am�rica Latina.
Introduccion
Aire atmosferico
Propiedades termodinamicas del aire humedo
Temperatura psicrometrica de bulbo humedo
Grafico psicrometrico
Ecuaciones psicrometricas
El estudio detallado de las propiedades de la mezcla de aire seco y vapor de agua es de tal importancia que constituye una ciencia aparte, la psicrometr�a.
La psicrometr�a. se define como "aquella rama de la f�sica relacionada con la medici�n o determinaci�n de las condiciones del aire atmosf�rico, particularmente respecto de la mezcla de aire seco y vapor de agua", o bien "aquella parte de la ciencia que est� en cierta forma intimamente ligada a las propiedades termodin�micas del aire h�medo". Las propiedades termodin�micas de la mezcla de aire seco y vapor de agua revisten gran inter�s en la etapa de postcosecha de productos agr�colas, por el efecto que tiene la humedad del aire atmosf�rico sobre el contenido de humedad de los productos.
En la conservaci�n y almacenamiento de productos agr�colas se emplean diversas pr�cticas con participaci�n directa de la psicrometr�a; una de dichas pr�cticas es el secado. En el secado a bajas temperaturas en particular, la tasa de secado depende de la capacidad del aire para evaporar la humedad (potencial de secado), la cual es determinada por las condiciones psicrom�tricas del aire: temperatura y humedad relativa.
En el secado y almacenamiento, uno de los conceptos m�s importantes es el contenido de humedad de equilibrio. Asf se denomina al intercambio rec�proco de humedad entre materiales higrosc�picos, tales como los granos, y el aire que los rodea; la condici�n de intercambio rec�proco de humedad indica el equilibrio que hay entre el aire y el material. Se establece dicho equilibrio cuando la presi�n de vapor que corresponde a la humedad del producto es igual a la presi�n de vapor de la humedad presente en el aire, en condiciones fijas de temperatura. Por tanto, en los estudios de higroscopia, las propiedades termodin�micas del aire h�medo son de fundamental importancia.
El conocimiento de las condiciones de humedad y temperatura del aire es de gran importancia tambi�n en muchos otros aspectos de la actividad humana. La conservaci�n de productos talas como frutas, hortalizas, huevos y carnes, en c�maras frigor�ficas, depende en gran medida de la mantenci�n de la adecuada humedad relativa del ambiente. - a p�rdida de peso depende de la humedad del aire en la c�mara de almacenamiento; si la humedad es baja, la p�rdida de peso es elevada.
Por sus dimensiones y por los procesos f�sico-qu�micos que se produjeron, el planeta Tierra posee hoy una capa gaseosa que lo envuelve (aire atmosf�rico), la que constituye la atm�sfera de la Tierra y es esencial para las formas de vida que se encuentran en ella.
El aire atmosf�rico se compone de una mezcla de gases, vapor de agua y una mezcla de contaminantes, tales como humo, polvo, y otros elementos gaseosos que no est�n presentes normalmente, en lugares distantes de las fuentes de contaminaci�n.
Por definici�n, existe aire seco cuando se ha extra�do todo el vapor de agua y los contaminantes del aire atmosf�rico. Mediante extensas mediciones se ha demostrado que la composici�n del aire seco es relativamente constante, si bien el tiempo, la ubicaci�n geogr�fica y la altura determinan peque�as variaciones en la cantidad de componentes. La composici�n porcentual, en volumen o n�mero de males por 100 moles de aire seco, aparece en el Cuadro 1.
Cuadro 1 Composici�n del aire seco
| Substancia | F�rmula | Masa
molecular (kg kg-mol -1) |
Porcentajes en volumen (moles/ 100 moles) |
| Nitr�geno | N2 | 28,016 | 78,084 |
| Ox�geno | 02 | 32,000 | 20,9496 |
| Arg�n | Ar | 39,948 | 0,934 |
| Di�xido de carbono | CO2 | 44,010 | 0,0314 |
| Ne�n | Ne | 20,183 | 0,001818 |
| Helio | He | 4,0026 | 0,000524 |
| Metano | CH4 | 16,03188 | 0,0002 |
| Di�xido de azufre | SO2 | 64,064 | 0,0001 |
| Hidr�geno | H2 | 2,01594 | 0,00005 |
| Cript�n | Kr | 83,800 | 0,0002 |
| Ozono | 03 | 48,000 | 0,0002 |
| Xen�n | Xe | 131,300 | 0,0002 |
Fuente: ASHRAE, 1977
La masa molecular aparente del aire seco es de 28,9645 kg-mol y la del vapor de agua es de 18,1535 kg-mol, ambas en la escala del carbono 12 (ASHRAE, 1977). El aire seco, normalmente tiene vapor de agua asociado, lo que da origen al que se denomina aire h�medo, que es una mezcla binaria de aire seco y vapor de agua. La cantidad de vapor presente en la mezcla puede variar entre cero y un valor correspondiente al estado de saturaci�n. Esto corresponde a la cantidad m�xima de vapor de agua que el aire puede soportar a una temperatura determinada.
Hay diversas propiedades termodin�micas fundamentales ligadas a las propiedades del aire h�medo. Hay dos propiedades independientes, adem�s de la presi�n atmosf�rica necesarias para establecer el estado termodin�mica del aire h�medo.
Tres propiedades se relacionan con la temperatura:
Algunas propiedades termodin�micas caracterizan la cantidad de vapor de agua presente en el aire h�medo:
Otras propiedades de fundamental importancia, relacionadas con el volumen ocupado por el aire y con la energ�a del aire, respectivamente, son:
La entamp�a y el volumen especifico son propiedades de la mezcla de aire seco y vapor de agua, pero para mayor comodidad se expresan sobre la base de una unidad de masa de aire seco.
La temperatura psicrom�trica de bulbo h�medo. (Tbh) no es una propiedad termodin�mica de la mezcla de aire seco y vapor de agua y se tratar� separadamente.
A continuaci�n se presenta una breve descripci�n de cada una de estas propiedades.
Temperatura de bulbo
seco (T)
La temperatura de bulbo seco, es la verdadera temperatura del
aire h�medo y con frecuencia se la denomina s�lo temperatura
del aire; es la temperatura del aire que marca un term�metro
com�n.
Temperatura de punto
de rocio (Tpr)
La temperatura de punto de rocio, es la temperatura a la cual
el aire h�medo no saturado se satura, es decir, cuando el vapor
de agua comienza a condensarse, por un proceso de enfriamiento,
mientras que la presi�n y la raz�n de humedad se mantienen
constantes.
Temperatura
termodin�mica de bulbo h�medo (T*)
La temperatura termodin�mica de bulbo h�medo, es la
temperatura de equilibrio que se alcanza cuando la mezcla de aire
seco y vapor de agua pasa por un proceso de enfriamiento
adiab�tico hasta llegar a la saturaci�n.
Presi�n de vapor
(Pv)
La presi�n de vapor, es la presi�n parcial que ejercen las
mol�culas de vapor de agua presentes en el aire h�medo. Cuando
el aire est� totalmente saturado de vapor de agua, su presi�n
de vapor se denomina presi�n de vapor saturado (PVS).
Raz�n de humedad
(raz�n de mezcla) (W)
La raz�n de humedad del aire, se define como la relaci�n
entre la masa de vapor de agua y la masa de aire seco en un
volumen dado de mezcla. Algunos autores confunden los t�rminos
raz�n de humedad y humedad absoluta; la humedad absoluta,
denominada tambi�n densidad del vapor de agua, es la relaci�n
entre la masa de vapor de agua y el volumen que ocupa la mezcla
de aire seco y vapor de agua.
Humedad relativa (f)
La humedad relativa del aire, se define como la raz�n entre
la presi�n de vapor de agua en un momento dado (Pv) y la
presi�n de vapor de agua cuando el aire est� saturado de
humedad (Pvs), a la misma temperatura. La humedad relativa se
puede expresar como decimal o como porcentaje.
Grado de saturaci�n
(m)
El grado de saturaci�n, es la relaci�n entre la raz�n de
humedad real de la mezcla (W) y la raz�n de humedad del aire en
estado de saturaci�n (Ws), a igual temperatura y presi�n
atmosf�rica.
Entalp�a (h)
La entalp�a de la mezcla de aire seco y vapor de agua, es la
energ�a del aire h�medo por unidad de masa de aire seco, por
encima de una temperatura de referencia; dado que en ingenier�a
s�lo las diferencias de entalp�a tienen inter�s pr�ctico, el
valor que se escoja para la temperatura de referencia carece de
importancia.
Volumen espec�fico
(Ve)
El volumen espec�fico del aire h�medo, se define como el
volumen que ocupa la mezcla de aire seco y vapor de agua por
unidad de masa de aire seco. La masa espec�fica del aire h�medo
no es igual al rec�proco de su volumen espec�fica. La masa
espec�fico del aire h�medo es la relaci�n entre la masa total
de la mezcla y el volumen que ella ocupa.
Un psicr�metro (Figura 1) se compone de dos term�metros, uno de ellos envuelto en una tela constantemente humedecida (term�metro de bulbo h�medo) y otro, al lado del primero, en simple equilibrio t�rmico con el aire atmosf�rico (term�metro de bulbo seco). El term�metro de bulbo h�medo recibe sobre s� un flujo de aire constante por medio de un sistema de ventilaci�n. Se evapora as� la humedad y se retira energ�a del bulbo humedo. La temperatura baja, y al llegar al punto de equilibrio, se estabiliza. La temperatura que registra el term�metro en esas condiciones se llama temperatura psicrom�trica de bulbo h�medo. (Tbh)
Se entiende por estado de equilibrio la situaci�n en que el flujo de energ�a del aire al bulbo del term�metro es igual a la energ�a necesaria para la evaporaci�n de la humedad. En ese estado de equilibrio, a partir de un balance de energ�a, se puede escribir la ecuaci�n siguiente
Pv = PVS,bh - a1 P(T-Tbh)
ec.1
en que a1 se denomina constante psicrom�trica, y depende de la temperatura, de la geometr�a del bulbo del term�metro y de la velocidad del aire. Varios investigadores determinaron emp�ricamente los valores de la constante psicrom�trica, con los siguientes resultados:
a1 = 0,000662 �C-1 - para psicr�metros con sistema de movimiento de aire (aspiraci�n) de tipo ASSMANN, donde la velocidad del aire es mayor que 3 mis.
a1 = 0,000800 �C-1 - para psicr�metros sin aspiraci�n de aire, instalado en una caseta meteorol�gica, donde la velocidad del aire es del orden de 1 m/s.
a1 = 0,00120 �C (-1) - para psicr�metros no ventilados, es decir, aire sin movimiento (en reposo).
Figura 1. Esquema de un psicr�metro con sistema de aspiraci�n de aire psicr�metro de aspiraci�n)
Determinaci�n de las propiedades en un punto de
estado
Calentamiento y enfriamiento sensible del aire
Enfriamiento
con deshumedecimiento
Secado y humedecimiento adiab�tico del aire
Humedad relativa y d�ficit de presi�n de vapor
Tabla psicrom�trica
Las propiedades termodin�micas de la mezcla de aire seco y vapor de agua que constituyen el aire atmosf�rico, se pueden presentar adecuadamente en forma de gr�fico, con el nombre de gr�fico psicrom�trico, el cual se construye seg�n una presi�n atmosf�rica determinada, aunque suele haber curvas de correcci�n para otras presiones.
Hay diferentes gr�ficos psicrom�tricos en uso. Ellos difieren en cuanto a la presi�n barom�trica, la banda de temperaturas, n�mero de propiedades comprendidas, elecci�n de las coordenadas y temperatura de referencia para la entalp�a. El de uso m�s frecuente en EE.UU. es aqu�l en que la raz�n de humedad o la presi�n de vapor, que es una de las coordinadas, se gr�fica en funci�n de la temperatura de bulbo seco, y en que la otra coordenada que se escoge para la construcci�n (coordenada oblicua) es la entalp�a. En Europa en cambio, se usa el gr�fico de MOLLIER, cuyas coordenadas son la raz�n de humedad y la entalp�a. En las Figuras 2 y 3 se ven gr�ficos psicrom�tricos de temperaturas normales y temperaturas elevadas, construidos con presi�n atmosf�rica normal. Al final del texto se presentan gr�ficos de presiones atmosf�ricas inferiores a la normal.
En el gr�fico psicrom�trico, una vez elegidos las coordenadas, las dem�s propiedades aparecen como par�metros. Dos propiedades independientes cualesquiera, incluso la temperatura psicrom�trica de bulbo h�medo, fijan el estado de la mezcla (punto de estado).
La Figura 4 muestra en forma esquem�tica las lineas que representan las propiedades termodin�micas del aire h�medo en el gr�fico psicrom�trico.
Supongamos que se ha determinado, por medio de un psicr�metro ventilado, la temperatura de bulbo seco 25 �C, y la temperatura de bulbo h�medo 20 �C. Mediante el gr�fico psicrom�trico se pueden determinar las dem�s propiedades termodin�micas del aire h�medo. En el Cuadro 2 se muestran los valores de las propiedades del aire h�medo, definidas en ese punto de estado, obtenidos del gr�fico psicrom�trico (Figura 5), en el cual se representa el punto de estado n�mero 1.
FIGURA 2 - GRAFICO PSICROMETRICO, TEMPERATURAS NORMALES, PRESION ATMOSFERICA 101,325 kPa
FIGURA 3 - GRAFICO PSICROMETRICO, ALTAS TEMPERATURAS, PRESION ATMOSFERICA 101,325 KPa
Figura 4. Gr�ficos psicrom�tricos que representan las lineas de las propiedades del aire.
Cuadro 2 Propiedades termodin�micas del aire h�medo definidas en un punto de estado
| Punto de estado | P | T | Tbh | Tpr | Pv | f | Ve | W | h |
| T = 25�C Tbh = 20�C |
|||||||||
| 101,325 | -- | - | 17,7 | 2,1 | 65 | 0,86 | 0,0127 | 57,5 | |
Para complementar los conocimientos, se propone que se determinen las propiedades termodin�micas del aire en los puntos de estado constante del Cuadro 3, utilizando el gr�fico psicrom�trico.
Cuadro 3 Propiedades termodin�micas del aire h�medo definidas en varios puntos de estado
| Punto de estado | P | T | Tbh | Tpr | Pv | f | Ve | W | h |
| T = 26�C Tbh = 19�C |
101,325 | - | - | 15,5 | 1,75 | 52 | 0,861 | 0,011 | 54 |
| T = 22�C f = 55% |
101,325 | - | 16 | 12,5 | 1,5 | - | 0,848 | 0,009 | 45 |
| T= 15�C Tpr = 14�C |
101,325 | - | 14,2 | - | 1,6 | 93 | 0,829 | 0,010 | 40 |
| T = 23�C Tbh = 19�C |
101,325 | - | - | 17,0 | 2,0 | 69 | 0,855 | 0,0121 | 54 |
