Secando café: Ganar o perder dinero

Potencial en el secado del cafe

Autor: Roberto Mojica Moreira

El primer principio es que la humedad relativa del aire de secado es el factor importante que determina el potencial de secado del aire. Potencial de secado se define como la fuerza impulsora que lleva a cabo el secado, y se mide por la diferencia entre la presión de vapor de agua del material a secar y la presión de vapor de agua en milímetros de mercurio (mm Hg) correspondiente a la humedad relativa del aire. La presión de vapor de agua (como de todos los líquidos) es una función de la temperatura. Las presiones de vapor de agua, del agua en aire saturado con la humedad son los mismos que los que se muestran en la curva de una carta psicrométrica; y el porcentaje de humedad relativa expresa la fracción de esta presión de vapor de agua de saturación en el aire que tiene una humedad menor de saturación. Ejemplo: si el aire tiene una humedad relativa de 60 por ciento, y una temperatura de 113 F (45 C), a continuación, la presión de vapor es 0,60 x 71,9 = 43,0 mm de mercurio.

En la operación de secado, el material que se está secando tiene una cierta presión de vapor de agua.
Si su superficie es húmeda, esta presión de vapor será la misma que la mostrada en la curva de la temperatura existente. Si la superficie está seca, la presión de vapor será menor y, como el material se vuelve más seco y la humedad restante se lleva a cabo más tenazmente (agua ligada), la presión de vapor disminuirá hasta que esté cerca de cero. Esta presión de vapor de material constituye la fuerza impulsora hacia la pérdida de agua, es decir, de secado.

Por otro lado, la presión de vapor del aire, medida por la curva y la humedad relativa constituye una fuerza impulsora contra del secado, y la diferencia, es decir, el exceso de la presión de vapor de material sobre la del aire, es el potencial de secado en cualquier circunstancia. Este es un factor que influye en la velocidad de secado.

Al comienzo de la operación de secado, la presión de vapor del café es alta y se mantiene constante, siempre y cuando la superficie es húmeda. Después de un tiempo, la humedad en o cerca de la superficie se ha agotado, y la humedad debe migrar desde el interior del grano a la superficie. Esta es la llamada fase de caída de velocidad de secado. Conforme pasa el tiempo, el agua comienza a sostenerse cada vez con más fuerza por las fuerzas químicas, tales como las células de agua de hidratación y de agua libre, que es parte de la estructura de los componentes químicos de los sólidos de café. El proceso de secado se hace gradualmente más lento y la presión de vapor de superficie disminuye continuamente a medida que pasa el tiempo.

Un corolario para el principio de que la humedad relativa del aire de secado debe ser tan baja como sea posible con el fin de tener un alto potencial de secado y de secado rápido, es que, dentro de límites moderados, la velocidad de secado depende mucho más de la humedad relativa del aire que los de la temperatura de bulbo seco.
La transferencia de calor al grano desde el aire en realidad es el factor de control en las tasas de evaporación de agua de los granos.

Cuando el material y la presión de vapor de aire son iguales, el potencial de secado es cero, y el secado cesa. En este punto, se dice que el contenido de agua del material que está en equilibrio con el aire de secado de que la humedad relativa en particular. El aumento de la temperatura va a perturbar este equilibrio. No se debe pasar por alto el hecho de que la presión de vapor de la superficie del material es un concepto dinámico y depende de la velocidad de difusión de la humedad y el gradiente de humedad entre el centro de una superficie. Si el movimiento es lento, esto se convierte en el factor limitante, y el secado no puede proceder más rápidamente que el agua puede llegar a la superficie no importa bajo la humedad relativa ni cómo alta la velocidad del aire de secado factores que, en las primeras etapas, no acelerar el secado.

Temperatura del bulbo húmedo en el secado adiabático.

El segundo principio de Carrier de secado aclara las relaciones entre la temperatura de bulbo húmedo del aire de secado y la toma de la humedad por el aire. Este principio se aplica cuando el aire de secado pasa por encima o a través de un material húmedo en condiciones adiabáticas que significa que no se añade calor o quitado externamente hacia o desde el secador. El aire que entra tiene un conjunto definido y constante de las propiedades. Debe tener una humedad relativa inferior al 100 por ciento, ya que no podría realizar el secado. Por lo tanto, las diferencias deben salir entre bulbo seco, de bulbo húmedo y las temperaturas de punto de rocío. Carrier declaró que cuando el aire pasa por encima o a través del material húmedo (suponiendo que su superficie es húmeda y su presión de vapor es, por lo tanto, tan alto como sea posible) la temperatura de bulbo húmedo del aire de secado se mantiene constante mientras que su temperatura de bulbo seco cae como el aire recoge la humedad y la temperatura del punto de rocío se eleva. Si el proceso continúa hasta que el aire se satura, la temperatura de bulbo seco va todo el camino hasta la temperatura de bulbo húmedo, y la temperatura del punto de rocío se eleva todo el camino a la temperatura de bulbo húmedo que refleja el aumento del contenido de humedad del aire hasta el límite de su capacidad.

Este es un concepto simple, pero no es en absoluto evidente. Esto significa, en pocas palabras, que exactamente la cantidad correcta de calor que se suministra por el enfriamiento del aire de secado, para suministrar el calor latente de evaporación de la humedad absorbida por el aire del material que se está secando. La suposición se hace que la temperatura inicial del material está en o cerca de la temperatura de bulbo húmedo del aire. Si se tratara de frío, se requeriría calor sensible del aire para que se caliente y la temperatura de bulbo húmedo caería de acuerdo a la cantidad de calor necesaria para calentar el material. Este importante principio se utiliza para calcular la capacidad de secado del aire.

Capacidad de secado del aire

El aire de secado que entra una secadora tiene un contenido de humedad conocido más convenientemente determinada tomando sus temperaturas de bulbo seco y húmedo, y el uso de la carta psicométrica para determinar estas y otras propiedades. Este contenido de humedad se conoce como la humedad absoluta del aire y no cambia a menos que la humedad que se añade o se del aire. Absoluta humedad se expresa en los granos de agua por libra o por pie cúbico de aire seco. Una libra equivale a 7.000 gr. La gravedad específica del aire en diversas condiciones también se da en la carta psicométrica, de ahí, las conversiones se pueden hacer fácilmente entre libras y pies cúbicos. La unidad, el grano, gr (7.000 por libra) debe distinguirse cuidadosamente de la unidad, gramo, g (454 gramos por libra).

Con el fin de alcanzar la saturación durante la operación de secado, la temperatura de bulbo seco debe caer hasta que es igual a la temperatura de bulbo húmedo que se mantiene constante, por lo que el aire puede tardar hasta alcanzar la temperatura de bulbo húmedo, no en la temperatura inicial de bulbo seco, lo cual es una limitación grave. Obviamente, la diferencia entre la humedad absoluta inicial y la humedad absoluta de saturación a la temperatura de bulbo húmedo es la capacidad de secado del aire.

Un ejemplo aclarará esto.
Supongamos aire de secado a 180 F (82 C) de bulbo seco y 90 F (32 C) del bulbo húmedo. A partir de la carta psicométrica, se puede ver que el punto de rocío es de 40 F (4 C) y la humedad absoluta (ah) es de 36.5 gr por libra de aire seco. La humedad absoluta de saturación a 90 F (32 C) es de 218 gr por libra Por lo tanto, la capacidad de secado es 218 a 36,5 = 181,5 gr por libra o, ya que el aire a 180 F (82 C) de bulbo seco y 90 F (32 C) bulbo húmedo tiene un peso específico de 16.4 pies cúbicos por libra, la capacidad de secado es 181,5-16,4 = 11.07 gr por pie cúbico.

La recirculación del aire de secado

Un tercer principio es útil en el diseño de secadores. En el ejemplo citado anteriormente, el aire saturado se descargó a 90 F (32 C). Si se supone que la temperatura del aire ambiente a estar 60 F (16 C), el aire descargado es 30 grados por encima de la temperatura del aire ambiente. Los 30 grados de calor sensible de este aire pueden ser utilizados para ayudar a calentar el aire ambiente entrante por medio de un intercambiador de calor con el fin de ahorrar combustible en calentar este aire a 180 F (82 C). Esto no se hace por lo general. Por otro lado, parte del aire de escape utilizado podría ser añadido a la del aire entrante. Esto, por supuesto, añadir la humedad que aparentemente disminuir la capacidad de secado de la mezcla. La temperatura de bulbo húmedo y la humedad relativa también se elevarían, lo que reduciría el potencial de secado. Al principio parece que las desventajas superan o, al menos, contrarrestar las ventajas. Sin embargo, un estudio de las cifras reales en cuestión revela una ganancia neta resultante de recirculación parcial. El primer punto que se debe considerar es el efecto del contenido de humedad natural del aire ambiente usado para el secado sobre las propiedades del aire de secado caliente. Dado que el café se eleva en gran medida y se seca en el trópico, el aire ambiente por lo general tiene una temperatura no muy lejos de 70 F (21 C). Su humedad relativa puede variar desde 30 por ciento a casi el 100 por ciento.

Vamos a examinar en detalle lo que ocurre cuando el aire a 70 F (21 C) Temperatura db se calienta durante su uso en una secadora. Se considerarán dos casos, a saber., De aire muy húmedo de 90 por ciento de HR y aire muy seco de 10 por ciento de HR. Utilizando la carta psicométrica, nos encontramos con la lista completa de las propiedades que se muestran para cada uno en la tabla 1 a continuación del título "Inicial". Si tanto el aire húmedo y el aire seco se calientan a 160 F (71 C) como en el secado del café, se encuentra que el aire caliente tiene los dos conjuntos de propiedades que aparecen después de "calentado" en la tabla 1. Si el aire se utiliza para secar un material tal como el café, y el aire recoge la humedad hasta el límite de su capacidad, tanto el aire húmedo y el aire seco se encuentra en ambos casos saturados en las respectivas temperaturas de bulbo húmedo. La suposición adicional está hecha de que el café tiene una superficie húmeda como en las etapas iniciales del secado.

El potencial de secado, como se explicó anteriormente, es la diferencia entre la presión de vapor del material que se está secando y el del aire de secado. Sin especificar presiones exactas de vapor, el potencial de secado relativo se mide por diferencia en humedades relativas del material y el aire. La humedad relativa del material, cuando tiene una superficie húmeda, es 100 por ciento de la presión de vapor de agua a la temperatura dada; por lo tanto, el potencial de secado correspondientes son 100-7 = 93 por ciento para el aire húmedo y 100 -1 = 99 por ciento para el aire seco, es decir, sólo una ventaja 6 por ciento para el aire seco.

Para comparar las presiones de vapor reales, de nuevo la referencia en la Tabla 1 y en la carta psicrométrica, encontramos que la presión de vapor del aire húmedo calentado a 160 es 244 x 0,07 = 17 mm de Hg, y que del aire seco es 244 x 0,01 = 2 mm de Hg, mientras que la presión de vapor del material húmedo (café) es de 244 mm Hg. El verdadero potencial de secado del aire húmedo es 244-17 = 227 mm Hg y la del aire seco, 244-2 = 242 mm de Hg. Aire completamente seco tendría un potencial de secado de 244 mm Hg. Por lo tanto, se llega a los mismos resultados que antes y encontrar que el aire húmedo tiene 93 por ciento y el secado al aire el 99 por ciento del potencial de secado teórico de la temperatura dada de 160 F (71 C). Llegamos a la conclusión de que el contenido de humedad inicial del aire de secado hace poca diferencia en su potencial de secado cuando se calienta.

Cuadro 1. Cambio de las propiedades del aire de secado
Las temperaturas son Fahrenheit

Condiciones	Bulbo seco	Bulbo húmedo	Humedad relativa %	Punto de rocío	Humedad absoluta gr/lb
Inicial aire húmedo aire seco Calentado aire húmedo aire seco Saturado en w.b. temp aire húmedo aire seco	70 70 160 160 94 78	68 47 94 78 94 78	90 10 7 1 100 100	67 17 67 17 94 78	100 13 100 13 250 145

La capacidad de secado del aire en granos por libra es la diferencia entre su contenido de humedad inicial (ah) y su contenido final o saturado de humedad, es decir, 250-100 = 150 gr por libra para el aire húmedo y 145-13 = 132 gr por libra de aire seco. El resultado sorprendente es que el aire seco tiene alrededor de 12 por ciento menos capacidad de secado que el aire húmedo porque la temperatura final y el contenido de humedad del aire seco están limitados por una temperatura de bulbo húmedo inferior. El aire seco tiene la desventaja adicional de que la temperatura de la operación en su conjunto se mantiene más baja.

Se puede concluir, entonces, que incluso las variaciones extremas en el contenido de humedad del aire ambiente para el secado sólo tienen efectos menores sobre la capacidad de secado del aire. El aire húmedo (si no es demasiado húmedo) es, en general, más deseable que el aire seco. Las variaciones en el contenido de humedad del aire ambiente son desventajosas, aunque sólo en pequeña medida, a causa de las consiguientes variaciones que son necesarios en la programación de la operación. Por ejemplo, los controles deben restablecerse en respuesta a las variaciones climáticas.

La humidificación del aire de secado

Para ir un paso más allá, vamos a examinar el efecto de la adición de humedad al aire de secado mediante la recirculación de algo, del aire caliente, cargado de humedad dejando el secador. Por controles automáticos medias, la mezcla se puede mantener a un nivel constante seleccionada de humedad relativa. En este caso, se seleccionarán dos niveles, 15 y 20 por ciento de humedad relativa. Para este cálculo las condiciones iniciales del aire ambiente no importan porque las variaciones en el contenido de humedad se compensarán mediante la adición de la cantidad adecuada de aire de escape húmeda para llevar el aire hasta el secado a un nivel de humedad constante. El aire caliente y el aire de salida final, tendrán las propiedades que se muestran en la Tabla 2

Cuadro 2. Humidificando Aire de Secado
Las temperaturas están en grados Fahrenheit

Condiciones	Bulo seco	Bulbo húmedo	Hr %	Punto rocío	AH gr/lb	Capacidad gr/lb.
Calentado a) b) Saturado a) b)	160 160 116 109	116 109 116 109	20 15 100 100	100 90 116 109	300 223 500 402	200 179 …. ….

Los potenciales de secado son 80 por ciento para el aire húmedo y 85 por ciento para el aire seco. En otras palabras, la adición de humedad a la entrada de aire aumenta la capacidad de secado considerablemente como se muestra en la última columna y reduce el secado potencial moderadamente. El potencial de secado no se reduce seriamente, aunque este factor se vuelve más importante en las etapas posteriores de secado. En cualquiera de grado de humificación  (15 o 20 por ciento) el secado procederá de manera satisfactoria. La recirculación tiene la ventaja adicional de mantener las condiciones de secado constantes independientemente del contenido de humedad del aire ambiente.

Si uno selecciona el aire a 160 F (71 C) dB y 15 por ciento de HR que tiene un ah de 223 gr por libra como el aire de secado estándar, y se supone que el aire contiene 100 gr por libra de humedad 75 F (24 C) y db el 80 por ciento de humedad relativa, el aire de retorno saturado contendrá 402 gr por libra de la humedad. Los cálculos muestran que uno puede mezclar aproximadamente el 40 por ciento de este aire de retorno especificado anteriormente. La ventaja es que el 40 por ciento del calor sensible del aire de retorno, será salvo. La temperatura de la mezcla que entra en el calentador será de unos 89 F (32 C) en lugar de 75 F (24 C), por lo que el calentador tendrá menos trabajo que hacer con el consiguiente ahorro de combustible.

Un estudio de la actuación de un secador de café comercial indicó que aproximadamente 21 por ciento del combustible requerido sin recirculación fue salvado por recirculación a 15 por ciento de HR para el aire de secado.

El cálculo se realiza de acuerdo con la ecuación: 1 * A + x * B = c (1 + x), o
x = C-A / B + C, donde:
x = el número de libras de aire de retorno agrega a cada libra de aire ambiente
a = el ah del aire ambiente en granos por libra
b = la ah del aire de retorno
c = la ah del aire de secado mixto

La primera forma de la ecuación establece que 1 libra de aire ambiente que contiene un gr por libra de la humedad además de "x" libras de aire de retorno que contiene B gr por libra de la humedad da 1 + x libra de aire de secado que contiene C gr por libra de humedad . El porcentaje de aire de retorno en la mezcla es x / (1 + x) * 100, y el porcentaje de aire ambiente es 1 / (1 + x) * 100.
Las condiciones del aire de secado pueden ser controlado convenientemente en la práctica por: (a) un termostato de bulbo seco para controlar el calentador de aire, y (b) un termostato de bulbo húmedo para operar un conjunto de compuertas  en el sistema de conducto de aire se regula el porcentaje de aire de retorno para ser mezclado con el aire ambiente para obtener el contenido de humedad deseado. El resto del aire de retorno se escapa a la atmósfera que lleva la humedad evaporada desde el café fuera del sistema.

Eficiencia de absorción (secado)

Un término más que mide el rendimiento de un secador queda por definir. Si el aire calentado tiene una cierta capacidad de absorción como se define anteriormente en granos por libra de aire seco, y se pasa a través o sobre el material a secar, que será encontrado (mediante la determinación de las temperaturas de bulbo seco y en húmedo) para tener cierta humedad absoluta también en granos por libra, antes y después de pasar a través del secador. La diferencia entre su ah inicial y final se llama la eficiencia de absorción, también se mide en granos por libra. La relación real de la absorción de la capacidad de secado, es decir, la posible o teórica de absorción, se define como la eficiencia de absorción y se expresa como un porcentaje. Los factores que afectan a la eficiencia de recogida son principalmente el espesor del lecho de material a través del cual pasa el aire de secado y la velocidad del aire de secado. Una indicación general de la eficiencia de absorción es cómo casi el aire de secado de salida se aproxima al 100 por ciento de humedad relativa. Con el fin de mantener la eficiencia de la absorción en un punto bastante alto, la velocidad del aire de secado se puede reducir durante las últimas etapas, cuando el café está dando fuera de la humedad lentamente.

Límites seguros de temperatura para el secado de café

Debe de entenderse claramente que el tiempo en que se somete el café a una determinada temperatura, es un efecto importante en la calidad. Un sobrecalentamiento del grano durante cierto período de tiempo durante el secado produce bebidas muy agrias.

Las mejores consideraciones que se pueden hacer son:

1.    La temperatura real del café, para ser fiablemente comparable, debe determinarse, aparte de la temperatura corriente de aire de secado. Un método consiste en extraer una muestra de la secadora, coloque rápidamente en una proporción relativamente grande en un contenedor con aislamiento, como un termo con termómetro, y tomar la lectura máxima mostrada por el termómetro unos minutos después de tomar la muestra. El resultado será muy ligeramente por debajo de la verdadera temperatura media de café en la secadora. Incluso con este método, los errores debidos a temperaturas no uniformes en diferentes partes de la secadora permanecen.

2.    Como una guía aproximada; la masa de café puede tolerar temperaturas de 40 a 45 grados Celsius por un día, 50 grados Celsius por pocas horas, y 60 grados Celsius por menos de una hora; sin ningún daño.

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