Transporte de masa y calor durante el secado convectivo de tubérculos (Solanum tuberosum) considerando su deformación

Abstract

En el presente trabajo se desarrollóun modelo matemáticoadimensional, que se obtuvo mediante la inclusión de la reducción en la interfase del alimento en una geometría 1D. Las ecuaciones de conservación de masa y calor fueron acopladas al teorema de transporte de Reynolds en la interfase del alimento para tomar en consideración la reducción del sólido. El sistema de ecuaciones diferenciales no lineales, en estado no estacionario fueresuelto numéricamente. Para validar este modelo, se realizaron experimentos de secado a tres temperaturas: 40, 50 y 60°C, con una humedad relativa constante del 25% y una velocidad del aire de 1.5 m/s. Se obtuvieron cinéticas de secado y la evolución de temperatura del producto. El modelo fue capaz de predecir:la pérdida del contenido de humedad, evolución de la temperatura de la superficie, la rapidez de secado por unidad de área variable, distribución espacial del contenido de humedad respecto al cambio de espesor así como la distribución de temperatura en el domino respecto al cambio de espesor. Para la temperatura de 40°C el modelo fue capaz de predecir correctamente la cinética de secado durante las primeras 6 horas, a partir de ese tiempo se observóuna separación de la predicción numérica con un RMSD= 0.22kg agua/kg sólido seco, y con respecto a la evolución de la temperatura el modelo describió el proceso de calentamiento del material con un RMSD= 0.76°C,en el cual las desviaciones pueden ser explicadas por las variaciones en las propiedades físicas del material (ecuaciones constitutivas), principalmente por la conductividad. A la temperatura de 50°C, se observó una mejor predicción en comparación con la de 40°C en la evolución del contenido dehumedad (RMSD=0.18), así como una mejor descripción de la forma de la curva de temperatura experimental, en donde se deduce que el teorema de transporte de Reynolds traduce mejor la migración de humedad a temperaturas mayores a 50°C, lo cual se corroboróa la temperatura de 60°C donde se observó una predicción de la cinética más cercana a la experimental con un RMSD= 0.11 kg agua/kg sólido, lo cual se explica que en esta condición de secado (T>52°C) el transporte de humedad sigue un flujo extracelular, con una resistencia mucho menor al transporte de agua. Concluimosque cuando los fluxes de materia son mayores, el teorema de transportede Reynoldsdescribe mejor la física de evacuación de humedad del material. En este caso, la temperatura se incrementó, y la viscosidad de la fase líquida ha disminuido, por lo cual podemos esperar una difusividad de materia mayor, aunado a una tasa de evaporación más grande reflejado en la rapidez de secado. Asimismo, la aplicación de una temperatura alta (T=60°C), permite disminuir la resistencia al transporte de humedad debido al daño/rompimiento de las membranas celulares, que conduce a valores de difusividad de humedad más grandesque deberán considerarse en una futura mejora del modelo. Por otro lado, se observó quea medida que el material perdía humedad, la matriz sólida se reducía en tamaño por lo que el patrón de encogimiento revela que la contracción y comportamiento sugieren una dependencia fuerte del contenido de humedad. Sin embargo, esta dependencia en la simulación se muestra menos intensa a contenidos de humedad menores a 2 kg agua/ kg sólido seco. Esto significaría que en el dominio higroscópico, el encogimiento ya no fue tan severo.