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El Flujo del Aire en la Aireación de Granos

  Introducción

La regla básica para la conservación de granos almacenados es ingresar al granel grano seco, sano, limpio y frío.

La temperatura y la humedad actúan como catalizadores de los procesos metabólicos aumentando la tasa de respiración de los granos y por ende las pérdidas de materia seca. A mayor temperatura y humedad, mayor riesgo en la conservación de los granos, y a su vez un grano que no está sano y limpio es más propenso a ser atacado por hongos e insectos.

La técnica de aireación se basa en utilizar al aire como un fluido que intercambia energía, en forma de calor o de agua, con los granos. Si las condiciones del aire en cuanto a temperatura y humedad son adecuadas, se puede utilizar el flujo del aire para enfriar los granos y en algunos casos para extraer humedad, disminuyendo su actividad metabólica (menos pérdidas de materia seca por respiración) y controlando, de manera indirecta a través de la disminución de la temperatura y humedad, el desarrollo de hongos e insectos.

Se puede utilizar la aireación para enfriar y mantener frío grano seco durante el almacenamiento, almacenar grano húmedo hasta que pueda ser secado o inclusive para secar grano, ya sea con el sistema de seca aireación o en secado con aire natural, pero se debe tener en cuenta que los sistemas son diferentes en cuanto características y requerimientos según cada caso.

  
  Flujo de aire

El movimiento del aire a través del grano se denomina flujo. Este flujo se puede caracterizar a través de dos parámetro que son caudal (Q) y presión (P).

El caudal de aire se define como el volumen de aire que se suministra en la unidad de tiempo, de esta manera puede encontrarse expresado como m³ /h, m³/min, etc. Para independizarlo del volumen del granel se utiliza el concepto de caudal específico (Qe), el cual se refiere a la cantidad de aire que recibe un m³ o t de grano en la unidad de tiempo, y es el parámetro más adecuado para determinar los requerimientos de los distintos tipos de aireación. Se puede encontrar expresado como m³/m³/h, m³/t/min, m³/m³/min, etc. Los requerimientos de caudal específico son diferentes para cada caso, en la tabla 1 se observa que el caudal específico demandado para el secado con aire natural pueden ser hasta 100 veces mayor que los utilizados para enfriar y uniformar la temperatura dentro del granel, por este motivo se debe tener bien claro cuales serán las funciones que se le demandarán a los sistemas de aireación y de ahí poder dimensionarlos adecuadamente.

Tabla 1: Qe requeridos en m³/h/m³ para diferentes objetivos de la aireación.

La presión es el otro parámetro que caracteriza al flujo del aire y su magnitud depende de la suma total de las pérdidas de carga que debe soportar el sistema.

Los ventiladores de los sistemas de aireación se pueden caracterizar por sus curvas típicas de presión y caudal. En líneas generales, a medida que aumenta la presión que debe soportar el ventilador disminuye el caudal que puede otorgar, por lo que las pérdidas de carga que se producen en el sistema afectan directamente al caudal de aire (figura 1). En algunas situaciones esto puede resultar crítico y comprometer la calidad de la aireación. El aumento de las pérdidas de cargas también implica un mayor gasto de energía por lo que el sistema se vuelve más ineficiente.

Los fabricantes deberían ofrecer las curvas presión-caudal de sus ventiladores, ya que éstas dependen exclusivamente del diseño del ventilador. El conocimiento de estas curvas permite saber si para una determinada función de la aireación, el ventilador puede satisfacer las demandas de caudal venciendo las pérdidas de carga del sistema. Ventiladores equipados con motores de igual potencia, debido a sus diferentes diseños pueden o no ser aptos para determinadas funciones de la aireación (figura 1). De esta manera si se debe airear un granel cuyo sistema posee una pérdida de carga de aproximadamente 400 Pa, el ventilador A ofrecería un caudal de 7.300 m³/h (a), en cambio el ventilador E ofrecería un caudal de aproximadamente 28.700 m³/h (e). Entre estos dos ventiladores, ambos funcionando con motores de la misma potencia, hay una diferencia de más de 20.000 m³/h. Si estos ventiladores se encuentran instalados en un silo de 800 m³, el ventilador A ofrecería un caudal específico de 9,1 m³/h/m³, solo apto para enfriar grano seco, en cambio el ventilador E estaría ofreciendo un caudal específico de 35,8 m³/h/m³, apto para mantener frío grano húmedo e inclusive para utilizarlo en un sistema de seca-aireación.

Figura 1: Curva característica de presión-caudal de ventiladores de igual potencia y diferentes diseños (Lasseran J.C., 1981).

Por lo dicho anteriormente, y según se desprende de la figura 1, las pérdidas de carga aumentan la presión del flujo al atravesar el sistema, y este aumento de la presión generalmente va acompañado por una disminución del caudal, en función de esto resulta importante conocer cuales son los factores que aumentan las pérdidas de carga en el sistema de aireación.

  
  Factores que afectan las pérdidas de carga

A- Tipo de granos: el tipo de grano afecta la resistencia al pasaje del aire a través de el volumen de aire que requiere, la superficie y forma característica de los granos, el número, tamaño y configuración de los espacios vacíos y la variabilidad en el tamaño de los granos. En general los granos más pequeños se acomodan mejor, dejando un espacio intergranario más pequeño lo que aumenta la resistencia al pasaje del aire (tabla 2).

Tabla 2: Resistencia al flujo del aire, en mm de columna de agua, para un metro de profundidad de semilla o grano (McLean K.A., 1980).

B- Altura del granel: la resistencia al flujo del aire es directamente proporcional a la altura, a mayor altura mayores pérdidas de carga. Es importante que los silos con equipos de aireación tengan recomendaciones acerca de la altura máxima para la cual están dimensionados para evitar caídas de caudal que perjudiquen la calidad de aireación.

Figura 2: Relación altura diámetro de un silo.

Conviene que los silos tengan una relación altura/diámetro no mayor de 1,5 porque de otra manera la potencia insumida para vencer las pérdidas de carga son demasiado elevadas, tornándose el sistema extremadamente ineficiente (figura 2). Además, el aire de ventilación se calienta 1ºC por cada kPa de compresión. Si la presión no excede 2 kPa se podrá insuflar aire, más allá de 2 kPa, para aprovechar al máximo el potencial de enfriamiento, es mejor aspirar aire.

C- Volumen de aire: en la tabla 2 se ve que cuando aumenta el volumen de aire proporcionado aumenta la resistencia a su flujo.

D- Humedad del grano: se ha determinado experimentalmente que cuando el contenido de humedad de los granos almacenados aumenta, también lo hace el espacio de aire entre los mismos, por lo que la resistencia al flujo del aire de los granos cuando están húmedos debería ser menor que cuando están secos, con la excepción de los granos de arroz que disminuyen su peso hectolítrico cuando se secan.

E- Método de llenado: los desparramadores de granos pueden producir un acomodamiento de los granos de manera tal que ocupan un volumen menor, aumentando su densidad y su resistencia al flujo del aire. Este efecto sería homogéneo por lo que no se producirían zonas con mayor resistencia, siendo la aireación uniforme en todo el granel.

F- Polvo e impurezas: la presencia de éstos aumenta la resistencia al flujo del aire al disminuir el espacio libre entre los granos. Es muy importante realizar una prelimpieza de los granos antes de almacenarlos, ya que de lo contrario puede suceder que el material más pequeño y pesado se ubique en el centro del granel, obstruyendo además la normal salida del aire de los conductos de aireación (figura 3).

Figura 3: Ubicación del material fino en un silo.

Esto se puede solucionar extrayendo una pequeña cantidad de material una vez finalizado el llenado. Por otra parte son recomendables los desparramadores de grano que realizan una distribución más pareja de todo el material, ya sea grano entero o partículas más pequeñas.

G- Dirección del flujo: el sentido del flujo del aire a través de una masa de granos posee un marcado efecto sobre sus pérdidas de carga. En general se ha encontrado que el flujo horizontal ofrece un 50 al 60 % de la resistencia del flujo vertical.

H- Diseño del sistema: las características aerodinámicas del sistema son probablemente el factor más importante, ya que no pueden ser fácilmente modificadas, además generalmente ello resulta muy costoso.

Las pérdidas de carga se producen a lo largo de todo el sistema de aireación, disminuyendo la energía del aire con la dirección del flujo. Estas pérdidas de energía pueden deberse a fricciones y turbulencias. Las pérdidas de fricción se producen por el rozamiento contra la superficie de los tubos, en cambio las debidas a turbulencias son causadas por la variación de la sección de los conductos o por cambios en la dirección de los flujos. Debido a ello se deben evitar todas las disminuciones y cambios bruscos de sección que sean innecesarios.

La velocidad del aire dentro de los conductos es la variable que más influye en las pérdidas de carga, por lo que puede establecerse algunas recomendaciones acerca de la velocidad máxima que debería respetarse para que las pérdidas se mantengan en valores aceptables (tabla 3). A partir de estos valores de velocidades máximas, y conociendo el caudal de aire que se requiere, se pueden realizar los cálculos de las secciones mínimas del sistema de aireación ya que:

Q = A x v --------> A = Q / v
Donde Q = caudal, A = área y v = velocidad.

Tabla 3: Velocidades máximas (m/s) recomendadas.

Los sistemas de distribución de aire pueden ser de las más diversas características, desde falso piso perforado hasta conductos; todos ellos con la misma función: realizar una distribución lo más pareja posible del aire en toda la superficie.

Para determinar el distanciamiento entre dos conductos consecutivos se debe tener en cuenta la siguiente regla: la relación entre la distancia del recorrido más largo y del más corto que puede hacer el aire desde que sale del conducto hasta que llega a la superficie del grano, no debe ser mayor que 1,3, por lo tanto la máxima distancia entre dos conductos consecutivos será de aproximadamente el 50% de la altura del granel. Esto se debe a que el aire sigue el camino del menor esfuerzo, y si la relación es mayor a 1,3 se corre el riesgo de que se produzcan canalizaciones y por lo tanto una aireación desuniforme (figura 4).

Figura 4: Relación entre distancias menores y mayores de recorrido del aire en una celda.

En general los diseños de los conductos de distribución se basan en tres reglas:

1. La velocidad del aire en el conducto principal y en los laterales no debe ser mayor que 8 m/s y 4 m/s respectivamente.

2. La relación entre la superficie abierta y la superficie total del piso debe ser 0,25 o mayor. Se considera superficie abierta a la superficie de los conductos que poseen 10% o más de área perforada, debido a que no ofrecen resistencia al pasaje del aire desde los conductos a la masa de granos.

3. La distancia entre conductos adyacentes no debe ser mayor que la mitad de la profundidad del granel.

Debe quedar bien claro que un problema clave de los sistemas de ventilación son las pérdidas de carga que en él se producen. Cuanto más elevadas son éstas, más tiende a cero el caudal del ventilador y más elevado es el "recalentamiento" del aire de enfriado, retrasando el proceso de enfriamiento de los granos.

Autores:
Ing. Agr. Ricardo E. Bartosik, 
Ing. Agr. Juan C. Rodríguez. 
EEA INTA Balcarce, Área de Agronomía.