Autores: Ing. Agr. Rubén Roskopf. E.E.A. INTA PERGAMINO y
Ing. Agr. (Phd) Ricardo Bartosik.
E.E.A INTA BALCARCE. Argentina
Introducción
Después de cosechados, los granos continúan viviendo y al igual que todos los organismos vivos, respiran. En este proceso, el grano toma oxígeno y libera dióxido de carbono, agua y energía en forma de calor. Esto hace que la temperatura de la masa de granos aumente paulatinamente, más aún si se almacena con alta humedad.
A mayor temperatura y humedad, mayor será la actividad metabólica, mayor la pérdida de peso y de calidad, a su vez, será mas propenso a ser atacado por hongos e insectos, y por ende menor será el tiempo de almacenamiento (Bartosik y Rodríguez, 2007).
El objetivo de enfriar el grano de un silo o celda es minimizar la tasa de respiración, el deterioro de los granos y minimizar el desarrollo de insectos en el granel (se desarrollan muy lentamente a menos de 17 ºC), además de generar condiciones inadecuadas para el desarrollo de hongos (Bogliaccini 2006).
Actualmente el método utilizado en Argentina para disminuir la temperatura de los granos comodities se basa en utilizar el aire ambiente como un medio de intercambio de calor con los granos (aireación). A través del uso de ventiladores y conductos de aireación instalados en los silos, el aire es obligado a pasar por entre los granos. En este proceso, si este aire esta mas frío que el granel, disminuye paulatinamente la temperatura de los granos por capas de enfriado en el sentido de avance del aire (hacia arriba si el ventilador insufla aire, hacia abajo si el ventilador aspira aire). La aireación tradicional es una herramienta útil y eficiente para mantener la calidad de los granos, pero para ello debemos contar con horas frías en cantidad suficiente para poder lograr el enfriado en un tiempo razonable. En determinadas regiones productivas (centro/norte del país) durante el verano (diciembre a marzo) los valores diarios de temperaturas son muy elevados, inclusive de noche, con lo que la aireación tradicional se utiliza muy poco o no se puede utilizar.
En determinadas situaciones se pueden observar casos de mal manejo de la aireación, donde los aireadores funcionan las 24 hs aún en pleno verano. En esto casos, durante la noche y por algunas horas, el aire ingresa al silo a 20-22 °C, pero durante el día, la temperatura del aire ambiente alcanza valores superiores a 30 °C., con lo cual, la masa de granos enfriada durante la noche, se la vuelve a calentar durante el día. En tales situaciones, el uso excesivo del sistema de aireación provoca el sobresecado del grano a valores por debajo de la humedad de comercialización, significando esto pérdidas netas de kg que impactan en el resultado económico de una planta de acopio. Para automatizar parcialmente el proceso, existen controladores que ayudan a eficientizar el uso de la aireación por la reducción de horas de funcionamiento del ventilador, de costos y riesgos de sobresecado. Existen en el mercado una gran variedad de modelos con diferentes prestaciones y precios, pero su uso dista mucho de ser masivo en nuestro país. Sin embargo, bajo determinadas circunstancias los controladores de aireación, aunque funcionen correctamente, no pueden acondicionar el grano en tiempo y forma debido a las limitaciones climáticas.
Esto ocurriría en la época estival, o durante los meses cuya temperatura promedio ambiente sea superior a los 23-25 °C.
¿Que es la refrigeración de granos?
Para las condiciones descriptas anteriormente, la tecnología de refrigeración artificial de granos surge como la principal alternativa y constituye una herramienta ideal para realizar un manejo racional de los granos. Consiste en utilizar equipos frigoríficos autónomos para modificar y acondicionar artificialmente el aire atmosférico entregándolo al granel a una temperatura más baja que la ambiental. También en algunos equipos, se puede modificar el contenido de humedad del aire para evitar el rehumedecimiento o sobresecado de los granos durante el proceso de refrigeración.
¿Que objetivos buscamos con la refrigeración de granos?
Independizarnos de las condiciones climáticas ambientales. Los equipos permiten insuflar aire frío al silo aun con temperaturas exteriores elevadas o hasta con precipitaciones. Esto hace que se puedan refrigerar granos y llevarlos a 15 ºC durante la época de máxima temperatura como los meses de diciembre, enero y febrero en cualquier zona geográfica del país. Los equipos de refrigeración pueden funcionar las 24 horas del día por lo que dependiendo del caudal unitario entregado al silo (m3 de aire por tn de grano por minuto) en pocos días el grano está frío en su totalidad, minimizando los riesgos de deterioro.
Diversas son las ventajas citadas en bibliografía de la refrigeración artificial:
Reduce las pérdidas de peso debido a reducción del metabolismo: al bajar la temperatura, la tasa respiratoria de los granos disminuye, con lo cual disminuyen las pérdidas de peso, nutrientes y la generación de calor. Esto permite almacenar el granel y conservar su calidad por un período de tiempo significativamente mayor. Por ejemplo, cada 5 °c de aumento de la temperatura de los granos se duplica la respiración de los granos en el rango de 25 a 45 °C. Esta respiración se realiza a expensas de consumir reservas del grano provocando mermas de peso.
Disminuye la reproducción de insectos: la temperatura óptima para el desarrollo y reproducción de los insectos se encuentra entre los 25 y 32 ºC.
Por debajo de los 15 °C los insectos no pueden reproducirse, su metabolismo es bajo y se realiza un control parcial, inhibiendo el aumento de las poblaciones. En estos casos se reduce la necesidad de aplicar insecticidas lo
cual minimiza los costos y el riesgo de contaminación con residuos químicos.
Reducción de actividad de hongos: la principal herramienta para controlar el desarrollo de hongos es almacenar los granos secos. Sin embargo con bajas temperaturas se limita el crecimiento de hongos y la aparición de toxinas. En condiciones de almacenamiento con humedad relativa del espacio intergranario mayor a 81 % (17 a 20 % bh de humedad dependiendo del tipo de grano) los hongos pertenecientes al generó Penicillum son capaces de germinar y crecer a partir de los 8 ºC. Esto evidencia que si se almacenan granos a bajas temperaturas pero con alta humedad, el período de almacenamiento no puede ser excesivo.
Refrigerar los granos húmedos a la espera de ser pasados por la secadora, logra aumentar el tiempo de almacenamiento seguro, además permite hacer un uso mas prolongado en el tiempo (extender la estación de secado), sin la necesidad de secar granos a temperaturas por encima de las deseadas para aumentar su capacidad, provocando con esto, daño a los granos.
Los granos tienen muy baja conductibilidad térmica, por lo que una vez fríos la temperatura se mantendrá estable por un determinado tiempo que dependerá de las condiciones climáticas, del tipo de estructura y su grado de aislación, la humedad del grano y la presencia o no de insectos. La conductividad térmica se define como la propiedad de una sustancia de propagar calor. Para dar una idea de magnitudes, la conductividad térmica del trigo duro es de 0.1402 W/(m.K), casi similar a la de la madera 0.13 W/(m.K), pero muy diferente por ejemplo a la del hierro de 80,2 W/(m.K) o a la del cobre de 372 W/(m.K).
Facilita el trabajo del encargado de la planta de acopio: se enciende el equipo y su funcionamiento se puede extender los fines de semana, feriados etc. sin preocuparse por las condiciones climáticas.
El uso de equipos de refrigeración artificial permite independizarse de las condiciones climáticas externas. Pueden funcionar aún con elevadas temperaturas (reduciendo su capacidad), excesiva humedad o hasta con precipitaciones.
Economía: al independizarse de las condiciones climáticas, el funcionamiento del equipo se puede realizar en la horas de menor costo de la energía.
Antecedentes en el tema
La idea de enfriar artificialmente el grano fue primeramente propuesto por un ingeniero alemán en el año 1917. Pero la propuesta pareció impracticable y costosa para la época. En Francia, en el año 1950 un técnico de apellido Leroy ideó un equipo de refrigeración que simultáneamente sirva para secar el grano de 20 a 16 % de humedad. Posteriormente, ya en 1958, la firma alemana Escher-Wyss (posteriormente adquirida por Sulzer en 1969) vendió el primer equipo de secado con aire frío y en el año 1961 la misma compañía comienza la producción comercial de equipos destinados exclusivamente para refrigeración de granos. Estos equipos estaban destinados a conservar el grano húmedo después de las cosechas ya que en aquella época el incremento de la utilización de cosechadoras, necesitaba de un método alternativo para preservar fresco el grano debido a la mayor velocidad de cosecha, pero limitada capacidad de las secadoras.
La refrigeración artificial de granos es una tecnología que tiene ya varias décadas de exitosa implementación a nivel mundial. Sin embargo, no ha logrado instalarse en Argentina con toda su potencialidad por insuficiente información técnica, falta de ejemplos nacionales técnicos-económicos comparativos entre refrigeración vs. aireación tradicional y falta de investigación y difusión por parte de instituciones públicas.
En Argentina, para refrigeración de granos comodities, existen unos pocos equipos portátiles relativamente antiguos de origen Europeo introducidos al país en décadas pasadas. Estos equipos se destinaron mayoritariamente a la conservación de semillas, por lo que el mercado fue pequeño, la técnica nunca tuvo gran difusión, o por lo menos cercana a su potencialidad. Los pocos equipos importados fueron vendidos con insuficiente soporte técnico y/o asistencia postventa, por lo que la tecnología no prosperó y el mercado se desalentó. Actualmente las empresas han tomado el desarrollo y difusión de la tecnología de refrigeración con otro nivel de compromiso. Además, la frontera agrícola del país se trasladó a zonas de temperatura más extremas, donde el uso de estos equipos constituye una herramienta indispensable. Es de destacar la existencia de una empresa Nacional que desarrolla y comercializa estos equipos, IMEG S.A. con sede en Rosario. Otras empresas que comercializan equipos importados o nacionales en Argentina son Cerealtec equipos de origen Italiano), Coolseed (equipos de origen Brasilero) y próximamente Carrier (equipos de fabricación Nacional).
Los equipos actuales se han mejorado y su eficiencia de trabajo aumentó notoriamente. El Ing. Carlos de Dios perteneciente al Inta Pergamino, en un reporte de difusión del año 1994, menciona un consumo de energía de 7 kw/tn refrigerada. En la actualidad, los valores se redujeron a la mitad, conociéndose experiencias nacionales de refrigeración de granos comodities en silos con consumos de 2 a 5 kw/tn, dependiendo de las condiciones cimáticas, (mayor consumo a mayor temperatura y humedad relativa ambiente).
Otro aspecto importante es la creciente presión del consumidor por la seguridad alimentaria. Así el sector almacenador de granos necesita de nuevas ecnologías y que éstas sean limpias, atóxicas, no agresivas al medio ambiente y viables económicamente de modo que reduzcan costos y pérdidas proporcionando productos saludables para la alimentación humana y animal. Lacerda, F. 2006).
Los objetivos del presente ensayo fueron:
• Evaluar técnica y económicamente el proceso de refrigeración artificial de granos para una determinada condición geográfica de Argentina.
• Documentar el comportamiento de las principales variables críticas: temperatura y humedad del grano, horas de funcionamiento del equipo y consumo eléctrico en un ensayo de refrigeración artificial.
Materiales y métodos.
El ensayo se desarrollo en la planta de acopio de AFA Cañada Rosquín empleando un silo con 1000 tn de trigo de 16,63 m de altura, 9,91 m de diámetro y piso cónico de 3,28 m de profundidad.
El tratamiento consistió en utilizar el equipo de refrigeración de granos de desarrollo nacional provisto por la firma IMEG S.A. (Rosario). Se programó el equipo para insuflar aire frío a 11 °C y 65 % de humedad relativa, a través de toda la masa de granos de trigo almacenados en el silo. Para introducir el aire en el silo se utilizó el sistema de conductos de distribución de aire preexistentes. Se retiraron los dos ventiladores de aireación y se conectó en su lugar el equipo refrigerador a través de un conducto principal de 600 mm de diámetro, el cual finaliza en un derivador, que, posteriormente a través de dos conductos de 450 mm se conectan al silo (Figura 1 y 2).
Resulta necesario que dichos conductos estén aislados térmicamente para evitar el calentamiento del aire que circula dentro de los mismos. De lo contrario, cuando las temperaturas ambientes son elevadas y el sol incide sobre los conductos, el grado de calentamiento del aire dentro del conducto puede ser importante. Este calentamiento suele ser máximo en la horas de mayor insolación, al medio día.
Figura 1: conexión del conducto a la entrada del silo. Se retiraron los dos ventiladores para insuflar el aire frío a través de las dos bocas de aireación.
En los casos que el silo cuente con mas de un ventilador de aireación, se debe utilizar un derivador para conectar todas las bocas de aireación (tal como se realizó en el presente ensayo), con el objetivo de que la distribución del aire frío, dentro del silo, sea lo más homogénea posible. Si el equipo se lo conecta a una sola boca de aireación, los otros ventiladores deben sellarse para evitar la fuga de aire. De no hacer esto, el aire no circulará por el espacio intergranario y se perderá del silo a través de los ventiladores no sellados o no conectados al equipo de frío. Este tipo de conexión puede realizarse cuando los conductos de aireación están interconectados dentro del silo. Las necesidades del proceso de refrigeración de granos son las mismas que para la aireación. La distribución uniforme de la circulación del aire dentro del silo es fundamental para el éxito del enfriamiento de los granos. Si por ejemplo se producen canalizaciones del aire y en el corazón del silo se tiene un caudal de aire un 30 % menor que en el resto de la masa de granos, se tardará por lo menos un 30 % mas tiempo en completar el ciclo de refrigeración, perdiendo eficiencia y aumentando el consumo de energía.
Figura 2: vista de la conexión entre el equipo refrigerador IMEG S.A. y el silo.
El ciclo de refrigeración se inició el día 18 de diciembre de 2009 a las 16:30 hs prolongándose hasta el día 24 de diciembre de 2009 hasta las 9:30 hs.
El equipo refrigerador de granos esta compuesto por: compresor de refrigeración, condensador, evaporador, recalentador, ventiladores disipadores de aire caliente, ventilador centrífugo de inyección de aire, paneles de entrada y filtrado de aire, microprocesador, tablero de comando y controles. Todo el equipo es móvil con chasis y cuatro ruedas para facilitar su desplazamiento dentro de playa de silos.
El tablero de comando tipo "touch screen" (sensible al tacto) le permite al operador seleccionar las condiciones deseadas de inyección de aire en cuanto a temperatura y humedad relativa. Posteriormente el microprocesador realiza los ajustes necesarios para cumplir con las condiciones impuestas, adaptando el funcionamiento de todos los componentes.
El seguimiento de la temperatura del grano se realizó través del sistema de termometría instalado en el silo. Para evitar interferencias en las lecturas, el equipo refrigerador se detuvo una hora antes de las mediciones. De esta forma, las termocuplas registran el verdadero valor de temperatura del grano y no del aire circulando por los espacios intergranarios. Las termocuplas estuvieron distribuidas radialmente, sin sensores en la parte central (corazón del silo)
Para establecer con exactitud el consumo eléctrico se instaló un datalogger medidor de consumo eléctrico, obteniendo los kilowatts totales consumidos. (figura 3)
Figura 3: datalogger registrador de consumo eléctrico instantáneo y total.
Mediante este instrumento se obtuvieron los kw totales consumidos en el proceso de refrigeración.
Se registró la temperatura del aire frío insuflado por el equipo utilizando un termómetro de mercurio colocado en la boca de entrada al silo.
Complementariamente, usando un calador zonda, al inicio y finalización del ensayo, se extrajeron muestras en la zona lateral y superior del silo sobre las que se midió el contenido de humedad.
Al finalizar el ciclo de refrigeración se tapó la boca de aireación a fin de evitar el "efecto chimenea" (Figura 4). Esto es el ingreso de aire caliente exterior que circula por la masa de granos produciendo su calentamiento.
Figura 4: cierre de la boca de aireación para evitar el calentamiento del aire por el "efecto chimenea"
El silo tuvo un pico elevado de granos en la parte superior el cual no fue posible transilar a otro silo por falta de espacio en la planta.
Resultados y discusión
La duración total del ciclo de refrigeración fue de 127 hs.
A continuación se muestran las tablas con los datos de temperaturas de las termocuplas para los distintos niveles de altura, al comienzo y finalización del ensayo.
Tabla 1. Temperaturas a distintos niveles por nº de cable de termocupla. Viernes 18/12/2009 - 16:00 hs. (inicio de refrigeración 18/12/2009 - 16:30 hs)
Tabla 2. Temperaturas a distintos niveles por nº de cable de termocupla al momento de finalización del ensayo. Jueves 24/12/2009 - 10:30 hs. (Parada del equipo 24/12/2009. 9:30 hs.)
Se documentó la disminución de la temperatura de las 1.000 tn de trigo almacenado en el silo. El gradiente de baja de temperatura fue de 8,9 ºC, (desde 24,5 ºC a 15,6 ºC). La disminución de temperatura no fue homogénea, probablemente por canalización del aire en algunos sectores de la masa de granos, lo cual no permitió lograr uniformidad del paso del aire a través de los espacios intergranarios. Además se debe tener en cuenta la existencia del pico de granos en la parte superior y central del silo. En la zona central del silo, cercana al cono elevado, empleando termómetro de mercurio, se constató la mayor temperatura del grano respecto de la zoma lateral y con menor altura de grano. En la zona central se registró 23 °C de temperatura de los granos vs. 19 °C en la zona lateral (fig n° 5). Dicha medición se realizó el día 23/12/09 a las 10:30 hs.
Figura 5: Superior: medición de temperatura en los laterales del silo, temperatura de los granos 19 °C. Inferior: termómetro ubicado en el cono de granos, la temperatura de los granos fue mayor, 23 °C.
La zona central del silo, con presencia de pico elevado, frecuentemente es más resistente a bajar la temperatura de los granos. Esto se produce dada la mayor concentración de material fino que dificulta el pasaje del aire insuflado y la mayor altura total, respecto de los laterales del silo.
El aumento de la temperatura del aire dentro de los conductos que van desde el equipo al silo, estuvo en un rango de 2,1 a 3,8 °C, de acuerdo a las oscilaciones de las temperaturas diarias y a la intensidad de insolación incidente sobre los conductos. A su vez, el calentamiento fue levemente mayor en el conducto de mayor longitud, correspondiente a la boca de entrada al silo mas alejada del equipo refrigerador. Con esto, las temperaturas de entrada del aire al silo en el horario diurno estuvieron en el rango de 13,1 °C a 14,8 °C. Es de esperar que en los horarios nocturnos y/o con menores temperaturas ambientes, las temperaturas de entrada del aire al silo sean notablemente inferiores por menor calentamiento en los conductos.
La humedad del grano al inicio del ensayo fue en promedio de 14 % y de 13,8 % al finalizar el ensayo.
Aireación tradicional con aire ambiente vs. refrigeración artificial.
Los valores horarios de temperatura ambiente durante el ensayo fueron obtenidos de la estación meteorológica del Ministerio de la Producción de la provincia de Santa fe, ubicada sobre ruta 34, km 125,5, aproximadamente a 4 km de la planta donde se realizó el ensayo.
El promedio de temperatura durante los días del ensayo fue de 24,8 °C, con una mínima de 17,3 °C y máxima de 32,5 °C. La temperatura media ambiente es casi coincidente a la temperatura inicial del grano al comienzo ciclo de refrigeración, 24,5 °C. Esta temperatura del grano, es la que se logró obtener empleando la aireación tradicional con aire ambiente. Teniendo en cuenta la estación del año y la cercanía con los meses venideros de máxima temperatura como enero y febrero, solamente podría ser factible disminuir la temperatura de los granos seleccionando las horas mas frías de aire ambiente, escasamente disponibles en la época del año considerada, llevando a que la duración del ciclo de aireación sea elevado.
En la siguiente figura se muestran los valores diarios de temperatura ambiente durante el ensayo.
Figura 6: temperaturas ambiente durante los días del ensayo y rango de temperatura del aire frío entregado por el equipo medido en la boca del silo.
Se evidencian las oscilaciones de las temperaturas ambiente durante los días en que se realizó el ensayo. De haber requerido enfriar la masa de granos con aireación, evidentemente no se podría haber llegado a los niveles deseados. Además, si se utiliza excesivamente la aireación para disminuir la temperatura de los granos probablemente el grano resulte sobresecado.
Consumo del equipo y cálculo de costos.
El consumo del equipo se modifica de acuerdo a la capacidad de entrega de aire según las condiciones ambientales. El promedio de consumo fue de 32,2 kWh. Las tablas 3 y 4 indican las toneladas refrigeradas, consumo energético y horas de funcionamiento utilizados para realizar los cálculo de costo de funcionamiento.
Tabla 3. Consumo energético, horas de funcionamiento y toneladas refrigeradas
Análisis de costos
Para el costo del KW se utilizaron los valores suministrados por el estudio consultor EINGE, con sede en Rosario.
Se tuvo en cuenta el aumento de costos surgidos de la necesidad de demandar potencia adicional en caso de estar funcionando el equipo refrigerador conjuntamente con los elementos de la planta.
Para el costo variable, se consideraron tarifas diferenciales según horario.
Estos costos tienen en cuenta el consumo del equipo por hora y el valor del kw consumido en cada banda horaria. Se incluyeron los impuestos nacionales y provinciales. No se incluyeron en el análisis los costos de amortización y/o alquiler del equipo. Los valores son sin IVA dado que a través de la descarga impositiva, resulta en un balance neutro a lo largo del año.
Tabla 4. Análisis económico.
Conclusiones
Se documentó y analizó los resultados de una experiencia nacional de refrigeración de un silo con 1000 tn de trigo empleando un equipo de refrigeración artificial.
La temperatura de los granos disminuyó de 24.5 °C a 15,6 °C.
El tiempo demandado para la disminución de la temperatura fue de 127 hs, el consumo eléctrico total fue de 4086 kWh (4,09 kWh/t) con un costo total de $ 1795,6 (1,8 $/t).
Se agradece muy especialmente a IMEG S.A. por proveer el equipo de refrigeración y la asistencia técnica para su implementación, al personal de AFA Cañada Rosquín (especialmente al encargado de planta Diego Garnero), al Ing Fernando García del estudio EINGE por proveer la información de costos del consumo eléctrico y todas aquellas personas que colaboraron con este ensayo.
Fuente: Engormix
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