secadora de alimentos
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Capítulo 2
Universidad de las Américas Puebla 1
Como parte de esta tesis el diseño del secador de alimentos era algo obligatorio,
ya que se debían de tomar en cuenta las especificaciones que debe tener un secador
destinado a realiar e!perimentos de investigaci"n y también que se trataría de un sistema
autom#tico que arro$aría una serie de datos precisos para los estudiantes, a parte de ser un
secador que le permitiera al estudiante ver el proceso de secado y comportamiento del
mismo%
&e reali" la construcci"n del tubo de aire, la base de soporte de dic'o tubo, se
seleccion" y acopl" el ventilador, se diseño el $uego de resistencias eléctricas y por
(ltimo se eligieron los transductores de temperatura y peso adecuados% )l principal
prop"sito fue el construir un sistema que fuera funcional y con la menor inversi"n
posible% )n el mercado se pueden encontrar una gran variedad de secadores de alimentos
ya construidos y muy bien equipados, sin embargo el costo de estos es sumamente
elevado, por e$emplo* el secador de alimentos que se muestra en la figura 1%+, el cual se
encuentra en la planta piloto de la U-AP tiene un precio apro!imado de 1.,... dolares%
2.1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SECADOR.
Antes de comenar a construir el secador se 'io el diseño adecuado del mismo
tomando como referencia las dimensiones y los elementos del secador anaran$ado
ubicado en la planta piloto de la U-AP% Como se observa en las figuras 1%+ y 1%/, este
secador se caracteria por estar 'ec'o de acero ino!idable y tener una dimensi"n a lo
largo de 1%+. metros y un di#metro de 0. centímetros, cuenta con un ventilador acoplado
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Capítulo 2
Universidad de las Américas Puebla 2
en uno de sus e!tremos que tiene la capacidad de generar un flu$o de aire con una
velocidad m#!ima de 'asta 1%0 mseg%, inmediatamente después se encuentra ubicado un
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par de placas de 'ilo resistivo eléctrico de icrom que permite generar una temperatura
m#!ima de /. °C% Cuenta con una puerta para introducir el alimento a la mitad de este,
así como también con dos orificios para introducir los term"metros de mercurio* uno 1.
centímetros antes y el otro 1. cm después de donde se coloca el alimento%
3omando en cuenta estas características se llev" a cabo el criterio de selecci"n de
los elementos que conformaron el secador y se 'io un diseño previo de c"mo debería
ser% )n la figura 2%1 se muestra el diseño previo del secador%
Figura 2.1 Diseño del Secador de Alimentos.
)n primer instancia se decidi" mandar a fabricar un tubo de acrílico transparente
con dimensiones similares a las del secador anaran$ado, es decir 1%4. metros de largo y
2. centímetros de di#metro, con el prop"sito de comprar un ventilador pequeño que fuera
capa de generar un flu$o de aire m#!imo de 1%0. mseg% )l ob$etivo de tener un secador
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transparente se debi" a que de esta forma el estudiante pudiera ver lo que pasa dentro del
secador al momento de estar realiando una corrida e!perimental% )l grosor de la placa de
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acrílico con la que se construy" el tubo es de 15 de pulgada, que tiene la capacidad de
soportar 'asta 11. °C, si sobrepasa este límite el acrílico se comiena a deformar%
Posteriormente se construy" una base 'ec'a de tubular de acero de 1 6 2 pulgadas
de espesor que es capa de soportar el peso del tubo de acrpilico y de todos los elementos
acoplados al mismo%
)n uno de los e!tremos del tubo se encuentra acoplado un ventilador 7 8otor de
Corriente Alterna9 que va a generar diferentes flu$os de aire seg(n el tipo de secado que
se requiera% Para la selecci"n del motor se busco uno que fuera capa de generar un flu$o
de aire m#!imo de 1%0. mseg% )n la secci"n 2%2 se dan m#s detalles del ventilador que se
utili" para el secador%
:nmediatamente después del motor se encuentra ubicado un sistema calefactor
'ec'o a base de 'ilo de resistencia eléctrica de íquel Cromo en forma de espiral
acoplado dentro de una estructura de mica aislante para evitar la deformaci"n del tubo de
acrílico, ya que en esa parte se llegan a alcanar temperaturas de 'asta 10. °C% )sta
estructura va a permitir que el aire generado por el motor se caliente% -as
especificaciones y tablas del tipo de 'ilo resistivo y micas aislantes que se usaron para la
fabricaci"n de este se encuentran en el Apéndice ;%
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)l secador cuenta con 5 sensores de temperatura internos< 2 sensores de bulbo
seco y 2 de bulbo '(medo% 1 sensor de temperatura e!terno para sensar la temperatura
ambiente y una b#scula con el prop"sito de sensar las pequeñas pérdidas de peso del
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alimento% -os sensores se colocaron 1. centímetros antes y 1. centímetros después de
donde se encuentra la base de la b#scula que va a contener el alimento, este porque se
tom" en cuenta las ubicaciones de los term"metros de mercurio del secador anaran$ado%
)n la figura 2%2 se muestra el secador que se construy" a partir del diseño previo%
Figura 2.2 Secador de Alimentos.
A continuaci"n se e!plica de manera m#s detallada el funcionamiento de cada uno
de los elementos que componen el secador de alimentos, la selecci"n adecuada de cada
componente y en algunos casos la construcci"n del mismo
2.2 VENTILADOR ( MOTOR AC ).
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)l ventilador que se uso para el diseño del secador fue un motor eléctrico monof#sico
de la marca 8cmillan, el cual se caracteria por tener un volta$e de operaci"n de 12. =ac
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a +. >, su consumo de corriente es de ?.. miliampers y la velocidad m#!ima que
genera es de 0... rpm%
)ste tipo de motores se caracterian porque tienen el mismo momento de torsi"n@
velocidad de pendiente que un motor de CC serie, son compactos y ofrecen mayor
momento por amperio que cualquier otro motor monof#sico* por ello se utilia donde son
importantes un peso ligero y un momento alto%
-as aplicaciones típicas para este tipo de motor son las m#quinas aspiradoras, las
secadoras de cabello, taladros y otras 'erramientas port#tiles seme$antes%
3al como ocurre con los motores de cc serie, la me$or manea de controlar la
velocidad de un motor monof#sico es variar el valor rms de su volta$e de entrada% Cuanto
m#s alto sea este volta$e, mayor ser# la velocidad resultante del motor 5B
%
)l motor que se uso para generar el aire del secador se muestra en la figura 2%0%
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5BC'apman, &tep'en % 8#quinas )léctricas% 8cDraE >ill% Colombia, 1FF0% 2G edici"n%
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Capítulo 2
Figura 2.3 Motor Eléctrico Monofásico.
2.3 RESISTENCIA ELÉCTRICA DE NICROM.
)l tiempo y tipo de secado depende de la temperatura del aire generado por el
ventilador, por lo que es necesario contar con un sistema que permita el calentamiento del
aire a su paso% Para este secador se decidi" utiliar 'ilo de resistencia eléctrica de icrom
fabricada por la empresa me!icana 8iHai1FB
, esta resistencia se caracteria por generar
una gran cantidad de potencia calorífica la cual puede ser controlada electr"nicamente, de
manera que usando la configuraci"n adecuada permite generar el calor suficiente y
necesario para calentar el aire%
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R = (L/S) = R = (1/ ) (L/S)
2.3.1 Resistividd E!"#t$i#.
;#sicamente el resistor no es m#s que un conductor imperfecto que presenta una
cierta dificultad intrínseca al paso de la corriente eléctrica% &u mayor o menor oposici"n
de la corriente depende del material con el que se 'aya construido%
-a resistencia de un conductor se define como la dificultad que ofrece al paso de
la corriente eléctrica a través del mismo%
&u valor se calcula por medio de la siguiente f"rmula<
Fórmula 2.1 Resistencia.
&iendo<
I resistencia en J'mios%
I resistividad en K mm2m%
- longitud en m%
& secci"n transversal en mm2%
& conductividad%
-a resistividad es una magnitud que mide la propiedad de los cuerpos por la cual
poseen electrones libres en la banda de conducci"n% Adem#s de la propia naturalea del
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Rf = Ri[1 + (tf - ti)]
Capítulo 2
material, la resistividad también depende de la temperatura% -a resistividad de un cuerpo
se e!presa en mm2m%
A continuaci"n se relacionan los valores de resistividad de algunos materiales y
aleaciones en condiciones normales de temperatura<
A!e#i%&Resistividd
( e& '2)
Cromo@iquel 1,1
Constatan .,4
8anganina .,50
8egapyr 1,5
8aillec'ort .,04
a!la 2.1 "alores de Resisti#idad $ Aleaciones de algunos Materiales.
-a resistencia que ofrece un conductor al paso de la corriente eléctrica varia en
funci"n de la temperatura% -a f"rmula que refle$a esta variaci"n es la que sigue<
Fórmula 2.2 Resistencia en función de em%eratura.
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&iendo<
If resistencia final en J'mios%
Ii resistencia inicial en J'mios%
α coeficiente de temperatura en 1LC%
tf temperatura final en grados Celsius%
ti temperatura inicial en grados Celsius%
)l coeficiente de temperatura es positivo en el caso de que el conductor sea un
metal puro, por lo que su resistencia aumenta al 'acerlo la temperatura%
)l carbono y algunas soluciones de sales met#licas ofrecen un coeficiente de
temperatura a negativo% e a'í que, en estos materiales, la resistencia disminuya al
elevarse la temperatura%
2.3.2 C*!#+!,s.
Para poder generar el rango de temperatura especificado de 0. °C a /. °C dentro
del secador fue necesario usar 'ilo de resistencia eléctrica de alta potencia%
)n un principio en el diseño se tom" en consideraci"n una resistencia de 10..
Eatts% )sto debido al tamaño y carga mec#nica del tubo, adem#s que era la resistencia
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con potencia m#!ima comercial, la cual se caracteria por ser 'ilo resistivo de ?. M
iquel y 2. M Cromo% &e realiaron pruebas 'ec'as a diferentes temperaturas ambiente,
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con una velocidad del aire al m#!imo y la resistencia alimentada a 12. volts, se obtuvo
una temperatura medida desde donde se encuentra el producto a secar, de 4. °C m#!ima%
Por tal motivo se decidi" utiliar otra de 10.. Eatts conectadas en paralelo 7figura 2%59 y
así aumentar la potencia calorífica del sistema%
Figura 2.& 'one(ión de Resistencias Eléctricas.
Con esto se pudieron obtener temperaturas de casi 1.. °C%
-a potencia calorífica que genera la resistencia depende del calibre y largo de la
cinta de icrom, por lo que fue necesario 'acer uso de tablas para saber la cantidad de
cinta y el calibre de esta para generar la potencia deseada% )n el Apéndice ; se
encuentran las tablas con informaci"n técnica de la cinta icrom comercial%
-as resistencias que se utiliaron tienen un valor de 11%./ J'ms cada una de tal
forma que si se conectan a la línea de 12. =ac generan una potencia de 10.. Eatts y
demanda 1.%?0 Ampers% ebido a que se encuentran en paralelo generan una resistencia
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total de 4%45 J'ms y esto conlleva a tener el doble consumo de corriente 21%++ Ampers y
por lo tanto a tener 2+.. Eatts de potencia calorífica%
espués de 'aber seleccionado el tipo de resistencia a usar, se comen" con la
construcci"n% )l 'ilo resistivo se va enrollando de manera que tenga una forma similar a
la resistencia utiliada en los calentadores eléctricos, posteriormente se coloc" sobre una
estructura 'ec'a a base de mica aislante rígida y se cubri" con mica aislante fle!ible*
esto para evitar deformaciones en el tubo de acrílico, este tipo de aislantes tienen la
capacidad de soportar temperaturas 'asta de 0.. °C, también son fabricadas por la
empresa me!icana 8iHai1FB
% -as características de este tipo de aislantes se añadieron en
el Apéndice ; o se pueden encontrar en su p#gina de :nternet1FB
% )n la figura 2%4 se
muestra las placas resistivas adaptadas al secador%
Figura 2.) Resistencias Eléctricas.
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1FB 'ttp
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0BCarr, osep' %, &ensors and Circuits% Prentice >all% )%U%A%, 1FF0% 1G edici"n%
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2.- SENSOR DE TEMERATURA.
-a medida de la temperatura constituye una de las mediciones m#s comunes y
m#s importantes que se efect(an en este tipo de sistemas% -as limitaciones del sistema de
medida quedan definidas en cada tipo de aplicaci"n por la precisi"n, por la velocidad de
captaci"n de la temperatura, por la distancia entre el elemento y el aparato receptor y por
el tipo de instrumento indicador, registrador o controlador necesario* es importante
señalar que es esencial una comprensi"n clara de los distintos métodos de medida con sus
venta$as y desventa$as propias para lograr una selecci"n "ptima del sistema m#s
adecuado%
2.-.1 Ti/,s de Se&s,$es de Te/e$t+$.
)!isten diferentes tipos de sensores que son com(nmente usados para medir la
temperatura< 3ermistores y I3s, 3ermopares y sensores de )stado &"lido%
-os ermistores son elementos conductores que est#n diseñados para cambiar su
resistencia eléctrica cuando son sometidos a cambios de temperatura% -a cantidad en el
cambio de la resistencia est# definido por el coeficiente de temperatura del material α , el
cual es medido en o'ms de cambio de resistencia por o'm de resistencia por grado
Celsius% Un dispositivo con coeficiente de temperatura positivo e!'ibe un incremento en
la resistencia con incrementos en la temperatura y un dispositivo con coeficiente de
temperatura negativo muestra que la resistencia decrementa con incrementos en la
temperatura0B
% )n la figura 2%+ se muestran algunos tipos de termistores%
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Figura 2.* i%os de ermistores+3,
.
-os ermo%ares son transductores que consisten de 2 metales diferentes u otros
materiales 7 cer#micas y semiconductores 9 que son fundidos y unidos, el e!tremo de uno
con el otro% -a uni"n de estos materiales o metales produce un volta$e cuando este es
e!puesto a calor 0B
% -os termopares pueden ser conectados en serie o en paralelo con el
prop"sito de encontrar un significado aritmético a muc'as temperaturas 7 figura 2%/ 9%
Cuando un sistema de termopares es conectado a una carga resistiva , una corriente fluye,
la cual es proporcional al potencial termoeléctrico e inversamente proporcional a la
resistencia% Por convenci"n la corriente en el circuito es positiva si esta fluye de caliente a
frío%
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Figura 2.- 'one(ión de ermo%ares+3,
.
-os Sensores de em%eratura de Estado Sólido también son conocidos como
sensores de uni"n P, ya que si un ordinario diodo rectificador de estado s"lido es
conectado a un o'metro, se observa que la resistencia del diodo cambia conforme la
temperatura cambia% &i el diodo es temporalmente calentado con una l#mpara, el
o'metro muestra que la resistencia del diodo decrementa dram#ticamente al incrementar
la temperatura% &in embargo muc'os transductores de temperatura usan una
configuraci"n de transistor bipolar 7diodo@conectado9, puesto que el volta$e base@emisor
de este es proporcional a la temperatura0B
%
)ste tipo de sensores son comerciales y se caracterian porque se encuentran
encapsulados como un circuito integrado% -a mayoría de estos sensores est#n basados en
la propiedades de uni"n P, aunque e!isten algunos fabricados por NAnalog evicesO
que usan un termopar e!terno%
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Un e$emplo de estos sensores de estado s"lido es el sensor comercial -8@004 de
National semiconductorO que se caracteria por tener tres terminales, dos de ellas para
alimentaci"n y la otra genera un volta$e proporcional a los cambios de temperatura% )n la
figura 2%? se observa el tipo de encapsulado y símbolo de este tipo de sensores%
Figura 2. Sensores de em%eratura de Estado Sólido /s0m!olo $ enca%sulado+3,
.
-a e!actitud de estos dispositivos es relativamente buena y es m#s que suficiente
para muc'as aplicaciones de control%
2.-.2 Se!e##i%& de! Se&s,$ de Te/e$t+$.
espués de 'aber analiado varios tipos de sensores como los anteriormente
mencionados, se opt" por utiliar un sensor de temperatura de estado s"lido,
específicamente el -804 de National &emiconductorO15B
debido al costo ba$o de
solo 22 pesos, y el rango de operaci"n que mane$a, el cual es de . a 1.. °C, adem#s de
que presenta un comportamiento lineal% )stos fueron los tres criterios tomados para la
selecci"n de este dispositivo% )ste sensor se caracteria por que el encapsulado es del tipo
3J@F2 y cuenta con 0 terminales< 2 de ellas para alimentaci"n y la otra proporciona el
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0BCarr, osep' %, &ensors and Circuits% Prentice >all% )%U%A%, 1FF0% 1G edici"n%
15B 'ttp
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volta$e de salida que es proporcional al cambio de temperatura% )s un sensor lineal, es
decir* un aumento de 1. milivolts por cada grado centígrado% )l rango de volta$e que
entrega es de . a 1 volt% Cero volts representan . °C y 1 volt a 1.. °C% )n el Apéndice C
se encuentra la 'o$a técnica de este sensor para ver m#s detalles% -a figura 2%F muestra el
sensor -804%
Figura 2. Sensor de em%eratura de Estado Sólido M3)D4.
2.-.3 Se&s,$ de Te/e$t+$ de 0+!, Se#, de 0+!, 4ed,.
Como se mencion" en la secci"n 2%1, el secador va a estar dotado de 5 sensores de
temperatura internos< 2 de bulbo seco y 2 de bulbo '(medo% -os de bulbo seco van a
permitir al estudiante medir la temperatura del aire dentro del tubo y ambos* bulbo seco y
bulbo '(medo le van a proporcionar los datos necesarios para obtener la 'umedad
relativa%
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)n el proceso de des'idrataci"n es sumamente importante saber el porcenta$e de
'umedad que e!iste dentro del secador para poder llevar a cabo el secado del producto%
-a 'umedad no es f#cilmente medible de manera directa, por lo que se debe relacionar
con cantidades sencillas de calcular tales como la temperatura% )!isten varias formas para
medir la 'umedad, sin embargo el método m#s usado es el de la >umedad Ielativa, que
se define como Q -a relaci"n porcentual entre la cantidad de vapor de agua que tiene el
aire y el m#!imo que podría contener a una temperatura y presi"n determinada Q%
Para poder medir la 'umedad relativa se utilian dos term"metros uno con bulbo
'(medo y el otro con bulbo seco% )l de bulbo seco se encarga de medir la temperatura
normal del aire% )l de bulbo '(medo, se caracteria por ser un term"metro al que se le
coloca en el bulbo una muselina o gasa que se mantendr# 'umedecida por un recipiente
con agua destilada% &u funcionamiento es f#cil de entender< el agua que empapa la
muselina, se evapora, pero para 'acerlo necesita calor, que lo obtendr# del term"metro,
con lo que la temperatura ba$a% )l agua evaporada es reemplaada por la que llega a
través de la mec'a% )l transporte se a$usta autom#ticamente, y se establece un régimen
estacionario que depende de la velocidad de evaporaci"n% Al term"metro le llega
e!actamente la misma cantidad de agua que se evapora, ni m#s ni menos, por lo que la
temperatura que mide este es menor que la del bulbo seco% -a diferencia entre estos dos
va a depender de la temperatura y velocidad del aire%
)l 'ec'o de tener estos dos tipos de sensores permite calcular la 'umedad relativa
dentro del secador, es decir la diferencia que 'ay de la medici"n de bulbo seco y bulbo
'(medo permite al estudiante de :ngeniería en Alimentos calcular la 'umedad relativa y
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absoluta 'aciendo uso de una tabla psicrométrica, dic'a tabla se encuentra ane!ada en el
Apéndice D%
)ste mismo principio se utili" para con los sensores de temperatura -804%
3al y como se observa en la figura 2%1., a los de bulbo seco no se les coloca nada y a los
de bulbo '(medo se les coloc" una gasa absorbente sobre el encapsulado de pl#stico,
usando previamente silic"n comercial sobre las terminales para evitar el contacto del
agua en las mismas%
Figura 2.15 Sensor de em%eratura 6ul!o Seco $ 6ul!o 78medo
-a ubicaci"n de los sensores dentro del secador fue tomando en cuenta las
especificaciones del secador anaran$ado que se encuentra en la planta piloto de la
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Universidad de las Américas Puebla y se decidi" colocar un sensor de bulbo seco y uno
de bulbo '(medo 1. centímetros antes de que el aire toque el producto con el prop"sito
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de conocer la temperatura y 'umedad relativa del aire que entra% -os dos sensores
restantes fueron instalados 1. centímetros después del alimento de tal manera que se
pudiera saber la temperatura y 'umedad relativa del aire que sale del secador% -a figura
2%11 muestra la ubicaci"n de los 5 sensores%
Figura 2.11 9!icación de los Sensores de em%eratura.
2.5 SENSOR DE ESO.
Uno de los elementos imprescindibles en un secador diseñado para pruebas y
e!perimentos es la b#scula o sensor de peso cuyo ob$etivo es estar sensando las pérdidas
de agua del producto durante la corrida e!perimental%
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)!isten una gran cantidad de b#sculas digitales comerciales, las cuales se
caracterian por ser muy precisas y tener alta resoluci"n en sus lecturas* de 'asta .%...1
gramo, sin embargo el costo es demasiado elevado, por lo que se decidi" diseñar y
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construir una, aunque no con tanta resoluci"n% -a resoluci"n que se requiri" fue de .%1
gramos%
Como se mencion" en el resumen, el diseño y fabricaci"n de la b#scula estuvo a
cargo de >afid Alduncin C%, pero cabe mencionar que 'ubo colaboraci"n de
coordinaci"n por parte mía en las decisiones tomadas para la elaboraci"n de esta%
2.5.1 Dise6, Me#*&i#,.
-as consideraciones que se tomaron en el diseño de la b#scula fueron 2< forma del
secador y la sensibilidad del transductor a las altas temperaturas% )s decir* debido a que
el di#metro del tubo es de s"lo 2. centímetro, es difícil colocar una b#scula dentro del
mismo, adem#s de que las temperaturas altas pueden dañar el transductor de peso% Por tal
motivo se decidi" construir una b#scula que permitiera tener los transductores fuera del
tubo y la base para colocar el producto dentro del mismo% &e opt" por construir una
b#scula de brao 'ec'a de material de uraluminio tal y como se muestra en la figura
2%12
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Capítulo 2
Figura 2.12 6áscula del Secador.
Como se observa en la figura, el brao de aluminio est# agarrado de un poste de
acero en uno de sus e!tremos y del otro se encuentra acoplada la base donde se colocar#
el producto% -a base cuenta con un brao vertical desmontable del brao 'oriontal, esto
con el prop"sito de poder ensamblarlo al tubo% A dic'o tubo se le provoc" una
perforaci"n de .%4 pulgadas de manera que el brao vertical que tiene un grosor de .%24
pulgadas pudiera atravesarlo 7figura 2%109%
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Figura 2.13 6ra:o "ertical de 6áscula aco%lado al Secador.
&ubsiguientemente se atornilla de nuevo al brao 'oriontal que se encuentra
aba$o y fuera del tubo, se le da la altura adecuada y se a$usta para evitar movimientos en
falso% -a base de la b#scula se encuentra situada deba$o del tubo sobre una placa de
madera, así el transductor de peso no queda e!puesto a las altas temperaturas que se
mane$an dentro del secador% )n la figura 2%15 se e!pone la b#scula ya acoplada al
secador%
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Figura 2.1& 6áscula aco%lada al Secador de Alimentos.
)n el e!tremo del brao 'oriontal que est# acoplado a la base de la b#scula se le
reba$" de material con el prop"sito de que a'í 'ubiera fle!i"n al momento de aplicar
fuera en el otro e!tremo del brao 'oriontal% A'í se coloc" el transductor de peso, que
para este caso fue un $uego de 5 galgas e!tensiométricas conectadas en configuraci"n
puente, así cuando 'aya una deformaci"n en el material producido por la fuera aplicada
sobre el brao, también 'abr# una deformaci"n en las galgas, quienes producir#n un
volta$e proporcional a la deformaci"n% Posteriormente dic'o volta$e es amplificado y
procesado digitalmente% Así se obtiene el peso del producto%
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)n la figura 2%14 se puede observar como se encuentra el $uego de galgas
acoplado en el brao de la b#scula%
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Figura 2.1) ;algas E(tensiométricas aco%ladas al 6ra:o de la 6áscula.
-a informaci"n m#s detallada del diseño y fabricaci"n de esta b#scula se puede
consultar en la tesis N Control de Par#metros de )!perimentos de :ngeniería en Alimentos
vía :nternet 2O que se encuentra en desarrollo por el estudiante >afid Alduncin Collado%