Enfriamiento por evaporación de agua en recipientes cerámicos porosos para conservación de alimentos. Estudio teórico y experimental del dispositivo pot-in-pot

摘要

En el mundo un tercio de los alimentos es desechado. Las razones varían dependiendo de la zona, y mientras que en los países desarrollados éstos se pierden a nivel del consumidor, en los países en vías de desarrollo o subdesarrollados cerca del 40% del alimento se pierde justo después de la recogida de las cosechas debido a la falta de una adecuada infraestructura de almacenamiento. Si a esto le añadimos que cerca del 20% de la población mundial aún no dispone de acceso a la electricidad, se hace necesario facilitar el uso de dispositivos capaces de refrigerar los alimentos para mejorar su conservación sin necesidad de suministro eléctrico o una fuente de energía externa.udEn Nigeria, el profesor Mohammed Bah Abba, consciente de esta necesidad, desarrolló un sistema de refrigeración basado en el fenómeno del enfriamiento por evaporación. A este sistema se le conoce como pot-in-pot.udUno de los objetivos de este trabajo ha sido analizar de forma teórica, mediante simulación con Matlab, la influencia de la geometría de los sistemas pot-in-pot y las condiciones ambientales (temperatura y humedad relativas) en el funcionamiento de éstos. Para ello, se ha profundizado en el fenómeno de enfriamiento por evaporación del agua en general, y particularizado en el sistema pot-in-pot diseñado por el profesorudAbba.udUna vez analizada la bibliografía existente, se ha realizado la experimentación necesaria en el laboratorio, construyendo unos sistemas pot-in-pot con unas vasijas de cerámica comerciales, para comprobar el funcionamiento de estos sistemas, así como para comparar los resultados experimentales con los obtenidos en la simulación teórica.udEste trabajo forma parte de un proyecto de innovación educativa de la UniversidadudPolitécnica de Madrid, por lo que otro objetivo importante del mismo es facilitar un tema que ayude a aplicar, mediante un caso concreto, una nueva metodología de enseñanza mediante el aprendizaje por descubrimiento, adaptable a las diferentes etapas educativas.udEl sistema pot-in-pot está formado por dos vasijas de cerámica porosa de forma similar, una mayor que la otra. La de menor tamaño se sitúa dentro de la mayor y el espacio entre ambas se rellena con arena, la cual se humedece con agua. En el interior de la vasija de menor tamaño se depositan los alimentos a conservar, y se aísla el sistema con un material húmedo por la parte superior, generalmente un paño.udEl fenómeno termodinámico que permite que este sistema funcione es el enfriamiento por evaporación de líquidos (en este caso agua), que se basa en la transferencia de masa y energía. Es decir, cuando el agua contenida entre los granos de la arena húmeda se evapora a través de la pared del recipiente de cerámica porosa de mayor tamaño, donde circula aire seco en el exterior, la temperatura del interior de la vasija menor disminuye varios grados enfriando así los alimentos contenidos en ella. Esta disminución de temperatura no solo enfría el interior sino que, gracias a ello, mantiene en buen estado alimentos perecederos durante más tiempo que si estuvieran a la intemperie.udEl máximo enfriamiento que se puede conseguir viene limitado por la temperatura de aire húmedo o de bulbo húmedo.udLas condiciones óptimas para el buen funcionamiento de los sistemas pot-in-pot son:ud- Altas temperaturas y baja humedad en el ambiente, que favorecen la evaporación.ud- Fácil acceso a agua, necesaria para mantener húmeda la arena.ud- Aire en movimiento para reemplazar el aire húmedo por aire seco. udCuanto más agua se evapore, más energía tomará de su entorno, y menor temperatura alcanzará este, es decir, a mayor tasa de evaporación mayor enfriamiento, pero siempre limitado por la temperatura húmeda del aire.udLa simulación realizada en el presente trabajo, parte de los principios de conservación de la masa y de la energía en el sistema pot-in-pot.udLa simulación de Matlab se ha basado en un problema desarrollado por unos ingenieros de la India, donde son conocidos dispositivos similares, según las hipótesis para el modelo de flujo de Reynolds. En el desarrollo del trabajo se encontraron una serie de errores y aproximaciones, las cuales se estudiaron y variaron para mejorar la simulación del funcionamiento.udSe comprobó que el calor generado por los alimentos afectaba de manera significativa al rendimiento, así como que la conductividad hidráulica afectaba al caudal de masa evaporado.udLa base experimental del presente trabajo se ha desarrollado en el laboratorio deudQuímica Aplicada durante 20 días con el fin de comprobar el funcionamiento real de los dispositivos pot-in-pot. Los resultados han sido muy satisfactorios, mostrando la efectividad de dichos sistemas en la conservación de los alimentos y en el cumplimiento del fenómeno del enfriamiento por evaporación, obteniendo temperaturas dentro de la vasija inferiores entre 8 y 10ºC con respecto a la temperatura ambiente exterior. Estos resultados se muestran en la siguiente tabla, donde se observa que efectivamente el sistema pot-in-pot alarga el tiempo de conservación de los alimentos.udPor último, señalar que se han comparado los resultados obtenidos experimentalmente con aquellos obtenidos con la simulación de Matlab. Considerando humedades relativas entre el 20 y 30%, y temperaturas ambientales entre los 25 yud35ºC, los valores de la temperatura Tfría obtenida experimentalmente dentro de la vasija interior se sitúan entre los 21 y 24ºC, mientras que los obtenidos a través de la simulación con Matlab se sitúan entre los 17 y 24ºC.udEstos resultados demuestran la bondad del modelo desarrollado con Matlab, aunque bien es cierto que las temperaturas teóricas obtenidas son ligeramente inferiores a las obtenidas experimentalmente, como cabía esperar.