La Ruta B (Ingeniería Agrícola y Agroindustrial). Para los estudiantes de estas ramas, el procesamiento de alimentos y el diseño de equipos térmicos, como los secadores solares, constituyen el núcleo de su aplicación profesional.
Para ayudar a los estudiantes a interiorizar los conceptos de balance de masa antes de llevarlos al código, he preparado un simulador interactivo. Este recurso visual les permitirá comprender cómo varía la cantidad de agua a extraer según la humedad inicial del cultivo y la meta de secado.
Asignatura: Fundamentos de Programación
Especialidad: Ingeniería Agroindustrial y Agrícola
En la ingeniería de procesos agrícolas y las operaciones unitarias, el secado es una de las técnicas de conservación más importantes. Para diseñar un secador solar eficiente, el primer paso no es construir la estructura, sino calcular exactamente cuánta agua contiene nuestro producto y cuánta necesitamos evaporar.
Esta semana traduciremos las fórmulas termodinámicas y físicas fundamentales del secado a algoritmos funcionales en Python, creando nuestras propias herramientas de cálculo automatizado.
def) para
conversiones de humedad.Se explicará a los estudiantes las dos formas en que la industria mide el agua: 1. Base Húmeda (wb): Uso comercial (agua dividida por masa total). 2. Base Seca (db): Uso en ingeniería de diseño (agua dividida únicamente por masa seca).
Las ecuaciones a programar son: \(M_{wb} = \left( \frac{w_w}{w_w + w_d} \right) \times 100\) \(M_{db} = \left( \frac{w_w}{w_d} \right) \times 100\)
Código de aplicación en Colab/VSCode:
def calcular_humedades(masa_agua, masa_seca):
"""Calcula y retorna la humedad en base húmeda y base seca."""
masa_total = masa_agua + masa_seca
# Cálculo en base húmeda (% wb)
m_wb = (masa_agua / masa_total) * 100
# Cálculo en base seca (% db)
m_db = (masa_agua / masa_seca) * 100
return m_wb, m_db
# Ejemplo con yuca
humedad_wb, humedad_db = calcular_humedades(65.0, 35.0)
print(f"Humedad Base Húmeda (Comercial): {humedad_wb:.2f} %")
print(f"Humedad Base Seca (Diseño): {humedad_db:.2f} %")El dato más crítico para dimensionar un secador (como el tamaño del ventilador o el área del colector) es el agua a evaporar. Se implementará la ecuación de balance de masa:
\(m_w = m_i \left( \frac{M_i - M_f}{100 - M_f} \right)\)
Código de aplicación en Colab/VSCode:
def agua_a_evaporar(masa_inicial, humedad_inicial, humedad_final):
"""Calcula los kg de agua a remover. Las humedades ingresan en porcentaje (%)"""
if humedad_final >= humedad_inicial:
return "Error: La humedad final debe ser menor a la inicial."
# Fórmula de balance
masa_agua = masa_inicial * ((humedad_inicial - humedad_final) / (100 - humedad_final))
return masa_agua
# Caso: 500 kg de mango fresco
m_inicial = 500.0
h_inicial = 82.0
h_final = 10.0
agua_total = agua_a_evaporar(m_inicial, h_inicial, h_final)
masa_final = m_inicial - agua_total
print(f"Agua que el secador debe evaporar: {agua_total:.2f} kg")
print(f"Masa final de producto deshidratado: {masa_final:.2f} kg")Para afianzar los conceptos termodinámicos detrás del código, los estudiantes usarán el siguiente prompt: > “Actúa como un Ingeniero Agroindustrial experto en operaciones unitarias y secado de alimentos. Estoy programando algoritmos para calcular el contenido de humedad. 1) Explícame de forma práctica por qué en el diseño de equipos de secado (balances de masa) preferimos usar la ‘humedad en base seca’ en lugar de la ‘base húmeda’. 2) En la fórmula de masa de agua a remover, ¿qué pasaría matemáticamente y físicamente si mi producto final necesitara llegar a una humedad final del 0%? 3) Menciona 2 factores ambientales críticos que afectan la velocidad a la que el agua libre se evapora en un secador solar. Después hazme 3 preguntas teóricas para verificar si comprendo los balances de humedad en alimentos.”
El esquema para el cierre cognitivo debe contener: 1.
Fundamento Termodinámico: La diferencia conceptual y
matemática entre humedad en base húmeda y base seca. 2. Lógica
del Algoritmo: Explicación con sus propias palabras de la
ecuación de balance de masa (\(m_w\)) y
por qué es el punto de partida de todo diseño. 3. Reflexión
Profesional: Una frase sobre cómo la automatización de estos
cálculos previene errores de diseño que podrían arruinar lotes enteros
de alimentos. 4. Diagrama de Flujo (Reverso de la
hoja): Dibujar a mano el diagrama de flujo lógico de la función
agua_a_evaporar(), identificando las variables de entrada
(\(m_i\), \(M_i\), \(M_f\)), la caja de proceso matemático y la
variable de salida.
Para la Semana 13 (Ruta B), el siguiente paso será tomar este valor de agua evaporada y combinarlo con variables climáticas y ecuaciones termodinámicas para calcular el caudal volumétrico de aire que necesitará el secador solar. Quedo a tu disposición para continuar cuando lo desees.