1 EXPERIMENTO DE SECAGEM – TÚNEL DE VENTO A.C. FELTRIN 1 , J. dos S. TASCA 2 , L.F.S. BARCELOS 3 , L.H.Z. ALEXANDRE 4 e T.B. UGGIONI 5 RESUMO – O experimento de secagem desenvolvido no Laboratório de Operações Unitárias da Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC, teve como objetivos a avaliação das curvas típicas de cinéticas de secagem e das variáveis envolvidas no processo, além do dimensionamento de um secador a nível industrial a partir dos parâmetros estudados. A prática foi realizada num túnel de vento com soprador centrífugo e o material submetido ao processo de secagem foi uma esfera de alumina refratária. As variações de temperaturas foram consideradas na análise, bem como as temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido e a vazão de ar. Os resultados apresentaram ... continuar Palavras-chave: Teor de umidade, curvas cinéticas de secagem, coeficiente convectivo de transferência de massa. 1. INTRODUÇÃO A secagem é uma operação muito utilizada nas indústrias. É útil para facilitar o manuseio, carregamento e transporte de substâncias, reduzir o custo de transporte ou cumprir especificações. Assim, alguns aspectos são primordiais para a rentabilidade da operação, como a qualidade do produto seco, quantidade de energia gasta e o tempo de processo. Para melhor entendimento do processo é necessário o conhecimento de alguns termos citados por Perry (2008): Umidade absoluta: razão entre a massa de vapor d’água transportado e massa de ar seco; Umidade relativa: razão entre a massa de água contida no ar e entre a massa que o ar poderia receber àquela temperatura; Temperatura de bulbo úmido: temperatura de equilíbrio de um sistema indicada por um termômetro em contato com uma superfície molhada; Temperatura de bulbo seco: temperatura de equilíbrio do ambiente. A secagem consiste na remoção de um líquido ligado a uma substância, para uma fase gasosa insaturada através de vaporização térmica. Esse mecanismo é o que difere a secagem dos processos de centrifugação e filtração. De acordo com Welty (2008), a secagem de uma superfície molhada por um gás quente e seco é um exemplo em que os fenômenos de transporte ocorrem simultaneamente. Nesse caso, ocorre
Transcript
1
EXPERIMENTO DE SECAGEM – TÚNEL DE VENTO
A.C. FELTRIN1, J. dos S. TASCA2, L.F.S. BARCELOS3, L.H.Z. ALEXANDRE4 e T.B. UGGIONI5
RESUMO – O experimento de secagem desenvolvido no Laboratório de Operações Unitárias da Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC, teve como objetivos a avaliação das curvas típicas de cinéticas de secagem e das variáveis envolvidas no processo, além do dimensionamento de um secador a nível industrial a partir dos parâmetros estudados. A prática foi realizada num túnel de vento com soprador centrífugo e o material submetido ao processo de secagem foi uma esfera de alumina refratária. As variações de temperaturas foram consideradas na análise, bem como as temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido e a vazão de ar. Os resultados apresentaram ... continuar
Palavras-chave: Teor de umidade, curvas cinéticas de secagem, coeficiente convectivo de transferência de massa.
1. INTRODUÇÃO
A secagem é uma operação muito utilizada nas indústrias. É útil para facilitar o manuseio, carregamento e transporte de substâncias, reduzir o custo de transporte ou cumprir especificações. Assim, alguns aspectos são primordiais para a rentabilidade da operação, como a qualidade do produto seco, quantidade de energia gasta e o tempo de processo. Para melhor entendimento do processo é necessário o conhecimento de alguns termos citados por Perry (2008):
Umidade absoluta: razão entre a massa de vapor d’água transportado e massa de ar seco;
Umidade relativa: razão entre a massa de água contida no ar e entre a massa que o ar poderia receber àquela temperatura;
Temperatura de bulbo úmido: temperatura de equilíbrio de um sistema indicada por um termômetro em contato com uma superfície molhada;
Temperatura de bulbo seco: temperatura de equilíbrio do ambiente. A secagem consiste na remoção de um líquido ligado a uma substância, para uma fase gasosa
insaturada através de vaporização térmica. Esse mecanismo é o que difere a secagem dos processos de centrifugação e filtração.
De acordo com Welty (2008), a secagem de uma superfície molhada por um gás quente e seco é um exemplo em que os fenômenos de transporte ocorrem simultaneamente. Nesse caso, ocorre
2
transferência de massa, em que a água, para ser evaporada, é transportada do interior do sólido até a superfície do mesmo. E também de energia, remanescente do contato do corpo com o ar quente, em que esse transfere calor para o sólido devido à diferença de temperatura existente.
Conforme Costa (2011) o processo de difusão do vapor d’água no ar depende da diferença das pressões de vapor entre o material a secar e o ar, o que envolve a evaporação da água da superfície da água e, portanto, necessariamente uma troca térmica. Também deve-se considerar que a velocidade de secagem está intimamente ligada ao tamanho do objeto a ser seco, ou seja, quanto menor, maior a velocidade de secagem.
A quantidade de calor necessária para a evaporação do líquido deve ser igual à quantidade de calor fornecida pelo ambiente para que ocorra a secagem. Esse calor é transferido essencialmente por convecção.
De acordo com Perry (2008), à medida que o produto seca, a umidade torna-se progressivamente mais difícil de remover.
Segundo Foust et al. (1982), após o contato entre o meio secante e a amostra, até atingir regime permanente, há um ajuste na temperatura superficial do sólido, a qual é a mesma que a temperatura de bulbo úmido do meio secante. Enquanto essa temperatura fica estável, a taxa de secagem é constante, e no momento em que este período de estabilidade termina, atinge-se o teor de umidade crítico, o qual marca o ponto em que a água superficial não é suficiente para manter uma película uniforme cobrindo sua área. Após este ponto, a temperatura da superfície tende a aumentar e a taxa de secagem a diminuir. A taxa de umidade tende a zero quando atinge o teor de umidade de equilíbrio, o qual é o menor teor de umidade que pode ser atingido em cada processo de secagem. Esse processo pode ser visualizado na Figura 1.
Figura 1 – Curvas típicas de secagem. Fonte: Park, 2001.
3
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Equipamento
O equipamento utilizado para o desenvolvimento do experimento é constituído pelos itens apresentados na Figura 02.
Figura 02 – Equipamento utilizado no experimento de secagem. Fonte: Dos Autores, 2016.
a) Soprador centrífugo; b) Câmara de secagem com suporte para pendurar o corpo de prova ou bandeja; c) Sistema de pesagem composto por suporte e balança semi-analítica;d) Psicrômetro;e) Medidor de velocidade/ vazão (tipo anemômetro);f) Sistema de Aquecedores do ar (resistências elétricas);g) Termopares ligados a um Mostrador digital;h) Corpo de prova - Esfera de alumina refratária com 0,0559 m de diâmetro médio.
2.2 Materiais
4
Os materiais auxiliares no experimento foram:a) Barômetro de Torricelli, para medição de pressão atmosférica;b) Termômetro de bulbo de mercúrio, para medição da temperatura ambiente;c) Béquer de vidro;d) Água destilada.
2.3 Procedimento Experimental
O procedimento experimental foi realizado em dois dias. No primeiro dia, a vazão de escoamento no duto foi regulada para 2,0 m/s e o sistema de aquecimento ajustado a uma temperatura de 80,0ºC. Enquanto o sistema estabilizava a temperatura, a massa seca e o diâmetro médio do corpo de prova confeccionado numa esfera de alumina refratária foram determinados. Em seguida o corpo de prova foi imerso em um copo com água destilada e o mesmo permaneceu em repouso até o seu ponto de saturação, ou seja, até que não saísse mais bolhas de ar do seu interior. Após este tempo a esfera foi retirada do béquer e a água livre presente na superfície foi eliminada.
Com a vazão e a temperatura do ar estabilizados, o corpo de prova foi pendurado no suporte do sistema de pesagem presente no interior do secador e imediatamente seu peso foi determinado. A cada 5 minutos registraram-se o peso da esfera de alumina refratária e a temperatura de bulbo seco ou bulbo úmido. Nos intervalos de 20 minutos o corpo de prova era girado a 180º. Num total foram 17 medições e 4 giros.
Como o equipamento, devido a problemas técnicos, não conseguia registrar simultaneamente as medidas de temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido no psicrômetro, as 11 primeiras leituras foram realizadas em bulbo seco. Para a medida de temperatura em bulbo úmido, o psicrômetro foi umedecido com água destilada.
Após o término do experimento o sistema de aquecimento foi desligado e esperou-se a temperatura do ar ficar próxima a 50 °C para, em seguida, desligar os componentes elétricos e a chave geral.
O mesmo procedimento foi realizado no segundo dia de análise, no entanto, a vazão de escoamento foi ajustada em 1,7 m/s e a temperatura de bulbo seco tomada do ambiente pelo termômetro de mercúrio. Num total foram 15 medidas e 4 giros de 180°.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Inicialmente o corpo de prova esférico de alumina refratária com diâmetro médio de 0,0559 m apresentou uma massa seca de 70,68 g, após ser imerso em água destilada até seu ponto de saturação nos dois dias de experimento a esfera apresentou massa úmida de 111,60 g e 112,74 g respectivamente. A primeira análise gráfica representada na Figura 3 apresenta o teor de umidade em base seca em função do tempo de secagem para as velocidades de escoamento de ar quente estudadas.
5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900.00%
10.00%20.00%30.00%40.00%50.00%60.00%70.00% 2,0 m/s
1,7 m/s
Tempo (min)
Varia
ção
da u
mid
ade
b.s.
Figura 3 – Teor de umidade em base seca em função do tempo de secagem. Fonte: Dos Autores, 2016.
Nota-se a predominância de um comportamento linear durante os dois dias de experimento, esta fase é denominada fase de período de taxa de secagem constante e é caracterizada por um regime permanente. Nesta fase, toda a superfície exposta do solido esta saturada de água e a evaporação ocorre como se fosse a evaporação de uma massa líquida, sem haver influencias significativas da massa de solido na taxa de secagem e a temperatura da superfície atinge a temperatura de bulbo úmido. Este comportamento é identificado pela tendência linear dos gráficos de ambos os dias.
Para o experimento com velocidade de 2,0 m/s, observa-se que a partir de 60 min de procedimento, há uma pequena queda na linearidade gráfica. No momento em que identifica-se a queda, o teor de umidade do sólido é mínimo para suprir, na sua inteireza, a totalidade da superfície e começa-se a fase de taxa decrescente, caracterizada pela menor quantidade de água na superfície do solido devido a diferença de velocidade em que a massa liquida é evaporada e o tempo que a umidade que esta retida na massa demora para difundir ate a superfície. Esta fase é mais perceptível no experimento com velocidade do gas de 2,0 m/s do que o de 1,7 m/s , e , dentre as hipóteses para explanar o ocorrido, observa-se o tempo do experimento em que foi possível medir mais pontos no primeiro dia do que no segundo.
A eficiência maior do primeiro dia de experimento deve-se dentre outros motivos, ao maior fluxo de secagem aplicado e uma maior diferença de umidade relativa do ar para o objeto, ou seja, o ar poderia absorver maior quantidade de água antes de saturar.
A Figura 4 apresenta o fluxo de secagem em função do teor de umidade em base seca para o 1° e 2° dia de análise.
Figura 4 – Fluxo de secagem em função do teor de umidade em base seca. Fonte: Dos Autores, 2016.
A leitura do gráfico é feita no sentido da direita para esquerda, onde observa-se a diminuição do teor de umidade ao quando aumenta-se o fluxo de secagem. Nos primeiros dois pontos, o fluxo de secagem começa do zero até atingir a velocidade em regime constante. Logo após, começa-se então o regime permanente em que a velocidade tente a permanecer constante ate ocorrer a total evaporação da massa liquida na superfície atingindo o ponto de umidade critica, esta fase do processo é a mais demorada e por isso predomina no gráfico. Percebe-se uma melhor visualização do experimento com velocidade de secagem de 2,0 m/s pois este obteve uma maior eficiência e mais tempo de experimento. Há um outlayer no ponto de umidade 16,95% para velocidade de 2,0 m/s e outro para umidade de 47,8% para velocidade de 1,7m/s para fins de tratamento de dados e uma melhor analise, descartou-se este ponto. Esta mudança brusca pode ter ocorrido no momento da rotação do corpo de secagem que não foi feito de forma sutil., variando os dados da balanca e gerando assim um dado errôneo. Nos últimos pontos, após a fase do fluxo de secagem constante, atingiu-se o ponto de umidade critico, e então a fase de decréscimo de fluxo caracterizado pela escassez de agua na superfície descrito no gráfico anterior, novamente, ressalta-se que a melhor visualização do procedimento de 2,0 m/s, pois durou mais tempo e foi mais eficaz, tendo mais pontos para analise.
A Figura 5 demonstra o fluxo de secagem em função do tempo de experimento.
7
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900.000
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
2,0 m/s
1,7 m/s
Tempo de secagem (min)
Flux
o de
seca
gem
(kg/
(m².h
))
Figura 5 – Fluxo de secagem em função do tempo. Fonte: Dos Autores, 2016.
A análise do fluxo de secagem em função do tempo é semelhante as anteriores. Na primeira fase, marcada pelos 5 primeiros minutos aproximadamente, o fluxo aumenta até atingir o regime permanente onde começa-se a evaporação da agua superficial, estendendo-se constante até o ponto de umidade critica. Novamente a presença dos outlayers que não devem ser considerados na analise dos dados. As identificações das fases se dão da mesma forma do que no gráfico de fluxo de secagem por teor de umidade, porém lidos da esquerda para direita desta vez.
A Tabela 01 e a Tabela 02 comparam os valores de coeficiente de troca de massa e fluxo de secagem teórico e prático para os dois dias de experimento.
Tabela 01 – Comparação do coeficiente de transferência de massa, teórico e experimental nos dois dias de experimento. Fonte: Dos Autores, 2016.
Analisando as tabelas, nota-se que o fluxo de secagem para o primeiro dia de experimento é aproximadamente o dobro do que no segundo dia de experimento teoricamente. Sabe-se por vez, que o coeficiente de transferência de massa sofre influencia dos valores de fluxo de secagem, uma vez que, quanto maior o fluxo, maior a massa de água evaporada, e então, maior a transferência de massa
9
associada, desta forma aumentando-se o coeficiente de transferência. Nota-se também, que para o experimento 1 mediu-se dois pontos a mais, sendo que os dois últimos apresentam queda de transferência de massa, principalmente no ultimo, evidenciando a taxa descendente em que o solido não tem mais uma película uniforme de agua ao redor do corpo. Esta queda também é verificada no experimento dois, porém menos evidente e não pode-se afirmar com total certeza de que é uma fase de taxa descendente, uma vez que a queda é menos acentuada. As diferenças de umidades dos bulbos dos dois dias também altera o coeficiente de transferência de massa, sendo que no segundo dia de experimento, a umidade do ar era maior, permitindo uma menor absorção de água pelo ar, saturando-o de forma mais rápida.
5. CONCLUSÃO
Foi possível, oberservar e entender os fenômenos de transferência de massa que envolvem a operação unitária de secagem na pratica, para os dois dias de experimento, onde percebe-se que as condições do ambiente influenciam na qualidade da secagem, bem como parâmetros de processo como o fluxo do ar secante.
As fases típicas de uma secagem foram identificadas de forma mais evidente para o experimento do dia 1, onde, no gráfico de teor de umidade com relação ao tempo, a fase inicial até atingir o fluxo constante de secagem não foi tão perceptível, talvez, por que esta etapa acontece de forma rápida segundo a literatura, e uma medida com intervalos grandes como feito no experimento tenha ocultado esta verificação, porem identificou-se a fase de taxa de secagem constante e de taxa descendente, tornando a curva de secagem mais rica e enaltecendo o sucesso do experimento. Para o dia 2, foram medidos menos pontos devido ao menor tempo de experimento, porém, é possível notar as diferenças na eficiência de secagem quando um fluxo de gás menos constante é empregado.
Por fim, compreendeu-se que para evaporação da água superficial, o calor cedido é o necessário para evaporar a quantidade de água, e para a evaporação da agua retida no solido, esta agua precisa difundir até a superfície para depois trocar calor com o gás, sendo assim, uma maior quantidade de calor é envolvida.
6. REFERÊNCIAS
COSTA, E.C. Secagem Industrial. 1 ª edição. Editora Blucher, São Paulo, Brasil. 2011. 177p.
FOUST, A. S.; WENZEL, L.A.; CLUMP, C.W., MAUS, L.; ANDERSEN, L.B. Princípios das Operações Unitárias. 2ª Edição. Editora LTC. Rio de Janeiro. Brasil. 1982. 670p.
PERRY, Robert H.; CHILTON, Cecil H. Chemical Engineers' Handbook. 8 ed.McGraw-Hill Companies, Kansas, USA. 2008. 2735 p.
10
PARK, K.J.; YADO,M.K.M.; BROD; F.P.R. Estudo de secagem de pêra Bartlett (Pyrus sp.) em fatias. Ciência e Tecnologia de Alimentos, Campinas, v.21, n.3, 288-292, Set/Dez., 2001.
WELTY J.R., WICKS C.E., WILSON R.E. & RORRER G. Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer. 5ª Edição. Editora: John Wiley & Son. Nova York. 2008. 711p.
7. SUGESTÕES
Intervalos de medição menores para a primeira etapa de experimento, a fim de obter uma curva de secagem onde a identificação do regime transiente torne-se mais evidente.
