UNIVERSIDADE FEDERAL DE SO JOO DEL REI

Laboratrio de Engenharia de Bioprocessos II

Secador de Bandejas

Camila Benini Silva Fernanda Lorena G.B. Mares Gabriela Silveira dos Santos

Mrio Srgio Loreno

Ouro Branco,

Abril de 2015

CAMILA BENINI SILVA, FERNANDA LORENA G. B. MARES, GABRIELA

SILVEIRA DOS SANTOS, MRIO SRGIO LORENO

Secador de Bandejas

Relatrio apresentado ao curso de

Engenharia de Bioprocessos na disciplina

Laboratrio de Engenharia de

Bioprocessos II sob responsabilidade dos

professores Boutros Sarrouh e nio de

Oliveira.

Ouro Branco,

Abril de 2015

1. INTRODUO

A secagem a operao de remoo de gua, ou de qualquer outro lquido de

um material pela evaporao. A tcnica constitui no aumento da temperatura do ar que

diminui a sua umidade e o torna capaz de absorver a umidade disponvel em outros

corpos. O teor de umidade do material acompanhar a diminuio de umidade do ar

quando so submetidos a uma corrente de ar (quente), tendendo ao equilbrio

higroscpico [1].

O processo de secagem utiliza ar quente para a transferncia de calor para o

alimento e consequentemente a vaporizao da gua contida alimento ocorre. A

capacidade do ar de eliminar a gua de um alimento depende, principalmente, de sua

temperatura e de sua umidade relativa e a secagem pode ocorrer presso atmosfrica

ou presso reduzida em equipamentos conhecidos como secadores a vcuo. A

psicometria o estudo que avalia as relaes existentes entre ar e vapor de gua [2].

Duas temperaturas so definidas para o ar: temperatura de bulbo seco e

temperatura de bulbo mido. O ar seco composto por uma mistura de nitrognio,

oxignio e outros gases em menor concentrao. Essa mistura se mantm homognea na

fase gasosa para uma grande faixa de temperaturas e presses, para as quais h

habitabilidade no planeta. O ar mido aquele que alm da mistura anterior apresenta

vapor d'gua, que facilmente pode saturar dentro da faixa de temperaturas ambiente, e

consequentemente condensar. A temperatura do bulbo seco a temperatura do ar

medida por um termmetro de bulbo e a temperatura do bulbo mido o vapor de gua

est em equilbrio com a gua lquida, temperatura na qual esse equilbrio se estabelece

[2, 3].

H uma quantidade mxima de vapor dgua que o ar pode conter em

determinada temperatura, essa chamada de umidade relativa (UR) a qual definida

como a razo entre a presso parcial do vapor d`gua e sua presso de saturao sobre

uma superfcie com gua lquida, calculada para a mesma temperatura do gs. Outra

forma de umidade existente a umidade absoluta (UA), expressa, pela razo entre a

massa de vapor d'gua pelo volume unitrio de mistura de ar, dado em gramas de vapor

por metro cbico de ar (g/m). A umidade relativa do ar a quantidade de gua contida

no ar em relao que ele poderia conter se estivesse saturado [1, 4].

No diagrama psicromtrico (Figura 1), relacionam-se temperatura de bulbo seco,

temperatura de bulbo mido, umidade absoluta e umidade relativa do ar a uma presso

de 101,325 kPa. A anlise psicromtrica utilizada para o dimensionamento de

sistemas, o diagrama psicromtrico relaciona temperatura, humidade, densidade e

entalpia; permitindo analisar a variao de energia envolvida na mudana das

caractersticas fsicas do ar mido [1].

Figura 1. Carta psicromtrica com presso atmosfrica de 101,325kPa.

Quando uma etapa de secagem faz-se necessria, deve escolher um secador

adequado que se integre no processo como um todo. O modelo mais simples de secador

o secador de bandeja, utilizado para operaes descontnuas, de pequena escala, e

secagem de substncias granulares ou para peas separadas. Esse equipamento consiste

basicamente de uma cmara com isolamento trmico, com sistemas de aquecimento e

ventilao do ar onde o material a ser seco colocado em bandejas ou tabuleiros, as

quais podem ter o fundo inteirio, com ar circulando entre o topo de uma e o fundo da

que fica em cima, ou podem ter o fundo telado circulante sobre as bandejas e atravs

das bandejas, que ficam em uma base fixa. O ar aquecido circula por meio de

ventiladores e o sistema permite uma circulao de ar para conservao do calor e o

controle da temperatura feito por meio de um termostato [5]

O secador de bandeja tambm pode ser encontrado com operao vcuo, o que

possibilita a utilizao de temperaturas mais baixas para a secagem de produtos

termosensveis ou facilmente oxidados com o calor. As operaes de secagem so

controladas com simplicidade e modificam-se facilmente, de modo que o secador

especialmente apropriado para operaes de laboratrio ou para a secagem de materiais

que exigem modificaes das condies de secagem medida que o processo avana

[5].

2. OBJETIVOS 2.1. Objetivos Gerais

Acompanhar experimentalmente o processo de secagem de duas amostras em

secador de bandejas, utilizando o algodo como matria prima. Sendo que uma das

amostras apresenta ambas as faces livres para secagem e a outra amostra somente uma

face.

2.2. Objetivos especficos Determinar dados da cintica de secagem;

Construir as curvas de secagem.

3. MATERIAIS E MTODOS Inicialmente foi medido com o auxilio de uma rgua, a rea de secagem, regio

contato do algodo e o ar, das duas amostras. Em seguida, pesou-se a massa seca de

cada uma. O algodo foi colocado em espao reservado na bandeja de acrlico mvel

(do aparato experimental) e pesaram-se as duas massas do conjunto. Em seguida, com

uma pipeta, umedeceu-se cada uma com 10mL de gua e pesou-se novamente.

O aparato experimental composto estruturalmente por um soprador de rotao

varivel, resistncia eltrica, termmetros de bulbos secos e midos antes e depois da

resistncia eltrica, bandejas mveis de acrlico com reas de contato diferentes e

estrutura tubular que sustenta as bandejas (por onde flui o ar).

Colocaram-se as bandejas com as amostras no aparato, ligou-se o soprador e a

resistncia. Analisaram-se as temperaturas nos termmetros de bulbo seco e mido

antes da resistncia. E tambm dos termmetros (bulbo seco e mido) depois da

resistncia. No final da estrutura tubular, que sustenta as bandejas, mediram-se em cinco

pontos da estrutura a velocidade do ar de secagem utilizaram-se um anemmetro

(calculou-se a mdia dessas cinco velocidades). Mediram-se a rea do duto onde

desloca o fluido, e a partir desta calculou-se a vazo do ar de secagem. Ocorreram-se

sucessivas medies das massas das bandejas a cada perodo de 5 minutos.

4. RESULTADOS E DISCUSSO Para a obteno da cintica de secagem alguns dados foram medidos. Os dados

podem ser observador na tabela 1.

Tabela 1- Dados necessrios para a obteno das curvas de secagem.

Dados necessrios Valores obtidos

Temperatura de bulbo seco (antes da

resistncia) 23C

Temperatura de bulbo mido (antes da

resistncia) 21,5C

Temperatura de bulbo seco (depois da

resistncia) 33C

Temperatura de bulbo mido (depois da

resistncia) 32,5C

Velocidade do ar de secagem 7,28 m/s

Vazo do ar de secagem 0,16 m3/s

rea do duto onde se coloca a amostra 0,225 m2

Massa seca de algodo Face nica = 5,38g

Dupla face = 4,37g

Massa da bandeja de uma face 516,41 g

Massa da bandeja de duas faces 458,59 g

reas de contato do algodo e o ar Face nica = 0,015 m2

Dupla Face =0,03 m2

Presso atmosfrica em Ouro Branco - MG 0,8814 atm = 89.310Pa

Aps a coleta dos dados, iniciou-se o processo de secagem. Com os dados

obtidos na prtica calculou-se a umidade do slido (X) e a taxa de secagem (R) de

acordo com as equaes abaixo. Os resultados obtidos so mostrados na tabela 2 e 3.

= = .

Para o clculo da taxa de secagem necessrio o conhecimento das reas dos

algodes utilizados. As reas foram: 0,015 m2 para a bandeja face nica e 0,03 m2 para

a bandeja de duas faces.

Tabela 2 Cintica de secagem para a bandeja de face nica.

Tempo

(min.)

Massa mida

(g)

X

(g de gua

evaporada/ g de

massa seca)

Quantidade

de gua

evaporada

(g)

R

(g/min.m2)

0 14,32 1,66 0 0,00

5 12,92 1,40 1,4 18,67

10 11,63 1,16 2,69 17,93

15 10,34 0,92 3,98 17,69

20 9,1 0,69 5,22 17,40

25 7,76 0,44 6,56 17,49

30 6,32 0,17 8 17,78

35 5,28 0 9,04 17,22

40 4,66 0 9,66 16,10

45 4,41 0 9,91 14,68

50 4,09 0 10,23 13,64

55 4,03 0 10,29 12,47

60 3,94 0 10,38 11,53

A partir desses dados obtidos na tabela 2 observou-se que a secagem da amostra

da bandeja de face nica ocorreu em aproximadamente em 50 minutos. Nos primeiros 5

minutos o perodo que apresenta a maior taxa de secagem. Porque quando comparado

com a curva de cintica de secagem (figura 2) este trecho corresponde ao Perodo 0

que o perodo de se entrar em regime operacional. Ocorrendo elevao da temperatura

da amostra, ocasionando aumento da presso e da velocidade de secagem. No perodo

de 10 a 35 minutos ocorreu uma taxa de secagem aproximadamente constante. Devido a

isso, relaciona-se este trecho ao Perodo 1 (grfico de cintica de secagem). Neste

momento a secagem ocorre como que se fosse de agua pura evaporando. Este momento

de secagem constante dura ate que a agua provida superfcie seja to rpida quanto a

evaporada. O momento seguinte (35 a 60 minutos) o perodo de taxa decrescente de

secagem (Perodo 2). Neste, a gua fornecida a superfcie diminui e progressivamente

reduz a presso parcial de vapor da gua na superfcie at que a amostra entre em

equilbrio com o ar.

Figura 2. Curva padres de secagem de amostra para comparao dos resultados

obtidos.

Nota-se na tabela 2 que devido a umidade existente no algodo antes do inicio

da pratica a quantidade total de gua evaporada foi superior a adicionada. Os valores de

de umidade a partir do minuto 35 foram zeradas por apresentarem valores negativos.. A

partir desses dados construram-se os seguintes grficos (figuras 3 e 4).

Figura 3: Grfico da umidade em funo do tempo para a bandeja face nica.

Observando-se esse grfico de curva tpica de secagem pode-se dizer no inicio

do processo a temperatura do algodo menor que a temperatura do ar aquecido e o

calor que transferido para ele maior do que o retirado na evaporao. No perodo de

10 a 35 minutos, aproximadamente, pode-se dizer que o perodo de taxa constante

(citado anteriormente) e a temperatura do algodo igual a do ar aquecido, possui

velocidade de secagem inalterada e o calor transferido para a superfcie de secagem do

algodo praticamente por conveco. Aps este perodo comea a taxa decrescente de

secagem, que ocorre quando a umidade da amostra atinge o valor de umidade critica.

No momento mais prximo ao final do processo a zona em que o fluxo interno de

gua controla a secagem.

Figura 4: Grfico da taxa de secagem em funo da umidade para a bandeja face nica.

A figura acima coincide com uma clssica curva de secagem de amostra. Onde

no inicio representa o inicio do processo, que ocorre equilbrio da temperatura do

algodo com o ar aquecido. Em seguida, de 1,4 a 0 (gramas de gua evaporada/ gramas

de massa seca) o perodo de taxa de secagem constante. E por fim, o momento de

secagem decrescente ate que se atinja a umidade critica.

Tabela 3 Cintica de secagem para a bandeja de face dupla.

Tempo

(min.)

Massa mida

(g)

X

(g de gua

evaporada/ g

de massa seca)

Quantidade

de gua

evaporada

(g)

R

(g/min.m2)

0 15,36 2,51 0 0,000

5 14,3 2,27 1,06 0,707

10 13,2 2,02 2,16 0,720

15 12,15 1,78 3,21 0,713

20 10,85 1,48 4,51 0,752

25 10,08 1,31 5,28 0,704

30 8,81 1,02 6,55 0,728

35 7,97 0,82 7,39 0,704

40 6,96 0,59 8,4 0,700

45 6,08 0,39 9,28 0,687

50 5,47 0,25 9,89 0,659

55 5,19 0,19 10,17 0,616

60 4,64 0,06 10,72 0,596

J com a anlise dos dados obtidos atravs da tabela 3, pode ser observado que a

secagem da amostra da bandeja de face dupla ocorreu aproximadamente em 52 minutos.

Ressaltando que nos primeiros 5 minutos foi o perodo que apresentou a maior taxa de

secagem.

A taxa de secagem ocorreu praticamente constante no tempo de 10 a 30 minutos.

E o momento seguinte, 30 a 60 minutos, foi o perodo de taxa decrescente de secagem,

onde presso parcial de vapor da gua na superfcie da amostra entra em equilbrio com

o ar. Os valores de massa mida se reduzem devido o processo de secagem ser eficiente.

A partir desses dados construram-se os seguintes grficos (figura 5 e 6).

Figura 5: Grfico da umidade em funo do tempo para a bandeja face dupla

.

Atravs da anlise do grfico acima pode-se observar que a partir do tempo de

30 minutos a taxa de secagem comea a decrescer, ocorre quando a umidade da amostra

atinge o valor de umidade crtica. Evidencia o fato do processo de secagem para bandeja

face dupla ser mais eficiente do que o de face nica.

Figura 6: Grfico da taxa de secagem em funo da umidade para a bandeja face dupla.

Como tambm discutido no grfico da taxa de secagem em funo da umidade

para a bandeja face nica (figura 4), a curva acima de secagem (figura 6) apresentou um

perfil prximo ao esperado pelas curvas tradicionais de secagem. No incio do processo

ocorre equilbrio da temperatura do algodo com o ar aquecido. Em seguida no perodo

de 2,25 a 0 (gramas de gua evaporada/ gramas de massa seca) o perodo de taxa de

secagem constante. E por fim, ocorre o momento de secagem decrescente ate que se

atingindo a umidade critica.

possvel utilizar ainda outro parmetro para se correlacionar empiricamente os

resultados obtidos. Esse parmetro pode ser o coeficiente de transferncia de calor por

conveco ou o coeficiente convectivo. Os efeitos convectivos provocados pelas

correntes de ar afetam diretamente a velocidade do processo de secagem. Este

coeficiente pode ser calculado pela equao abaixo:

= ;=>?>A >?

onde,

Rc = Taxa de umidade crtica; =>?= Calor latente na temperatura de bulbo mido; Tbu = Temperatura do bulbo mido;

Tbs = Temperatura do bulbo seco.

A taxa de umidade crtica (;) obtida a partir das Figuras 4 e 6 . O calor latente foi calculado fazendo interpolao com os dados retirados da Tabela 4.

Tabela 4. Calor latente da gua.

Temperatura (C) 0 597,2

10 591,6

20 586,0

30 580,4

40 574,7

50 569,0

Os valores de obtidos para as bandejas de face simples e dupla so, respectivamente: 203,33 e 114,36

O;PQRSTU. O coeficiente de transferncia de calor por conveco indica o movimento de um

fluido causado por foras de flutuao que resultam das variaes de densidade devido a

variaes de temperatura no fluido. Quando a massa do lquido est em contato com

uma superfcie quente, suas molculas separam-se e tornam-se dispersas, fazendo com

que a massa de fluido se torne menos densa. Neste experimento trata-se de uma

conveco forada, ou seja, um processo convectivo onde as correntes convectivas so

conduzidas artificialmente. Teoricamente o valor do coeficiente mostra qual a

quantidade de energia necessria para elevar em um grau centigrado a temperatura de

um mililitro de gua por hora de uma determinada rea e temperatura.

Os resultados obtidos revelam tambm que a quantidade de energia requerida

para elevar em um grau centigrado a temperatura de um mililitro de gua por hora de

uma determinada rea e temperatura menor para a bandeja de face dupla em

aproximadamente 56% comparando-se a bandeja de face simples.

5. CONCLUSO Conclui-se que a partir de todos os dados e grficos obtidos o processo de secagem

ocorreu de forma eficiente. Quando comparado com o experimento de secagem por

conveco natural em estufa, a secagem em bandejas ocorreu de forma muito mais

eficiente em um menor perodo de tempo, necessitando-se de aproximadamente 50

minutos para concluir a secagem. O outro experimento necessitou de 143 minutos e no

chegou a concluir o processo. Dentre os dois mtodos utilizados (bandeja com face

nica ou dupla) pode-se dizer que o de dupla face apresentou eficincia melhor que a

outra por possuir o dobro de rea de contato da amostra com o ar quente.

6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

[1] ZEMPULSKI, M. F., Equipamentos e processos de secagem. Instituto de

Tecnologia do Paran TECPAR. Curitiba, 2007.

[2] PARK, K. J., Conceitos de processo e equipamentos de secagem. Campinas,

2007.

[3] SCHNEIDER, P. S., Termometria e Psicrometria. Universidade Federal do Rio

Grande do Sul. Porto Alegre, 2012. Disponvel em:

acessado em: 17/04/2015.

[4] CELESTINO. S. M. C. Princpio de secagem de alimentos. Planaltina: DF.

Embrapa. Cerrados, 2010. 51p.

[5] ZEMPULSKI, M. F. S.; NELSON, L. Dossi tcnico Equipamentos e processos

de secagem. Servio Brasileiro de Respostas Tcnicas, 2007. Disponvel em:

, Acesso em:

17/04/2015.