SECAGEM DE PRODUTOS AGRÍCOLAS

Introdução a Secagem

♦ A secagem industrial e a operação, pela qual e retirada a umidade contida nosdiversos materiais.Em muitos casos no processo de secagem, dependendo da temperatura do processo, sao arrastados junto com a umidade, vapores diversos.

♦ A secagem é uma das operações industriais mais usadas na pratica, tanto para acabamento final ou equilibrio da umidade propria dos diversos materiais processados com o ar ambiente, como e o caso das madeiras e seus derivados, das borrachas, dos couros, dos plasticos, da celulose e seus derivados, etc., como para sua melhor conservacao como e o caso dos cereais, dos alimentos e dos materiais pereciveis de maneira geral.

♦Embora não seja a única, a água é a principal substância volátil que se deseja remover de sólidos em processos industriais.

Introdução a Secagem

♦ A maioria dos produtos agrícolas é colhida com teores de umidade superiores ao recomendado para uma armazenagem segura. A secagem visa remover esse excesso de umidade. É um processo que envolve transferência de calor e massa entre o produto a ser secado e o ar usado na secagem.

♦ Para que os mecanismos pelos quais a água (umidade) é removida de um material possam ser compreendidos e analisados, é necessário que se conheça as propriedades do agente de secagem (gás) e do material em secagem que influenciam diretamente o processo de remoção. Os agentes de secagem mais comumente utilizados são o ar úmido e misturas de ar úmido com gases de combustão.

A secagem tem efeito direto na qualidade do produto, se for mal conduzida pode causar a deterioração do produto ou reduzir a qualidade do produto, tornando-o mais susceptível à quebra ou diminuindo o rendimento do produto nas etapas de processamento.

Introdução a Secagem

A secagem ou a desidratação geralmente são conseguidas pela remoção da umidade, mas qualquer método que reduza a quantidade de água disponível em um alimento e uma forma de secagem.

Assim, por exemplo, os peixes podem ser excessivamente salgados de modo que a água é removida de seus tecidos e retirada pela salmoura formada, tornando-se indisponíveis aos microrganismos. O açúcar também pode ser adicionado, como no leite condensado, para reduzir a quantidade de água disponível. A água pode ser removida dos alimentos por vários métodos, desde as praticas milenares de secagem ao sol, até os mais sofisticados métodos utilizados na atualidade.

Durante a secagem consome-se muita energia. Para remover cada kilograma de água do produto geralmente se consome entre 4000 e 5000 kJ de energia, existem secadores em que esse consumo pode superar 8000 kJ de energia por kg de água evaporada. Quando se colhe o produto com elevado teor de umidade, o consumo de energia só na etapa de secagem pode se consumir 60% de toda energia usada na produção do grão.

Secagem

Outro ponto importante a considerar é que os equipamentos usados para a secagem apresentam elevado custo inicial. No caso da secagem de grãos, o problema se agrava porque os equipamentos são usados por muito pouco tempo, na maior parte do ano o equipamento fica parado, o que torna os custos fixos muito elevados.

Como é natural,a espessura controla o grau de secagem e,por isso,o teor final de umidade.Estes fatores assumem grande importância,pois em geral o sólido seco é o produto valioso.

A sua forma,cor,estabilidade e textura fixam o seu valor de venda e dependem do processo de secagem a qual foi submetido.

Conceitos importantes no processo de Secagem

Conceitos

A pressão parcial de vapor, na situação de equilíbrio, é uma caracteristica de cada liquido a uma determinada temperatura e pressão externas. Essa pressão é denominada pressão de vapor. Quando um soluto é adicionado a um líquido puro, a razão em que as moléculas se desprendem da fase líquida e passam para a fase gasosa será menor, com a consequente redução da pressão de vapor da solução.Quantidade de água removida durante a secagem

Pressão parcial de vapor

Na Figura 1 é apresentado um esquema da composição de uma massa de grãos, representada apenas como formada por água e matéria seca.

Conceitos

em que,Ubu = teor de umidade, em base úmida, %;mH2O = massa de água contida no produto, kg;mt = massa total do produto, ou seja, a soma da massa de matéria seca com a massa de água, kg.

O teor de umidade em base seca é a relação entre a massa de água contida no produto e a massa de matéria seca:

O teor de umidade dos produtos pode ser expresso tanto em base úmida como em base seca. O teor de umidade em base úmida é a relação entre a massa de água e a massa total de produto:

em que,

Ubs = teor de umidade, em base seca, decimal;

mms = massa de matéria seca, kg.

É comum se expressar o teor de umidade, em base úmida, em porcentagem, uma vez que é uma variável cujo valor está entre 0% e 100%. Já o teor de umidade em base seca é geralmente expresso em decimal, uma vez que essa variável pode ter valores entre zero e infinito e, portanto, não faz sentido expressar os valores em porcentagem. Para converter o teor de umidade de base úmida para base seca ou vice-versa pode-se usar as seguintes equações:

A quantidade de água removida durante o processo de secagem é calculada em função dos teores de umidade inicial e final e da massa de produto inicial. A massa de água e a massa de matéria seca contida inicialmente no produto podem ser determinadas por:em que,

mH2Oi = massa de água inicial contida no produto, % b.u.;Ui = teor de umidade inicial, % b.u.;mti = massa inicial total do produto, kg;msi massa inicial de matéria seca do produto, kg.

e

A massa de água contida no produto após a secagem pode ser determinada por:

em que,

mH2Of = massa de água final contida no produto, % b.u.;

Uf = teor de umidade final, % b.u.;

mtf = massa final total do produto, kg;

msf massa final de matéria seca do produto, kg.Assumindo que durante a secagem, apenas água seja removida, a quantidade de matéria seca se mantém constante durante o processo, assim tem-se que:

msf msiDessa forma, pode-se dizer que:

A quantidade de água removida durante a secagem pode ser calculada por:

Lei de Conservação da Massa

Todo o processo de secagem envolve fluxos massicos para dentro ou para for a de equipamentos de secagem. Dessa forma, a equacao de conservacao de massa estabelece um procedimento de analise de tais fluxos, para que eles possam ser analisados e contabilizados. A equação da conservação de massa ou balanco de massa para um volume de controle qualquer possui a seguinte forma:

Em sistemas de secagem onde o ar e o fluido secante a equação de balanço de massa deve tanto ser aplicada para o fluxo de ar totalmente seco, quanto para o fluxo de agua (no estado liquido ou no estado de vapor).

Balanço de Massa para o Ar Seco

Considerando a vazão em regime permanente, a equação de balanço de massa para o ar seco fica:

Balanço de Massa de Água

A água, contida no ar seco em forma de vapor, originando o ar úmido, tem seu balanço de massa na entrada e na saida definido como:

Lei da Conservação da Energia

A equação de balanço de energia aplicada a um volume de controle qualquer possui a seguinte forma:

Uma corrente de ar umido pode receber ou ceder água. Este termo deve ser acrescido a equação, ficando:

Equação do Balanço de Energia do Ar Úmido

Considerando o sistema em regime permanente, a derivada temporal e nula, e admitindo que a energia cinética e potencial seja desprezivel, a equação balanço toma a seguinte forma:

Parâmetros Psicrométricos

No estudo da secagem varias são as analises que utilizam a psicrometria. Podemos citar a análise da taxa de evaporação da água, o cálculo da vazão de ar, a eficiência de secagem e outros.

Umidade Específica

A umidade especifica é um dos conceitos mais utilizados na análise psicrométrica. Equações de balanço de massa do ar úmido são escritas em função da umidade especifica entre outras.

Define-se umidade especifica como sendo a razão entre a massa de vapor d’água e a massa de ar seco presente em uma mistura:

O ar atmosférico pode ser tratado como uma mistura de gases perfeitos cuja pressão e dada pela mistura de gases perfeitos, cuja pressão e dada pela soma das pressões parciais. Consideremos então o ar atmosférico como uma mistura entre o ar seco e o vapor d’água cuja pressão e dada por:

Como estamos considerando gases perfeitos:

Combinados as 3 equações chegamos a seguinte equação:

(a)

Ponto de Orvalho

A temperatura de orvalho é a temperatura correspondente ao ponto de início da condensação do vapor d’água contida no ar úmido, quando se dá um processo de resfriamento a pressão constante.

Quando o ar está saturado, ele não tem mais capacidade de absorção de água, logo o ar possui umidade relativa de 100 % para esta temperatura. Se diminuirmos a temperatura do ar úmido (por exemplo, em contato com uma parede fria) mantendo a pressão constante, ocorrerá a condensação do vapor. A temperatura de orvalho pode ser calculada por:

Nesta equação, o valor de Pv tem que estar em milibar e T0 e calculado em °C.

(b)

Temperatura de Bulbo SecoA temperatura de bulbo seco e a temperatura de mistura medida com umtermômetro.

Psicrômetro e Temperatura de Bulbo Úmido

O psicrômetro é um aparelho constituído por dois termômetros idênticos colocados um ao lado do outro, que serve para avaliar a quantidade de vapor de água contido no ar. A diferença entre os dois termômetros é que um deles trabalha com o bulbo seco e o outro com o bulbo úmido. Esse dispositivo é muito utilizado para a determinação do ponto de orvalho e da umidade relativa do ar.

O termômetro de bulbo úmido tem o bulbo coberto por uma malha porosa (geralmente de algodão), que fica mergulhada num recipiente contendo água destilada. Esta malha fica constantemente úmida devido ao efeito de capilaridade.

O sistema entra em regime permanente, pois o ar corrente fornece o calor necessário a evaporação da água. A temperatura estabilizada neste termômetro é denominada temperatura de bulbo úmido. Com as temperaturas de bulbo seco e de bulbo úmido podemos determinar a pressão parcial do vapor d’água, o ponto de orvalho e outros parâmetros psicrométricos.

O seu resfriamento é diretamente proporcional à secura do ar. Quanto mais seco o ar, maior o resfriamento. Portanto, quanto maior a diferença entre as temperaturas de bulbo úmido e de bulbo seco, menor a umidade relativa; quanto menor a diferença, maior a umidade relativa. Se o ar está saturado, nenhuma evaporação ocorrerá e os dois termômetros terão leituras idênticas.

Note-se que a temperatura de ponto de orvalho não deve ser confundida com a temperatura de bulbo úmido. Elas não são iguais. A temperatura de bulbo úmido é determinada induzindo-se resfriamento por evaporação. Adicionando-se vapor d’água ao ar aumenta a temperatura na qual o orvalho se formará. Conseqüentemente, exceto na saturação, a temperatura de bulbo úmido é maior que a de ponto de orvalho. Quando o ar está saturado, a temperatura de bulbo úmido, de ponto de orvalho e do ar ambiente são as mesmas.

A evaporação da água contida na malha envolvente retira calor do bulbo, fazendo com que o termômetro de bulbo úmido indique uma temperatura mais baixa do que a do outro termômetro, que indica a temperatura ambiente. A temperatura de bulbo úmido cai, devido ao calor retirado para evaporar a água.

Umidade (ou saturação) Relativa, :

Diagrama T x s para o ar

A umidade relativa é a razão entre a quantidade de vapor de água existente em um certa massa de ar e aquela que ele teria se estivesse saturado à mesma temperatura. Logo, também é a razão entre Pv e Ps

(t) .

Umidade Relativa

E a razão entre a fração molar do vapor d’água presente na mistura xv e afração molar que o vapor d’água teria se a mistura estivesse saturada xvs, a mesma temperatura.

O valor vapor d’água presente em uma mistura e a pressão de vapor d’água saturado representa a máxima quantidade de vapor d’água que pode estar presente a certa temperatura. Então podemos definir como umidade relativa a razão entre a quantidade de vapor d’água pela máxima quantidade que a mistura pode ter na mesma temperatura. A pressão do vapor d’água saturado pode ser calculada pela equação de Clapeyron:

E a pressão parcial do vapor d’água é encontrada pela equação de Carrier

Onde (A) é a constante do psicrômetro, T a temperatura de bulbo seco e Tbu a temperatura de bulbo úmido, ambas fornecidas em oC. Nas 2 equações anteriores as pressões são dadas em Pascal. Combinando a equação (a) com (b) resulta em:

Onde P e a pressão normal ou pressão atmosférica e pode ser facilmente medida com um barômetro. A última equação é mais prática de ser utilizada sendo que a pressão de saturação função somente da temperatura.

Tabelas foram montadas para obter tanto a umidade relativa como a temperatura do ponto de orvalho (tabelas 1 e 2). É necessário apenas registrar a temperatura do ar (bulbo seco) e calcular a diferença entre as Tbulbo seco e Tbulbo úmido, que é conhecida como depressão de bulbo úmido. Por exemplo, se a temperatura de bulbo seco é Td = 20 C e se a de bulbo úmido é Tw = 15 C, a depressão de bulbo

úmido, Td - Tw, é 5 C e da Tab. 5.2 obtém-se uma umidade relativa de 58%. A Torvalho, da tab. 2, é 12 C.

Tabela 1 Tabela 2

Embora existam fórmulas teóricas e empíricas relacionando tais parâmetros, na prática é muito usado um gráfico denominado diagrama psicrométrico. A Figura abaixo mostra o esquema, simplificado e apenas ilustrativo, de um diagrama psicrométrico com somente 3 parâmetros. Os diagramas práticos contém todos os citados e outros como entalpia da mistura.

O diagrama permite a determinação gráfica de todos os parâmetros dispondo-se dos valores de apenas dois e outros cálculos como o resultado da mistura de duas correntes de ar.

A Carta Psicrométrica:

Entalpia

Temperatura BU

Umidade Absoluta

Tem

per

atu

ra d

e

BS

Volum

e

Específico

Linha

de

Satura

ção

Na torre de resfriamento, o contato direto entre água e ar produz duas parcelas de troca de calor: a sensível devido ao aumento de temperatura do ar e a latente devido à evaporação da água.Considera-se uma torre de resfriamento ideal. Nela, não há troca através das paredes e o ar evapora o máximo possível de água, isto é, na saída ele tem a máxima quantidade de vapor d'água que pode conter, significando que está saturado.

No diagrama abaixo, estão indicadas as variações das condições térmicas do ar ao passar pela torre ideal. Na entrada, ponto E, ele está nas condições do ambiente. Na saída, ponto S, ele está saturado (umidade relativa 100%).O de entalpia Δh corresponde à quantidade total de calor trocado com a água. O Tbulbo seco ΔT é devido à parcela de calor sensível trocada e o aumento de umidade absoluta Δum, à parcela de calor latente removido da água.

Aspectos Básicos de Secagem

A secagem tem a finalidade de eliminar um liquido volátil contido num corpo não volátil, através da evaporação. A secagem e a operação na qual a atividade da água de um material e diminuída pela remoção da água, através de vaporização. Durante a secagem é necessário um fornecimento de calor para evaporar a umidade do material e também deve haver um sorvedor de umidade para a remoção do vapor d’água formado a partir da superfície do material seco.

A Figura abaixo mostra o esquema do processo de secagem.

Este processo fornece de calor da fonte quente para um material úmido quepromovera a evaporação e em seguida a transferência de massa arrastara o vapor formado.

Mecanismos de Migração de Umidade

A migração da água do interior de um meio poroso, por exemplo, um tecido, ate a superfície e analisada pelos mecanismos de transferência de massa, que indicara a dificuldade de secagem nos materiais. Durante a secagem, para que haja a evaporação da água da superfície do alimento, a água deve ser transportada do interior do alimento ate a superfície. A Figura abaixo representa a migração de umidade.

Os mecanismos mais importantes que representam a figura acima são:

• A difusão da água liquida ocorre devido a existência de uma diferença de concentração;• A difusão do vapor ocorre devido a diferença de pressão do vapor, causado pelo gradiente de temperatura. O vapor também pode difundir por diferença de concentração.

Devemos lembrar que todas as considerações, tais como, conteúdo de umidade do alimento, conteúdo final de umidade do alimento (umidade de equilíbrio) e o transporte de água do interior a superfície do alimento, servem para fundamentar o fenômeno de secagem. Entretanto ainda não conseguimos estabelecer uma única relação teórica que possibilite a generalização do processo de secagem

Velocidade de Secagem

A secagem divide-se em dois períodos: secagem com taxa constante e secagem com taxa decrescente.

Secagem com Taxa Constante

Define-se taxa constante de secagem como aquela em que a evaporação da superfície liquida associada ao solido ocorre sem interferência deste ultimo. A taxa de secagem e então determinada pela taxa de difusão de vapor na superfície do material.

Neste período, as equações de transferência de calor e de massa sãoestabelecidas fazendo referencia as teorias da camada limite. As relações mais simples e que geralmente dão boa concordância com os resultados experimentais são:

- transferência de calor por convecção:

Onde A representa a área de transferência de calor e hc o coeficiente detransferência de por convecção.

- transferência de massa:

P representa a pressão da água na superfície do alimento e Pa a pressão do ar seco, ambas fornecidas em Pascal.

Durante o período de taxa constante, se desconsiderar as perdas, o calor fornecido e igual ao calor necessário para evaporar a água e pode ser calculado pela transferência de massa N e obter a taxa de secagem pela equação:

Esta última equação é geralmente mais utilizada uma vez que o coeficiente de transferência de calor é mais fácil de determinar experimentalmente do que o coeficiente de transferência de massa.

A secagem de produtos muito úmidos, com teores de umidade superiores a 75% é função de três parâmetros externos de secagem:• Velocidade do ar;•Temperatura do ar; •Umidade do ar.

O produto se comporta como se tivesse uma fina camada de água cobrindo a superfície. Se as condições de secagem são constantes, a taxa de secagem será constante.

A taxa de secagem constante de um produto biológico pode ser expressa por:

A secagem a taxa constante é encontrada em produtos em que a resistência interna ao transporte de água é menor ou igual à resistência externa à remoção de água na superfície do produto.

Na equação acima é assumido que não existe gradiente de umidade no interior do corpo exposto à secagem. É como se uma película de água estivesse cobrindo o corpo durante a secagem o corpo irá manter uma temperatura igual à temperatura de bulbo molhado.

A Pvapor no interior do produto irá se manter igual à Pvapor de saturação calculada em função da temperatura de bulbo úmido. O problema para o estabelecimento do valor da taxa de secagem constante é a determinação dos valores de hD, h’ e A devido a forma anômala da maioria dos produtos agrícolas.

O teor de umidade no qual a taxa de secagem deixa de ser constante para ser decrescente é denominado de teor de umidade crítico. Esse teor de umidade depende das características da partícula, como sua textura e forma, e das condições de secagem.

Durante o período de secagem à taxa decrescente, o produto não se comporta mais como tendo uma película de água cobrindo a sua superfície por que a resistência interna ao transporte de umidade é maior que a resistência externa. À medida que o teor de umidade do produto cai abaixo do ponto crítico, o potencial motor para o processo de secagem que é a diferença entre a pressão de vapor na superfície do produto e do ar porque a pressão de vapor na superfície do produto cai abaixo da pressão de vapor à temperatura de bulbo molhado, diminuindo a taxa de secagem.

Período de Secagem com Taxa Decrescente

Os grãos de uma forma geral não apresentam taxa constante de secagem a menos que sejam colhidos com um excesso de umidade muito grande. Outros produtos, tais como batata e beterraba, apresentam inicialmente um comportamento de taxa constante de secagem quando desidratados sob condições de ar constantes.

Além disso, um gradiente de teor de umidade se desenvolve no interior do produto e a temperatura do mesmo aumenta acima da temperatura de bulbo molhado.

A determinação da taxa de secagem de produtos higroscópicos capilares- porosos é mais complicada durante o período de taxa decrescente de secagem do que durante o período de taxa constante de secagem. Nesse período, além dos mecanismos externos de transferência (transferência de calor e massa por convecção) deve-se considerar os mecanismos de transferência interna de umidade dentro do produto (transferência decalor por condução e de massa por difusão).

Neste período a taxa de secagem é controlada pela taxa de migração do liquido até a superfície do alimento onde ocorre a evaporação. A taxa entra no período decrescente no momento em que a migração da água para a superfície do alimento diminui indicando o final de saturação de água.

O calor transferido para a superfície cai progressivamente em função do decréscimo na taxa de transferência de massa dentro do tecido, e conseqüentemente a temperatura da superfície do tecido aumenta no final da secagem. A complexidade deste período leva muitos pesquisadores a propor diferentes equações para este período da secagem.