Estado da arte acerca da secagem de produtos cerâmicos

Ao longo do tempo vários estudos e análises vem sendo validados, a fim de compreender o fenômeno da secagem em materiais cerâmicos. Dessa forma, a presente seção visa apresentar alguns destes trabalhos.

a) Secagem do bloco cerâmico: Modelagem, simulação e experimentação

Silva et al. (2011) apresentaram uma modelagem matemática tridimensional para prever o transporte de calor e massa dentro do tijolo industrial com furos retangulares durante a secagem, incluindo o encolhimento e análise de tensões termohidromêcanicas. A solução numérica da equação de difusão foi obtida pelo Método de Volume Finito, considerando propriedades termofísicas constantes e condições convectiva na superfície do sólido. Os resultados da distribuição de temperatura, teor de umidade, tensões e cinética de secagem e aquecimento são apresentados e analisados. Os resultados do teor de umidade médio e da temperatura na superfície do tijolo ao longo do processo de secagem são comparados com os dados experimentais (T = 80oC e UR = 4,6%) e uma boa concordância foi obtida. Verificou-se que as áreas próximas à superfície interna e externa (vértice) do tijolo apresenta as maiores taxas de transferência de calor e massa e maior variação de volume e tensões, portanto são áreas mais suscetíveis às rachaduras, fissuras e deformações, podendo até contribuir para a fratura total do material.

Silva et al. (2012) desenvolveram um estudo experimental de secagem de tijolos. Para os experimentos de secagem, tijolos industriais argilosos foram secos em estufa sob condições controladas de velocidade, temperatura e umidade relativa do ar. Os experimentos de secagem contínua terminaram quando a massa alcançou peso constante. Para obter o teor de umidade de equilibrio, cada amostra foi mantida sob a mesma temperatura do ar de secagem por 48 horas dentro do forno. Os testes foram realizados sob pressão atmosférica. Os resultados das cinéticas de secagem e aquecimento e variações de volume durante o processo são mostrados e analisados. Verificou-se que a temperatura do ar tem grande influência na taxa de secagem durante o processo e que os maiores gradientes de temperatura, umidade e tensão estão

localizados nos vértices do tijolo. O processo de secagem ocorre no período de taxa de secagem decrescente.

Lopez e Cortes (2013) desenvolveram um estudo sobre a transferência de umidade durante a secagem de tijolos, analisada pelos perfis de temperatura e umidade relativa que estão associados com os períodos de taxa de secagem. Descreve também, o comportamento dos perfis de umidade e o instante em que o teor de umidade crítico aparece. Os resultados mostraram que os perfis de temperatura e umidade relativa são úteis para descrever a transferência de massa durante o processo de secagem.

Almeida et al. (2013) estudaram um modelo matemático e a sua solução numérica que descreve a secagem de tijolos cerâmicos vazados em um secador industrial do tipo túnel e fluxos cruzados. O modelo baseia-se nos balanços energéticos de massa escritos por um volume diferencial situada numa posição arbitrária do material sólido e incluem a condensação de água. Foram obtidas a solução numérica das equações governantes a partir do método dos volumes finitos e o esquema de interpolação para os termos convectivos. Para validar a metodologia, os resultados numéricos e experimentais do teor de umidade e a temperatura durante a secagem do tijolo foram comparados e foi obtida uma boa correlação. Os resultados da simulação mostraram que, durante o processo de secagem, baixos gradientes de temperatura e teor de umidade, no interior do leito, foram obtidos. Isso deu-se devido ao fato de que a temperatura do ar de secagem foi aumentada gradualmente e, consequentemente, a sua umidade relativa também aumentou gradualmente no final do processo, resultando em uma secagem mais uniforme e um produto de melhor qualidade.

Almeida et al. (2014) estudaram de forma experimental a secagem de tijolos de argila. Os tijolos industriais foram secos em forno com condições controladas de velocidade, temperatura (constante e variável) e umidade relativa do ar. A secagem contínua dos tijolos terminou quando a massa atingiu peso constante. Os testes experimentais foram realizados sob pressão atmosférica. Os resultados das cinéticas de secagem e aquecimento e as variações de volume durante o processo são mostrados e analisados. Verificou-se que o processo de secagem ocorre no período da taxa de secagem decrescente, e que temperatura do ar tem grande influência na taxa de secagem durante o processo. Verificou-se que os maiores gradientes de temperatura e do teor de umidade, e as tensões estão localizados nos vértices do tijolo.

Tavares et al. (2014) apresentaram um estudo sobre a secagem de tijolos vazados industriais em um secador túnel de fluxos cruzados. O modelo teórico é baseado nas equações de conservação de energia e massa aplicadas ao ar de secagem e ao produto. Para validar a

metodologia, foram comparados os resultados numéricos com os experimentais do teor de umidade e da temperatura do tijolo e uma boa correlação foi obtida. Resultados do teor de umidade e temperatura do produto e temperatura, umidade relativa e umidade absoluta do ar de secagem em função do tempo de secagem e posição no secador foram apresentados, analisados

e comparados com dados experimentais reportados na literatura, obtendo-se uma boa concordância. Verificou-se que a secagem a temperaturas e umidades relativas moderadas obtem um produto de boa qualidade pós-secagem.

Nascimento et al. (2015) desenvolveram um estudo experimental sobre o comportamento das argilas durante o processo de secagem. Testes experimentais foram realizados com material de argila para produção de cerâmica vermelha e cerâmica branca (ball clay). Foram levadas em consideração diferentes dimensões e o teor de umidade inicial do material, além da temperatura e da umidade relativa do ar de secagem. Foram mostradas e analisadas as cinéticas de secagem e alterações de volume de amostras em forma de paralelepípedo. Verificou-se que as temperaturas do ar de secagem e a forma do corpo têm uma enorme influência na taxa de secagem. O processo de secagem ocorre durante o período de taxa decrescente de secagem e as mudanças de volume exibem dois períodos lineares.

Almeida et al. (2016) apresentaram um estudo teórico de secagem de tijolos vazados industriais em secadores túnel de fluxos cruzados. O modelo teórico é baseado nas primeira e segunda leis da termodinâmica aplicada ao sistema. Para validar a metodologia, os dados numéricos e experimentais do teor de umidade do tijolo durante a secagem (em escala industrial) são comparados e uma boa concordância foi obtida. Resultados do teor de umidade e temperatura do produto e ar, e eficiências energéticas e exergéticas são apresentados e

analisados. Eles concluiram que as condições do ar afetam o aquecimento e a perda de umidade

do tijolo cerâmico e observaram que através da eficiência energética, o secador proporciona uma grande perda de energia cerca de 90% durante o processo de secagem.

Araújo et al. (2016) fizeram um estudo térmico transiente da distribuição de temperatura em um tijolo industrial devido ao fornecimento de energia do ar quente escoando no regime turbulento sobre o mesmo. O objetivo da análise foi fornecer dados para auxiliar na otimização do processo de secagem. O estudo foi efetuado por simulação numérica do escoamento utilizando o software ANSYS® _{CFX 15.1 e os resultados transientes são exibidos através de}

campos de temperatura e velocidade do ar, e da temperatura do tijolo. Percebeu-se que, quanto maior a velocidade de escoamento do ar, maiores serão os gradientes de temperatura. Os gradientes de temperatura sobre a superfície do tijolo permanecem mesmo após 1 hora de

passagem do ar quente sobre a superfície do tijolo; a turbulência observada é muito pequena para o ar escoando paralelamente à superfície do tijolo.

Brito et al. (2016) apresentaram um estudo analítico da secagem de sólidos paralelepipédicos. Desenvolveram um modelo matemático tridimensional transiente, baseado nas Leis de Fourier e de Fick, para predizer a transferência de calor e massa que ocorre no sólido, considerando propriedades termo físicas constantes e condições de contorno de 3ª espécie (convecção). Todo o formalismo matemático e solução analítica via método de separação de variáveis das equações diferenciais parciais que compõem o modelo referenciado foram apresentadas. Para obtenção dos resultados, foi desenvolvido um código computacional no ambiente do Software Mathematica®. A aplicação foi dada a secagem de tijolos cerâmicos comuns e os resultados simulados das cinéticas de aquecimento e secagem do sólido paralelepipédico, bem como as distribuições do teor de umidade e temperatura durante o processo foram apresentados. Concluiu-se que o fluxo de umidade se dá do centro para superfície do sólido, e o fluxo de calor ocorre de forma inversa ao fluxo de umidade. Além disso, foi verificado que altos gradientes de umidade geraram tensões hídricas e que altos gradientes de temperatura geraram tensões térmicas. Segundo os autores, o controle do processo de secagem é de extrema importância pois, dependendo das tensões geradas no interior do material durante o processo, podem surgir deformações consideráveis nos produtos fabricados, aumentando assim os custos e prejuízos das empresas.

Martins et al. (2016) fizeram um estudo sobre simulação numérica referente a secagem convectiva de um tijolo de argila vermelha vazado com o emprego do software COMSOL® Multiphysics de modo a permitir uma análise do consumo e aproveitamento de energia no processo. Os resultados apresentam os campos de temperatura na peça e do escoamento do ar de secagem, além do perfil de umidade no domínio, fornecendo subsídios teóricos ao incremento de qualidade e economia na produção. A simulação levou em conta parâmetros operacionais observados na indústria. Ao final do estudo de simulação foi possível evidenciar a condição de equilíbrio para o transporte de massa e energia alcançada pelo meio poroso em relação ao ar de secagem e com isso concluir que o processo de secagem chegou ao fim.

Silva et al. (2016) analisaram o comportamento da transferência de calor e massa na secagem de sólidos vazados com forma arbitrária usando o método da capacitância global, com aplicação para a secagem de produtos cerâmicos. A solução analítica das equações governantes foi feita usando o método de separação de variáveis e foram obtidos resultados cinéticos de perda de massa e aquecimento de peças cerâmicas para diferentes condições. Observou-se que

𝑖,𝑁𝑢𝑚̇

o processo de perda de umidade ocorre a uma velocidade mais baixa do que o aquecimento do material cerâmico, devido ao fato de sua difusividade térmica ser maior do que a difusividade de massa, e que a temperatura e forma do corpo afetam fortemente os fenômenos de transporte de calor e massa.

Araújo et al. (2017) desenvolveram um estudo térmico transitório da distribuição de temperatura em um tijolo industrial, devido ao fornecimento de energia de ar quente fluindo em regime turbulento. O estudo foi realizado através de simulação numérica usando o software ANSYS® CFX. Os resultados transitórios foram exibidos em termos de campos da temperatura e velocidade do ar, e temperatura do tijolo. Os autores concluiram que, quanto maior a velocidade do ar quente, mais rápido o calor se difunde no tijolo, independente da velocidade do ar, há gradientes de temperatura na superfície do tijolo.