Secagem Convectiva

O processo de secagem convectiva baseia-se na evapora¸c˜ao da umidade superficial do material, utilizando ar aquecido para fornecer calor e carrear o vapor d’´agua gerado, ou seja, a secagem convectiva pode ser entendida como a transferˆencia simultˆanea de calor e massa entre o meio e o produto (PARK et al., 2014).

Para que este fenˆomeno ocorra ´e necess´ario que a press˜ao parcial de vapor d’´agua na superf´ıcie do produto seja superior a press˜ao parcial de vapor do ar de secagem. A press˜ao parcial de vapor (pv) representa a press˜ao exercida pelas mol´eculas de vapor d’´agua, sendo

intimamente dependente da concentra¸c˜ao deste no ar ambiente. Quando a concentra¸c˜ao do vapor no ambiente ´e m´axima, diz-se que o ar est´a saturado, sendo a press˜ao que o vapor

exerce nessas condi¸c˜oes denominada de press˜ao de satura¸c˜ao (pvs). A umidade relativa do ar

relaciona estas duas medidas (pv e pvs), representando a quantia de vapor d’´agua presente

no ar associada a quantidade m´axima suportada em determinada temperatura (Equa¸c˜ao 1) (BOERI,2012).

U.R = pv pvs

∗ 100 (1)

Quanto maior a temperatura, maior a quantidade de vapor necess´aria para satura¸c˜ao do ar, ou seja, maior o valor de pvs. Desta forma, o aumento na temperatura de secagem,

acarreta na redu¸c˜ao da U.R do ar de secagem e no aumento do gradiente - ou diferen¸ca - de umidade entre a superf´ıcie do produto e o ar de secagem, tornando a retirada de ´agua mais eficiente. O aumento da temperatura de processo tamb´em influˆencia diretamente no aumento da eficiˆencia no transporte de umidade do cerne para a periferia do produto (BOERI, 2012).

A velocidade de escoamento do ar dentro da cˆamara de secagem interfere na transfe- rˆencia de massa (umidade) do produto para o ar de secagem, de maneira que quanto mais veloz o escoamento deste flu´ıdo, espera-se aumento na taxa de transferˆencia (PILATTI, 2013). Entretanto, diversos trabalhos concordam que a velocidade do ar no interior da cˆamara tem pouca influˆencia na taxa de secagem (JAYAS et al., 1991). Segundo Park et al. (2014), em processos de secagem, considera-se a velocidade m´edia do ar na entrada ou sa´ıda da cˆamara de secagem para avalia¸c˜ao dos processos, visto que este parˆametro n˜ao ´e homogˆeneo no entorno de part´ıculas.

Estes trˆes parˆametros do ar de secagem (temperatura, umidade relativa e velocidade) s˜ao comumente estudados para caracterizar e avaliar suas influˆencias em processos de secagem de produtos agroindustriais, sendo elementos importantes `as condi¸c˜oes termodinˆamicas. Estas propriedades podem ser combinadas para aumentar a redu¸c˜ao na umidade do produto, ou ainda reduzir tempo de processo, de acordo com o material trabalhado e caracter´ısticas desejadas. O f´acil controle e mensura¸c˜ao destes, tamb´em ´e um fator que contribui para o estudo de suas respectivas influˆencias.

Em rela¸c˜ao ao produto agroindustrial beneficiado, sua composi¸c˜ao, formato e disposi¸c˜ao s˜ao caracter´ısticas influentes durante a secagem. A composi¸c˜ao determinar´a a quantia de massa que precisar´a ser removida, bem como na difusividade da ´agua no material. As dimens˜oes e disposi¸c˜ao do alimento interferem na eficiˆencia do processo, dado que quanto maior a superf´ıcie de exposi¸c˜ao ao ar, maior ser´a a taxa de secagem, e ainda quanto mais espesso o produto, menor a eficiˆencia, visto maior dificuldade no transporte de ´agua do interior `a superf´ıcie do processo (BOERI,2012).

A literatura divide os processos de secagem convectiva em 3 etapas distintas (Figura 6). No in´ıcio do processo de secagem (Etapa 1), a temperatura do produto ´e inferior a temperatura de processo, elevando-se gradualmente em vista do calor fornecido pelo meio. Tamb´em ´e crescente a taxa de secagem, e com isso a redu¸c˜ao no teor de ´agua ´e m´ınima e pouco significativa (PARK et al., 2014).

Figura 6 – Exemplo te´orico de secagem convectiva.

Fonte: Adaptado dePark et al. (2014).

Durante a segunda etapa, a ´agua evapora-se como ´agua livre, tendo a velocidade de escoamento do ar grande influˆencia na dura¸c˜ao desta etapa e n˜ao havendo influˆencia direta do material, sendo ainda a redu¸c˜ao da umidade mais expressiva do que em qualquer outra etapa, e a taxa de secagem m´axima. Ocorre um equil´ıbrio dinˆamico no calor fornecido pelo meio e a massa de ´agua retirada do s´olido, tornando-os proporcionais ao calor latente de vaporiza¸c˜ao (Equa¸c˜ao2), isto significa que, todo o calor transferido ao produto - em um i-´esimo instante - ´

e utilizado para evaporar sua ´agua superficial, com isso n˜ao h´a varia¸c˜ao da taxa de secagem, nem da temperatura. A temperatura aqui fixada ´e igual a temperatura do bulbo ´umido do ar de secagem (MACHADO, 2009;BOERI, 2012).

dQ dt = λ

dU

dt (2)

A etapa intermedi´aria (2) ocorrer´a at´e que o produto atinja o teor cr´ıtico de umidade (Uc), onde se inicia a 3o etapa. A Uc ´e representada pelo momento no qual a transferˆencia

de ´agua do interior para a superf´ıcie do s´olido ´e insuficiente para repor a ´agua evaporada na superf´ıcie, ou seja, a quantidade de calor fornecido ´e maior do que a necess´aria para evaporar a ´

agua superficial. Deste modo, a taxa de secagem passa a ser decrescente e - com o excesso de calor - a temperatura do produto aumenta (PARK et al.,2014).

Na etapa final, a redu¸c˜ao da umidade poder´a ocorrer at´e que o s´olido atinja a umidade de equil´ıbrio, ponto no qual as press˜oes de vapor do l´ıquido contido no produto e ´agua no ar de secagem sejam iguais. A umidade de equil´ıbrio ´e a menor umidade ating´ıvel pelo produto e independente da continuidade do processo de secagem, se inalterados os parˆametros do ar de secagem no processo (temperatura, umidade relativa e velocidade de escoamento), o teor de umidade no s´olido se manter´a constante (MACHADO, 2009; PILATTI, 2013).

Park et al. (2014) relatam que nem sempre, para secagem produtos agroindustriais, todas as etapas ou momentos de transi¸c˜ao entre essas s˜ao evidentes, ou ainda o processo refletir o comportamento esperado pela teoria.

2.3.1.1 Determina¸c˜ao da cin´etica de secagem

A cin´etica de secagem de produtos agroindustriais pode ser determinada experimental- mente atrav´es de medidas de massa sucessivas de amostras - a cada intervalo t de tempo - durante ensaios de secagem (Figura 7). Nestes ensaios, s˜ao conhecidas a umidade inicial da amostra (U0) e os parˆametros do processo: temperatura, umidade relativa e fluxo de ar quente

conhecidos. A massa da amostra ´e quantificada at´e que o crit´erio de parada (CP) seja satisfeito, finalizando o ensaio e determinando a umidade final (Uf) da amostra. Assumido-se que toda

massa perdida durante o processo seja de ´agua, determina-se umidade instantˆanea (Ui) com

base na diferen¸ca de massa entre as medidas (Equa¸c˜ao 3), onde: i, representa o instante no qual a amostra foi pesada; m0 e mf, a massas das amostras no inicio e ao final do ensaio de

secagem convectiva, em gramas.

Ui =

(Uf − U0) ∗ (mi− m0)

mf − m0

+ U0 (3)

Perry e Green (2008) apresentam diferentes maneiras de amostragem e determina¸c˜ao da umidade de amostras, enquanto Karathanos (1999) prop˜oe metodologia espec´ıfica para modelagem de produtos agroindustriais com altos teores de a¸c´ucar.

Poungchandang et al.(2008), Reis et al.(2012) e Vargas et al. (2016) mensuravam a massa das amostras em intervalos fixos,Madamba et al. (1996),Karathanos(1999),Panchariya et al. (2002), Kane et al. (2008) e Oliveira et al.(2013b) aumentavam o intervalo entre as quantifica¸c˜oes de massa no decorrer dos processos de secagem.Goneli et al.(2014) organizaram as medi¸c˜oes de modo que n˜ao houvesse diferen¸ca acentuada entre as massas, todavia n˜ao explicitou os tempos. Os autores citados utilizaram como crit´erio de parada a obten¸c˜ao de teor de umidade ou estabiliza¸c˜ao da massa amostral.