Modelagem teórico-experimental de sistemas suspensos de secagem doméstica de vestuários

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JEFFERSON ALMEIDA RIBEIRO

MODELAGEM TEÓRICO – EXPERIMENTAL DE SISTEMAS SUSPENSOS

DE SECAGEM DOMÉSTICA DE VESTUÁRIOS

Tese apresentada à Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, para a obtenção do título de Doutor em Engenharia Mecânica na área de Transmissão e Conversão de Energia.

Orientador: Prof. Dr. Paulo Magalhães Filho

Guaratinguetá 2002

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DADOS CURRICULARES JEFFERSON ALMEIDA RIBEIRO

NASCIMENTO 22.05.1963 – GUARATINGUETÁ / SP

FILIAÇÃO Reynaldo Ribeiro

Maria da Glória de Almeida 1978/1980 Curso Técnico em Eletrotécnica

Escola Técnica Industrial “Lauro Gomes” São Bernardo do Campo – SP

1982/1986 Curso de Graduação em Engenharia Mecânica Unesp – Campus de Guaratinguetá – SP

1987/1990 Curso de Pós – Graduação em Engenharia Mecânica, nível de Mestrado na Área de Concentração de Transmissão e Conversão de Energia.

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A meus pais pelo incentivo e apoio.

In memorian ao meu avô materno, Djalma Rodrigues Almeida,

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AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar agradeço a meu anjo da guarda, pela proteção, pela intuição e discernimento para sempre trilhar caminhos altivos. Agradeço pela minha vida, família, em especial a meus irmãos e amigos.

Esta dissertação só pode ser realizada, devido às várias colaborações, as quais manifesto, nesta oportunidade, os meus mais profundos agradecimentos:

- a todos os colegas da Pós - Graduação em Engenharia Mecânica,

- a todos os funcionários da FEG/UNESP, especialmente, aos da Secretaria de Pós-graduação, Departamento de Energia e Biblioteca,

- a todos os professores do Departamento de Energia da FEG/UNESP, Campus de Guaratinguetá,

- aos técnicos Rodolfo dos Santos, Antonio Roberto de Freitas, José Carlos dos Santos e Luiz Carlos Ruzene, que participaram efetivamente da parte experimental deste trabalho,

- ao amigo José Nédilo Carrinho de Castro,

- a minha amiga e colaboradora Débora Mara de Oliveira Magalhães,

- e ao meu orientador Prof. Paulo Magalhães Filho, pela oportunidade de realizar este trabalho, pelos ensinamentos, compreensão, orientação e amizade dedicada, imprescindíveis no desenvolvimento desta tese.

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Este trabalho contou com apoio das seguintes entidades: - CAPES - através do programa de bolsas.

- PROPP - através do PROAP.

- SULE ELETRODOMÉSTICOS S/A - ENXUTA- através de doações de unidades para os testes experimentais.

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“Se em sonhos eu posso ser o meu ídolo, na realidade eu devo ser o meu herói.”

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RIBEIRO, J. A. Modelagem teórico – experimental de sistemas suspensos de secagem doméstica de vestuários. 2002. 193f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá.

RESUMO

Com a evolução tecnológica e maior competitividade entre as empresas, aliadas as maiores exigências do mercado consumidor, tornou-se imprescindível, na avaliação e aceitação de secadoras, a necessidade de se fabricar equipamentos que operem com maior rendimento e menor consumo de energia. Tais fatos motivam a estudar e analisar o desempenho de sistemas suspensos de secagem de uso doméstico, com relação às características de funcionamento e eficiência no processo de desumidificação de tecidos, pois os parâmetros que influenciam o desempenho dos secadores e os mecanismos de secagem devem ser conhecidos nos graus de precisão requeridos para cada aplicação. Os parâmetros avaliados neste trabalho foram os seguintes: conteúdos de umidade do tecido na entrada e na saída do secador, condições de transferência de calor, temperatura, a velocidade, a direção e a umidade absoluta do fluxo do meio de fornecimento de calor, e a distribuição de temperatura superficial do tecido. As previsões teóricas são comparadas com os resultados experimentais obtidos em uma bancada de testes onde, conforme configurações apresentadas, simularam-se as condições reais de trabalho do sistema. Foram selecionados os tecidos mais utilizados para manufatura de vestuário: Jeans índigo, Flanela, Cotton-Lycra, Brim, Tergal, Viscose e Linho.

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RIBEIRO, J. A. Theoretical -experimental modeling of clothing household drying suspended system. 2002. 193f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Unive rsidade Estadual Paulista, Guaratinguetá.

ABSTRACT

Due to the technologic evolution and a higher competition among the companies, with the bigger requirements of the consuming market, it turned out necessary the manufacturing of equipment with higher performance and lower energy consumption. These aspects are motivation for studying and analyzing the performance of suspended household drying systems, regarding to their functioning features and efficiency on the cloth dehumidification process, since the parameters which influence the dryer performance and the drying mechanisms must be well known on the required accuracy degrees for each application. The parameters evaluated by this thesis were: cloth moisture contents at the dryer input and output; heat transfer conditions; speed, direction and absolute humidity of the heat supplying mean; and the cloth surface temperature distribution. The theoretical predictions are compared to the experimental results obtained from a test bench, where real system work conditions were simulated. The most utilized kinds of cloth for clothing manufacturing were selected, such as: blue-jeans, flannel, cotton-spandex, canvas, polyester, viscose rayon and linen.

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SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS

LISTA DE TABELAS

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS LISTA DE SÍMBOLOS 1 INTRODUÇÃO... 1 1.1 JUSTIFICATIVA... 1 1.2 OBJETIVO... 1 1.3 CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES... 2 1.4 PERÍODO DE SECAGEM... 4

1.5 COMPORTAMENTO DOS MATERIAIS DURANTE A SECAGEM.... 6

2 SECAGEM DE MATERIAIS FIBROSOS... 8

2.1 CARACTERÍSTICAS DAS FIBRAS... 8

2.2 UMIDADE DAS FIBRAS... 9

2.3 MOVIMENTO DA UMIDADE EM FIBRAS SIMPLES... 12

2.4 RESPOSTA DE UMA MASSA FIBROSA A VARIAÇÕES AMBIENTAIS... 13

2.5 SECAGEM CONVECTIVA DE MASSAS FIBROSAS... 15

2.6 INCIDÊNCIA DE AR EM MATERIAIS FIBROSOS... 18

3 SELEÇÃO DOS PARÂMETROS PARA ANÁLISE DE PROCESSOS DE SECAGEM... 20

3.1 OBJETIVOS DA SECAGEM... 20

3.2 GENERALIDADES SOBRE OS PARÂMETROS DE PROCESSO... 22

3.3 ABORDAGENS PARA ESPECIFICAÇÃO DOS PARÂMETROS... 23

3.4 COMPORTAMENTO DO MATERIAL ÚMIDO DURANTE A SECAGEM... 25

3.5 PARÂMETROS NA ANÁLISE DE DESEMPENHO DE SECADORAS... 28

3.6 PADRÕES DE REFERÊNCIA DE DESEMPENHO... 31

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4.1 ESCOLHA DO MODELO... 33

4.2 EQUACIONAMENTO DOS PARÂMETROS DO PROCESSO... 33

4.3 SIMULAÇÃO MATEMÁTICA DAS EQUAÇÕES DO MODELO... 40

5 MODELAGEM E TÉCNICA EXPERIMENTAL... 42

5.1 ESCOLHA DO EQUIPAMENTO DE TESTE... 42

5.2 DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA CAPACIDADE DO EQUIPAMENTO... 43

5.3 SELEÇÃO DAS AMOSTRAS DOS TECIDOS... 45

5.4 MONTAGEM E INSTRUMENTAÇÃO DO BANCO DE TESTES... 47

5.5 DEFINIÇÃO DE PROCEDIMENTOS E MÉTODOS DE TESTE... 49

6 RESULTADOS... 54

6.1 INSUFLAMENTO DO AGENTE SECANTE... 54

6.1.1 Comportamento da temperatura em função da variação da tensão... 54

6.1.2 Comportamento da temperatura em função da variação da carga de secagem... 55

6.2 TEOR DE UMIDADE DO TECIDO EM FUNÇÃO DO TEMPO DE SECAGEM... 57

6.2.1 Ensaios com 1 lâmina... 57

6.2.2 Ensaios com 2 lâminas... 65

6.2.4 Resultados comparativos entre tecidos... 69

6.3 TAXA DE SECAGEM EM FUNÇÃO DO TEOR DE UMIDADE DO TECIDO... 73

6.4 TAXA DE EVAPORAÇÃO EM FUNÇÃO DO TEOR DE UMIDADE DO TECIDO... 91

(11)

6.5 TEMPERATURA DA SUPERFÍCIE DO TECIDO EM FUNÇÃO DO

TEMPO DE SECAGEM... 96

6.6 SECAGEM SEM AQUECIMENTO DO AGENTE SECANTE... 102

6.7 PARÂMETROS EXPERIMENTAIS PARA MODELAGEM TEÓRICA 104 6.7.1 Ajuste gráfico ... 104

6.7.2 Parâmetros resultantes... 105

6.8 ESTIMATIVA DE CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA... 107

7 CONCLUSÕES... 111

REFERÊNCIAS... 114

APÊNDICE A – Tabelas dos valores experimentais de testes típicos... 120

APÊNDICE B – Análise das incertezas experimentais... 181

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LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 – Comportamento do conteúdo de umidade de um sólido úmido em função do tempo em condições fixas de secagem... 4 FIGURA 2 – Taxa de secagem e o teor de umidade de um sólido úmido em

condições fixas de secagem...

5 FIGURA 3 – Isotermas de adsorção para fibras têxteis... 10 FIGURA 4 – Conteúdo de umidade em função do tempo ao longo da espessura

da manta de lã... 14 FIGURA 5 – Modelo de malha porosa regular... 17 FIGURA 6 – Curva representativa do período de taxa de evaporação constante 37 FIGURA 7 – Curva representativa do período de taxa de evaporação

decrescente... 39 FIGURA 8 – Disposição das amostras suspensas nas 7 hastes da secadora... 43 FIGURA 9 – Potência elétrica exigida pelo ventilador versus rotação... 44 FIGURA 10 – Queda de pressão no insuflamento versus vazão do meio secante 45 FIGURA 11 – Vazão do meio secante versus potência elétrica exigida pelo

ventilador... 45 FIGURA 12 – Efeito do número de lâminas de tecido no tempo de secagem... 46 FIGURA 13 – Esquema da bancada de testes... 47 FIGURA 14 – Localização dos termopares nas amostras de tecido. e o fluxo de

ar... 48 FIGURA 15 – Localização dos termopares no insuflamento do agente secante... 48 FIGURA 16 – Esquema da montagem do equipamento para insuflamento

ascendente... 52 FIGURA 17 – Temperatura de insuflamento do agente secante versus tempo de

secagem (tecido: tergal ; 1 lâmina ; ms= 150 g ; insuflamento

descendente; 100, 110 e 120 V)... 54 FIGURA 18 – Temperatura de insuflamento do agente secante versus tempo de

secagem (tecido: cotton-lycra ; 1 lâmina ; ms= 365 g ;

insuflamento descendente; 100, 110 e 120 V)... 55 FIGURA 19 – Temperatura de insuflamento do agente secante versus tempo de

secagem (tecido: tergal; 1 lâmina; ms: de 20 a 150 g ; insuflamento

descendente; 120 V)... 56 FIGURA 20 – Temperatura de insuflamento do agente secante versus tempo de

secagem (tecido: cotton-lycra ; 1 lâmina; ms: de 50 a 365 g ;

insuflamento descendente; 120 V)... 56 FIGURA 21 -- Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido:

(13)

FIGURA 22 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido: tergal; 1 lâmina; ms: 150 g ; insuf. asc.; 100, 110 e 120 V)... 58

FIGURA 23 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido: brim; 1 lâmina; ms: 270 g; insuf. desc.; 100, 110 e 120 V)... 58

FIGURA 24 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido: brim; 1 lâmina; ms: 270 g; insuf. ascendente; 100, 110 e 120 V)... 59

FIGURA 25 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido: flanela; 1 lâmina; ms: 210 g; insuf.desc.; 100, 110 e 120 V)... 59

FIGURA 26 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido: flanela; 1 lâmina; ms: 210 g; insuf. asc.; 100, 110 e 120 V)... 60

FIGURA 27 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido: viscose; 1 lâmina; ms:140 g; insuf. desc.; 100, 110 e 120 V)... 60

FIGURA 28 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido: viscose; 1 lâmina; ms: 140 g; insuf. asc.; 100, 110 e 120 V)... 61

FIGURA 29 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido: jeans índigo; 1 lâmina; ms: 445 g; insuf. desc.; 100, 110 e 120 V) 61

FIGURA 30 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido: jeans índigo; 1 lâmina; ms: 445 g; insuf. asc.; 100, 110 e 120 V).. 62

FIGURA 31 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido: cotton-lycra; 1 lâmina; ms: 360 g; insuf. desc.; 100, 110 e 120 V) 62

FIGURA 32 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido:

cotton-lycra; 1 lâmina; ms: 360 g; insuf. asc.; 100, 110 e 120 V).. 63

FIGURA 33 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido: linho; 1 lâmina; ms: 290 g; insuf. desc.; 100, 110 e 120 V)... 63

FIGURA 34 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido: linho; 1 lâmina; ms: 290 g; insuf. asc.; 100, 110 e 120 V)... 64

FIGURA 35 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido:

cotton-lycra e viscose; 1 lâmina; ms: 105+105g; insuf.desc.;

110V)... 64 FIGURA 36 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido:

tergal; 2 lâminas; ms: 290 g ; insuf. desc.; 100, 110 e 120 V)... 65

FIGURA 37 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido: tergal; 2 lâminas; ms: 290 g ; insuf. asc.; 100, 110 e 120 V)... 65

FIGURA 38 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido: jeans índigo; 2 lâminas; ms: 825 g; insuf.desc.; 100, 110 e 120V). 66

FIGURA 39 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido: jeans índigo; 2 lâminas; ms: 825 g; insuf. asc.; 100, 110 e 120 V). 66

FIGURA 40 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido: tergal; 4 lâminas; ms: 575 g ; insuf. desc.; 100, 110 e 120 V)... 67

FIGURA 41 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido: tergal; 4 lâminas; ms: 575 g ; insuf. asc.; 100, 110 e 120 V)... 67

FIGURA 42 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido: jeans índigo; 4 lâminas; ms: 1665 g; insuf. desc.; 100, 110 e 120

(14)

FIGURA 43 – Teor de umidade do tecido versus tempo de secagem (tecido: jeans índigo; 4 lâminas; ms: 1665 g; insuf. asc.; 100, 110 e 120

V)... 68 FIGURA 44 – Resultados comparativos entre tecidos : teor de umidade do tecido

versus tempo de secagem; 1 lâmina; insuflamento descendente; 110 V... 69 FIGURA 45 – Resultados comparativos entre tecidos : teor de umidade do tecido

versus tempo de secagem; 1 lâmina; insuflamento ascendente; 110 V... 69 FIGURA 46 – Resultados comparativos entre tecidos : teor de umidade do tecido

versus tempo de secagem; 2 lâminas; insuflamento descendente; 110 V... 70 FIGURA 47 – Resultados comparativos entre tecidos : teor de umidade do tecido

versus tempo de secagem; 2 lâminas; insuflamento ascendente; 110 V... 70 FIGURA 48 – Resultados comparativos entre tecidos : teor de umidade do tecido

versus tempo de secagem; 4 lâminas; insuflamento descendente; 110 V... 71 FIGURA 49 – Resultados comparativos entre tecidos : teor de umidade do tecido

versus tempo de secagem; 4 lâminas; insuflamento ascendente; 110 V... 71 FIGURA 50 – Resultados comparativos quanto ao sentido do insuflamento: teor

de umidade do tecido versus tempo de secagem; tecido:

cotton-lycra; 1 lâmina; 110 V... 72 FIGURA 51 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido (tecido: tergal;

1 lâmina; ms: 150 g ; insuf. desc.; 100, 110 e 120 V)... 73

FIGURA 52 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido (tecido: tergal; 1 lâmina; ms: 150 g ; insuf. asc.; 100, 110 e 120 V)... 74

FIGURA 53 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido (tecido: brim; 1 lâmina; ms: 270 g; insuf. descendente; 100, 110 e 120 V)... 74

FIGURA 54 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido (tecido: brim; 1 lâmina; ms: 270 g; insuf. ascendente; 100, 110 e 120 V)... 75

FIGURA 55 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido (tecido: flanela; 1 lâmina; ms: 210 g; insuf. desc.; 100, 110 e 120 V)... 75

FIGURA 56 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido (tecido: flanela; 1 lâmina; ms: 210 g; insuf. asc.; 100, 110 e 120 V)... 76

FIGURA 57 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido (tecido: viscose; 1 lâmina; ms:140 g; insuf. desc.; 100, 110 e 120 V)... 76

FIGURA 58 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido (tecido: viscose; 1 lâmina; ms: 140 g; insuf. asc.; 100, 110 e 120 V)... 77

FIGURA 59 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido (tecido: jeans índigo; 1 lâmina; ms: 445 g; insuf. desc.; 100, 110 e 120V). 77

FIGURA 60 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido. (tecido: jeans índigo; 1 lâmina; ms: 445 g; insuf. asc.; 100, 110 e 120 V)... 78

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FIGURA 61 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido (tecido:

cotton-lycra; 1 lâmina; ms: 360 g; insuf. desc.; 100, 110 e 120 V) 78

cotton-lycra; 1 lâmina; ms: 360 g; insuf. asc.; 100, 110 e 120 V).. 79

FIGURA 63 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido (tecido: linho; 1 lâmina; ms: 290 g; insuf. desc.; 100, 110 e 120 V)... 79

FIGURA 64 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido (tecido: linho; 1 lâmina; ms: 290 g; insuf. asc.; 100, 110 e 120 V)... 80

cotton-lycra e viscose; 1 lâmina; ms: 105+105g; insuf.

desc.;110V)... 80 FIGURA 66 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido (tecido: tergal;

2 lâminas; ms: 290 g ; insuf. desc.; 100, 110 e 120 V)... 81

FIGURA 67 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido (tecido: tergal; 2 lâminas; ms: 290 g ; insuf. asc.; 100, 110 e 120 V)... 81

FIGURA 68 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido (tecido: jeans índigo; 2 lâminas; ms: 825 g; insuf. desc.; 100, 110 e 120 V)... 82

FIGURA 69 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido (tecido: jeans índigo; 2 lâminas; ms: 825 g; insuf. asc.; 100, 110 e 120 V)... 82

FIGURA 70 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido (tecido: tergal; 4 lâminas; ms: 575 g ; insuf. desc.; 100, 110 e 120 V)... 83

FIGURA 71 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido (tecido: tergal; 4 lâminas; ms: 575 g ; insuf. asc.; 100, 110 e 120 V)... 83

FIGURA 72 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido (tecido: jeans índigo; 4 lâminas; ms: 1665 g; insuf. desc.; 100, 110 e 120 V)... 84

FIGURA 73 – Taxa de secagem versus teor de umidade do tecido (tecido: jeans índigo; 4 lâminas; ms: 1665 g; insuf. asc.; 100, 110 e 120 V)... 84

FIGURA 74 – Resultados comparativos entre tecidos : taxa de secagem versus teor de umidade do tecido; 1 lâmina; insuf. descendente; 110 V... 85 FIGURA 75 – Resultados comparativos entre tecidos : taxa de secagem versus

teor de umidade do tecido; 1 lâmina; insuf. ascendente; 110 V... 86 FIGURA 76 – Resultados comparativos entre tecidos : taxa de secagem versus

teor de umidade do tecido; 2 lâminas; insuf. desc.; 110 V... 87 FIGURA 77 – Resultados comparativos entre tecidos : taxa de secagem versus

teor de umidade do tecido; 2 lâminas; insuf. ascendente; 110 V.... 87 FIGURA 78 – Resultados comparativos entre tecidos : taxa de secagem versus

teor de umidade do tecido; 4 lâminas; insuf. descendente.; 110 V. 88 FIGURA 79 – Resultados comparativos entre tecidos : taxa de secagem versus

teor de umidade do tecido; 4 lâminas; insuf. ascendente; 110 V.... 88 FIGURA 80 -- Resultados comparativos quanto ao sentido do insuflamento: taxa

de secagem versus teor de umidade do tecido; tecido:

cotton-lycra; 1 lâmina; 110 V... 89 FIGURA 81 – Resultados comparativos quanto ao número de lâminas por haste:

taxa de secagem versus teor de umidade do tecido; tecido: jeans; insuflamento descendente; 110 V... 89 FIGURA 82 – Resultados comparativos quanto ao número de lâminas por haste:

(16)

taxa de secagem versus teor de umidade do tecido; tecido: jeans; insuflamento ascendente; 110 V... 90 FIGURA 83 – Resultados comparativos quanto ao número de lâminas por haste:

taxa de secagem versus teor de umidade do tecido; tecido: tergal; insuflamento descendente; 110 V... 90 FIGURA 84 – Resultados comparativos quanto ao número de lâminas por haste:

taxa de secagem versus teor de umidade do tecido; tecido: tergal; insuflamento ascendente; 110 V... 91 FIGURA 85 – Resultados comparativos entre tecidos : taxa de evaporação versus

teor de umidade do tecido; 1 lâmina; insuflamento descendente; 110 V... 92 FIGURA 86 – Resultados comparativos entre tecidos : taxa de evaporação versus

teor de umidade do tecido; 1 lâmina; insuflamento ascendente; 110 V... 93 FIGURA 87 – Resultados comparativos entre tecidos : taxa de evaporação versus

teor de umidade do tecido; 2 lâminas; insuflamento descendente; 110 V... 94 FIGURA 88 – Resultados comparativos entre tecidos : taxa de evaporação versus

teor de umidade do tecido; 2 lâminas; insuflamento ascendente; 110 V... 94 FIGURA 89 – Resultados comparativos entre tecidos : taxa de evaporação versus

teor de umidade do tecido; 4 lâminas; insuflamento descendente; 110 V... 95 FIGURA 90 – Resultados comparativos entre tecidos : taxa de evaporação versus

teor de umidade do tecido; 4 lâminas; insuflamento ascendente; 110 V... 95 FIGURA 91 – Resultados comparativos quanto ao sentido do insuflamento: taxa

de evaporação versus teor de umidade do tecido; tecido:

cotton-lycra; 1 lâmina; 110 V... 96 FIGURA 92 – Temperatura da superfície do tecido versus tempo de secagem

(tecido: tergal; 1 lâmina; ms: 150 g ; insuf. descendente; 110 V)... 97

FIGURA 93 – Temperatura da superfície do tecido versus tempo de secagem (tecido: brim; 1 lâmina; ms: 270 g ; insuf. descendente; 110 V).... 97

FIGURA 94 – Temperatura da superfície do tecido versus tempo de secagem (tecido: flanela; 1 lâmina; ms: 210 g ; insuf. descendente; 110 V). 98

FIGURA 95 – Temperatura da superfície do tecido versus tempo de secagem (tecido: viscose; 1 lâmina; ms: 140 g ; insuf. descendente; 110 V) 98

FIGURA 96 -- Temperatura da superfície do tecido versus tempo de secagem (tecido: jeans índigo; 1 lâmina; ms: 445 g ; insuf. desc.; 110 V).... 99

FIGURA 97 – Temperatura da superfície do tecido versus tempo de secagem (tecido: cotton-lycra; 1 lâmina; ms: 360 g ; insuf. desc.; 110 V).... 99

FIGURA 98 – Temperatura da superfície do tecido versus tempo de secagem (tecido: linho; 1 lâmina; ms: 290 g ; insuf. descendente; 110 V).... 100

FIGURA 99 – Temperatura da superfície do tecido versus tempo de secagem (tecido: cotton-lycra e viscose; 1 lâmina; ms: 105+105 g; insuf.

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FIGURA 100 -- Resultados comparativos entre tecidos : temperatura da superfície do tecido versus tempo de secagem; 1 lâmina; insuf. descendente; 110 V... 101 FIGURA 101 -- Resultados comparativos quanto ao sentido do insuflamento:

temperatura da superfície do tecido versus tempo de secagem; tecido: cotton-lycra; 1 lâmina; 110 V... 101 FIGURA 102 -- Resultados comparativos entre tecidos: teor de umidade do tecido

versus tempo de secagem; insuflamento descendente não aquecido; 1 lâmina... 102 FIGURA 103 -- Resultados comparativos entre tecidos: taxa de evaporação versus

teor de umidade do tecido; insuflamento descendente não aquecido; 1 lâmina... 103 FIGURA 104 -- Ajuste da curva no período de taxa de secagem constante;

insuflamento descendente, tecido: brim; 1 lâmina, 110 V... 104 FIGURA 105 -- Ajuste da curva no período de taxa de secagem constante;

insuflamento ascendente, tecido: brim; 1 lâmina, 110 V... 105 FIGURA 106 -- Esquema de sistema de geração de energia através de célula

fotovoltaica... 191 FIGURA 107 -- Rendimentos das partes independentes do sistema de geração de

energia através de célula fotovoltaica... 192 FIGURA 108 -- Curva típica de corrente versus tensão de módulos solares... 193

(18)

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 – Valores médios do conteúdo de umidade na base seca

(kgágua/kgfibra) para a adsorção de vapor de água a 30ºC... 9

TABELA 2 – Potência elétrica dissipada pelas resistências e ventilador... 44 TABELA 3 – Parâmetros resultantes para insuflam. descendente aquecido... 105 TABELA 4 – Parâmetros resultantes para insuflamento ascendente aquecido. 106 TABELA 5 – Parâmetros resultantes para insuflam. desc. não aquecido... 106 TABELA 6 – Relação entre os teores de umidade inicial e crítico... 106 TABELA 7 – Variação do consumo de energia elétrica; tecido: tergal... 107 TABELA 8 – Variação do consumo de energia elétrica; tecido: jeans índigo.. 107 TABELA 9 – Variação do consumo de energia elétrica; tecido: brim... 108 TABELA 10 – Variação do consumo de energia elétrica; tecido: linho... 108 TABELA 11 – Variação do consumo de energia elétrica; tecido: cotton-lycra. 109 TABELA 12 – Variação do consumo de energia elétrica; tecido: viscose... 109 TABELA 13 – Variação do consumo de energia elétrica; tecido: flanela... 110 TABELA 14 – Temperatura de insuflamento do agente secante [ºC] (tecido:

tergal ; 1 lâmina ; ms= 150 g ; insuflamento desc.; 100 V)... 120

TABELA 15 – Temperatura de insuflamento do agente secante [ºC] (tecido:

tergal ; 1 lâmina ; ms= 150 g ; insuflamento desc. ; 110 V)... 120

TABELA 16 -- Temperatura de insuflamento do agente secante [ºC] (tecido:

cotton-lycra ; 1 lâmina ; ms= 365 g ; insuf. desc. ; 100 V)... 124

(19)

TABELA 32 -- Resultados médios de parâmetros de testes (tecido: tergal;

1 lâmina ; ms= 150 g ; insuflamento descendente ; 100 V)... 129

2 lâminas ; ms= 290 g ; insuflamento descendente ; 100 V)... 132

1 lâmina ; ms= 150 g ; insuflamento ascendente ; 100 V)... 138

TABELA 42 - Resultados médios de parâmetros de testes (tecido: tergal;

2 lâminas ; ms= 290 g ; insuflamento ascendente ; 100 V)... 141

(20)

1 lâmina ; ms= 150 g ; insuf. desc.- não aquecido; 110 V)... 147

TABELA 51 - Teor de umidade em função do tempo de secagem para

insuflamentos descendente e ascendente em 100, 110 e 120 V

(tecido: tergal; 1 lamina; ms= 150 g)... 148

(tecido: tergal; 2 lâminas; ms= 290 g)... 149 TABELA 53 - Teor de umidade em função do tempo de secagem para

(tecido: tergal; 4 lâminas; ms= 575 g)... 150

TABELA 54 - Taxa de secagem e taxa de evaporação em função do teor de umidade para insuflamentos descendente e ascendente em 100, 110 e 120 V (tecido: tergal; 1 lâmina; ms= 150 g)... 151

TABELA 55 - Taxa de secagem e taxa de evaporação em função do teor de umidade para insuflamentos descendente e ascendente em 100, 110 e 120 V (tecido: tergal; 4 lâminas; ms= 575 g)... 152

TABELA 56 - Taxa de secagem e taxa de evaporação em função do teor de umidade para insuflamentos descendente e ascendente em 100, 110 e 120 V (tecido: tergal; 2 lâminas; ms= 290 g)... 153

TABELA 57 - Temperaturas médias das amostras em função do tempo de secagem para insuflamentos descendente e ascendente em 100, 110 e 120 V (tecido: tergal; 1 lâmina; ms= 150 g)... 154

TABELA 58 - Temperaturas médias das amostras em função do tempo de secagem para insuflamentos descendente 110 V (tecido: tergal; 2 lâminas; ms= 290 g)... 154

TABELA 59 - Temperaturas médias das amostras em função do tempo de secagem para insuflamentos descendente 110 V (tecido: tergal; 4 lâminas; ms= 575 g)... 155

(tecido: brim; 1 lâmina; ms= 270 g)... 156

TABELA 61 - Taxa de secagem e taxa de evaporação em função do teor de umidade para insuflamentos descendente e ascendente em 100, 110 e 120 V (tecido: brim; 1 lâmina; ms= 270 g)... 157

TABELA 62 - Temperaturas médias das amostras em função do tempo de secagem para insuflamentos descendente e ascendente em 100, 110 e 120 V (tecido: brim; 1 lâmina; ms= 270 g)... 158

(tecido: flanela; 1 lâmina; ms= 210 g)... 159

TABELA 64 -- Taxa de secagem e taxa de evaporação em função do teor de umidade para insuflamentos descendente e ascendente em 100, 110 e 120 V (tecido: flanela; 1 lâmina; ms= 210 g)... 160

(21)

TABELA 65 -- Temperaturas médias das amostras em função do tempo de secagem para insuflamentos descendente e ascendente em 100, 110 e 120 V (tecido: flanela; 1 lâmina; ms= 210 g)... 161

TABELA 66 -- Teor de umidade em função do tempo de secagem para

(tecido: viscose; 1 lâmina; ms= 140 g)... 162

TABELA 67 -- Taxa de secagem e taxa de evaporação em função do teor de umidade para insuflamentos descendente e ascendente em 100, 110 e 120 V (tecido: viscose; 1 lâmina; ms= 140 g)... 163

TABELA 68 -- Temperaturas médias das amostras em função do tempo de secagem para insuflamentos descendente e ascendente em 100, 110 e 120 V (tecido: viscose; 1 lâmina; ms= 140 g)... 164

(tecido: jeans índigo; 1 lâmina; ms= 445 g)... 165

(tecido: jeans índigo; 2 lâminas; ms= 825 g)... 166

(tecido: jeans índigo; 4 lâminas; ms= 1665 g)... 167

TABELA 72 -- Taxa de secagem e taxa de evaporação em função do teor de umidade para insuflamentos descendente e ascendente em 100, 110 e 120 V (tecido: jeans índigo; 1 lâmina; ms= 445 g)... 168

TABELA 73 -- Taxa de secagem e taxa de evaporação em função do teor de umidade para insuflamentos descendente e ascendente em 100, 110 e 120 V (tecido: jeans índigo; 2 lâminas; ms= 825 g)... 169

TABELA 74 -- Taxa de secagem e taxa de evaporação em função do teor de umidade para insuflamentos descendente e ascendente em 100, 110 e 120 V (tecido: jeans índigo; 4 lâminas; ms= 1665 g)... 170

TABELA 75 -- Temperaturas médias das amostras em função do tempo de secagem para insuflamentos descendente e ascendente em 100, 110 e 120 V (tecido: jeans índigo; 1 lâmina; ms= 445 g)... 171

TABELA 76 -- Temperaturas médias das amostras em função do tempo de secagem para insuflamentos ascendente em 110 V (tecido:

jeans índigo; 2 lâminas; ms= 825 g)... 172

(tecido: cotton-lycra; 1 lâmina; ms= 360 g)... 173

TABELA 78 -- Taxa de secagem e taxa de evaporação em função do teor de umidade para insuflamentos descendente e ascendente em 100, 110 e 120 V (tecido: cotton-lycra; 1 lâmina; ms= 360 g)... 174

TABELA 79 -- Temperaturas médias das amostras em função do tempo de secagem para insuflamentos descendente e ascendente em 100, 110 e 120 V (tecido: cotton-lycra; 1 lâmina; ms= 360 g)... 175

(22)

(tecido: linho; 1 lâmina; ms= 290 g)... 176

TABELA 81 -- Taxa de secagem e taxa de evaporação em função do teor de umidade para insuflamentos descendente e ascendente em 100, 110 e 120 V (tecido: linho; 1 lâmina; ms= 290 g)... 177

TABELA 82 -- Temperaturas médias das amostras em função do tempo de secagem para insuflamentos descendente e ascendente em 100, 110 e 120 V (tecido: linho; 1 lâmina; ms= 290 g)... 178

TABELA 83 -- Teor de umidade em função do tempo de secagem para insuflamento descendente em 110 V (tecidos: cotton-lycra e

viscose; 1 lâmina; ms= 105 g + 105 g)... 179

TABELA 84 -- Taxa de secagem e taxa de evaporação em função do teor de umidade para insuflamento descendente 110 V (tecidos:

cotton-lycra e viscose; 1 lâmina; ms= 105 g + 105 g)... 180

TABELA 85 -- Temperaturas médias das amostras em função do tempo de secagem para insuflamento descendente em 110 V (tecidos:

cotton-lycra e viscose; 1 lâmina; ms= 105 g + 105 g)... 180

(23)

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS adiab. adiabática asc. ascendente desc. descendente evap. evaporada insuf. insuflamento sat. saturação temp. temperatura

AMCA Air Movement and Control Association International ANSI American National Standards Institute

ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers

(24)

LISTA DE SÍMBOLOS

A área m2

Aex constante (eq. 9) kgágua/m2 s ºC

a1, a2,..., aN coeficientes

Bex constante (eq. 9) kgágua/m2 s

Bd constante 1/s

Bh constante 1/s

C constante (eq. 30) kgágua/kg tec seco s

CA comprimento da amostra m

Cex constante experimental (eq. 6) ºC /s

Cv concentração de vapor de água entre as fibras kg/m3

d desvio da medida

E taxa de evaporação kgágua/m2 s

ECONS consumo de energia elétrica Ws, kWh

f função (eq. 28)

FA fator de amortecimento (eq. 38 )

Fj fator de eficiência do jato de insuflamento N/ºC

g função (eq. 27)

H entalpia J/kg

I corrente elétrica A

iv expoente empírico (eq. 10)

K coeficiente empírico (eq. 2) 1/s

Kh coeficiente de transferência de calor W/m2 K

Km coeficiente de transferência de massa kgar seco/m 2

s

Ks fator de secagem de Likov 1/s

Ku fator de secagem substitutivo 1/s

LA largura da amostra m

m massa kg

mθ expoente empírico (eq.7)

(25)

N número de dados rotulados nθ expoente empírico (eq.6)

nu expoente empírico (eq.6)

P potência W

p pressão mmHg, mmH2O

P% probabilidade de acerto na medida

transf

Q& taxa de calor transferido W

QV vazão volumétrica N m3/s

q& fluxo de calor convectivo por unidade de área W/m2

ℜ constante universal dos gases J/kg K

R taxa de secagem kgágua/kgtec seco m2 s

r resultado

S valor da variável lido no medidor S’ valor verdadeiro da variável

S valor médio aritmético das medidas

T temperatura do meio secante ºC , K

T temperatura média do meio secante ºC , K

t tempo s

t* tempo hipotético à taxa de evaporação constante s

v velocidade m/s

V diferença de potencial V

W umidade absoluta kgágua/kg ar seco

w incerteza calculada

X função representativa da curva cinética do teor de umidade na secagem

X’ teor ou conteúdo de umidade kgágua/kgtec seco

X teor ou conteúdo médio de umidade kgágua/kgtec seco

α constante (eq.1) m3/kgtec seco

β constante (eq. 44) 1/s

(26)

∆ variação

ε função RTD

θ temperatura do sólido ou material ºC

θ temperatura média do sólido ou material ºC

λ coeficiente de proporcionalidade

µ incerteza da medida

σ desvio padrão do conjunto de medidas

Σ somatório

ϕ umidade relativa %

(27)

ÍNDICES a água amb ambiente aq. aquecido atm atmosférica bs bulbo seco bu bulbo úmido C crítico calc calculado

carga massa total + massa dos termopares CONS consumo cte constante D dimensão E equilíbrio exp experimental f final i inicial

infer região inferior da amostra ins insuflamento

interm região intermediária da amostra

interv intervalo de tempo entre duas medidas consecutivas man manométrica

max máxima

med média

ms meio secante ñ aq. não aquecido po ponto de orvalho

R residência

R1 resistor número 1 R2 resistor número 2

(28)

s material seco (tecido), sólido sist sistema de secagem

sup superficial

super região superior da amostra (t) função do tempo

termop termopar

total água + material seco V ventilador

p1, p2, ... pontos de medição de temperatura

(29)

1 INTRODUÇÃO

1.1 JUSTIFICATIVA

A indústria de eletrodomésticos coloca no mercado diferentes alternativas para a secagem de vestuário, não tendo um padrão, e tão pouco normas técnicas brasileiras para regularização do produto ofertado.

O típico usuário de sistemas suspensos de secagem de vestuário, o qual reside em apartamentos, normalmente não tem espaço para utilizar aparelhos de secagem robustos, nem a energia solar, por isso adquire esse eletrodoméstico sem conhecer o seu desempenho e consumo de energia elétrica.

O circuito padrão de um sistema suspenso de secagem doméstica de tecidos consiste de um fluxo descendente de ar quente e seco, o qual é insuflado no interior de uma câmara envolta por um filme de plástico.

A modelagem desse tipo de secador fornecerá subsídios para que os fabricantes possam conhecer a resposta do sistema, para diferentes tipos de tecido, de acordo com variações de fluxo, de distribuição da circulação, e de temperatura do meio desumidificador no processo.

Com base neste estudo poderá se promover alterações no projeto dos atuais sistemas disponíveis no mercado, de modo a aperfeiçoá-los, e com isso trazendo benefícios à sociedade devido à conseqüente redução do consumo de energia elétrica.

1.2 OBJETIVO

Os objetivos do presente trabalho são:

a - Avaliar o desempenho de aparelho secador do tipo suspenso existente no mercado brasileiro, e propor otimizações visando a diminuição do consumo de energia elétrica.

b - Encontrar um modelo de equacionamento matemático, para simulação, que represente tal processo de secagem, utilizando como parâmetros de aferição os resultados obtidos através de testes experimentais.

(30)

1.3 CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES

Secadores elétricos são responsáveis por aproximadamente 3% do consumo de energia em residências nos países do hemisfério norte (onde o aquecimento de ar e água são responsáveis por 75% do total do consumo de energia), e cerca de 10% em regiões de clima moderado a quente.

Embora muitos estudos tenham sido realizados sobre esse assunto, é estimado que o consumo médio anual de energia elétrica em secagem de roupas numa residência típica (família com 4 pessoas) está em torno de 900 kWh, o que está próximo de um número correspondente a 1200 kWh para um forno elétrico.

Desde o início de funcionamento de um secador elétrico de roupas até o final, com as roupas à temperatura do ambiente, a mais evidente e maior perda de energia em cada secador está na exaustão, onde uma grande quantidade de energia é conduzida e perdida para o meio externo na forma de ar quente e úmido.

Este ar pode ser filtrado e conduzido para ambientes fechados para aquecer e umidificar residências no inverno, com isso economizando energia. Alternativamente, ele pode ser filtrado, desumidificado e reciclado para o secador, para economizar energia elétrica usada para aquecer o novo ar de secagem.

Isto é um contraste do procedimento atual, onde o secador retira o ar frio do ambiente e o aquece eletricamente, a um custo significativo, antes de descarregá-lo continuamente no meio externo.

Além disso, a secagem não é uniforme numa mesma peça de roupa ou de uma peça para outra. Em alguns tipos de secadores é necessário um aquecimento extra ou apenas um breve aumento de temperatura para os tecidos de secagem rápida, o qual reflete tanto sobre a qualidade da secagem quanto sobre o controle da energia gasta nos secadores elétricos convencionais de roupas (HAMID, 1991).

A determinação do desempenho de secadores é de vital importância, uma vez que a secagem é um processo de grande consumo de energia, como pode ser verificado em uma indústria têxtil, onde o tecido passa várias vezes por secadores durante o processo de acabamento. A produtividade dos secadores é o principal fator do qual depende a normalidade do fluxo das operações de produção. Portanto, conhecer as características

(31)

de desempenho, através da determinação da eficiência térmica e da velocidade de secagem, é essencial para o estudo de secadores de tecidos.

Procedimentos devem ser desenvolvidos através de investigações teóricas e experimentais do processo básico de secagem, assim como através do estudo detalhado de secadores de diversos tipos, para obter-se uma modelagem representativa do processo para posterior simulação. As informações obtidas podem ser de grande ajuda em estimativas quantitativas de melhoria, adquiridas em cada variação dos fatores que influenciam no desempenho. Baseado nessas grandezas e fatores selecionados pode-se decidir quais serão as variações mais benéficas para a melhoria do desempenho do secador.

Vários são os parâmetros que influenciam o desempenho dos secadores, e na maioria dos casos a natureza da influência e seu papel no mecanismo de secagem devem ser conhecidos, pelo menos nos graus de precisão requeridos para cada aplicação. Tais parâmetros podem ser os seguintes: conteúdo (ou teor) de umidade do tecido na entrada e na saída do secador, conteúdo crítico de umidade do tecido, peso específico do tecido, condições de transferência de calor, temperatura do meio de fornecimento de calor, o tipo de envoltório do fluxo de ar, a velocidade e a umidade relativa do fluxo de ar, a taxa de exaustão, etc. (PRABHU; PARAJIA, 1981).

A secagem por aquecimento é o método mais comum, o qual tem como objetivo principal a remoção de umidade, sendo significativas também as concomitantes variações de propriedades estruturais, mecânicas, térmicas e biológicas dos materiais. O grau de alcance deste objetivo é uma função dos parâmetros de projeto do processo, e principalmente da duração do mesmo.

Os parâmetros do processo de secagem têm sido selecionados com a ajuda de critérios empíricos que se diferenciam pela ocorrência ou não de vários fenômenos. É comum a apresentação dos resultados cinéticos de modelos para ilustrar o típico comportamento do material úmido durante a secagem, mostrando as relações entre os parâmetros do material e as variações decorrentes devidas ao processo.

O processo de secagem, presente em muitas áreas tecnológicas, não tem seguido uma lista sistemática de símbolos para representar os seus parâmetros, sendo que cada autor tem utilizado diferentes símbolos para um mesmo significado físico.

(32)

Os símbolos mais utilizados são aqueles associados com a transferência de calor e massa, fluxo, energia e vetores termodinâmicos. Hall e Mujumdar (1983), coletaram e sugeriram uma lista dos símbolos mais freqüentemente utilizados nos processos de secagem, no entanto, as unidades utilizadas nas pesquisas e na prática não são ainda uniformes entre os países.

1.4 PERÍODOS DE SECAGEM

Na secagem de um sólido úmido, mediante um gás a uma temperatura e a uma umidade fixas, temos sempre um determinado tipo de comportamento da variação do teor de umidade em função do tempo de secagem, como mostrado na Figura 1.

Figura 1 - Comportamento do conteúdo de umidade de um sólido úmido em função do tempo em condições fixas de secagem.

Verifica-se, nas Figuras 1 e 2, que imediatamente após o contato entre o sólido e o meio secante a taxa de secagem do sólido (R) - razão entre a massa de líquido evaporada e a massa de sólido seco durante um período de tempo por unidade de área superficial - ajusta-se (AB) até atingir um regime permanente. No período de ajuste a taxa de secagem pode tanto crescer (AB) como diminuir (A’B), pois depende da umidade relativa do agente secante.

No regime permanente a temperatura da superfície do sólido molhado é a própria temperatura de bulbo úmido do meio secante. Toda superfície exposta do sólido está

(33)

saturada de líquido. Uma vez que a temperatura da superfície do sólido tenha atingido a temperatura de bulbo úmido do meio secante, ela permanece bastante estável e a taxa de secagem também permanece constante (BC). Esta fase do processo é o período de secagem à taxa constante. O período termina quando o sólido atinge um teor de umidade, a partir do qual a temperatura da superfície começa a se elevar. Este ponto é chamado de teor crítico de umidade (X'_C).

Figura 2 - Taxa de secagem e o teor de umidade de um sólido úmido em condições fixas de secagem

A partir do ponto de teor crítico de umidade, a temperatura da superfície do sólido eleva-se e a taxa de secagem cai (do ponto C em diante). O período de taxa decrescente pode ser bem maior que o de taxa constante, no entanto, a quantidade de líquido removido será muito menor.

A taxa de secagem atinge valores próximos de zero (R = 0) num certo teor de umidade de equilíbrio (X'_E), que é o menor teor de umidade atingível no processo de secagem com o sólido nas condições a que está submetido.

A secagem ocorre como se fosse a evaporação de uma massa de líquido, com a temperatura da superfície atingindo a temperatura de bulbo úmido do meio secante.

(34)

Durante o período de taxa constante, a massa de líquido evaporada na superfície é substituída pelo liquido que vem do interior do sólido. No mecanismo de deslocamento do líquido a velocidade do movimento varia acentuadamente em função da própria estrutura do sólido.

Durante o período de secagem à taxa decrescente, entre os pontos C e D, a superfície vai ficando mais pobre em líquido, pois a velocidade do movimento do líquido do interior do sólido para a superfície é menor que a velocidade com que a massa é evaporada na superfície.

No ponto D não há na superfície qualquer região significativamente saturada de líquido. A partir do ponto D, toda a evaporação ocorre a partir do interior do sólido e começa o segundo período de taxa decrescente.

Este período termina quando atinge-se o teor de umidade de equilíbrio (X'_E), e acaba a secagem. Este ponto é atingido quando a pressão de vapor sobre o sólido é igual a pressão parcial do vapor no meio secante.

1.5 COMPORTAMENTO DOS MATERIAIS DURANTE A SECAGEM

Com base no comportamento durante a secagem é possível dividir os materiais em duas classes principais observando suas estruturas:

⇒ Sólidos que têm espaços vazios e abertos relativamente grandes: são sólidos granulados ou cristalinos que retêm a umidade nos seus interstícios, ou em poros superficiais, rasos e abertos. Nestes materiais, o movimento da umidade é relativamente livre e ocorre em conseqüência da interação das forças gravitacionais e das forças de tensão superficial (ou capilares). Este sólido em si, o qual é usualmente inorgânico, é pouco afetado pela presença do líquido e não sofre grande ação do processo de secagem. Por isso as condições de secagem podem ser escolhidas com base na comodidade e na vantagem econômica, com pequena preocupação a respeito dos efeitos das condições de secagem sobre as propriedades dos materiais após a mesma. Nestes sólidos, os teores de umidade de equilíbrio (X'_E) são usualmente muito próximos de zero.

(35)

⇒ Sólidos com estruturas fibrosas, gelatinosas ou amorfas: constituem os materiais orgânicos. Estes materiais retêm a umidade como parte integrante da estrutura do sólido, ou então retêm a mesma no interior de fibras ou de poros delgados internos. Nestes materiais, o movimento da umidade é lento e ocorre pela difusão do líquido através da estrutura do sólido. As curvas de secagem desses materiais mostram períodos de taxa constante (BC) muito curtos e consequentemente elevados valores de teor crítico de umidade (X'_C). O 1º período de taxa decrescente é muito reduzido, e a maior parte do processo de secagem ocorre no 2º período. A velocidade de secagem é controlada pela difusão do líquido através do sólido. Os teores de umidade de equilíbrio (X'_E) são, em geral, elevados em virtude da água presente fazer parte da estrutura do sólido, e sua remoção total danificar o material. As camadas superficiais tendem a secar mais rapidamente que o interior, e quando a taxa de secagem é muito elevada, ocorrem tão grandes gradientes no teor de umidade no interior do sólido, que a estrutura se rompe ou se deforma. Podem ocorrer casos onde se forma uma camada de material seco relativamente impermeável, que dificulta ou impossibilita o prosseguimento da secagem no interior do mesmo, ou em que se acentue o gradiente do teor de umidade no sólido, e dependendo do material, causar a sua deterioração.

Em virtude destas circunstâncias, as condições da realização da secagem são relevantes e devem ser escolhidas tendo em vista os efeitos que podem ter sobre a qualidade do material. A análise econômica do processo e a comodidade da operação são fatores que vêm subordinados à qualidade (FOUST et al, 1982).

(36)

2 SECAGEM DE MATERIAIS FIBROSOS

2.1 CARACTERÍSTICAS DAS FIBRAS

As fibras podem ser consideradas como elementos alongados, sendo que aquelas que são transformadas em fios têm razões comprimento/diâmetro maiores que 10.000. Os comprimentos das fibras de algodão, por exemplo, são da ordem de 25 a 75 mm; os das fibras de lã podem exceder 100 mm e são muito variáveis até mesmo quando tosquiadas da mesma ovelha; as fibras de linho podem ser disponíveis em comprimentos de até 1m. Os diâmetros correspondentes destas fibras têxteis variam entre 3 e 500 µm.

As fibras variam na forma transversal, tanto naturalmente quanto conforme se é desejado no projeto de manufatura de um tecido. As fibras de lã têm seção transversal essencialmente circular, ao passo que as fibras de algodão têm seção elíptica. As fibras sintéticas, feitas por fiação através de um processo de derretimento, podem ser de uma determinada forma desejada. O rayon, por exemplo, pode ter tanto formas cilíndricas regulares quanto irregulares.

A forma da seção transversal influencia o modo como as fibras se juntam em fios. As fibras de seda, por causa da sua seção triangular, podem juntar-se compactamente para formar um fio denso de diâmetro pequeno. As fibras naturais, as quais são obtidas das plantas em pequenos comprimentos, dão origem aos principais fios e são raramente lisas. Fios de algodão e lã têm naturalmente friso espiralado. Os produtos têxteis são compostos de fios entrelaçados num padrão de grade produzido por mechas individuais tricotadas manualmente ou em teares.

A madeira consiste de um grande número de fibras agregadas por lignina a outros tipos de células, formando uma estrutura sólida e rígida. Suas fibras são estruturas cilíndricas ocas, tipicamente de 1 a 4 mm de comprimento, com paredes compostas principalmente de celulose e seus polissacarídeos associados. A maioria das madeiras encolhe e incha com a variação do conteúdo de umidade, mas a mudança dimensional é muito menor ao longo do comprimento da fibra comparada com as suas mudanças transve rsais por um fator de 50 a 100. O processo de produção de pasta de papel por meio químico ou termoquímico, delineia a estrutura, liberando fibras individuais. O

(37)

papel resulta da deposição em tela, drenagem e secagem da mistura macerada para dar ao material a forma de folha de fibras entrelaçadas. As fibras de madeira são também prensadas a quente com resinas, principalmente uréia-formaldeído, resultando em produtos reconstituídos, tais como pranchas de fibra e madeira compensada.

2.2 UMIDADE DAS FIBRAS

A quantidade de umidade absorvível por materiais fibrosos varia como mostra a Tabela 1. As fibras hidrofílicas de origem natural podem reter consideráveis quantidades de umidade, ao passo que algumas fibras artificiais são pouco ou nada higroscópicas.

Tabela 1 - Valores médios do conteúdo de umidade na base seca (kgágua /kgfibra) para a

adsorção de vapor de água a 30oC (KEEY, 1995).

Umidade relativa do meio secante Fibras 20% 50% 100% Caseína 0,0615 0,1115 1,05 Algodão 0,0305 0,0565 0,23 Algodão mercerizado 0,0420 0,0775 0,335 Nylon 0,0127 0,0287 0,050 Orlon 0,0031 0,0088 0,050 Rayon 0,0515 0,0935 0,360 Viscose 0,0555 0,1010 0,460 Polpa de madeira 0,0340 0,0620 0,250 Lã 0,0620 0,1100 0,380

A variação do conteúdo de umidade de equilíbrio com a umidade relativa do meio secante, à temperatura constante, é mostrada na Figura 3 através de curvas de adsorção isotérmica (CASSIE, 1945) para diversos tipos de fibras, entre 20 e 35ºC.

Considera-se que a água pode ser absorvida pelas fibras hidrofílicas de dois modos: ou fortemente retida pela estrutura, ou como líquido livre. Enquanto muitas fibras têxteis aproximam-se assintoticamente de um máximo conteúdo de umidade, em altas umidades relativas, algumas fibras feitas pelo homem, tais como nylon e viscose, parecem ter valores máximos bem definidos para o mesmo. Jaafar e Michalowski

(38)

(1990) interpretam este comportamento como o efeito térmico de adsorção, sendo igual ao calor de condensação somente após a formação de uma camada multicelular. Muitas isotermas de adsorção podem ser normatizadas plotando-se o conteúdo de umidade de equilíbrio (X’E) em função da variação da energia livre de adsorção

(-ℜ.T.ln ϕ). 1- Alginato de Berílio 2- Alginato de Cálcio 3- Viscose 4- Lã 5- Juta 6- Algodão mercerizado 7- Cânhamo, linho 8- Algodão especial 9- Acetato de Rayon 10- Tecido de linho 11- Nylon 12- Acetato de celulose 13- Rayon

Figura 3 - Isotermas de adsorção para fibras têxteis (CASSIE, 1945)

Admite-se que as isotermas de desadsorção possam ser similarmente correlacionadas, particularmente em moderada umidade relativa quando a adsorção multimolecular é o mecanismo dominante de ligação e o conteúdo de umidade está diretamente relacionado à espessura da camada adsorvida. Uma correlação pode ajustar-se muito bem a dados experimentais sobre uma faixa limitada de umidade relativa, mas pode dar resultados enganadores se extrapolados além da faixa testada, particularmente para umidade relativa mais alta quando diferentes mecanismos de retenção de umidade acontecem. Walker (1993) adverte sobre esta constatação com respeito à água em madeira. Resumidamente, o ponto de saturação da fibra corresponde ao máximo conteúdo higroscópico de umidade quando as paredes da célula das fibras estiverem totalmente preenchidas pelo líquido. Porém, em umidade

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relativa acima de 98%, as cavidades naturais ou artificiais das fibras começam a encher-se pela condensação capilar, causando uma brusca variação ascendente na curva de adsorção. Uma vez que a umidade adsorvida evapora mais rapidamente em altas temperaturas, o conteúdo de umidade de equilíbrio torna-se menor com o aumento de temperatura, a uma dada umidade relativa.

Nas condições no interior de um secador para madeira, o conteúdo de umidade de equilíbrio pode tornar-se muito baixo: na temperatura de bulbo seco de 120oC com uma queda de 30oC na temperatura de bulbo úmido, este valor é da ordem de apenas 3%. Na prática, quando um “teste de secagem em forno” é utilizado para determinar o conteúdo de umidade de uma massa fibrosa, é freqüentemente assumido que a umidade residual é desprezível.

O calor de adsorção é a diferença, em conteúdo de calor específico ou entalpia, entre a umidade da fronteira e aquela livre adjacente, à mesma temperatura e pressão total. Esta diferença de entalpia é normalmente derivada de uma forma da equação de Clausius-Clapeyron, supondo-se que a fase líquido-vapor age como um gás ideal, e o volume molar da fase condensada é desprezível quando comparado com o do vapor. Segue-se que o calor de umidificação pode ser encontrado plotando-se –ln ϕ em função de 1/T, se dados de adsorção forem disponíveis em várias temperaturas. A variação de energia livre (–ℜ.T.ln ϕ) é às vezes utilizada como uma aproximação do calor de umidificação.

A umidade pode ter um profundo efeito nas propriedades mecânicas das fibras. A água retida pelas paredes das células das fibras causa seu inchaço e a perda de umidade, o seu encolhimento. Os esforços de secagem introduzem tensões na estrutura da fibra a qual pode não se recuperar totalmente quando estes esforços cessam, sendo isto conhecido como deformação residual permanente.

Com materiais hidrofílicos, é verificado que a umidade reduz a rigidez e aumenta a fluência, possivelmente como resultado do efeito plástico do material. As variações no conteúdo de umidade aumentam a fluência. Se as fibras forem expostas a um meio ambiente no qual a umidade relativa varia de forma cíclica, então ocorre um aumento considerável nas taxas de deformação (ERICKSON, 1985). A 60oC, a oscilação entre

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5% e 95% na umidade relativa produz a mesma deformação em 2 dias que a esperada em 5 anos se o material fosse mantido na mais alta umidade relativa.

Fibras de madeira encolhem anisotropicamente em secagem abaixo do seu ponto de saturação. Walker (1993) cita algumas possíveis razões para este comportamento, incluindo a possibilidade de que microfibras na parede da célula retenham a matriz original da espécie, e as diferenças no comportamento entre anéis de crescimento do segmento mais novo e o do mais velho. O efeito da secagem nas propriedades das fibras de polpa de madeira molhada é resumido por Kumar e Mujumdar (1990). A secagem enfraquece o entrelaçamento da fibra causando diminuição substancial no comprimento médio resistente a um determinado esforço. As propriedades óticas também são afetadas pela secagem, com uma diminuição na capacidade de dispersão da luz.

Materiais fibrosos são secados comercialmente em vapor superaquecido assim como em ar. Secagem com vapor superaquecido tem vantagens no baixo consumo de energia comparado com secagem a ar, ausência de oxidação, e menos contaminação do produto. A cor branca das fibras com conteúdo de matéria seca maior que 80%, secadas com ar quente, é preservada, mas o seu amarelamento ocorre quando secadas com vapor superaquecido.

2.3 MOVIMENTO DA UMIDADE EM FIBRAS SIMPLES

Do ponto de vista termodinâmico espera-se que o movimento da água através de uma fibra simples ocorra a uma taxa dependente do gradiente de potencial químico.

Em regime de umidificação higroscópica, o coeficiente de difusão pode tornar-se altamente dependente da concentração. Além disso, em baixos conteúdos de umidade, a água sorvida pode formar ligações fortes com a fibra hidrofílica, tal que a simples difusão não mais possa ocorrer. Apenas aquelas moléculas com energia cinética maior que a energia de ativação das ligações entre a umidade e a fibra pode mudar-se de um lugar para o outro. O agente direcionador da difusão é considerado como sendo a pressão de sorção, que age sobre regiões bidimensionais num modo similar à pressão de vapor agindo num espaço tridimensional. Porém, coeficientes de difusão baseados em gradientes de concentração são ainda comumente empregados como um meio de

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descrever taxas de movimento da umidade. Em geral, o coeficiente de difusão será uma função tanto da concentração quanto da temperatura. À temperatura constante, o coeficiente de difusão independe da concentração se a curva isotérmica da umidade for linear. As curvas isotérmicas para muitas fibras são aproximadamente lineares sobre a faixa de umidade relativa de 20% a 80%, conforme mostram os dados na Figura 3. Assim, em inúmeras aplicações práticas, a suposição de uma difusividade independente da concentração pode conduzir a resultados satisfatórios.

Apesar de existir uma variedade de formas de seção transversal, uma fibra pode ser vista, em uma primeira aproximação, como um cilindro longo oco ou sólido. O coeficiente de difusão de umidade dentro de uma fibra de lã, por exemplo, é da ordem de 10-11 m2/s.

2.4 RESPOSTA DE UMA MASSA FIBROSA A VARIAÇÕES AMBIENTAIS

Henry (1939, 1948) desenvolveu um esquema teórico para descrever a resposta de uma massa de fibra a variações escalonadas na umidade ou temperatura do meio circundante. Ele assumiu que a quantidade de umidade retida por unidade de massa da fibra (X), era uma função linear da concentração de vapor de água (Cv) no espaço de ar entre as fibras, e da temperatura (T):

T Cv X

X= _i+α +ω (1)

na qual “Xi” e os coeficientes “α e ω” são constantes. Estes coeficientes significam

(

∂X ∂Cv

)

T e

(

∂X ∂T

)

Cv, respectivamente. Embora Henry assumisse valores constantes

para estes coeficientes, eles eram funções fortemente dependentes do conteúdo de umidade e da temperatura, tanto para o algodão como para a lã. O coeficiente “Xi”

pode ser considerado como um dado conhecido do conteúdo de umidade, no início do processo.

Conforme o ar passa através de um leito de fibras higroscópicas úmidas, as frentes de temperatura avançam. Associadas com essas frentes de temperatura estão as frentes de concentração de umidade, sendo estas maiores. Ambas as frentes avançam com velocidades bem diferentes, embora constantes. A primeira frente se movimenta

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numa fração da velocidade do ar, enquanto a segunda se move à velocidade várias ordens de grandeza ainda menores. A segunda frente é lenta, e é normalmente aquela de principal preocupação na tecnologia de secagem, estando associada com a maior parte da variação do conteúdo de umidade.

Nordon (1964) modela a passagem destas frentes na suposição de que a transferência de umidade na fibra é muito rápida comparada com a difusão dentro do espaço entre as fibras. Os perfis de conteúdo de umidade e temperatura calculados por ele para a secagem de uma grossa manta de lã de 30 mm de espessura, totalmente saturada, em exposição a um ar com 65% de umidade relativa até atingir o ponto de equilíbrio higroscópico, são reproduzidos na Figura 4.

Os cálculos de Nordon aplicam-se ao caso na qual a manta está na forma de uma camada espessa exposta a uma baixa vazão de ar, e não seriam aplicados à secagem de tecidos finos, onde o número de unidades de transferência (na direção do fluxo de ar) é muito pequena e o ar de secagem não mais aparece saturado para a maioria do tempo de secagem, como no exemplo avaliado por ele.

Figura 4 - Conteúdo de umidade em função do tempo ao longo da espessura da manta de lã ( NORDON, 1964).

Posteriormente, Nordon modificou suas análises para levar em conta o comportamento, em dois estágios, da sorção de um material têxtil e a dependência da taxa de transferência da umidade.

Quando a fibra é compactada em alta densidade, seu conteúdo de umidade de equilíbrio e aparente coeficiente de difusão de umidade parecem cair, e os dados

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obtidos com o material compactado livremente não mais podem ser aplicados. A difusão da umidade nesses fardos aproxima-se daquela em fibras simples. Sob essas condições Cudmore e Coulter (1990) descrevem a redistribuição de umidade em termos dos movimentos previstos pela Lei de Fick, entre camadas em diferentes conteúdos de umidade, empregando coeficientes de difusão que são determinados em função da temperatura e densidade de compactação. Nilsson et al. (1993) encontraram que o coeficiente de difusão aparente de umidade cai de 5,4 x 10-6 para 2,1 x 10-6 m2/s conforme a densidade aumenta de 500 kg/m3 (polpa de madeira) para 1530 kg/m3 (papel acabado).

2.5 SECAGEM CONVECTIVA DE MASSAS FIBROSAS

A migração da umidade em meios fibrosos e porosos pode ocorrer de várias maneiras: por difusão de líquido ao longo das fibras devido a gradientes de umidade e temperatura; pelo movimento devido a capilaridade e gravidade dentro dos espaços entre as fibras; e pela difusão de vapor devido às variações na pressão de vapor da umidade através da massa fibrosa.

Fluxo de Knudsen ou efusão existe quando o caminho livre médio das moléculas de vapor for de dimensões similares ao espaço entre as fibras. Isto é improvável sob a maioria das situações comerciais de secagem. A difusão de superfície da umidade sorvida pode também ocorrer, mas, tal movimento pode não influenciar significativamente o transporte de umidade, pois o material migrante pode simplesmente recircular em torno de uma bolsa de ar (PHILLIP; DE VRIES, 1957).

Com algumas fibras higroscópicas, é incerta a ocorrência de um período inicial de taxa de secagem constante, dando origem a dúvidas sobre a estimativa de um apropriado conteúdo crítico de umidade. Os dados de Walker (1969), para secagem de lã, não tricotada, em recipientes metálicos sob condições externas constantes, mostram um valor máximo para a taxa de secagem, mas, nenhum período na qual as taxas de secagem permaneceram constantes. Além disso, uma massa de fibras livres não constitui um corpo de capilaridades e porosidades, pois o mecanismo que dá origem a um período de taxa constante numa malha porosa não surge num simples amontoado de fibras.