Psicrometria e Secagem: Propriedades Termodinâmicas do Ar Úmido - Operações Unitárias

2024 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE ESCOLA DE QUÍMICA E ALIMENTOS ENGENHARIA DE ALIMENTOS OPERAÇÕES UNITÁRIAS AULAS 56 PSICROMETRIASECAGEM Prof Dr Luiz Antonio de Almeida Pinto 1 PSICROMETRIA Definição O que é Psicrometria É a ciência que estuda as propriedades termodinâmicas de misturas gásvapor Gás não condensável ar seco Gás condensável vapor de água Mistura gásvapor ar atmosférico 2 PSICROMETRIA Definição Porque é importante conhecer as condições de umidade do ar Umidificação ou desumidificação do ar conforto térmico Conservação de alimentos secagem e armazenamento Dimensionamento de equipamentos secagem e evaporação Projetos de resfriamentos de água pelo uso de ar torres de resfriamento 3 PSICROMETRIA Definições Analíticas Como calcular a psicrometria Temperatura de Bulbo Seco Tbs Temperatura de Bulbo Úmido Tbu Temperatura de Ponto de Orvalho Tpo Pressão Parcial de Vapor Pv Pressão de Vapor Saturado Psat Volume Úmido Vu Calor Úmido Cpu Entalpia H Umidade Absoluta w Umidade de Saturação wsat Umidade Relativa UR 4 PSICROMETRIA Definições Analíticas Lei dos Gases Ideais P V n R T Sistemas a baixas pressões até 3 atm e a baixas densidades Quando comportarse como gás real adicionar o fator de compressibilidade Ar seco Vapor dágua Ar Úmido 1 5 PSICROMETRIA Definições Analíticas Temperatura de Bulbo Seco Tbs C ou K É a temperatura do ar medida com um termômetro comum Temperatura de Bulbo Úmido Tbu C ou K É a temperatura em regime permanente que um termômetro de bulbo úmido atinge quando exposto a uma corrente de ar úmido rápida 2 ms 6 PSICROMETRIA PSICRÔMETRO GIRATÓRIO PSICRÔMETRO DE PAREDE HIGRÔMETRO Equipamentos 7 PSICROMETRIA Definições Analíticas Temperatura de Ponto de Orvalho Tpo C ou K É a temperatura em que inicia a condensação do vapor de água quando a fase gasosa é resfriada 8 PSICROMETRIA Definições Analíticas Pressão Parcial de Vapor Pv Pa atm ou mmHg Pressão exercida na atmosfera pelo vapor de um líquido Equação de estado Pv V nv R T Função da fração molar Pv yv P onde yv nv nvnar Função da umidade relativa Pv UR Psat 2 3 e 4 5 9 PSICROMETRIA Definições Analíticas Pressão de Vapor Saturado Psat Pa atm ou mmHg Máxima pressão de vapor do componente na atmosfera a uma temperatura específica Equação de Antoine log Psat A B C T A B e C constantes de Antoine T Tbs Pode ser determinada pelas tabelas das propriedades de vapor saturado 6 10 PSICROMETRIA Definições Analíticas Volume Úmido Vu m³mistura kgar seco Representa o volume ocupado pelo ar úmido por unidade de ar seco contido nele Vu 1 MMar w MMv RT PT MMar massa molar do ar MMv massa molar do vapor de água w umidade absoluta PT pressão total 7 11 PSICROMETRIA Definições Analíticas Calor Úmido Cpu JC kgar seco Calor requerido para elevar em 1 C ou K a temperatura de uma unidade de massa da mistura gasosa a pressão constante Cpu Cpar w Cpv 8 12 PSICROMETRIA Entalpia H Jkgar seco É a energia contida no ar úmido por unidade de massa de ar seco expressa em relação a um estado de referência Tbs Tref Tref 0 H Har w Hv H Cpar T Tref w HLv 𝒓𝒆𝒇Cpv T Tref Definições Analíticas Cp calor específico HLvref Calor latente referência w umidade absoluta T Tbs 9 10 13 PSICROMETRIA Definições Analíticas Umidade Absoluta w kgH20kgar seco Unidade de massa de vapor por unidade de massa de ar seco w mv mar É função da Eq Estado Pv V mv MMv RT e Par V mar MMar RT Dividindo Pv por Par e rearranjando mv mar Pv Par MMv MMar w 11 12 e 13 14 14 PSICROMETRIA Definições Analíticas Umidade Absoluta w kgH20kgar seco Sendo MMv 1802 e MMar 2897 w 0622 Pv Patm Pv Umidade de Saturação ws kg H20kg ar seco Máxima quantidade de vapor de água que pode conter o ar seco em uma dada condição de temperatura e pressão ws 0622 Psat Patm Psat 15 16 15 PSICROMETRIA Definições Analíticas Umidade Relativa UR É a relação entre a pressão de vapor dágua na mistura e a pressão de saturação correspondente a temperatura de bulbo seco UR Pv Psat 100 É uma medida da quantidade de vapor de o ar pode reter a uma dada temperatura Se Pv for máxima UR100 17 16 PSICROMETRIA Definições Gráficas O que são as Cartas Psicrométricas São as representações gráficas de todas as propriedades da mistura em que a partir de um ponto qualquer especificado como ponto de estado se pode encontrar as propriedades do gás a uma determinada condição 17 Tbs Tbu w kg H2Okg ar seco Tptorv UR Vol Úmido m³kg ar seco 18 PSICROMETRIA Definições de Software O que é o CATT Computer Aided Thermodynamic Tables 2 É um software que permite obter as cartas psicrométricas os diagramas de fases de diversos fluidos refrigerantes e as constantes físicas dos mesmos 19 PSICROMETRIA Software ComputerAided Thermodynamic Tables 3 Psychrometric Properties Temperature C Wet Bulb Temp C Enthalpy kJkg dry air Absolute Humidity kg waterkg dry air Relative Humidity Dew Point Temp C Excess Water kg waterkg dry air H u m i d i t y r a t i o Psychrometric Chart Dry bulb temperature C Temp T Wet Bulb Temp Twet Enthalpy Ht Absolute Humidity w Relative Humidity phi Dew Point Temp Tdew Excess Water w wsat Water Refrigerants Cryogenics Air Ideal Gases Compressibi ty Psychrometrics Values S 77719 T 2631 PSICROMETRIA Software ComputerAided Thermodynamic Tables 3 Psychrometric Properties Temperature C Wet Bulb Temp C Enthalpy kJkg dry air Absolute Humidity kg waterkg dry air Relative Humidity Dew Point Temp C Excess Water kg waterkg dry air H u m i d i t y r a t i o Psychrometric Chart Dry bulb temperature C Temp T Wet Bulb Temp Twet Enthalpy Ht Absolute Humidity w Relative Humidity phi Dew Point Temp Tdew Excess Water w wsat Water Refrigerants Cryogenics Air Ideal Gases Compressibi ty Psychrometrics Values S 77719 T 2631 PSICROMETRIA Legenda T Tbs w w phi UR Twet Tbu Ht H Tdew Tpo 22 PSICROMETRIA Psicrômetro fornece Tbs e Tbu Higrômetro fornece Tbs e UR 23 PSICROMETRIA Valores reais de w kg águakg ar seco Verão acima 0020 Outono 0010 à 0015 0013 Inverno 0005 à 0010 Primavera 0015 à 0018 24 PSICROMETRIA 25 O que é Secagem Secagem Física Operação unitária que promove transferências simultâneas de calor e massa por meio da migração líquida por difusão baseada na Lei de Fick em função do gradiente de umidade Secagem Tecnológica Método de preservação de alimentos que consiste na remoção de umidade do material na forma de vapor através da transferência de calor por convecção SECADOR ALIMENTO SECO Definição PSICROMETRIA Aplicação 26 Porque estudar os métodos de secagem Impedir transformações bioquímicas e microbiológicas de produtos alimentícios Dimensionamento de equipamentos Redução de perdas pré e pós processamento Oferta de produtos hortículas desidratados em regiões de escassez Operação onerosa PSICROMETRIA Mecanismos de Secagem Como a umidade migra do sólido para o ar de secagem A umidade pode ser transportada do interior do sólido na forma líquida difusão líquida ou escoamento capilar pela transferência de massa ou a partir da superfície do produto na forma de vapor difusão de vapor através da transferência de calor Dependendo de como ela migrar dois fenômenos podem ocorrer formação de crosta ou encolhimento do material Resistência Externa Resistência Interna à transferência de massa Ar de Secagem calor massa INTERIOR DO MATERIAL Placa Plana de aço inox Z L 0 Superfície de Secagem 27 Condições externas ar T v UR Condições internas sólido L X PSICROMETRIA O que é o mecanismo de difusão líquida ou Lei de Fick A secagem tem como priore transportar a umidade do sólido de interesse do interior do mesmo para a superfície e da superfície para o ar de secagem Quando este sólido é relativamente homogêneo fibroso gelatinoso Essa umidade tende a se deslocar até a superfície por meio de difusão molecular SECAGEM Mecanismos de Secagem 28 PSICROMETRIA O que é o mecanismo de escoamento capilar O escoamento capilar ocorre em poros de materiais granulares ou sólidos porosos nos quais o líquido movimentase através dos interstícios e capilares por um mecanismo que envolve atração molecular entre sólido e líquido Movimento provocado por diferença de pressão total Força externa Shrinkage Aumento da temperatura e capilaridade Mecanismos de Secagem 29 PSICROMETRIA Comportamento Geral Água livre ou água ligada Todo material higroscópico apresenta os dois tipos sendo assim a umidade inicial do produto é composta pelo somatório delas Entretanto a água mais fácil de ser retirada durante a secagem é a água livre XL Xi Xe XL umidade livre Xi umidade inicial ligada livre Xe umidade de equilíbrio ou ligada Xe é em função de Tbs e w 18 30 PSICROMETRIA A A E E Cinética da Secagem Taxa Constante Curva de Secagem Curva da Taxa de Secagem 31 PSICROMETRIA A A E Estabilização Escoamento do ar 32 Cinética da Secagem PSICROMETRIA A A E Escoamento do ar Tx cte Tsup Tbu Taxa Constante 33 Cinética da Secagem PSICROMETRIA A A E Escoamento do ar Xc 1 Estrutura do poro 2 Espessura da amostra 3 Velocidade de secagem Taxa Constante 34 Cinética da Secagem PSICROMETRIA 1º estágio decrescente A A E Escoamento do ar 1 Estrutura do poro 2 Taxa de secagem no período constante 3 Umidade crítica 35 Cinética da Secagem PSICROMETRIA A A E Escoamento do ar 2º estágio decrescente i Higroscopicidade do material ii Elevação da temperatura no sólido iii Umidade de equilíbrio 36 Cinética da Secagem PSICROMETRIA A A E Escoamento do ar Final da secagem Umidade em equilíbrio Pvsup Pvar 37 Cinética da Secagem PSICROMETRIA Definições Analíticas Definição Equação Ordem Taxa de transf calor Nc mss At X t ht A Hvap TbsTbu 19 Tempo de secagem tc mssHvap X1 X2 U At Tbs Tbu 20 Coeficiente convectivo total ht hc hr 21 Coef convectivo gás hc cte1 G cte2 22 Fluxo de gás G ρar var 23 38 PSICROMETRIA O que é umidade de equilíbrio Xe A partir do momento em que a taxa de secagem é nula significa que independente do tempo de processo e mantendo todas as condições de operação iguais a umidade não será mais retirada do interior do sólido Este ponto chamase umidade de equilíbrio e significa que a umidade do sólido está em equilíbrio com o vapor do meio de secagem Estrutura do material não poroso Xe 0 Temperatura do ar de secagem UR do ar de secagem Equilíbrio 39 PSICROMETRIA 40 O que são as Isotermas de Sorção Segundo Lewis e Randall 1961 Atividade de água é a uma dada temperatura a razão entre a fugacidade de uma substância e sua fugacidade em algum estado que por conveniência tenha sido escolhido como um estado padrão Assim a relação entre o conteúdo de umidade de equilíbrio do material e a atividade de água correspondente para uma dada temperatura é conhecida como isoterma de sorção Equilíbrio Dessorção Adsorção Aw PSICROMETRIA Equilíbrio 41 Região A a água é fortemente ligada aos sítios e indisponível para reações monocamada não existindo diferença nas curvas de dessorção e adsorção Região B é uma zona de transição multicamadas Região C ocorre uma tendência na inclinação da curva aumentar condensação capilar Curva típica de isoterma de sorção de sólido PSICROMETRIA 00 01 02 03 04 05 06 07 08 Umidade Relativa UR 00 01 02 03 04 05 06 07 08 Umidade de Equilíbrio Xe 20C 30C 40C 50C 60C Isotermas de equilíbrio para quitosana purificada Equilíbrio 42 A B C PSICROMETRIA Nome Equação Ordem Brunauer Emmett Telle BET 24 Guggenheim Anderson De Boer GAB 25 HendersonThompson 1968 26 Oswin 1946 27 ChungPfost 1976 28 Halsey 1976 29 1 1 1 1 ln 1 b E c Ts a UR X 2 2 2 1 1 c UR UR b Ts a X E 3 3 3 ln ln 1 a UR c Ts b X E 4 1 4 4 ln exp c E UR b Ts a X X X a HR HR HR a HR E m 1 1 X X ab HR b HR b HR ab HR E m 1 1 Modelos de ajustes para isotermas de umidade de equilíbrio Equilíbrio 43 Significado físico Significado empírico PSICROMETRIA Modelos na Secagem Determinação dos parâmetros Avaliação das condições do processo Correlações empíricas Modelos físicomatemáticos Modelos estatísticos RX X Xe Xi Xe RX razão de teor de água do produto X teor de água do produto Xi teor de água inicial do produto Xe umidade de equilíbrio 31 44 PSICROMETRIA Designação do Modelo Modelo Ordem Newton Lewis 1921 32 Page 1949 33 Henderson Pabis 1961 34 Thompson 1968 35 Henderson Dois Termos 1974 36 Wang Singh 1978 37 Exponencial de Dois Termos 1980 38 Verma 1985 39 Henderson Pabis Modificado 1999 40 Logarítmico 1999 41 Midilli 2002 42 Aproximação da Difusão 43 Modelos para predizer o fenômeno da secagem de alimentos fibrosos Legenda t tempo de secagem em horas k ko k1 constantes de secagem h1 a b c n coeficientes dos modelos Exponencial Grãos e Sementes Materiais Fibrosos 45 PSICROMETRIA 46 O que é o Modelo Difusivo Segundo Crank 1975 Quando a difusão de líquido é a que controla a taxa de secagem período decrescente em sólidos a teoria da difusão em um meio isotrópico é baseada na segunda lei de Fick Como os mecanismos de transporte para a transferência de umidade são difíceis de se determinar usase a Difusividade Efetiva de Umidade Def como a velocidade com que a umidade é transferida no interior do material 30 Modelos na Secagem C concentração molar da substância t tempo Def difusividade mássica no meio x y e z coordenadas espaciais do sistema cartesiano PSICROMETRIA No caso de Def cte Tempo longo de secagem O perfil médio de umidade será exp 8 2 0 2 2 0 t L D X X X X EF E E K f L TAR HR vAR X LÂMINAS ESFERAS 2 0 2 4L D K EF 2 2 R D K EF 44 45 46 47 Modelos na Secagem PSICROMETRIA Classificação de Secadores 48 Secadores de Bandeja Basicamente consiste de uma câmara com isolamento térmico com sistemas de aquecimento e ventilação do ar circulante sobre as bandejas e através das bandejas que ficam em uma base fixa O ar aquecido circula por meio de ventiladores e o sistema permite uma circulação de ar para conservação do calor A eficiência térmica nesse tipo de secador varia de 20 a 50 dependendo da temperatura utilizada e da umidade do ar de saída É utilizado para a secagem de frutas legumes e hortaliças em pequena escala PSICROMETRIA Equipamentos de Secagem Secador de Bandeja Efetivo de 20 a 50 Frutas hortaliças e legumes 50 2 Secadores de Esteira Estes secadores possibilita o transporte contínuo do alimento em processo por meio de uma esteira perfurada Os secadores de esteira contínuo são normalmente construídos de forma modular de modo que cada seção apresenta o seu ventilador e aquecimento próprio Essas seções são unidas em série formando um túnel através do qual a esteira se movimente Os legumes frutas e hortaliças neste tipo de secador são submetidas a uma temperatura de secagem no primeiro estágio que pode chegar até 130C e a velocidade do ar em torno de 14 a 15 ms possibilitando uma capacidade de secagem muito alta sem prejudicar as qualidades dos alimentos devido o efeito de resfriamento na evaporação da água PSICROMETRIA Equipamentos de Secagem Secador de Esteira Perfurada Ventilação e aquecimentos por seção Legumes frutas e hortaliças 130 C 14 a 15 ms 52 Secagem por Spray Dryer Atomização Este processo tem por princípio a atomização ou pulverização do alimento a ser desidratado em diminutas partículas Este tipo de secador é muito utilizado na indústria de alimento para secagem de produtos na forma líquida ou pastosa A característica neste tipo de sistema é o tempo extremamente curto variando de 3 a 12 s e a temperatura do produto durante o processo de secagem é relativamente baixa As partículas formadas apresentam diâmetro da ordem de 10 a 200 microns resultando desta forma uma maior superfície de exposição por umidade de volume do alimento que está sendo secado e assim a ocorrência de uma secagem rápida Dispositivo Atomizador três são os tipos básicos de atomizadores bicos sob pressão centrífugo é basicamente um disco que gira na extremidade de um eixo esparramando o alimento na câmara de secagem O sistema atomizador duplo a pressão necessária para pulverizar o alimento é geralmente menor do que usada para o sistema de bico de pressão Dos três sistemas o mais utilizado é o centrífugo e bico sobpressão DESIDRATAÇÃO DOS ALIMENTOS httpbraganttebrtripodcomdesidratacaohtml Free site is hosted by tripod Build your own website on Tripod Its fast easy and economical 1 2 2 1 1 14 9 11 10 13 b f c j a 1 13 7 11 SISTEMA SPRAY DRIER SECAGEM POR PULVERIZAÇÃO 1Ar Quente 2Entrada de Ar 3Bomba de Alimentação 4Introdução de Ar para resfriamento do Produto 5Produto Seco Frio 6Leito Fluidizado 7Produto Final Seco 8Bico de AtomizaçãoSpray 9Câmara de Produto Atomizado névoa 10Ciclone de Recuperação 11Filtro de Ar Invertido 12Saída de Ar 13Produto recuperado 14Leito Fluidizado de Aglomeração PSICROMETRIA Equipamentos de Secagem 56 Secadores de Leito Fluidizado O sistema de leito fluidizado consiste na secagem do alimento fazendo a circulação de ar quente através de um leito de sólidos de modo que estes permanecem suspensos no ar Esse tipo de secador apresenta aplicação limitada principalmente devido a adequação do sistema de alimentação para fluidização dos alimentos e ocorre geralmente a velocidades muito alta Este sistema de secagem tem sido utilizado para secagem de batata em grânulos ou flocos cebola em flocos farinhas cenouras cacau etc PSICROMETRIA Equipamentos de Secagem Leito Fluidizado Leito de sólidos Altas velocidades Grânulos batata cebola cacau 58 PSICROMETRIA Equipamentos de Secagem Secador Pneumático Flash Dryer Sólidos úmidos Filtragem decantação centrifugação Tubulações tret 4 a 5 s capac vol 10 a 200 kgh m³ 59 No Flash Dryer o alimento a ser desidratado é introduzido em um sistema de transporte por tubulações onde o próprio ar de secagem a medida que transporta o material vai evaporando a água nela contida Após a secagem o material é recuperado em um ciclone A velocidade do ar na saída do sistema é da ordem de 10 a 30 ms O tempo de retenção do alimento que está sendo seco mesmo para sistemas de grande percurso é da ordem de 4 a 5 s A capacidade volumétrico do evaporação do Flash Dryer varia de 10 a 200 kgh m3 PSICROMETRIA Equipamentos de Secagem Secador Leito de Jorro 61 SECAGEM EM LEITO DE JORRO DESCONTÍNUO Aula Prática SECAGEM EM CAMADA DELGADA COM ESCOAMENTO PARALELO DE AR Aula Prática SECAGEM EM CAMADA DELGADA ESCOAMENTO PERPENDICULAR DE AR Aula Prática PSICROMETRIA OBJETIVO Obter as curvas de secagem do arroz Determinar a constante de secagem K a difusividade efetiva Def os parâmetros Xc umidade crítica Xtransumidade de transição e Xe umidade de equilíbrio OBJETIVOS da Aula Prática 2 SECAGEM DE ALIMENTOS 0 100 200 300 400 500 00 02 04 06 08 10 CEBOLA Lo3mm Tar 40oC Tar 50oC Tar 60oC XXo base seca Tempo t min 0 100 200 300 400 500 001 01 1 CEBOLA Lo3mm Tar 40oC Tar 50oC Tar 60oC XXo base seca Tempo t min Figura 2 XX0 versus Tempo Figura 3 LogXXEX0XE versus Tempo 21 GENERALIDADES 22 CARACTERÍSTICAS DA SECAGEM Figura 3a Curvas do adimensional de água livre em função do tempo de secagem Figura 4 Taxa de Secagem versus Umidade Determinações Taxa Constante XC tC NC Taxa Decrescente duas fases transição XE DEF análise de regressão K PSICROMETRIA Difusividade efetiva de umidade 2 2 Z X D t X ef Secagem por um lado Sem resistência externa Distribuição de umidade uniforme Tempo de secagem longo Assumindo 4 8 exp 2 0 2 2 L D t π π Xe Xo Xe X ef 1 2 Aula Prática PSICROMETRIA Re 2 2 4 2 2 q Lo Def π Def π K Constante de secagem K 3 2 Re Dp q 4 Aula Prática PSICROMETRIA Equações da Isoterma do arroz B ln 2387x109 Tbs3444 A ln ln UR C 002118 Tbs 5 6 7 onde UR é a porcentagem de umidade relativa do ar no secador adimensional Tbs é a temperatura média de bulbo seco no secador ºC Xe A B C 8 Aula Prática PSICROMETRIA Xo mui mss mss 9 mss mui mui x U 10 Xe X X Xe o Xl 11 Aula Prática PSICROMETRIA N x t NA N x mss A Para o cálculo das taxas de secagem 12 13 Aula Prática