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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
OBTENÇÃO DE TOMATE SECO ATRAVÉS DO USO DE UM SISTEMA SOLAR
ALTERNATIVO DE BAIXO CUSTO
Dissertação submetida à
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
como parte dos requisitos para a obtenção do grau de
MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA
Hermínio Jácome de Lima Neto
Orientador: Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza
Natal, Julho/2008
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2
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
ENGENHARIA MECÂNICA
OBTENÇÃO DE TOMATE SECO ATRAVÉS DO USO DE UM SISTEMA SOLAR
ALTERNATIVO DE BAIXO CUSTO
Hermínio Jácome de Lima Neto
Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de
MESTRE EM ENGENHARIA MECÃNICA
sendo aprovada em sua forma final.
_________________________________
Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza – UFRN ( orientador )
BANCA EXAMINADORA
_________________________________
Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza – UFRN
__________________________________
Prof. Dr. José Ubiragi de Lima Mendes – UFRN
__________________________________
Prof. Dr. Jorge Magner Lourenço – CEFET - RN
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3
Criar uma nova cultura não significa apenas fazer individualmente
descobertas originais; significa também, e sobretudo, difundir criticamente
verdades já descobertas, socializá-las por assim dizer; transformá-las portanto
em base de ações vitais, em elemento de coordenação e de ordem intelectual
e moral. O fato de que uma multidão de pessoas seja levada a pensar
coerentemente e de maneira unitária a realidade presente é um fato
“filosófico” bem mais importante e original do que a descoberta, por parte
de um “gênio”, de uma nova verdade que permaneça como patrimônio de pequenos
grupos intelectuais.
Antonio Gramsci
4
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Jesus Cristo fonte inesgotável de luz que ilumina e guia todos os meus
passos.
Um agradecimento especial ao meu orientador, e acima de tudo amigo, Professor Dr.
Luiz Guilherme Meira de Souza pelos bons ensinamentos transmitidos através de seu
exemplo de fé e vida, por acreditar na minha capacidade pessoal de realização, sendo paciente
com meus erros e dúvidas. Chefe e amigo que soube orientar e direcionar os meus estudos
para que pudesse realizar da melhor forma possível este trabalho. A quem Deus concedeu a
dádiva de um coração puro, o meu “muito obrigado”, que a luz de Jesus e Maria continuem a
brilhar na sua vida e família.
Ao Programa de Pós-Graduacão em Engenharia Mecânica – PPGEM/UFRN, pela
realização deste Curso de Mestrado.
Ao Professor Dr. Rubens Maribondo do Nascimento, Coordenador do PPGEM/UFRN,
pela oportunidade da realização deste Curso de Mestrado.
À secretária do PPGEM/UFRN Marisa Mendonça pelo apoio e dedicados no decorrer
do Mestrado.
Aos Professores do Departamento de Engenharia Mecânica da UFRN, por
proporcionarem conhecimentos para o aprimoramento dos alunos.
A CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de pessoal de Nível Superior pelo
apoio financeiro dado a este trabalho.
Ao Laboratório de Maquinas Hidráulicas e Energia Solar da UFRN, que possibilitou a
realização de todo o experimento deste trabalho; onde se tinha um acontecimento raro em
nosso tempo como a união, respeito, tolerância e profunda estima que todos tinham uns pelos
outros, buscando sempre crescer.
Aos colegas de Pós-Graduação e graduação da UFRN, que
costumo chamar de “família
UFRN”,
em especial aos mestrandos Reginaldo Dias dos Santos e Natanaeyfle Randembergue
Gomes dos Santos, por estar mais presentes e ajudar e acompanhar todos os dias.
5
Um agradecimento em especial, a Aldo Paulino, que através de seus questionamentos,
me levaram e aprimorar meus conhecimentos ao longo de todo o mestrado.
Quero agradecer a todos os meus familiares pelo apoio e incentivo, especialmente com
grande amor e respeito, aos meus pais Luis Carlos Rodrigues e Terezinha Jácome de Lima
Rodrigues por terem trabalhado com honestidade e dedicação para criar a mim e minha irmã,
que não mediram esforços para me possibilitar uma boa formação. Agradeço principalmente
os seus exemplos de fé, perseverança e de dedicação que me transmitiram. Serei eternamente
grato a vocês.
Quero agradecer à minha namorada Hágla Keles Brito de Paula pelo apoio e palavras
de conforto nesta finalização deste trabalho.
O meu cunhado e irmã e sobrinhos por fazem parte da minha vida, os quais lembrarei
sempre com carinho e amor.
Aos professores José Ubiragi de Lima Mendes
e Jorge Magner Lourenço por todos os
comentários durante a avaliação, os quais aumentaram bastante a qualidade deste trabalho.
A todos que participaram, de maneira direta ou indireta, na elaboração deste trabalho.
Muito obrigado!
6
RESUMO
Apresenta-se um sistema de secagem solar para a produção de tomate seco que pode
ser utilizado em convecção natural ou forçada, constituído por um pré-aquecedor (secador
solar de exposição direta), um exaustor e uma câmara de secagem. O secador solar de
exposição direta foi construído em concreto e a câmara de secagem foi fabricada pelo uso de
um compósito a base de gesso, isopor e água. Serão apresentados resultados de testes
realizados para a secagem de tomate de formas direta e indireta, em convecção natural e
forçada, que atestam as viabilidades térmica, econômica e de materiais do processo de
secagem solar. Demonstrando-se a importância social que tal aplicação representa, uma vez
que o valor agregado do tomate seco em relação ao in natura pode representar uma opção de
geração de renda para comunidades carentes de nosso país. Provou-se que a secagem de
tomate pode ser operacionalizada de forma direta e indireta, em secagem natural e forçada,
porém apresenta maior viabilidade para a exposição direta em convecção natural. Para essa
configuração de trabalho mais eficiente a desidratação do tomate para uma umidade final de
20%, processou-se em apenas nove horas.
Palavras chaves: secagem solar, tomate seco, materiais alternativos, energia renovável
alternativa, materiais de baixo custo.
7
ABSTRACT
A drying solar system for the production of dry tomatoe is presented that can be used
in natural or forced convection, be constituted by drying solar of direct exposition, an exhaust
fan and a chamber of drying. The solar drier of direct exposition was constructed in concrete
and the drying chamber was manufactured by the use of a composite the plaster base,
polystyrenes expanded and water. They will be presented resulted of tests for direct and
indirect drying of tomatoe of forms, in natural and forced convection, that the viabilities
certify thermal, economic and of materials of the alternative system of considered solar
drying, demonstrating the social importance that such application represents, a time that the
aggregate value of the dry tomatoe in relation to in natura can represent an option of
generation of income for devoid communities of our country. It was verified that the drying of
tomatoes can be operationalised so direct and indirect, in natural and forced drying, but has
increased viability for direct exposure to natural convection. For this setting to work more
efficient dehydration of tomatoes for a final humidity of 20%, come in just nine hours.
Keywords: solar drying, dry tomatoes, alternative materials, alternative removable energy,
materials at low cost.
8
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO 15
1.1. APRESENTAÇÃO DO TRABALHO 15
1.2. OBJETIVOS 18
1.2.1. OBJETIVO GERAL 18
1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 19
CAPÍTULO 2 - ESTADO DA ARTE 20
2.1. PRINCÍPIOS DA DESIDRATAÇÃO 23
2.1.1. CURVA DE SECAGEM 24
2.1.2. ATIVIDADE DE ÁGUA NO PRODUTO DESIDRATADO 25
2.1.3. PARÂMETROS DE QUALIDADE EM ALIMENTOS DESIDRATADOS 25
2.2. TIPOS DE SECADORES 27
2.2.1. SECADORES DO TIPO CABINE 29
2.2.2. SECADORES DE ESTEIRA CONTÍNUO 33
2.2.3. SECADORES DE TAMBOR OU CILINDROS ROTATIVOS 34
2.2.4. SECADORES A VÁCUO 36
2.2.5. TORRE DE ATOMIZAÇÃO OU SPRAY 38
2.2.6. LIOFILIZAÇÃO OU FREEZE-DRYING 41
2.3. CONSIDERAÇÕES SOBRE A MATÉRIA PRIMA 43
2.4. A SECAGEM SOLAR NO BRASIL E NO RIO GRANDE DO NORTE 44
CAPÍTULO 3 - MATERIAIS E MÉTODOS 47
3.1. PROCESSOS DE CONSTRUÇÃO, MONTAGEM E DE ENSAIO DO SISTEMA DE
AQUECIMENTO ALTERNATIVO PROPOSTO 47
3.2. AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DO COLETOR 53
a1.COEFICIENTE GLOBAL DE PERDAS 53
a.1.1. MÉTODO DA TEMPERATURA MÉDIA DE PLACA 53
a.1.2. MÉTODO DA PERDA TÉRMICA 53
a.1.3. MÉTODO DAS TROCAS TÉRMICAS 54
a.1.3.1.CÁLCULO DO COEFICIENTE DE PERDA PELO TOPO 54
a.1.3.2. CÁLCULO DO COEFICIENTE DE PERDA PELA BASE 58
9
a.1.3.3. CÁLCULO DO COEFICIENTE DE PERDAS LATERAIS 59
a.2. CALCULO DO RENDIMENTO TÉRMICO 59
CAPÍTULO 4 - RESULTADOS E DISCUSSÕES 60
CAPÍTULO 5 - CONCLUSÕES E SUGESTÕES 74
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 76
10
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Curva de secagem para tomate em secador de exposição direta
.
22
Figura 2. Curvas de secagem de diferentes produtos para a temperatura de 60°C 25
Figura 3. Esquema do secador do tipo cabine com circulação de ar sobre as bandejas 29
Figura 4. Esquema do secador do tipo cabine com circulação de ar através das bandejas 30
Figura 5. Esquema do fluxo de ar quente atravessando a camada de produto 30
Figura 6. Esquema do fluxo de ar quente circulando sobre a camada de produto 31
Figura 7. Esquema do secador tipo túnel concorrente 32
Figura 8. Esquema do secador contracorrente 32
Figura 9. Esquema do secador tipo túnel contracorrente com reaproveitamento de parte do ar
de exaustão 33
Figura 10. Esquema de um secador de esteira contínuo 33
Figura 11. Esquema do secador de cilindros, simples e duplo 34
Figura 12. Esquema do secador a vácuo 36
Figura 13.
Esquema do secador a vácuo contínuo 37
Figura 14. Esquema do secador tipo spray dryer 38
Figura 15. Diferentes modelos de secadores do tipo spray dryer 40
Figura 16. Representação esquemática de um liofilizador 42
Figura 17. Secador de exposição direta do sistema de secagem proposto 47
Figura 18. Câmara de secagem construída em material compósito 49
Figura 19. Exaustor do sistema de secagem em estudo 49
Figura 20. Radiômetro construído no LMHES da UFRN 51
Figura 21. Curva de calibração do radiômetro 51
Figura 22. Sistema de secagem proposto 52
Figura 23. Circuito térmico no coletor solar em estudo 55
Figura 24. Gráfico da variação de massa da manga em relação ao tempo total de secagem 61
Figura 25. Gráfico da variação de massa da banana em relação ao tempo total de secagem 62
Figura 26. Gráfico da variação de massa do abacaxi em relação ao tempo total de secagem 63
Figura 27. Gráfico da variação de massa da manga em relação ao tempo total de secagem 64
Figura 28. Perda de massa das amostras na secagem indireta em convecção forçada 65
Figura 29. Comportamento assumido pela perda de massa das amostras para o processo de
secagem em exposição direta em convecção natural 66
11
Figura 30.
Curvas de secagem para as amostras no processo de secagem por exposição direta
em convecção natural. 68
Figura 31. Curvas de secagem para as amostras no processo de secagem por exposição direta
em convecção natural. 69
Figura 32. Diagrama esquemático dos níveis de temperatura medidos no interior e exterior do
coletor em estudo para cálculo do coeficiente global de perda térmica 70
Figura 33
.
Gráfico do rendimento em função do tempo total de secagem 72
12
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Tipos de secadores mais adequados à desidratação 28
Tabela 2. Teores de umidade inicial, % base úmida para diferentes frutas 44
Tabela 3. Dados da secagem de manga com secador de exposição direta em convecção
natural. 60
Tabela 4. Dados da secagem de banana com secador de exposição direta em convecção
natural. 61
Tabela 5. Dados da secagem de manga com secador de exposição direta em convecção
natural
.
62
Tabela 6. Dados da secagem de manga com secador de exposição direta em convecção
natural. 63
Tabela 7. Tempo de secagem dos produtos testados 64
Tabela 8. Variação da massa das amostras na secagem indireta com convecção forçada. 65
Tabela 9. Secagem em exposição direta com convecção natural 66
Tabela 10.
Massa das amostras no processo de secagem por exposição direta em circulação
natural. 67
Tabela 11.
Perda de massa horária durante o teste 69
Tabela 12. Níveis de temperatura obtidos no secador 70
Tabela 13. Tipos de perdas térmicas 71
Tabela 14. Dados do ensaio no secador de exposição com carga máxima 72
13
NOMENCLATURA
β = coeficiente de dilatação térmica, K
-1
σ = constante de Stefan-Boltzman, em W/m
2
.K
4
δ = espessura da camada de fluido, em mm.
ν = viscosidade cinemática, em m
2
/s.
α
p
=
absortividade
da placa
η
t
=
rendimento térmico, em %.
ε
v
= emissividade da cobertura de vidro
τ
v
=
transmissividade
do vidro de cobertura do secador
c
p
= calor específico do fluido, em KJ/Kg. K
e
areia
= espessura da areia, em mm
e
tijolo
= espessura do tijolo, em mm
e
vi
= espessura do vidro, em mm
g = constante da aceleração da gravidade, em m/s
2
H = comprimento da camada de fluido, em mm
h
c(p - vi)
= coeficiente de transmissão de calor por convecção entre a placa absorvedora e a
superfície interna do vidro de cobertura, em W/m
2
.K
h
c(ve - a)
= coeficiente de transmissão de calor por convecção entre a superfície externa do vidro
e ao ar ambiente, em W/m
2
.K
h
r(p - vi)
= coeficiente de transmissão de calor por radiação entre a placa absorvedora e a
superfície interna do vidro de cobertura em W/m
2
.K
h
r(ve - a)
= coeficiente de transmissão de calor por radiação entre a superfície externa do vidro e
ao ar ambiente, em W/m
2
.K
I = radiação solar global, em kW/m
2
k
ar
= condutividade térmica do ar, em W/m.K
k
areia
= condutibilidade térmica do material da areia, em W/m.K
K
tijolo
= condutibilidade térmica do tijolo, em W/m.K
K
vi
= condutividade térmica do vidro, W/m.K.
P
abs
= potência absorvida pelo coletor, em W
•
m
= vazão mássica, em kg/s
P
p
= potência perdida, em W
14
Pr = número de Prandtl
P
u
= potência útil, em W
R
c(p– vi)
= Resistência convectiva entre a placa absorvedora e a superfície interna da cobertura,
em m
2
.K/W
R
c(ve - a)
= Resistência convectiva entre a superfície externa da cobertura e o ar ambiente, em
m
2
.K/W
R
k(vi - ve)
= Resistência condutiva entre as superfícies interna e externa da cobertura
transparente, em m
2
.K/W
R
kc
= resistência condutiva do tijolo
R
r(p – vi)
= Resistência radiativa entre a placa absorvedora e a superfície interna da cobertura,
em m
2
.K/W
R
r(ve - a)
= Resistência radiativa entre a superfície externa da cobertura e o ar ambiente, em
m
2
.K/W
T
a
= temperatura ambiente, em K
T
pm
= temperatura média da placa absorvedora, em K
T
ve
= temperatura média externa do vidro, em K
T
vi
= temperatura média interna do vidro, em K
U
base
= coeficiente de perda pela base, em W/m².K
U
laterais
= coeficiente de perda pelas laterais, em W/m².K
U
loss
= coeficiente global de perdas, em W/m².K
U
topo
= coeficiente de perda pelo topo, em W/m².K
Capítulo 1 - Introdução
___________________________________________________________________________
15
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.1. Apresentação do trabalho
O homem tem usado alimentos desidratados naturalmente por centenas de anos. A
desidratação artificial, entretanto, data de cerca de dois séculos. Na desidratação artificial,
uma fonte de calor, de combustíveis fósseis ou mais recentemente de energia elétrica, toma o
lugar da exposição direta do alimento ao sol no campo.
Embora este seja um meio eficiente de conservação de alimentos, em muitos países os
métodos utilizados na secagem ainda não atingiram o grau de desenvolvimento necessário à
obtenção de produtos de boa qualidade. Grande parte dos alimentos desidratados é obtida por
exposição direta ao sol, a céu aberto. Alguns países, principalmente os Estados Unidos,
possuem grandes indústrias de desidratação de alimentos que usam geralmente gás natural ou
óleo para a desidratação de frutas, castanhas, verduras e leite.
No Brasil, embora ainda em quantidade quase insignificante, os processos de
desidratação são encontrados com maior freqüência na indústria de laticínios e na secagem de
grãos e semente, sendo geralmente utilizados combustíveis fósseis, lenha e eletricidade como
fonte de calor. Essa insipiente utilização de processos de desidratação entra em contraste com
o alto índice de perda de alimentos, principalmente na zona rural. Segundo Souza (2004)
cerca de 30% da produção agrícola no Brasil é desperdiçada por falta de por falta de
processos adequados de conservação.
O grande desafio do mundo globalizado é produzir alimentos para uma população que
não para de crescer e já ultrapassou os seis bilhões de habitantes. Uma vez que as áreas
agricultáveis estão diminuindo, a oferta de água para irrigação é escassa e as tecnologias de
produção já não conseguem dar mais saltos de produtividade, alguns especialistas acreditam
que até nas próximas décadas a oferta de alimentos no mundo crescerá menos que a
população.
O Brasil é uma exceção neste panorama e surge como uma das grandes forças
produtoras no 3° milênio. O Brasil produz hoje 34 milhões de toneladas de frutas, numa área
total de 2,2 milhões de hectares. É o segundo maior produtor de frutas do mundo, atrás apenas
da China. No ano 2007, o Brasil exportou US$ 645 milhões em frutas in natura, o equivalente
a aproximadamente 1% do que o mercado mundial de frutas movimentou no ano passado. No
que diz respeito ao comércio de frutas secas o montante exportado correspondeu a US$2,8
Capítulo 1 - Introdução
___________________________________________________________________________
16
milhões, que não chega a se representativo com relação ao mercado mundial (Site do
Ministério da Agricultura).
Apesar da indiscutível necessidade de se aumentar a produção de frutas e ampliar as
exportações, torna-se imprescindível reduzir as perdas que ocorrem em toda a cadeia
produtiva. Nos países emergentes as perdas são estimadas em 50% para alguns produtos.
Nossa realidade não é diferente, desde o produtor até o consumidor, a magnitude das perdas é
considerável. Este fato evidencia a urgente necessidade de processos simples e baratos, que
possam oferecer caminhos para conservar estes alimentos extremamente perecíveis (Souza,
2004).
Nos últimos dez anos com o surgimento de secadores dimensionados adequadamente
para a secagem de frutas e principalmente com custos mais acessíveis, o mercado de frutas
secas cresceu. O surgimento de outras frutas secas, além da banana, como a maçã, o mamão, o
abacaxi e a manga, mesmo que em pequenas quantidades, reforçam a afirmativa de que o
mercado está em crescimento.
Para o combate a esse grave problema de desperdício de alimentos que poderiam ser
aproveitados para minimizar os graves problemas sociais ligados à fome e a miséria, o uso da
energia solar é imprescindível, pelas suas características de ser limpa, de grande potencial,
largamente disponível em todo o Brasil, principalmente no Nordeste, região com maior índice
de desigualdade social, e de fácil tecnologia de construção para os protótipos que
transformam a energia solar em calor.
O presente trabalho apresenta os processos de construção e montagem de um sistema
de secagem para frutas, constituído de um secador de exposição direta e uma câmara de
secagem, construída em material compósito, que tem um exaustor em sua parte superior. O
compósito é resultante da mistura de gesso, EPS (poliestireno expandido) triturado e água. A
secagem, portanto, pode ser operacionalizada em convecção natural ou forçada.
Os frutos podem ser desidratados em secagem de exposição direta ou indireta. Quando
postos a secar no secador solar a secagem é dita direta, com os frutos expostos a cão dos raios
solares. Neste tipo de secagem o controle das propriedades dos frutos torna-se mais difícil.
Quando se quer uma secagem mais controlada opta-se pela secagem de forma indireta, com os
frutos a secar postos na câmara de secagem. Em ambos os casos pode-se trabalhar em
convecção natural ou forçada.
Capítulo 1 - Introdução
___________________________________________________________________________
17
Priorizar-se-á os ensaios para a secagem de tomate, em secagem natural e forçada, em
exposição direta ou indireta, determinando-se o tempo para o nível de desidratação pretendida
para várias cargas de frutos.
Como se sabe a perecibilidade de produtos horti-fruti-granjeiros é um dos problemas
de grande importância dentro de qualquer política de combate a fome em qualquer nação
civilizada, principalmente naquelas onde as desigualdades são mais acentuadas. Um outro
grave problema é o desperdício, fruto da inexistência de uma ação de governo, no sentido de
investir tecnologicamente em medidas de combate ao imenso prejuízo causado, que poderia
reverter-se em uma ação de efetivo combate a miséria. A perecibilidade, o desperdício e o
atraso tecnológico imposto ao nosso povo, induzem ainda mais a desigualdade social,
contribuindo para a deterioração da sua qualidade de vida.
No sentido de combater a perecibilidade e o desperdício apresenta-se uma proposta de
desidratação solar do tomate, que pode ser estendida a outros produtos, capaz de agregar
significativo valor ao produto final, utilizando um sistema de baixo custo, fáceis construção e
montagem e que utiliza uma fonte energética limpa,
extremamente disponível e
ecologicamente correta. Ressalte-se que a utilização das energias renováveis tem merecido
por parte do mundo desenvolvido uma extrema prioridade, com o estabelecimento de políticas
de substituição das fontes oriundas do petróleo pelas fontes não convencionais renováveis.
O projeto ainda apresenta uma outra vertente importante dentro de uma política de
combate à miséria, que é através do repasse da tecnologia de utilização do sistema de
desidratação proposto, oferecer uma oportunidade de geração de renda, através da
comercialização de um produto de custo até cinco vezes maior que o in natura.
Portanto, o projeto em proposição, visa principalmente uma ação de combate a
perecibilidade e ao desperdício, utilizando uma energia largamente disponível em nossa
região. Trata-se um sistema de baixo custo e tecnologicamente simples e viável, e pode
contribuir significativamente como uma ação de fixação do homem ao campo, atacando os
problemas do desemprego, da fome e da miséria, combatendo a exclusão social.
Dentro deste contexto as características principais da proposta apresentada estão
pontuadas a seguir:
- conservação de alimentos;
- agregação de valor ao produto;
- oportunidade de geração de renda no campo;
- fixação das populações rurais;
- utilização de energia renovável, ecologicamente correta;
Capítulo 1 - Introdução
___________________________________________________________________________
18
- tecnologia simples com incorporação de inovações;
- emprego de novos materiais e técnicas de fabricação
A desidratação do tomate in natura representa uma ação tecnológica, pode contribuir
para uma política de melhoria da qualidade de vida da população, pelos seguintes aspectos:
- reduz o desperdício do produto agrícola in natura;
- concede maior durabilidade do produto;
- produz geração de renda;
- oferta um produto com forte apelo ecológico;
- aumenta a concentração de nutrientes no produto desidratado.
As viabilidades econômica e social do sistema de secagem são suportadas pelos
seguintes aspectos:
- elevado índice de agregação de valor ao produto final;
- redução da perecibilidade e maior disponibilidade do produto ao longo do ano;
- uso de energia renovável, de grande potencial em nossa região, sem custo de
utilização;
- fator de geração de renda e emprego na zona rural, contribuído para a fixação do
homem à sua região;
- aproveitamento de produtos impróprios para comercialização, como ação de combate
aos desperdícios;
O caráter inovador do estudo consiste:
- no uso de um tipo de energia renovável e ambientalmente correta, num momento
onde o mundo desenvolvido a prioriza;
- na utilização de materiais alternativos de baixo custo;
- nas facilidades de construção e montagem e a possibilidade da construção modular e
pré-moldada do sistema, o que facilitaria seu transporte.
1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivo geral
Demonstrar as viabilidades térmica, econômica e de materiais de um sistema
alternativo de secagem construído com materiais de baixo custo, destinado a secagem de
frutas.
Capítulo 1 - Introdução
___________________________________________________________________________
19
1.2.2. Objetivos específicos
1. projetar um sistema de secagem solar de baixo custo para promover a desidratação
de frutas, visando massificar seu uso por comunidades rurais carentes do estado do Rio
Grande do Norte;
2. construir e instrumentar o sistema;
3. levantar o desempenho experimental do sistema construído;
4. analisar os resultados obtidos.
O estudo proposto está dividido em cinco capítulos que têm as seguintes abordagens:
O capítulo 1 faz a apresentação do trabalho, apontando suas principais inovações e
seus objetivos gerais e específicos.
O capítulo 2 apresenta o estado da arte dos secadores solares e dos processos de
secagem. Destacam-se os materiais utilizados para a formação do compósito utilizado para a
fabricação da câmara de secagem, uma das inovações do presente trabalho.
O capítulo 3 apresenta a proposta em estudo, mostrando o sistema de secagem
construído, seus princípios de funcionamento e seus processos de fabricação e montagem.
Apresenta também a metodologia experimental empregada.
O capítulo 4 mostra os resultados e as discussões dos dados obtidos no levantamento
de desempenho do sistema proposto.
O capítulo 5 trata das conclusões e sugestões, em função da análise dos resultados
obtidos.
Capítulo 2 – Estado da Arte
___________________________________________________________________________
20
CAPÍTULO 2 – ESTADO DA ARTE
Não há registros sobre a origem da técnica de desidratação, mas sabe-se que os
primeiros grandes impulsos ao desenvolvimento da indústria de legumes e hortaliças
desidratados ocorreram durante as Grandes Guerras Mundiais. Durante a Primeira Guerra
Mundial, cerca de quatro milhões de quilos de batatas e produtos para sopas, foram enviados
às forças armadas americanas na Europa.
Já na Segunda Guerra, com a introdução da tecnologia do processamento por
escaldamento antes da secagem, houve uma melhoria da qualidade dos alimentos
desidratados. Com as pesquisas, conseguiu-se produtos secos com maior período de
conservação e de melhor qualidade quando reidratados. Um ponto importante para a
conservação dos alimentos desidratados foi o controle do teor de umidade final dos produtos
(Meloni, 2002).
As principais características dos legumes e hortaliças desidratadas de boa qualidade
são as seguintes (Fioreze, 2003):
• Teor de umidade em torno de 5%, para minimizar a deterioração de cor, sabor e
odor, provocados pelas reações oxidativas e impedir o desenvolvimento
microbiano;
• Devem reidratar-se de maneira rápida e satisfatória, assumindo forma e aparência
original do produto antes da secagem;
• Devem cozinhar rapidamente em água fervente e quando prontos para servir
deverão ser tenros, retendo muito do seu odor e sabor originais;
• Quando embalados deverão ser isentos de insetos, umidade e ar, em embalagens
hermeticamente fechadas e sob vácuo ou atmosfera de gás inerte.
Os legumes e as hortaliças desidratadas apresentam as seguintes vantagens e
desvantagens (Fioreze, 2003):
• Pesam somente cerca de 1/10 do peso original no caso de raízes vegetais e 1/15 ou
menos para o caso de folhas e tomates;
• Os legumes e hortaliças desidratadas não necessitam de refrigeração durante o
transporte ou armazenamento, como é o caso dos produtos frescos ou congelados;
• Compatibilidade com outros ingredientes nas misturas desidratadas, como sopas,
etc.
• O valor nutritivo dos legumes e hortaliças não é muito depreciado pela
desidratação.
Capítulo 2 – Estado da Arte
___________________________________________________________________________
21
Muitos vegetais desidratados depois da reidratação e cozimento não apresentam sabor
e textura iguais aos apenas cozidos.
Sob prolongado armazenamento ao ar, vácuo ou gás inerte, principalmente a
temperaturas superiores a 25ºC, a maioria dos legumes e hortaliças desidratados sofre
alterações indesejáveis. São altamente susceptíveis ao ataque de insetos se embalados
inadequadamente (Costa, 2003).
O consumo diário de vegetais desidratados pode tornar a alimentação monótona e
levar o consumidor a não apreciá-los.
Produtos agrícolas, tais como frutas e vegetais são considerados meios capilar-
porosos. Sempre que um meio capilar poroso contiver umidade e estiver sujeito a quaisquer
dos ou todos os gradientes de concentração, pressão parcial de vapor, temperatura, pressão
total e campos de força externa ocorre transferência simultânea de energia e massa. Quando
traz como conseqüência a remoção de umidade, esse fenômeno é denominado secagem.
A desidratação de alimentos sólidos, como frutas e hortaliças, normalmente significa
remoção da umidade de sólido por evaporação, e tem por objetivo assegurar a conservação
das frutas por meio da redução do seu teor de água. Essa redução deve ser efetuada até um
ponto, onde a concentração de açúcares, ácidos, sais e outros componentes seja
suficientemente elevada para reduzir a atividade de água e inibir, portanto, o desenvolvimento
de microrganismos. Deve ainda conferir ao produto final características sensoriais próprias e
preservar ao máximo o seu valor nutricional.
Devido seu grande sucesso no Brasil, a tomate seco em conserva tem se demonstrado
uma excelente alternativa de desenvolvimento agroindustrial. É um mercado em crescimento
e muito lucrativo, principalmente quando o fabricante é o próprio produtor de tomate ou a
indústria está localizada na região produtora. Outro fator que contribui para a viabilidade do
negócio é que o tomate que interessa para a produção de tomate seco é o tomate maduro,
considerado como descarte do processo de seleção e classificação para o mercado de produto
in natura.
A desidratação é o processo combinado de transferência de calor e massa no qual se
reduz a disponibilidade de água de um alimento, aumentando o tempo de vida útil do mesmo,
combatendo sua perecibilidade e seu desperdício As principais razões para a desidratação das
frutas são: redução da sazonalidade, aumento do seu valor de mercado do produto, redução de
sua deterioração, melhoria do transporte e armazenamento (Meloni, 2002).
Os métodos de desidratação podem ser divididos em quatro tipos: por contato com ar
quente; por contato com superfície quente, por liofilização; por adição de agentes osmóticos.
Capítulo 2 – Estado da Arte
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No caso do presente trabalho a desidratação é obtida por contato com ar quente (Fioreze,
2003).
No processo de secagem são identificados dois períodos característicos: o período de
taxa de secagem constante ou quase constante e um período com taxa de secagem
decrescente. O gráfico da Figura 1 mostra a curva da taxa de secagem expressa pela variação
de umidade do material em função do tempo de secagem.
Figura 1. Curva de secagem para tomate em secador de exposição direta (Souza, 2004).
Os fatores mais importantes a serem considerados no processo de secagem de frutas
são: pressão de vapor d’água, temperatura do ar, velocidade do ar, velocidade de difusão da
água no produto, espessura e superfície disponíveis (Sena, 1997).
A secagem solar pode ser obtida através de dois processos; a secagem de exposição
direta e a secagem de exposição indireta. No primeiro tipo de secagem o alimento é exposto à
radiação solar e por absorção de energia e em contato com um ar circulante a umidade se
vaporiza na atmosfera. Neste caso a circulação do ar pode ser natural ou forçada. No segundo
caso, a secagem é obtida através do uso de um aquecedor solar de ar, que fornece ar quente a
uma câmara de secagem separada. Neste último caso outra fonte de calor pode ser usada
conjuntamente coma energia solar na mesma unidade de secagem.
O tomate pertence a família das Solanaceae, gênero Lycopersicon, espécie
Lycopersicon esculentum. Acredita-se que é originário da Bolívia e Peru, e foi levado pelos
Incas até o Sul do México, onde viviam os Astecas (Costa, 2003).
O tomate é uma das principais culturas nacionais, em termos quantitativos e
qualitativos. É consumido in natura por todas as classes sociais, e também na forma de vários
subprodutos. É uma excelente fonte de vitaminas e sais naturais.
Capítulo 2 – Estado da Arte
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Todos os produtos industrializados a partir do tomate têm como principal fator atrativo
visual, a coloração vermelha intensa. Produtos obtidos por esmagamento do tomate e
posterior concentração em evaporadores como no caso de polpas, extratos, molhos, ketchups,
e outros, geralmente conservando essa coloração (Embrapa, 2000).
2.1. Princípios da desidratação
A desidratação é um processo que consiste na eliminação de água de um produto por
evaporação, com transferência de calor e massa. É necessário fornecimento de calor para
evaporar a umidade do produto e um meio de transporte para remover o vapor de água
formado na superfície do produto a ser seco. O processo de secagem pode envolver três meios
de transferência de calor: convecção, condução e radiação. A transferência de calor por
convecção é o meio mais utilizado na secagem comercial, em que um fluxo de ar aquecido
passa através da camada do produto. Durante o processo de secagem, a umidade migra do
interior para a superfície do produto, de onde se evapora para o ambiente (Costa, 2003).
Os produtos alimentícios podem ser desidratados por processos baseados na
vaporização, sublimação, remoção de água por solventes ou na adição de agentes osmóticos.
Os métodos de desidratação utilizados em maior escala são os que têm como base a exposição
do alimento a uma corrente de ar aquecido, sendo que a transferência de calor do ar para o
alimento se dá basicamente por convecção.
O ar quente é mais empregado, por ser facilmente disponível e mais conveniente na
instalação e operação de secadores, sendo que o seu controle no aquecimento do alimento não
apresenta maiores problemas. O princípio básico de secagem, quando se utiliza o ar como
meio de secagem, está no potencial de secagem do ar ambiente aquecido que é forçado entre a
massa do produto servindo a duas finalidades:
1. Conduzir calor para o produto - a pressão de vapor da água do alimento é
aumentada pelo aquecimento do produto, facilitando, assim, a saída de umidade. Parte do
calor do ar de secagem proporciona um aumento da temperatura do produto (calor sensível) e
parte fornece o calor necessário para a vaporização da água contida no produto (calor latente).
2. Absorver umidade do produto - aumentando-se a temperatura do ar ambiente a sua
umidade relativa diminui e, conseqüentemente, sua capacidade de absorver umidade aumenta.
O ar serve ainda, como veículo para transportar a umidade removida do produto para o
ambiente. São incluídas nesses processos a secagem ao sol e a secagem realizada em
secadores de bandejas, de túnel, de leito fluidizado e atomizadores.
Capítulo 2 – Estado da Arte
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2.1.1. Curva de secagem
Quando um alimento é desidratado, ele não perde água a uma velocidade constante ao
longo do processo. Com o progresso da secagem, sob condições fixas, a taxa de remoção de
água diminui. Isto pode ser visto na Figura 2, onde se apresenta a curva de secagem para
cenoura cortada na forma de cubos. Pelo gráfico pode-se observar que 90% da água do
produto é removida em quatro horas e mais quatro horas são necessárias para remover os 10%
remanescentes. Na prática, sob condições normais de operação, o nível zero de umidade
nunca é alcançado (Fioreze, 2003).
No início da secagem, e por algum tempo depois, geralmente a água continua a
evaporar a uma velocidade constante, semelhante ao mecanismo de evaporação de água num
reservatório. Isto é chamado de período de velocidade constante, e conforme pode ser visto na
Figura 2, estende-se por quatro horas. A partir do ponto em que ocorre a inflexão da curva de
secagem, inicia-se o período de velocidade decrescente de secagem.
Estas mudanças durante a desidratação podem, em grande parte, ser explicadas pelos
fenômenos de transferência de calor e massa. Um alimento cortado na forma de cubo, no
decorrer da secagem perderá umidade por suas superfícies e desenvolverá, gradualmente, uma
espessa camada seca na superfície, e com o restante da umidade aprisionada no centro. Do
centro para a superfície, um gradiente de umidade será estabelecido.
Em conseqüência disso, a camada externa seca formará uma barreira isolante contra a
transferência de calor para o interior do pedaço. Além de ter a transferência de calor
diminuída, a água restante no centro do alimento tem uma distância maior a percorrer até
chegar a superfície do que a umidade superficial tinha no início da secagem. A medida que o
alimento seca e atinge a umidade de equilíbrio, não se tem mais secagem e a velocidade cai a
zero.
Estas não são as únicas mudanças do alimento que contribuem à forma de uma curva
de secagem típica, embora sejam os fatores principais. A forma precisa de uma curva de
secagem normal varia conforme o alimento, com os diferentes tipos de secadores, e em
resposta às variações das condições de secagem tais como a temperatura, a umidade, a
velocidade do ar, o sentido do ar, a espessura do alimento, entre outros fatores.
A secagem da maioria dos produtos alimentícios geralmente apresenta período de
velocidade constante e de velocidade decrescente, e a remoção da água abaixo de
aproximadamente 2%, sem danos ao produto é extremamente difícil.
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Figura 2. Curvas de secagem de diferentes produtos para a temperatura de 60°C (Meloni,
2002).
2.1.2. Atividade de água no produto desidratado
A atividade da água é uma das propriedades mais importante para o processamento,
conservação e armazenamento de alimentos. Ela quantifica o grau de ligação da água contida
no produto e conseqüentemente sua disponibilidade para agir como um solvente e participar
das transformações químicas, bioquímicas e microbiológicas.
A atividade de água pode ser definida pela equação abaixo:
Aa = P/Po
Em que:
P = pressão parcial de vapor da água no alimento
Po = pressão de vapor da água pura
A atividade de água de qualquer produto é sempre inferior a 1,0 e no estado de
equilíbrio existe uma igualdade entre a umidade relativa do ar e a atividade de água do
produto, que é chamado de umidade relativa de equilíbrio. Dessa forma pode-se utilizar as
isotermas de adsorção e dessorção de umidade de cada produto para conduzir a secagem e
estabelecer a umidade final ou atividade de água do produto, tal que garanta nas condições de
estocagem (temperatura e umidade relativa do ar) a integridade biológica do produto (
Meloni, 2002).
2.1.3. Parâmetros de qualidade em alimentos desidratados
A qualidade dos alimentos desidratados depende em parte das mudanças que ocorrem
durante o processamento e armazenagem. Algumas destas mudanças envolvem modificações
Capítulo 2 – Estado da Arte
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na estrutura física. Estas modificações afetam a textura, a reidratação e a aparência. Outras
mudanças são também devido a reações químicas. No alimento desidratado, a atividade
enzimática residual, a atividade microbiana e a reidratação são parâmetros de grande
importância.
Durante o processo de secagem convectivo, o alimento sofre perdas da qualidade tais
como a cor, sabor, textura e tendo muitas vezes uma reidratação deficiente. A contração de
volume e o endurecimento (formação de casca na superfície) do produto são também
considerados problemas de grande importância na desidratação de alimentos. Na atualidade as
pesquisas estão voltadas no sentido de aumentar a retenção das propriedades nutritivas
sensoriais do produto desidratado mediante a alteração das condições de processo e o uso de
pré-tratamentos (Souza, 2004).
Poucas diferenças são observadas nos teores de carboidratos, proteínas, fibras e cinzas,
quando a variação no conteúdo de umidade é levada em consideração.
As mudanças que ocorrem durante a secagem são principalmente químicas,
particularmente se as reações enzimáticas são incluídas como mudanças químicas. Quando as
condições de secagem e a matéria-prima a ser utilizada são satisfatórias, nenhuma das
transformações que ocorrem durante a secagem da fruta é devido a atividade de
microrganismos.
As mudanças na cor têm grande influência na determinação da procedência de
secagem para cada fruta. Os pigmentos da antocianina presentes nas frutas são geralmente
alterados durante e após a secagem. Esses pigmentos, caso as frutas não sejam tratadas por
meio de sulfuração ou sulfitação, geralmente tornam-se castanhos devido a oxidação durante a
secagem (Meloni, 2002).
O escurecimento enzimático pela ação da peroxidase e outras enzimas oxidativas
ocorre na fruta durante a secagem, principalmente nas superfícies cortadas, onde ocorre com
maiores velocidades.
Comercialmente, a maioria das frutas devem ser tratadas antes da desidratação para
manter uma boa aparência e para prevenir o escurecimento, perdas do sabor e da vitamina C.
Os agentes mais comumente utilizados no pré-tratamento são ácido ascórbico e o dióxido de
enxofre (SO2).
O pré-tratamento com esses agentes tem como principais finalidades ( Igarashi, 1999):
- preservação da cor natural dos alimentos;
- prolongar a armazenagem;
- retardar as perdas de vitamina C;
Capítulo 2 – Estado da Arte
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- prevenir a deterioração microbiana.
O método mais utilizado pela indústria alimentícia para controle do escurecimento
enzimático consiste no emprego de agentes sulfitantes devido a sua grande eficácia e amplo
espectro de utilização. O agente sulfitante mais utilizado no tratamento pré-secagem é o
dióxido de enxofre SO2. O SO2 devido a sua ação redutora e propriedades inibidoras de
enzimas evita as reações enzimáticas e oxidativas que ocorrem durante a desidratação.
O SO2 retarda a formação de pigmentos escuros, mas não previne a sua formação nem
os branqueia após terem sido formados. O tratamento pode ser realizado através da sulfuração
pela queima de enxofre ou pela sulfitação em solução aquosa com bissulfito de sódio
(Na2S2O5).
Uma vez que o maior mercado consumidor de frutas secas é o mercado de produtos
naturais, a utilização desses tratamentos descaracteriza os produtos como cem por cento
naturais. O fabricante deve informar no rótulo do produto a presença de agentes sulfitantes.
Para contornar essa situação, recomenda-se que a produção, quando possível seja
realizada de acordo com o giro dos produtos, de forma que os mesmos sejam consumidos
rapidamente e com isso evitar os problemas causados pelo escurecimento não-enzimático.
As alterações no sabor das frutas secas seguem estreitamente as mudanças na
coloração, sendo em alguns casos desejáveis essas mudanças.
Já as alterações na textura que ocorrem com a secagem das frutas não são de natureza
química. O principal fator alterador da textura das frutas secas é o teor de umidade final. Com
teores baixos de umidade, a textura é muito dura, enquanto que com teores mais elevados
tornam-se mais apetitosas.
2.2. Tipos de secadores
No projeto dos equipamentos para desidratação de alimentos, busca-se obter a máxima
taxa de secagem com o menor dano ao produto e com um menor custo possível. A
desidratação de alimentos é verdadeiramente uma área onde os cientistas e os engenheiros de
alimentos devem trabalhar juntos para alcançar ótimos resultados.
Existem relações matemáticas entre cada uma das principais variáveis que governam o
processo de secagem e de transferência de calor e massa. Por causa das peculiaridades de cada
produto, as melhores condições de secagem para um produto, raramente são as mesmas para
um outro.
Cálculos de engenharia baseados na modelagem matemática dos sistemas é um
caminho em direção a seleção adequada e ideal das condições de secagem, mas raramente são
Capítulo 2 – Estado da Arte
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suficientes para predizer exatamente o comportamento da secagem. Isto porque, os alimentos
são altamente variáveis na sua composição inicial, nos totais de água livre e ligada, no
encolhimento e no modelo de migração de solutos, e mais importante, nas mudanças de suas
propriedades durante a operação de secagem (Azoubel, 2000)
Existem diversos métodos para desidratação de alimentos. O método de escolha
depende do tipo de alimento a ser desidratado, do nível de qualidade que se deseja obter e de
um custo que possa ser justificado.
Entre os métodos mais comuns de desidratação podemos listar a secagem em cilindros
rotativos (“drum drying”), por atomização (“spray drying”), secagem a vácuo, liofilização ou
secagem pelo frio (“freeze drying”), cabines e túneis com circulação forçada de ar quente,
leito fluidizado entre outros. Alguns desses métodos são apropriados para alimentos líquidos
ou pastosos e outros para alimentos em pedaços (Fioreze, 2003).
Na Tabela 1 apresentamos um resumo com os tipos de secadores mais adequados para
desidratação de alimentos na forma líquida, pastosa e sólida ou em pedaços (Meloni, 2002,
Santos, 1997, Sena, 1997)).
Tabela 1. Tipos de secadores mais adequados à desidratação.
TIPO DE SECADOR
SECADORES POR CONVECÇÃO DE AR
TIPO DE ALIMENTO
Cabine Pedaços
Esteira contínuo Pedaços
Leito fluidizado Pedaços pequenos e granulados
Atomização ou pulverização Líquidos, purês
SECADORES DE CILINDRO ROTATIVO
Atmosférico Purês, líquidos
Vácuo Purês, líquidos
SECADORES A VÁCUO
Vácuo Pedaços, purês, líquidos
Vácuo contínuo Purês, líquidos
Liofilização Pedaços, líquidos
Capítulo 2 – Estado da Arte
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2.2.1. Secadores do tipo cabine
Os secadores do tipo cabine apresentam duas variações a saber:
a) Com bandejas fixas e,
b) Com bandejas apoiadas sobre uma base móvel.
Em ambos os casos, são secadores onde a transferência de calor se dá por convecção
forçada de ar quente.
a) Bandejas Fixas
São secadores que operam em bateladas, ou seja é preciso desidratar um lote de
produto de cada vez. São de construção simples e de custo relativamente baixo. Basicamente,
consiste de uma cabine com parede dupla e isolamento térmico entre elas. A câmara de
secagem possui apoios para as bandejas onde os alimentos previamente preparados são
desidratados.
A distância entre uma bandeja e outra, a dimensão das bandejas e a quantidade de
produto a ser colocada, dependem do tipo de produto a ser desidratado.
São dotados de ventiladores centrífugos ou axiais para realizar a circulação do ar que
pode ser sobre as bandejas (Figura 3) ou através delas (Figura 4).
Figura 3. Esquema do secador do tipo cabine com circulação de ar sobre as bandejas
(Meloni, 2002).
Capítulo 2 – Estado da Arte
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Figura 4. Esquema do secador do tipo cabine com circulação de ar através das bandejas
( Meloni, 2002).
A velocidade do ar aquecido pode variar (0,5 a 3 m/s) conforme o seu sentido de
movimentação em relação às bandejas. Velocidades mais baixas podem ser empregadas sem
prejuízo ao processo de desidratação quando o ar quente atravessa a camada de produto
disposta sobre a bandeja, conforme mostra a Figura 5.
Figura 5. Esquema do fluxo de ar quente atravessando a camada de produto (Meloni,
2002).
Somente determinados alimentos podem ser desidratados desta maneira, pois é preciso
que quando uma camada seja distribuída sobre a bandeja o ar quente consiga atravessá-la.
Produtos como cebola fatiada, cenoura em cubos ou em forma de raspas, batata em cubos,
maçã em cubinhos, entre muitos outros alimentos desidratam rapidamente por este processo,
devido ao contato mais íntimo do ar quente com o produto.
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Na desidratação, principalmente de frutas inteiras ou em pedaços maiores, onde a
distribuição do produto sobre a bandeja é feita em uma única camada, o sentido de
movimentação do ar adotado é sobre as bandejas ou paralelo a elas, conforme mostra a Figura
6, abaixo.
Figura 6. Esquema do fluxo de ar quente circulando sobre a camada de produto (Meloni,
2002).
Bananas inteiras, ameixas, abacaxi em pedaços ou rodelas, manga em fatias, entre
outros são tradicionalmente desidratados nesse sistema. Sendo assim, o tempo de secagem é
mais longo e a velocidade do ar empregada deve ser maior.
Os secadores de cabine com bandejas fixas são muito utilizados para a desidratação de
frutas, legumes e hortaliças, em pequena escala, pois possibilitam maior flexibilidade na
operação conforme maior ou menor disponibilidade das diferentes matérias-primas.
b) Bandejas Apoiadas sobre uma Base Móvel
Todas as considerações feitas para os secadores de bandejas fixas podem ser aplicadas
ao estudo dos secadores com bandejas apoiadas sobre uma base móvel, uma vez que são
apenas uma variação do primeiro caso. As principais diferenças entre eles são:
As bandejas se movimentam no interior da câmara de secagem ou de um túnel de
secagem, e são secadores semi-contínuos com capacidade de secagem muito superiores aos de
bandejas fixas.
Estes equipamentos, normalmente, são de capacidade muito maior do que os de
bandeja fixa, sendo indicados para fabricas de média a grande capacidade.
Os túneis de secagem são secadores de maior porte, portanto, demandam mais espaço
dentro da fábrica. Basicamente, constituem-se de uma grande câmara de secagem, neste caso
designada de túnel, capaz de comportar vários carrinhos que se movimentam no seu interior
de maneira programada e semi-contínua.
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A operação é simples, enquanto em uma extremidade do túnel se efetua a carga de um
carrinho com produto úmido, na outra é retirado um carrinho com produto desidratado.
Os túneis secadores são construídos em dois modelos:
Concorrente (Figura 7): a secagem inicial é rápida em função do contato do ar quente
e seco com o produto úmido. No final, a secagem é mais lenta, pois o carrinho ocupa uma
posição dentro do túnel em que o ar é relativamente mais frio e úmido.
Figura 7. Esquema do secador tipo túnel concorrente (Meloni, 2002).
Contracorrente (Figura 8): a secagem inicial é lenta, com ar mais frio e úmido e à
medida que caminha dentro do túnel perde água, chegando às posições finais recebendo ar
mais quente e seco.
Figura 8. Esquema do secador contracorrente (Meloni, 2002).
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O aquecimento do ar pode ser realizado por meio de resistências elétricas, queima de
gás GLP, uso de vapor em trocadores de calor, mas a escolha deve ser feita levando-se em
consideração principalmente o aspecto econômico e de poluição ambiental.
O projeto desses secadores pode ser melhorado, no que diz respeito à eficiência,
através de dispositivos que permitam o reaproveitamento de parte do ar de exaustão, ou seja,
através da recirculação de parte do ar que passou sobre o produto. A quantidade de ar a ser
reaproveitada depende do produto que está sendo desidratado e do período da curva de
secagem em que o produto se encontra. A Figura 9 representa um secador tipo túnel
contracorrente com reaproveitamento de parte do ar de exaustão.
Figura 9. Esquema do secador tipo túnel contracorrente com reaproveitamento de parte do
ar de exaustão (Meloni, 2002).
2.2.2. Secadores de esteira contínuo
São secadores construídos de forma a permitir o transporte contínuo de produto a ser
desidratado. O transporte do material é realizado por uma esteira, normalmente confeccionada
em tela de aço inoxidável, para permitir a passagem do ar quente através da camada de
produto disposta sobre ela. A câmara de secagem ou túnel é composta pela união de vários
módulos que possuem sistema de aquecimento, ventilação, recirculação e exaustão própria.
Na Figura 10 apresentamos um esquema de um secador de esteira contínuo.
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Figura 10. Esquema de um secador de esteira contínuo (Meloni, 2002).
Os secadores de esteira contínuo apresentam a vantagem de podermos controlar a
temperatura, a umidade relativa, a velocidade e a recirculação do ar, independentemente em
cada módulo, melhorando seu desempenho e reduzindo os custos.
Na desidratação de produtos com elevada umidade inicial, como a maioria dos
vegetais, pode-se utilizar no primeiro módulo temperaturas elevadas (100 a 130ºC) e
velocidade do ar de 0,8 a 1,2 m/s, sem, contudo, comprometer a qualidade do produto e
conseguindo-se uma capacidade de secagem extremamente alta. Nos estágios subseqüentes a
temperatura deve ser reduzida para a faixa de 60 a 70oC e a velocidade para 0,5 m/s. O tempo
de secagem no secador de esteira pode ser bastante reduzido, dependendo do produto, de sua
umidade inicial, tipo de preparo que sofreu e da umidade final desejada.
Este secador é utilizado para produções em larga escala e, portanto, a disponibilidade
de matéria prima deve ser suficiente para que o secador opere sempre com a capacidade
máxima recomendada pelo fabricante, caso contrário o processo será realizado em condições
econômicas inadequadas. A fábrica deve ser dimensionada corretamente para que não
ocorram interrupções freqüentes na linha de produção.
2.2.3. Secadores de tambor ou cilindros rotativos
Na secagem em tambor ou cilindro rotativo, alimentos líquidos, purês, pastas e massas
são aplicados em uma fina camada sobre a superfície aquecida do cilindro rotativo. O cilindro
é aquecido internamente geralmente com o emprego de vapor. Os secadores podem ter um
único cilindro ou um par, conforme Figura 12.
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Figura 11. Esquema do secador de cilindros, simples e duplo (Meloni, 2002).
O alimento é aplicado entre dois cilindros, sendo que o afastamento entre os dois
determina a espessura da camada aplicada ou, dependendo do modelo utilizado o alimento
pode ser aplicado em outra área do cilindro. O alimento é aplicado continuamente e a camada
fina à medida que gira em contato com o cilindro, perde umidade. Em um determinado ponto
sobre o cilindro ou cilindros uma lâmina raspadora é posicionada para raspar a fina camada de
alimento seco.
A velocidade dos cilindros é regulada de modo que a camada de alimento esteja seca
quando alcançar a lâmina raspadora. A camada de alimento é seca em uma volta do cilindro e
é raspada antes que o mesmo atinja a posição inicial onde mais alimento úmido é aplicado.
Usando vapor sob pressão a temperatura na superfície do cilindro atinge 100ºC até
150ºC. Como a espessura da camada de alimento é de aproximadamente 2 mm, a secagem
pode ser completada em 1 minuto ou menos, dependendo do tipo de alimento.
Estes secadores são dotados também de dispositivos para retirada de vapor d’água
proveniente do produto seco e de transportadores que conduzem o produto seco para fora do
secador.
Produtos tipicamente desidratados em cilindros incluem purê de batata e de frutas e
pasta de tomate. Estes secadores apresentam algumas limitações que restringem sua utilização
para alguns tipos de alimentos.
Para conseguir uma secagem rápida a temperatura na superfície do cilindro deve ser
alta, usualmente em torno de 120ºC. Os produtos apresentam mais cor e sabor de cozidos do
que quando são secos a baixas temperaturas. Uma alternativa para se trabalhar com
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temperaturas mais baixas seria a utilização de vácuo. Para isso os cilindros deveriam ser
montados dentro de uma câmara de vácuo, mas isto aumenta os custos do equipamento e de
operação se comparados aos secadores convencionais de cilindro ou os de secagem por
atomização.
A segunda limitação é a dificuldade em se conseguir variar a temperatura em
diferentes regiões da superfície do cilindro. Isto é particularmente importante para alimentos
termoplásticos. Enquanto que, para leite e batata desidratados por este sistema a raspagem da
superfície quente do cilindro é fácil, para alguns tipos de frutas e outros produtos que tendem
a ser pegajosos isto não é possível. Alguns produtos tendem a enrugar, enrolar e acumular-se
na lâmina raspadora formando uma massa difícil de ser removida.
Esta condição pode ser substancialmente melhorada pela adaptação de uma zona de
resfriamento, porém isto não é simples e depende, entre outros fatores, do diâmetro e
comprimento do cilindro. Uma forma de resfriamento é através de um fluxo de ar frio sobre
um segmento de produto sobre o cilindro antes da lâmina de raspagem.
Para alimentos resistentes ao calor, a secagem em cilindros rotativos é um dos
métodos menos dispendioso de desidratação. Os produtos desidratados por este método
apresentam um pouco mais da característica de “cozido” do que pela secagem por
atomização, conseqüentemente, leite desidratado nesse sistema não é empregado para o
preparo de bebida, mas é satisfatório para a formulação de outros produtos alimentícios
industrializados.
2.2.4. Secadores a vácuo
Os métodos de desidratação a vácuo são capazes de produzir produtos desidratados de
alta qualidade, mas os custos geralmente também são altos se comparados a outros métodos
que não emprega vácuo. Na desidratação a vácuo, a temperatura do alimento e a taxa de
remoção de água são controladas pela regulagem do grau de vácuo e da intensidade de calor
introduzida. A transferência de calor para o alimento é em grande parte pela condução e
radiação. A Figura 12 apresenta um esquema de um secador a vácuo (Meloni, 2002).
Capítulo 2 – Estado da Arte
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Figura 12. Esquema do secador a vácuo (Meloni, 2002).
Todos os sistemas de desidratação a vácuo apresentam essencialmente quatro
elementos: uma câmara de vácuo de construção pesada para resistir a pressão externa do ar
que pode exceder a pressão interna em 9800 kgf/m²; uma fonte de calor; um dispositivo de
produção e manutenção de vácuo; e componentes para coletar o vapor d’água que é
evaporado do produto.
A câmara de vácuo geralmente contém prateleiras ou outros suportes para conter os
alimentos. Essas prateleiras também chamadas de placas podem ser aquecidas eletricamente
ou através da circulação de um fluido aquecido. As placas são distribuídas no interior da
câmara umas sobre as outras, transportando calor por condução para as bandejas contendo o
produto acima delas e por radiação da placa logo acima de uma bandeja.
O dispositivo para produção e manutenção do vácuo está do lado de fora da câmara e
pode ser uma bomba mecânica de vácuo ou um ejetor de vapor. Um ejetor de vapor é um tipo
de aspirador no qual um jato de vapor a alta velocidade passando por uma abertura puxa o ar e
vapor do interior da câmara.
Geralmente, no sistema de secagem a vácuo convencional a secagem se processa a
pressões inferiores a 3 mm Hg.
O modelo mais simples de secador a vácuo é o de bandejas, onde a secagem é
realizada em bateladas. Também podem ser projetados para operar continuamente. Um
esquema de um secador a vácuo contínuo de esteira pode ser visto na Figura 13. Estes
secadores são utilizados comercialmente para desidratar suco concentrado de frutas, chás
instantâneos, entre outros alimentos líquidos.
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Figura 13. Esquema do secador a vácuo contínuo (Meloni, 2002).
Neste tipo de secador, o alimento na forma de purê é alimentado pela parte inferior da
câmara através de um rolo de alimentação que deposita uma fina camada de produto sobre
uma face da esteira. Sobre a outra face um conjunto de aquecedores aplica calor sobre a
esteira e esta por condução aquece o produto, formando bolhas de vapor de água de modo a
produzir uma estrutura porosa. Ao passar pelo cilindro aquecido ocorre a evaporação da maior
quantidade de água presente no produto. Em seguida, ao passar pela parte superior da câmara,
a camada de produto é exposta a uma fonte de calor radiante completando a secagem. No
outro cilindro o produto é resfriado chegando por fim às facas de raspagem e ao sistema
coletor.
2.2.5. Torre de atomização ou spray
O mais importante tipo de secador que funciona com convecção forçada de ar é
conhecido como torre de atomização e um esquema deste secador é apresentado na Figura 14.
Existem vários tipos de torres de atomização projetados para produtos alimentícios
específicos. São limitados a alimentos que possam ser atomizados, como por exemplo
líquidos e purês de baixa viscosidade.
Capítulo 2 – Estado da Arte
___________________________________________________________________________
39
Figura 14. Esquema do secador tipo spray dryer (Meloni, 2002).
A atomização em pequenas gotas resulta na secagem da substância em poucos
segundos com temperatura de entrada do ar de aproximadamente 200ºC. Visto que o
resfriamento evaporativo raramente permite que as partículas adquiram temperaturas
superiores à 80ºC e que os sistemas são corretamente projetados para rapidamente removerem
as partículas secas das zonas aquecidas, a qualidade não chega a ser comprometida. Este
método de desidratação pode produzir produtos de alta qualidade, mesmo em produtos
altamente sensíveis ao calor como leite, ovos e café.
O alimento na forma líquida é introduzido como um fino spray ou névoa dentro de
uma torre ou câmara junto com ar aquecido. Como as pequenas gotas têm um contato íntimo
com o ar quente, perdem rapidamente a umidade, tornando-se pequenas partículas, e descem
para o fundo da torre de onde são removidas. O ar quente torna-se úmido sendo retirado torre
através de um exaustor. É um processo contínuo, sendo o alimento na forma de líquido
continuamente bombeado e atomizado dentro da câmara junto com o ar quente e seco.
Os principais componentes de um sistema de secagem por spray diferem em sua
construção dependendo do produto a ser desidratado. No caso de leite, o sistema inclui
tanques para armazenar o líquido, uma bomba de alta pressão para introduzir o líquido dentro
da torre, bicos pulverizadores ou um dispositivo similar para sua atomização, uma fonte de ar
quente com ventilador, depósito para acúmulo de produto retirado da torre e meios para
retirada do ar umedecido.
Capítulo 2 – Estado da Arte
___________________________________________________________________________
40
O principal objetivo da torre ou câmara de secagem é promover uma mistura íntima
entre o ar quente e as gotículas dispersas. Nos vários modelos desses secadores mostrados na
Figura 15, o ar quente e o produto atomizado podem entrar juntos na torre por cima ou por
baixo ou podem entrar separadamente. As partículas podem descer segundo um caminho em
linha reta ou espiral, e a câmara pode ser vertical ou horizontal.
Como nos secadores de túnel, a introdução das gotas e do ar quente na mesma direção
resulta numa secagem inicial rápida e lenta no final. Fluxos contracorrentes devem ser
preferidos devido à alta higroscopicidade dos produtos.
Essas configurações podem aumentar ou reduzir o tempo de residência do produto
dentro do secador. Um tempo de residência maior pode ser desejável para reduzir o conteúdo
de umidade ou para permitir um aumento no tamanho das partículas dentro do secador. Com
tempos maiores, a possibilidade de partículas secas colidirem com partículas ainda com
umidade pode levar a formação de aglomerados.
Um produto seco com boas características, tão importante quanto à geometria e o
modelo de injeção de ar quente na câmara é a natureza da atomização. Os dois principais tipos
de atomizadores são: bicos atomizadores (pulverizadores) sob pressão e atomizadores
centrífugos.
Figura 15. Diferentes modelos de secadores do tipo spray dryer (Meloni, 2002).
No sistema de bicos atomizadores sob pressão, o produto a ser desidratado é
bombeado para o bico a uma pressão relativamente alta, da ordem de 150 a 600 kgf/cm².
Capítulo 2 – Estado da Arte
___________________________________________________________________________
41
Os atomizadores centrífugos consistem basicamente de um disco que gira na
extremidade de um eixo. O tamanho do disco e a sua velocidade de rotação variam de 50 a
600 mm e de 25.000 a 3.500 rotações por minuto, respectivamente.
Os atomizadores centrífugos apresentam a vantagem de poder atomizar produtos
viscosos a pressões mais baixas, sem causar entupimentos. Já com bicos atomizadores sob
pressão é mais fácil a obtenção de partículas maiores no produto seco.
Pequenas gotículas promovem uma secagem rápida, portanto gotas com tamanho
uniforme são necessárias para uma boa desidratação. O tamanho e a trajetória das gotas
determinam o tempo de secagem e, como conseqüência, o tamanho da câmara. Não sendo
uniforme, as gotas menores secam primeiro tornando-se super secas enquanto as maiores
ainda estão secando.
O tamanho das gotas determina o tamanho final da partícula seca. Se o tamanho das
partículas varia substancialmente, então pode ocorrer a estratificação na embalagem final, ou
seja, a formação de camadas do produto por tamanho de partículas.
O tamanho das partículas afeta significativamente a taxa de solubilidade. As partículas
maiores afundam e outras muito finas geralmente flutuam sobre a água contribuindo para uma
reconstituição desuniforme dos produtos.
As partículas muito finas são mais difíceis de serem recuperadas no secador, uma vez
que elas tendem a se perder quando transportadas pelo ar de saída, por isso o sistema de coleta
deve ser altamente eficiente.
Durante a atomização, o ângulo de saída do bico pulverizador ou a trajetória, no caso
do disco rotativo, devem ser considerados. Caso as gotículas não estejam completamente
secas e entrem em contato com a parede da câmara, podem aderir formando uma crosta difícil
de ser removida. A trajetória geralmente é projetada para prevenir ou minimizar o contato
com a parede nos primeiros estágios da secagem.
A aparência, tamanho, forma, densidade, e solubilidade da partícula ao final da
secagem pode ser afetada pela pressão do bico, viscosidade do líquido, tensão superficial,
natureza dos sólidos, entre outros.
2.2.6. Liofilização ou freeze-drying
A liofilização ou secagem pelo frio foi amplamente estudada, atingindo um nível
altamente avançado. Os trabalhos de desenvolvimento visaram a otimização do processo e dos
equipamentos para reduzir os custos da desidratação. Comparado aos outros métodos de
Capítulo 2 – Estado da Arte
___________________________________________________________________________
42
secagem, o custo para se remover 1 kg de água por liofilização é de 2 a 5 vezes mais caro
(Meloni, 2002).
A liofilização é um processo onde a água é retirada dos alimentos sem submetê-los a
altas temperaturas.
O fundamento físico para o processo de liofilização é a coexistência dos três estados
da água - o sólido, o líquido e o gasoso - em determinadas condições de temperatura e
pressão. Sob temperaturas de aproximadamente 0ºC e pressão de 4,7 mm Hg (milímetros de
mercúrio) obtém-se o chamado ponto triplo da água, possibilitando sua passagem diretamente
do estado sólido para o gasoso, sem passar pela fase líquida.
Como nos demais processos, os alimentos a serem liofilizados passam por etapas de
preparo (lavagem, descascamento, corte, branqueamento), mas além destas, deve ser
congelado a temperaturas de – 40ºC e em seguida colocado em câmaras de alto vácuo. Com o
aumento gradativo da temperatura e a manutenção da condição de alto vácuo, obtém-se a
saída de água do alimento por sublimação.
O congelamento deve ser rápido, para que se formem microcristais de gelo, que não
danifiquem a membrana celular do alimento. Se o congelamento for lento, os cristais
formados são grandes e rompem a membrana celular, acarretando perda do líquido
citoplasmático e conseqüentemente, encolhimento do alimento, que fica com aspecto de
“murcho”.
Os principais componentes de um liofilizador são: a câmara de vácuo, uma fonte de
aquecimento, o sistema gerador de vácuo e componentes para coletar o vapor d’água que é
evaporado do produto. Basicamente um liofilizador, Figura 16, descontínuo não difere de um
secador a vácuo.
Pelo fato da liofilização não submeter os alimentos a altas temperaturas como nos
outros processos de desidratação, apresenta uma série de vantagens:
Manutenção da forma original do alimento, pois a retirada da água por sublimação
mantém intactas as estruturas dos alimentos de origem animal e vegetal, favorecendo uma
reidratação mais completa, devido à estrutura esponjosa deixada pela saída da água.
Preservação das características sensoriais como o sabor, o odor e o aroma dos
alimentos. Os componentes que conferem essas características são modificados pela alta
temperatura e na liofilização as temperaturas empregadas são baixas.
Preservação do valor nutritivo, pois como o calor não é empregado no alimento as
estruturas protéicas e o conteúdo de vitaminas é mantido no processo.
Capítulo 2 – Estado da Arte
___________________________________________________________________________
43
Figura 16. Representação esquemática de um liofilizador (Meloni, 2002).
A aplicação da liofilização para produtos alimentícios ainda é cara e, portanto tem sido
aplicada com mais freqüência para produtos nobres e que necessitem de uma reidratação
rápida e completa. Apesar de se encontrar no mercado frutas em pedaços liofilizadas e alguns
tipos de vegetais, as carnes bovinas e de aves são mais empregadas. Camarões inteiros e
cogumelos fatiados apresentam excepcional qualidade quando liofilizados.
2.3. Considerações sobre a matéria prima
A qualidade da matéria-prima é fundamental para se obter um produto final de boa
qualidade. Além de influenciar nos custos das operações de preparo para a secagem, influi
altamente no rendimento do produto desidratado e conseqüentemente, terá reflexos no custo
final do produto.
A qualidade e o custo são dois fatores que devem ser considerados conjuntamente na
compra da matéria-prima pelas indústrias. Muitas vezes um lote de matéria-prima pode custar
mais por quilo do que um outro, porém devido a sua melhor qualidade vai precisar de menos
preparo para a secagem, resultando em maior rendimento, o que tornará o custo global de
produção por quilo de produto desidratado menor, comparativamente ao lote de matéria-prima
mais barato.
Podemos concluir que o responsável pelas compras dentro da indústria, ou seja, o
comprador deverá avaliar criteriosamente tanto o preço como a qualidade e determinar qual a
combinação dos dois que dará o melhor produto final e um custo mais baixo.
Capítulo 2 – Estado da Arte
___________________________________________________________________________
44
Outros fatores devem ser levados em consideração na escolha da matéria-prima mais
adequada para a desidratação e entre eles, destaca-se:
Uma mesma fruta ou hortaliça pode apresentar diferentes variedades e dentre elas,
diferentes comportamentos como matéria-prima para desidratação. Este comportamento é
influenciado por diversos fatores e os principais são: teor de sólidos, tamanho e forma,
resistência ao armazenamento e composição e valor nutritivo.
O teor de sólidos de uma determinada variedade é um dos fatores mais importantes
quando se trata de desidratação, uma vez que terá influência decisiva no rendimento global
que afetará o custo de produção. De modo geral, quanto menor o teor de água de uma
variedade, mais adequada ela será para a desidratação.
O tamanho e a forma de uma determinada variedade pode influenciar no rendimento
final. Se as dimensões forem pequenas e a forma irregular, durante as etapas de preparo as
perdas poderão aumentar, aumentando também os custos com mão de obra caso não seja
possível à realização destas etapas mecanicamente.
Se a fábrica não estiver próxima às regiões produtoras, com abastecimento regular de
matéria-prima, faz-se necessário o uso de sistemas de armazenamento para garantir sua
operação, portanto a escolha de variedades resistente ao armazenamento é de extrema
importância para a indústria.
O sabor, o aroma, a cor, textura, composição e valor nutritivo terão grande influência
na qualidade do produto final, por isso devem ser levados em consideração na escolha de uma
variedade. A Tabela 2 mostra os teores de umidade para diferentes tipos de frutas.
Tabela 2. Teores de umidade inicial, % base úmida para as frutas utilizadas (Souza, 2007).
Frutas Umidade inicial (%)
Abacaxi 86
Banana 75
Manga 77 a 84
Tomate 90 a 95
2.4. A secagem solar no Brasil e no Rio Grande do Norte
A secagem solar é uma das utilizações mais promissoras e de maior alcance social da
fonte primária que possibilita a vida na Terra. No Brasil inúmeros pesquisadores vêm há
Capítulo 2 – Estado da Arte
___________________________________________________________________________
45
décadas estudando diversos tipos de secadores para promover a desidratação de inúmeros
tipos de alimentos. Nomes como Cleanto da Câmara Torres, Arnaldo Moura Bezerra, Romeu
Fioreze, Antônio Raimundo Silva Costa, G. Roa e outros têm tornado a secagem solar uma
realidade no nosso país.
No que diz respeito aos Centros de Pesquisa mais avançados na secagem solar,
destacam-se a Universidade Federal da Paraíba, Universidade de Campinas, A Escola
Superior de agricultura Luis de Queiroz – ESALQ, a EMBRAPA, e outros.
Na UFRN vários estudos têm sido desenvolvidos para diversos tipos de produtos. No
âmbito do LMHES – Laboratório de Máquinas Hidráulicas e Energia Solar, três dissertações
de Mestrado foram realizadas junto ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.
Duarte, em 1996, desenvolveu um modelo difusivo modificado elaborado e simulado
numericamente. Esse estudo foi aplicado para a modelagem da secagem de caju.
Santos, em 1997, fez um estudo comparativo entre dois secadores, um de exposição
direta e um convectivo, para a promoção da secagem de frutas tropicais.
Sena, em 1997, estudou um sistema de secagem para sementes de algodão, utilizando
um silo acoplado a um secador de exposição direta. O sistema trabalhava em circulação
forçada obtida através de um exaustor.
Ramos, em 1997, estudou a secagem de frutas tropicais desidratadas em leite de Jorro
no seu trabalho de Final de Curso, junto ao curso de Engenharia Química da UFRN.
Azoubel, em 1999, estudou a cinética de desidratação por imersão e secagem de
tomate cereja, em sua dissertação de mestrado junto a Faculdade de Engenharia de Alimentos
da Universidade Estadual de Campinas. Em, 2000 desenvolveu um modelo matemático para a
desidratação de tomate.
Igarashi, em 1999, estudou em sua dissertação de mestrado junto a Faculdade de
Engenharia Química da Unicamp, um estudo sobre o pré-tratamento osmótico de tomate e seu
efeito na secagem.
Pena, em 1999, em sua dissertação de mestrado junto a Faculdade de Engenharia
Química da Unicamp, apresentou estudo sobre pré-tratamentos para a obtenção de tomate
desidratado em fatias.
A EMBRAPA – Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária, em 2000, publicou
manual sobre o processamento industrial da tomate, abordando aspectos técnicos da secagem
e tipos de secadores que podem ser utilizados para a desidratação desse tipo de produto.
Dias, em 2001, estudou a produtividade e a conservação de frutos híbridos do
tomateiro após a colheita em sua dissertação de mestrado, na Universidade Federal de Lavras.
Capítulo 2 – Estado da Arte
___________________________________________________________________________
46
El-Sebii, et al, em 2002, investigaram experimentalmente a secagem solar de tomate
utilizando um secador solar de exposição indireta em convecção natural.
Giovanelli, et al, em 2002, estudaram a redução de umidade, a cinética de secagem e
as propriedades antioxidantes de tomate seco, através do uso de um secador solar indireto de
convecção forçada.
Fioreze, em 2003, publicou livro sobre os princípios de secagem de produtos
biológicos, através da Editora da Universidade Federal da Paraíba.
Costa, em 2003, estudou o processo osmótico, seguido de secagem para a obtenção de
tomate parcialmente desidratado, utilizando um secador misto.
Souza, em 2004, estudou um secador de exposição direta construído em material
compósito a base de gesso e EPS triturado, para a secagem de frutas tropicais.
Davoodi, et al, em 2007, estudaram os efeitos de diferentes métodos de pré-tratamento
e desidratação sobre as características de qualidade e armazenamento de tomates. Utilizaram
um secador solar convectivo tipo túnel para promoverem a desidratação.
Costa, em 2008, apresentou Tese de Doutorado junto ao PPGEQ (Programa de Pós-
graduação em Engenharia Química), onde estudou um sistema de secagem solar para frutos e
a modelagem da secagem de banana em um secador de coluna estática. O sistema de secagem
desenvolvido e construído era composto por um secador solar de exposição direta, uma
câmara de secagem e um exaustor para promover a convecção forçada. O secador foi
construído em material plástico transparente e a câmara de secagem era envidraçada,
permitindo a exposição dos produtos a secar à radiação solar global.
Capítulo 3 - Materiais e Métodos
___________________________________________________________________________
47
CAPÍTULO 3 - MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 Processos de Construção, Montagem e de Ensaio do Sistema de Aquecimento
Alternativo Proposto.
O secador de exposição direta do sistema de secagem proposto foi construído em
alvenaria, tendo cobertura de vidro plano transparente de 3,0 mm de espessura e inclinação de
5,5° S, e apresenta as seguintes dimensões:
- Comprimento externo – 4,55 m, Largura externa – 1,14 m
- Comprimento interno - 4,48 m, Largura interna – 1,03 m
- Altura interna – 0,060 m
A superfície absorvedora do secador foi isolada por uma camada de areia que se
estendia até o chão. As laterais internas e o fundo foram pintados com tinta preto fosco.
A extremidade norte estava aberta para o ambiente, enquanto a extremidade sul estava
conectada á câmara de secagem. A conexão entre o secador solar de exposição direta e a
câmara de secagem era feita através de um cano PVC de diâmetro correspondente a 75 mm. A
Figura 17 mostra o secador de exposição direta construído.
Figura 17. Secador de exposição direta do sistema de secagem proposto.
Capítulo 3 - Materiais e Métodos
___________________________________________________________________________
48
A câmara de secagem foi construída em material compósito a base de gesso, EPS
triturado e água, nas seguintes proporções: 1,0 : 1,5 : 0,33. Seu processo de fabricação teve as
seguintes etapas:
1. Desenho do molde;
2. Construção do molde em madeira - construiu-se dois moldes, um interno e um
externo, para a obtenção de uma estrutura com fundo, cobertura e paredes laterais, de acordo
com as dimensões projetadas;
3. Aplicação de desmoldante nas tábuas de madeirit de 15 mm de espessura;
4. Preparação do compósito – mistura do gesso, EPS triturado e água, nas proporções
já citadas, obtendo-se uma mistura líquido-pastosa;
5. Colocação do compósito no molde.
Decorridos 30 minutos retirou-se as tábuas de madeirit utilizadas para a fabricação do
molde, e iniciou-se o processo de secagem a céu aberto.
Após a secagem por um período de três dias ao sol, impermeabilizou-se a câmara nas
superfícies internas e externas com uma mistura de cola para madeira, açúcar e cimento, e em
seguida as superfícies da mesma foram pintadas com tinta esmalte sintético.
Em seguida foram colocados na parte interna da câmara os suportes para a fixação das
bandejas metálicas onde os alimentos foram postos a secar, confeccionados em cantoneiras
metálicas.
Confeccionou-se uma estrutura metálica para a colocação da câmara construída,
utilizando-se cantoneiras de 1,0”.
A Figura 18 mostra detalhes da câmara de secagem construída, com volume interno de
0,24 m³, que tem as seguintes dimensões:
- Comprimento externo – 0,75 m, Largura externa – 0,70 m, Altura externa – 0,79 m
- Comprimento interno – 0,67 m, Largura interna – 0,54 m, Altura interna – 0, 65 m
Capítulo 3 - Materiais e Métodos
___________________________________________________________________________
49
Figura 18. Câmara de secagem construída em material compósito.
O exaustor do sistema de secagem proposto utiliza um motor elétrico utilizado em
aparelhos de ar condicionado de 1/5 CV, tendo um sistema de pás nele acoplado, para
promover a circulação forçada do ar. A Figura 19 mostra detalhes do exaustor utilizado no
sistema de secagem solar proposto.
Figura 19. Exaustor do sistema de secagem em estudo.
Capítulo 3 - Materiais e Métodos
___________________________________________________________________________
50
O sistema de secagem foi ensaiado para secagem direta de frutas tropicais, em regime
de circulação natural e secagem direta e indireta de tomates em regime de convecção natural e
forçada. Foram levantados dados de radiação solar global, temperaturas de bulbo úmido e
seco na entrada e saída do secador, temperaturas na entrada, saída e interior da câmara e
massas inicial e final das amostras, a cada hora. Determinou-se o tempo de secagem para cada
tipo de ensaio realizado (Santos, 1997; Sena, 1997; Duffie, 1991).
Os dados da temperatura foram obtidos utilizando-se dois termopares de cromel-
alumel, colocados na entrada e saída do secador de exposição direta, acoplados a um
termômetro digital.
O termômetro digital utilizado, de duas entradas, tem uma resolução de 0,1°C e
permite medições na faixa de -70°C a 1200°C, com erro máximo de 2%. (Lion, 2007).
Para a medição da radiação solar global foi utilizado um piranômetro construído no
LES/UFRN acoplado a um multímetro digital. O principio de funcionamento empregado por
este aparelho consiste em medir a radiação solar como função da diferença de temperatura de
termalização de dois corpos cinzas de diferentes emitância, submetidos à ação de uma mesma
fonte de radiação.
Duas chapas de cobre, uma pintada de preto e outra de branco, submetidas à radiação
solar em um mesmo recipiente, servem para o fim desejado. A diferença de temperatura entre
as chapas é medida com termopares e permite, uma vez aferido, com um instrumento padrão
(piranômetro tipo Eppley), uma medida da radiação solar global incidente.
A Figura 20 mostra o referido radiômetro e a Figura 21 mostra a sua curva de
calibração. Esse instrumento tem uma constante de tempo igual a 4,98s e apresenta um erro de
leitura inferior a 5%. O multímetro utilizado para medir a diferença de potencial entre os
elementos sensíveis do piranômetro apresenta uma faixa de leitura de 0 a 1000V, com erro
inferior a 2%.
Capítulo 3 - Materiais e Métodos
___________________________________________________________________________
51
Figura 20. Radiômetro construído no LMHES da UFRN
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6
Tensão (mv)
Radiação solar global (W/m²)
Figura 21. Curva de calibração do radiômetro utilizado nas medições de radiação solar global.
O sistema de secagem proposto encontra-se mostrado na Figura 22.
Capítulo 3 - Materiais e Métodos
___________________________________________________________________________
52
Figura 22. Sistema de secagem proposto.
3.2. Avaliação do desempenho do coletor
Os parâmetros que melhor caracterizam a eficiência térmica de um coletor solar são o
rendimento térmico, a potência perdida e o coeficiente global de perdas.
a.1. Coeficiente global de perdas
A placa coletora após receber radiação se aquece, surgindo, em conseqüência, um
gradiente de temperatura entre a mesma e o ar ambiente, fazendo com que parte da energia
captada flua do coletor para a atmosfera, que se constitui nas perdas térmicas do coletor. O
parâmetro que engloba todas essas perdas é o Coeficiente Global de Perdas (U
loss
), que pode
ser determinado por três métodos distintos. Utilizar-se-á neste trabalho os Métodos da
Temperatura média de placa, da Perda Térmica e das Trocas Térmicas. (Duffie, 1991,
Incropera, 2003).
Capítulo 3 - Materiais e Métodos
___________________________________________________________________________
53
a.1.1. Método da temperatura média de placa
Para determinar-se o Coeficiente Global de Perdas (U
loss
) através desse método torna-
se necessário o conhecimento da potência útil transferida ao fluido de trabalho (P
u
), da
radiação solar global (I), dos parâmetros ópticos do coletor, absortividade da placa (α
αα
α
p
) e
transmissividade do vidro (τ
ττ
τ
v
), da temperatura média da placa absorvedora (T
pm
) e da
temperatura ambiente (T
a
). A equação (1) permite a determinação da grandeza pretendida
)(
).(
apm
tpv
TT
I
loss
U
−
−
=
ηατ
(3.1)
onde:
τ
ττ
τ
v
=
transmissividade
do vidro de cobertura do secador
α
αα
α
p
=
absortividade
da placa
η
ηη
η
t
=
rendimento térmico, em %
T
pm
= temperatura média da placa absorvedora, em K
T
a
=
temperatura ambiente, em K
I = radiação solar global, em kW/m
2
a.1.2. Método da perda térmica
Este método consiste na determinação do Coeficiente Global de Perda Térmica através
do conhecimento dos parâmetros potência absorvida pelo coletor (P
abs.
), potência transferida
ao fluido de trabalho (P
u
), temperatura média de placa (T
pm
) e temperatura ambiente (T
a
), da
área do coletor (A), da vazão mássica (m), do calor específico do fluido (c
p
) e da diferença de
temperatura do fluido obtida no sistema (∆T), conforme as equações (3.2) a (3.5).
Α
Ι
=
...
pvabs
P
α
τ
(3.2)
∆Τ=
•
..
pu
cmP
(3.3)
uabsp
PPP −=
(3.4)
).(
apm
p
TTA
P
loss
U
−
=
(3.5)
a.1.3. Método das trocas térmicas
O coeficiente global de perdas, U
loss
, é definido como sendo a soma dos coeficientes
de perda pelo topo, pela base e pelas laterais. .Para a utilização deste método se faz necessário
Capítulo 3 - Materiais e Métodos
___________________________________________________________________________
54
o conhecimento dos coeficientes de trocas térmicas mencionados, que devem ser calculados
particularmente para cada situação. Tais coeficientes que são de natureza condutiva,
convectiva e radiativa, determinam as trocas que ocorrem entre as diferentes superfícies do
coletor e o ambiente. A equação 3.6, fornece o valor do U
loss.
lateraisbasetopoloss
UUUU
+
+
=
(3.6)
a.1.3.1.Cálculo do coeficiente de perda pelo topo
As perdas térmicas que ocorrem num coletor solar a partir de sua cobertura se dão por
convecção e radiação. A convecção se verifica entre a cobertura e o ar atmosférico. As perdas
por radiação têm lugar devido à própria radiação do material do qual é feita a superfície
coletora. A cobertura opaca à radiação infravermelha, — caso do vidro plano transparente —
absorve a radiação proveniente da chapa e a reemite para a mesma e para o ar.
Algumas hipóteses simplificadoras são apresentadas abaixo, visando facilitar o uso do
modelo matemático empregado na determinação dos referidos coeficientes:
1. As temperaturas da placa absorvedora e da cobertura de vidro são uniformes em toda
sua extensão e espessura;
2. Não variação de energia na placa absorvedora e na cobertura, considerando-se,
portanto, regime permanente;
3. Os fluxos de calor envolvidos são unidimensionais, havendo, portanto, propagação
perpendicular às superfícies consideradas;
4. O vidro de cobertura é opaco à radiação infravermelha emitida pela placa
absorvedora.
As trocas térmicas que ocorrem no interior do sistema e deste para o ambiente são
mostradas esquematicamente pela Figura 23.
Capítulo 3 - Materiais e Métodos
___________________________________________________________________________
55
Figura 23. Circuito térmico no coletor solar em estudo.
O coeficiente de perda pela cobertura (topo) é dado pela equação (23).
eq
R
topo
U
Σ
=
1
(3.7)
Do circuito térmico da figura 3.2, tem-se que:
)()()( aveeqvevieqvipeqeq
RRRR
−−−
++=Σ
(3.8)
Logo,
)()()(
1
aveeqvevieqvipeq
RRR
topo
U
−−−
++
=
(3.9)
Onde:
)(
1
)(
1
1
)(
vipr
Rvip
c
R
vipeq
R
−
−
+
−
=
(3.10)
)()( vevikvevieq
RR
−−
=
(3.11)
Capítulo 3 - Materiais e Métodos
___________________________________________________________________________
56
)(
1
)(
1
1
)(
aver
R
avec
R
aveeq
R
−−
+
−
=
(3.12)
Sendo que:
R
c(p– vi)
= Resistência convectiva entre a placa absorvedora e a superfície interna da
cobertura, em (m
2
.K/W)
R
r(p – vi)
= Resistência radiativa entre a placa absorvedora e a superfície interna da
cobertura, em(m
2
.K/W)
R
k(vi - ve)
= Resistência condutiva entre as superfícies interna e externa da cobertura
transparente, em (m
2
.K/W)
R
c(ve - a)
= Resistência convectiva entre a superfície externa da cobertura e o ar
ambiente, em (m
2
.K/W)
R
r(ve - a)
= Resistência radiativa entre a superfície externa da cobertura e o ar ambiente,
em (m
2
.K/W)
Substituindo-se as equações (3.10), (3.11) e (3.12) em (3.9), tem-se a equação (3.13)
dada por:
)()(
1
)()(
1
1
aver
h
avec
h
vi
k
vi
e
vipr
h
vipc
h
topo
U
−
+
−−
+
−
++
=
(3.13)
Onde:
h
c(p - vi)
= coeficiente de transmissão de calor por convecção entre a placa absorvedora e
a superfície interna do vidro de cobertura, em W/m
2
.K
h
r(p - vi)
= coeficiente de transmissão de calor por radiação entre a placa absorvedora e a
superfície interna do vidro de cobertura em W/m
2
.K
e
vi
= espessura do vidro, em mm
K
vi
= condutividade térmica do vidro, W/m.K
h
c(ve - a)
= coeficiente de transmissão de calor por convecção entre a superfície externa do
vidro e ao ar ambiente, em W/m
2
.K
h
r(ve - a)
= coeficiente de transmissão de calor por radiação entre a superfície externa do
vidro e ao ar ambiente, em W/m
2
.K
O coeficiente de transmissão de calor por convecção entre a placa absorvedora e a
superfície interna obedece ao mecanismo da convecção livre em espaço fechado. Determinar
o coeficiente de transferência de calor associado à convecção livre em espaços fechados é
Capítulo 3 - Materiais e Métodos
___________________________________________________________________________
57
matéria de numerosas pesquisas. Estudos desenvolvidos por Buchberg para a convecção livre
em espaços fechados, especificamente dispositivos relacionados à energia solar, mais
precisamente coletores solares, mostram que tal coeficiente convectivo pode ser calculado
pela equação (3.14).
δ
δ
ar
k
uvipc
Nh .
)(
=
−
(3.14)
Onde:
k
ar
= condutividade térmica do ar, em W/m.K.
δ
δδ
δ = espessura da camada de fluido, em mm.
m
H
n
au
RcN )().(
δ
δ
=
= número de Nusselt.
H = comprimento da camada de fluido, em mm.
A constante c e os expoentes n e m, têm valores empíricos recomendados para a
convecção livre, dentro do domínio do numero de Prandtl, para o ar na temperatura média do
sistema. Esse número faz parte do número de Rayleigh, conforme a equação (3.15).
2
3
.).(.
ν
δβ
rvip
PTTg
a
R
−
=
(3.15)
Onde:
g = constante da aceleração da gravidade, em m/s
2
.
β
ββ
β = coeficiente de dilatação térmica, K
-1
.
ν
νν
ν = viscosidade cinemática, em m
2
/s.
Pr = número de Prandtl.
O coeficiente de transmissão de calor por radiação entre a placa absorvedora e a
superfície interna do vidro de cobertura é calculado conforme modelo apresentado por Duffie
& Beckman, 1991.
(
)
( )
i
v
iv
i
TTp
TvTp
vpr
h
−
−∈
−
=
4
4
..
)(
σ
(3.16)
Onde:
σ
σσ
σ = constante de Stefan-Boltzman, em W/m
2
. K
4
ε
εε
ε
v
= emissividade da cobertura de vidro.
T
p
= temperatura média da placa, em K.
Capítulo 3 - Materiais e Métodos
___________________________________________________________________________
58
T
vi
= temperatura média da cobertura de vidro, em K.
O coeficiente de transferência de calor, por convecção, entre a superfície externa do
vidro e o ar ambiente, pode segundo Duffie&Beckman(1991), ser determinado por:
vavc
vh
e
.38,2
)(
+=
−
(3.17)
Esta equação é valida para velocidades de vento compreendidas entre 0 e 7 m/s. No
local onde foram feitos os testes a velocidade média situava-se entre 2,0 e 3,0 m/s.
O coeficiente de troca térmica radiativa entre a superfície externa da cobertura e o
ambiente, conforme Duffie&Beckman,1991, é função das condições climáticas do local
considerado podendo ser determinado através da equação (3.18).
)(
)(
8
)(
4
4
10.16,5
a
e
v
e
v
e
TT
TaT
avr
h
−
−
−
−
=
(3.18)
Onde:
T
ve
= temperatura externa do vidro, em K.
T
a
= temperatura ambiente, em K.
a.1.3.2. Cálculo do coeficiente de perda pela base
Mesmo com a utilização de materiais isolantes, ainda se verificam perdas através das
laterais e pela base do coletor. Para o coletor em estudo, a base estava isolada por dois tipos
de materiais diferentes, uma vez que o mesmo era, na verdade, uma caixa de alvenaria, com
enchimento de areia, e cuja parte superior cimentada era a superfície coletora.
Com a suposição inicial de que o fluxo de calor se dá sob condições de regime
permanente, obtém-se o valor das perdas térmicas pela base inferior, empregando-se a
equação (3.19).
kareia
areia
e
ktijolo
etijolo
base
U
+
=
1
(3.19)
Onde:
e
tijolo
= espessura do tijolo = 0,06 m
K
tijolo
= condutibilidade térmica do tijolo = 0,36 W/m. K
e
areia
= espessura da areia = 0,78 m
Capítulo 3 - Materiais e Métodos
___________________________________________________________________________
59
k
areia
= condutibilidade térmica do material da areia = 0,19 W/m. K
a.1.3.3. Cálculo do coeficiente de perdas laterais
Uma maneira simplificada de se obter as perdas pelas laterais e pela base do coletor é
considerar o fluxo de calor que sai do sistema por condução através do isolante e da caixa do
coletor e calcular o coeficiente global de perdas de calor para esta situação, conforme as
equações (3.20) e (3.21).
ktijolo
R
laterais
U
1
=
(3.20)
Onde:
R
kc
= resistência condutiva do tijolo, em m
2
. K/W.
Ou,
ktijolo
tijolo
e
laterais
U
1
=
(3.21)
a.2. Cálculo do rendimento
A razão entre a potência entregue pelo sistema e a potência disponível ao mesmo
define termodinamicamente rendimento.
O rendimento térmico de um secador solar é expresso em função da potência útil, da
radiação solar, de sua área, da vazão, e do calor específico do fluido e sofre influência,
inclusive, da quantidade de coberturas transparentes.
Duffie e Beckman, em 1991, apresentaram a equação 3.22 para o cálculo do
rendimento de um secador solar, para um determinado período de tempo:
ΙΑ
=
.
u
P
t
η
(3.22)
Onde:
P
u
= potência entregue pelo sistema
A = área do secador
I = Radiação Solar Global
Capítulo 4 - Resultados e Discussões
___________________________________________________________________________
60
CAPÍTULO 4 - RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os primeiros testes realizados foram para a secagem de manga, banana e abacaxi, para
pequenas cargas, para avaliar o comportamento do secador de exposição direta, em convecção
natural. Utilizou-se uma área de 1,0 m² do secador de exposição direta construído. A seguir
são mostrados os dados obtidos na secagem desses produtos em tabelas e gráficos.
As cargas de cada produto foram: abacaxi – 1.340 g; manga – 360 g e banana – 600 g
e tomate – 1.160 g. Foram escolhidas quatro amostras, uma de cada produto, para análise das
umidades iniciais e finais, e das massas finais de produto seco para cada produto. Foram
também realizadas medições das temperaturas interna e externa do secador e da radiação solar
global para o cálculo de seu desempenho térmico. As amostras de cada produto escolhidas
tinham as seguintes massas iniciais: banana – 80 g, manga – 40 g, tomate – 60 g e abacaxi -
120 g.
A carga de secagem de manga correspondeu a 360 g, com umidade inicial de 80%.
Pretende-se obter um produto final com umidade em torno de 20%. A secagem iniciou-se as
08:00h prolongando-se até as 15:00h e no outro dia o teste iniciou-se as 08:00h terminando as
14:00h. As mangas foram fatiadas no maior eixo. A Tabela 3 mostra os dados do ensaio
realizado para a secagem de manga e o gráfico da Figura 24 mostra o comportamento da
curva de secagem para esse produto.
Tabela 3. Dados da secagem de manga com secador de exposição direta em convecção
natural.
Tempo de secagem
(hora)
Massa da amostra
(g)
0 40
1 33
2 26
3 21
4 18
5 17
6 15
7 13
8 13
9 12
10 11
11 10
12 9
13 8
Capítulo 4 - Resultados e Discussões
___________________________________________________________________________
61
Manga
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Tempo (h)
Massa (g)
Figura 24. Gráfico da variação de massa da manga em relação ao tempo total de secagem.
Após as 13 horas de secagem a massa final da carga foi de 72 g, correspondendo a
20% da carga inicial. Percebe-se que a perda de massa a partir da sétima hora é pouco
significativa, alcançando-se para esse tempo de secagem uma perda de massa próxima dos
70%. A radiação solar global média esteve em torno de 700 W/m².
A carga de secagem de banana correspondeu a 600 g, com umidade inicial de 80%.
Pretende-se obter um produto final com umidade em torno de 20%. A secagem iniciou-se as
8:00h, prolongando-se até as 15:00h. No outro dia o teste iniciou-se as 08:00h terminando as
15:00h e no último dia de 08:00 as 15:00 horas, totalizando vinte e uma horas de secagem.
As bananas foram colocadas no secador fatiadas no eixo maior. A Tabela 4 mostra os dados
do ensaio realizado para a secagem de banana e o gráfico da Figura 25 mostra o
comportamento da curva de secagem do produto em teste.
Tabela 4. Dados da secagem de banana com secador de exposição direta em
convecção natural.
Tempo de secagem Massa da amostra
(hora) (g)
0 80
2 60
4 48
6 46
8 42
10 38
12 33
14 27
16 22
18 19
20 17
21 16
Capítulo 4 - Resultados e Discussões
___________________________________________________________________________
62
Banana
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 21
Tempo(h)
Massa da amostra (g)
Figura 25. Gráfico da variação de massa da banana em relação ao tempo total de secagem.
Após as 21 horas de secagem a massa final da carga foi de 120 g, correspondendo a
20% da carga inicial, conforme pretendido. Percebe-se que a perda de massa a partir da
décima sexta hora é pouco significativa, com uma perda de massa para esse tempo de
secagem já alcançando 76,5%. A radiação solar global média esteve em torno de 700 W/m².
A carga de abacaxi correspondeu a 1340 g, com umidade inicial de 80%. Pretende-se
obter um produto final com umidade em torno de 20%. A secagem iniciou-se as 08:00h do
primeiro dia e prolongando-se até as 13:00h do quarto dia. A carga do produto era retirada ao
final de cada dia de teste e colocada em um recipiente fechado para evitar a sua
reumidificação. Os abacaxis foram fatiados no eixo menor. A Tabela 5 mostra os dados do
ensaio realizado para a secagem de abacaxi e o gráfico da Figura 26 o comportamento da
curva de secagem para esse produto.
Tabela 5. Dados da secagem de abacaxi com secador de exposição direta em
convecção natural.
Tempo de secagem Massa da amostra
(hora) (g)
0 120
2 92
4 81
6 73
8 69
10 63
12 55
14 48
16 44
18 42
20 40
22 34
24 30
26 26
Capítulo 4 - Resultados e Discussões
___________________________________________________________________________
63
Figura 26. Gráfico da variação de massa do abacaxi em relação ao tempo total de secagem.
Após as 26 horas de secagem a massa final da carga foi de 268 g, correspondendo a
20% da carga inicial, conforme pretendido. A radiação solar global média esteve em torno de
700 W/m².
A carga do tomate correspondeu a 1160 g, com umidade inicial de 95%. Pretende-se
obter um produto final com umidade em torno de 20%. A secagem iniciou-se as 09:00h do
primeiro até as 15:00h no segundo dia a secagem teve inicio as 10:00h prolongando-se até as
14:00h . A carga do produto foi retirada ao final de cada dia de teste e colocada em um
recipiente fechado para evitar a sua reumidificação. Os tomates foram fatiados no eixo menor.
A Tabela 6 mostra os dados do ensaio realizado para a secagem de tomates e o gráfico da
Figura 27 o comportamento da curva de secagem para esse produto.
Tabela 6. Dados da secagem de tomate com secador de exposição direta em convecção
natural.
Tempo de secagem Massa da amostra
(hora) (g)
0 60
1 45
2 35
3 28
4 24
5 21
6 18
7 16
8 14
9 12
abacaxi
0
20
40
60
80
100
120
140
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
Tempo (hora)
Massa da amostra (g)
Capítulo 4 - Resultados e Discussões
___________________________________________________________________________
64
Tomate
0
10
20
30
40
50
60
70
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tempo (h)
Massa da Amostra (g)
Figura 27. Gráfico da variação de massa da manga em relação ao tempo total de secagem.
Após as 9 horas de secagem a massa final da carga foi de 230 g, correspondendo a
20% da carga inicial, conforme pretendido. A radiação solar global média esteve em torno de
700 W/m².
Os dados mostrados nas tabelas apresentadas e seus perfis descritos pelos gráficos
demonstram a eficiência do secador alternativo proposto, sendo os tempos de secagem
compatíveis aos apresentados pelos secadores convencionais (Bezerra, 2001). Estes tempos de
secagem que demonstram a ampla viabilidade de utilização do secador proposto para a
secagem dos produtos em estudo estão mostrados na Tabela 7.
Tabela 7. Tempo de secagem dos produtos testados.
PRODUTO TEMPO DE SECAGEM
Manga 13
Banana 21
Abacaxi 28
Tomate 09
Após os testes com o secador de exposição direta em convecção natural, partiu-se para
o estudo mais aprofundado do sistema de secagem proposto, escolhendo-se o tomate como
produto a ser secado, em função do alto valor agregado desse produto ao ser processado.
O primeiro teste realizado consistiu na secagem indireta de um quilo de tomate, em
regime de fluxo forçado, promovido pelo exaustor, com vazão de 1,5 m³/min. Os tomates,
Capítulo 4 - Resultados e Discussões
___________________________________________________________________________
65
cortados em fatias transversais, foram colocados nas bandejas da câmara de secagem. Para
avaliar a perda de massa dos tomates separou-se três amostras que foram pesadas a cada hora.
Os resultados desse teste encontram-se mostrados na Tabela 8. A umidade relativa média do
ar esteve me torno de 65%, para o período de teste. A radiação solar global média foi em
torno de 700 W/m². O teste iniciou-se no dia as 8:00h e encerrou-se as 14:00h.
Tabela 8. Variação da massa das amostras na secagem indireta com convecção forçada.
HORA A
1
(g) A
2
(g) A
3
(g)
08:00 26,500 27,501 34,800
09:00 25,500 26,700 33,701
10:00 24,465 25,806 32,482
11:00 23,101 24,223 30,574
12:00 21,662 22,720 28,600
13:00 19,062 20,380 25,432
14:00 17,453 18,972 23,550
Os resultados desse teste demonstram a viabilidade do processo de secagem por esse
método, porém o tempo de secagem nesse processo foi bem superior ao obtido com a
secagem em exposição direta, preliminarmente estudada. A amostra 1 teve uma perda de
massa correspondente a 34%, a amostra 2 de 31% e a amostra 3 de 32%. A massa total dos
tomates após as 6 horas de secagem ficou em torno de 650 g, o que equivale a uma perda de
massa úmida de 35%. O gráfico da Figura 28 mostra o comportamento assumido da perda de
massa para as três amostras.
0,000
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
35,000
40,000
08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00
Tempo (hora)
Peso das amostras (g)
A1
A2
A3
Figura 28. Perda de massa das amostras na secagem indireta em convecção forçada
Capítulo 4 - Resultados e Discussões
___________________________________________________________________________
66
Uma vez que a perda de massa tinha sido bem mais lenta que a obtida em um processo
preliminar de secagem em exposição direta experimentado, decidiu-se submeter às amostras
no dia seguinte ao processo de secagem em exposição direta com convecção natural. Os
resultados desse segundo teste encontram-se mostrados na Tabela 9. As amostras foram
colocadas as 09:30h e retiradas cinco horas após.
Tabela 9. Secagem em exposição direta com convecção natural.
HORA A
1
(g) A
2
(g) A
3
(g)
09:30 15,500 20,500 24,000
10:30 13,610 15,860 19,360
11:30 9,620 11,500 14,780
12:30 5,630 7,050 9,910
13:30 2,460 3,680 5,970
14:30 1,420 2,420 4,280
Os dados medidos demonstram uma maior eficiência do processo direto de secagem
pela obtenção de uma perda de massa mais significativa. A amostra 1 teve uma perda
correspondente a 91%, a amostra 2 a 88% e a amostra 3 a 83%.O peso final total das amostras
traduziu uma perda de massa úmida em torno de 83%.
O gráfico da Figura 29 mostra o comportamento assumido pela perda de massa para as
três amostras analisadas no processo de secagem em exposição direta com convecção natural.
0,000
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
09:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30
Tempo (Hora)
Peso da amostra (g)
A1
A2
A3
Figura 29. Comportamento assumido pela perda de massa das amostras para o processo de
secagem em exposição direta em convecção natural.
Como o processo de secagem direta em convecção natural mostrou-se mais eficiente
partiu-se para uma secagem de uma massa de amostras mais significativa, correspondente a
Capítulo 4 - Resultados e Discussões
___________________________________________________________________________
67
5,5 kg. O ensaio começou às nove horas do dia 16.05.2007 sendo paralisado às quinze horas
do mesmo dia, com as amostras sendo hermeticamente armazenadas para não sofrer
reumidificação. Às nove horas do dia seguinte as amostras foram recolocadas nas bandejas do
secador para continuação do processo de secagem. Os resultados desse teste encontram-se
mostrados na Tabela10.
Tabela 10. Massa das amostras no processo de secagem por exposição direta em circulação
natural.
HORA A
1
(g) A
2
(g)
09:00 28,060 26,286
10:00 24,713 23,070
11:00 22,012 20,819
12:00 19,720 19,090
13:00 16,890 16,619
14:00 14,770 14,430
15:00 11,860 12,300
10:00 9,380 9,830
11:00 7,920 8,400
12:00 5,880 6,440
13:00 3,863 4,000
O tempo total de secagem foi de 10 horas e as amostras 1 e 2 tiveram perdas de massa
correspondentes a 86% e 85%, o que demonstra a maior eficiência do processo de secagem
por exposição direta em circulação natural. A umidade relativa média esteve em torno de 65%
e a radiação solar global em torno de 700 W/m². O gráfico da Figura 30 mostra as curvas de
secagem para as duas amostras analisadas. O peso total da carga de tomates colocada no
secador de exposição direta após as 10 horas de secagem foi de 990 g, o que corresponde a
uma perda de massa em torno de 82% em relação ao peso inicial da carga de amostras em
torno de 5,5 kg.
Capítulo 4 - Resultados e Discussões
___________________________________________________________________________
68
0,000
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 10:00 11:00 12:00 13:00
Tempo(hora)
Peso das amostras(g)
A1
A2
Figura 30. Curvas de secagem para as amostras no processo de secagem por exposição direta
em convecção natural.
O último teste realizado consistiu em proceder a secagem para uma carga de 16,0 Kg
de tomate no secador de exposição direta, em convecção natural. A carga foi colocada as
10:30h e as 15:00h foi retirada em função da baixa insolação. Após essas 4:30h a carga de
tomate correspondia a 8,725 Kg, ocorrendo uma perda de massa equivalente a 45,5%.
Os tomates foram colocados em um recipiente com tampa para evitar a reumidificação
e no outro dia foram colocados no secador as 09:30h permanecendo até as 13:00h, ficando,
portanto, expostos à radiação por mais 4:30h. Após essas quatro horas e meia a carga total de
tomate seco correspondeu a 2,014 Kg. A perda de massa nesse segundo dia de secagem
equivaleu, portanto, a 77,0%. A perda de massa total para esse período de nove horas de
exposição correspondeu a 87,5%.
Os dados correspondentes a perda de massa em três amostras escolhidas da carga em
secagem em exposição direta em convecção natural encontram-se mostrados na Tabela 11. O
gráfico da figura 31 mostra o comportamento da perda de massa para as três amostras
analisadas.
Capítulo 4 - Resultados e Discussões
___________________________________________________________________________
69
Tabela 11. Perda de massa horária durante o teste.
HORA A
1
(g) A
2
(g) A
3
(g)
10:30 30,034 28,063 28,045
11:30 26,434 24,465 24,680
12:30 22,470 20,315 20,234
13:30 19,090 17,200 17,220
14:30 16,610 15,800 15,829
15:00 16,210 15,150 15,140
10:30 11,860 11,300 11,020
11:30 8.345 8,010 7,995
12:30 5,220 5,011 5.010
13:00 3,750 3,520 5,51
0
5
10
15
20
25
30
35
10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:00 10:30 11:30 12:30 13:00
Tempo (hora)
Peso das amostras (g)
Figura 31. Curvas de secagem para as amostras no processo de secagem por exposição direta
em convecção natural.
Considerando-se que os dezesseis quilos de tomate foram comprados a R$ 16,00, o
custo por quilo de tomate seco correspondeu a R$ 8,00, que representa o custo de produção
por quilo de tomate produzido. Esse preço é bem reduzido se comparar-se ao preço do tomate
seco vendido nos supermercados em torno de R$ 30,00.
Para avaliar a eficiência térmica do secador proposto, determinou-se o rendimento
térmico e o coeficiente global de perda térmica para o regime de trabalho que se mostrou mais
Capítulo 4 - Resultados e Discussões
___________________________________________________________________________
70
eficiente em termos de retirada de umidade dos produtos, qual seja o regime de convecção
natural. Para a determinação desses parâmetros mediu-se as temperaturas do ar na entrada e
saída do coletor de exposição direta, as temperaturas internas e externas do secador e a
radiação solar global.
No que diz respeito aos níveis de temperatura obtidos no secador, os valores médios
determinados encontram-se mostrados na Tabela 12 abaixo. Tais medidas foram realizadas no
período de radiação praticamente constante, entre 11:00 e 13:00 horas.
Tabela 12. Níveis de temperatura obtidos no secador.
Tempo
(h)
T
fi
T
vi
T
ve
T
li
T
le
T
amb
T
ar
11-13 62 45,0 40 54 39 34,5 57,4
A Figura 32 mostra um diagrama esquemático do secador estudado, com os níveis
médios de temperatura obtidos no ensaio, para o diagnóstico da perda térmica do secador.
Figura 32. Diagrama esquemático dos níveis de temperatura medidos no interior e
exterior do coletor em estudo para cálculo do coeficiente global de perda térmica.
Os valores medidos demonstram a eficiência do secador em estudo uma vez que as
temperaturas externas estão próximas da temperatura ambiente, o que traduz uma pequena
perda térmica, em conformidade com a determinação do U
loss
em torno de 6,5 W/m.°C,
conforme relata Sena, 1994, mostrado na Tabela 13.
Capítulo 4 - Resultados e Discussões
___________________________________________________________________________
71
Tabela 13. Tipos de perdas térmicas.
TIPO DE PERDA VALOR (W/m².K)
Perda pelo Topo (U
topo
) 5,77
Perda pela base (U
base
) 0,23
Perda pelas Laterais (U
laterais
) 0,38
Coeficiente Global de Perda (U
loss
) 6,38
Usando os equacionamentos descritos no capítulo anterior, calculou-se os parâmetros
térmicos do secador de exposição direta testado, cujos valores encontram-se mostrados na
Tabela 14.
Tabela 1. Valores dos parâmetros térmicos do secador de exposição direta testado.
Parâmetro térmicos do secador Valor calculado
P
perdida
= U
loss
.(Tp-Ta).A 752,84 W
P
incidente
= I.A 3.000 W
P
absorvida
= τ. α. I. A 2167,5 W
P
útil =
P
absorvida
- P
perdida
1414,66 W
P
radiativa
= τ
v
. α
p
. ε
placa
. I . A 1.950,75 W
η
t
= P
útil
/I.A 47,2 %
η
Processo
= ( UR
ent
– UR
sai
) / UR
ent
40,0 %
Para avaliar o processo de secagem determinou-se a sua eficiência através das
umidades relativas do ar na entrada e saída do secador, obtidas pelos níveis de temperatura de
bulbo úmido e bulbo seco para esses pontos. Escolheu-se o ensaio com a maior carga
trabalhada, 16 Kg, e a eficiência pretendida foi calculada pela equação mostrada na tabela
acima, que correspondeu a 40,0 % (4.7).
Os valores horários utilizados para a determinação da eficiência média do processo
estão mostrados na Tabela 15.
Capítulo 4 - Resultados e Discussões
___________________________________________________________________________
72
Tabela15. Dados do ensaio no secador de exposição com carga máxima.
DATA 15/12/2007
PESO INICIAL 16,8 Kg
PESO FINAL 8,725 Kg
Tempo
(hora)
T
BSE
(°C)
T
BUE
(°C)
T
BSS
(°C)
T
BUS
(°C)
URent
(%)
URsai
(%)
I
(W/m²)
η
p
10:00 28,30 26,80 47,10 40,20 89,07 49,44 750,0 0,44
11:00 28,10 26,00 49,20 41,80 84,81 49,14 700,0 0,42
12:00 32,70 27,10 50,10 42,10 73,4 47,20 680,0 0,36
13:00 32,30 27,10 48,90 41,40 73,13 48,61 700,0 0,34
14:00 30,82 27,00 45,40 37,00 74,69 50,08 600,0 0,33
15:00 30,00 27,30 41,00 33,00 81,27 50,06 500,0 0,39
09:00 31,30 28,20 45,10 32,50 79,26 42,32 750,00
0,47
10:00 32,70 28,50 47,20 34,10 73,15 42,02 750,00
0,43
11:00 35,10 29,00 50,00 35,10 63,83 38,07 780,00
0,40
12:00 35,30 29,30 53,80 39,60 62,90 40,51 780,00
0,36
13:00 34,50 30,10 55,50 36,00 72,80 40,02 780,00
0,45
MÈDIA
0,40
0,44
0,42
0,36
0,34
0,33
0,39
0,47
0,43
0,4
0,36
0,45
0,4
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 MÈDIA
Tempo (hora)
Rendimento do processo de secagem (%)
Figura 33. Gráfico do rendimento em função do tempo total de secagem.
Percebe-se que o rendimento do processo esteve próximo ao rendimento térmico do
secador de exposição direta, em torno de 40 %, demonstrando sua boa eficiência.
O custo do secador que trabalha em convecção natural corresponde a R 80,00/m²,
perfazendo para o sistema em estudo o valor total de R$ 320,00.
Capitulo 5 – Conclusões e Sugestões
___________________________________________________________________________
74
CAPITULO 5 – CONCLUSÕES E SUGESTÕES
A seguir, em consonância com os objetivos que foram listados no início do presente
trabalho, passa-se a discorrer sobre as conclusões de caráter geral que se depreendem da
análise dos dados colhidos nos testes realizados com o sistema de secagem solar estudado.
5.1. CONCLUSÕES
1. O processo mostrou-se viável nos campos térmico, econômico e de materiais;
2. O processo de secagem por exposição direta em convecção natural mostrou-se eficiente
podendo produzir perda de massa em torno de 80,0% para nove horas de secagem;
3. O processo de secagem por exposição indireta mostrou-se viável, porém apresenta perda de
massa mais lenta que a obtida com o secador por exposição direta;
4. O custo de fabricação de tal secador é baixo, em torno de $ 50,00/m², sendo competitivo
com os secadores convencionais disponíveis;
5. Os processos de fabricação e montagem do sistema de secagem proposto são simples,
podendo ser facilmente repassados tecnologicamente;
6. O secador proposto é viável para utilização em zona rural. Para combate aos desperdícios, e
perecibilidade, podendo ser construído em vários tamanhos, contribuindo para a geração
descentralizada de produtos desidratados;
7. O processo de secagem indireta mostrou-se eficiente, porém apresenta um tempo maior de
secagem que a secagem direta, podendo ser utilizado para a produção de tomates quando
exigir-se um padrão de qualidade maior;
8. O processo direto de secagem solar em convecção natural pode ser utilizado para quaisquer
frutas tropicais, como ficou demonstrado nas frutas que foram postas a secar, como manga,
banana e caju;
Capitulo 5 – Conclusões e Sugestões
___________________________________________________________________________
75
9. A eficiência do processo de secagem por exposição direta em convecção natural foi
significativa da ordem de 40%, e como tem custo de fabricação bastante reduzido, apresenta,
portanto, elevada relação custo benefício;
10. A perda térmica do secador de exposição direta é pouco significativa demonstrando a
eficiência do isolamento térmico obtida na sua fabricação;
11. A câmara de secagem construída em material compósito resistiu às intempéries durante
dois anos de exposição e apresentou boa eficiência térmica;
12. O sistema de exaustão projetado e construído mostrou-se eficiente propiciando vazões em
torno de 1, 5 m³/min;
13. O secador em estudo com área equivalente a 4 m² propicia uma secagem em torno de 20,0
Kg, a cada nove horas de secagem;
14. Considerando-se que o custo do quilo de tomate seco corresponde a $ 19,00, percebe-se
que o valor agregado do tomate seco em relação ao in natura, em períodos de safra, é bastante
significativo.
5.2. SUGESTÕES
15. O sistema de exaustão elétrico utilizado pode ser substituído por um sistema de exaustão
eólico, que não onerará significativamente o custo do sistema;
16. O sistema deve ser ensaiado em exposição direta com convecção forçada promovida pelo
exaustor eólico;
17. Seria importante realizar as análises química e biológica do tomate seco obtido utilizando
o sistema de secagem estudado;
18. Poder-se-ia, também, realizar tratamentos de pré-secagem por diversos métodos para
avaliar a influência dos mesmos na qualidade do produto final.
Capítulo 6 - Referências Bibliográficas
___________________________________________________________________________
76
CAPÍTULO 6 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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( http://www.livrosgratis.com.br )
Milhares de Livros para Download:
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