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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CENTRO TECNOLÓGICO
CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ALIMENTOS
ESTUDO DO RESFRIAMENTO DE CARCAÇAS DE FRANGO
EM CHILLER DE IMERSÃO EM ÁGUA
Dissertação submetida ao Curso de Pós-
Graduação em Engenharia de Alimentos
da Universidade Federal de Santa
Catarina como requisito parcial à
obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia de Alimentos.
Área de concentração: Desenvolvimento
de Processos da Indústria de Alimentos
Orientador: Prof
°
. Dr. João Borges Laurindo
BRUNO AUGUSTO MATTAR CARCIOFI
Engenheiro de Alimentos
Florianópolis, março de 2005.
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Livros Grátis
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Milhares de livros grátis para download.
Aos meus pais, Marly e Antonio Carlos,
pelo amor incondicional.
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Agradecimentos
Ao professor João Borges Laurindo pela orientação e confiança ao longo destes
anos de amizade e colaboração. Imprescindível em meu crescimento e aprendizado.
Aos professores Haiko Hense, Vivaldo Silveira Jr. e Sandra Ferreira, membros da
banca examinadora.
Ao Departamento de Engenharia de Alimentos da Universidade Federal de Santa
Catarina, pela oportunidade.
A todos os professores e funcionários deste departamento, que sempre
contribuíram.
Ao professores Nestor Roqueiro e Ricardo Machado, pelo apoio e incentivo.
Aos integrantes do Laboratório de Propriedades Físicas (PROFI) e do
Laboratório de Controle de Processos (LCP). Pela amizade, pelas risadas e pela
prestatividade.
Ao Alexandre Beló, ao Cristiano e ao Leozão, que ajudaram a “carregar o piano”.
A toda equipe do projeto UFSC/Perdigão, pela ajuda sempre que necessária.
Às dezenas de funcionários da Perdigão com quem tive contato durante a
execução deste trabalho. À equipe da Engenharia, em especial: Eldo e Cícero; aos
funcionários de Capinzal, em especial: Spiassi, Joel, Gilson e Bonato; ao pessoal da
“laborantia” de Capinzal, em especial à amiga Poliana (valeu pela força).
A todos os amigos e colegas da pós-graduação.
Aos amigos, mesmo os de longe, pelos conselhos e incentivos.
Aos amigos e irmãos “da casa”: Aninha, Melissa, Liziane, Naiara, Nando, Fiu,
Santi, Alemão, Tavares e Dani. Fundamentais neste trabalho e no dia-a-dia.
A minha família, pela doação, pelo incentivo, pela compreensão e pelo amor em
todos os dias de minha vida.
A Deus, por sempre estar ao meu lado e por ter colocado todos estes em meu
caminho.
”Creio em mim mesmo.
Creio nos que trabalham comigo,
creio nos meus amigos e creio na minha família.
Creio que Deus me emprestará
tudo que necessito para triunfar,
contanto que eu me esforce para alcançar
com meios lícitos e honestos.
Creio nas orações e nunca fecharei
meus olhos para dormir,
sem pedir antes a devida orientação
a fim de ser paciente com os outros
e tolerante com os que
não acreditam no que eu acredito.
Creio que o triunfo é resultado de esforço inteligente,
que não depende da sorte, da magia,
de amigos, companheiros duvidosos ou de meu chefe.
Creio que tirarei da vida exatamente o que nela colocar.
Serei cauteloso quando tratar os outros,
como quero que eles sejam comigo.
Não caluniarei aqueles que não gosto.
Não diminuirei meu trabalho por ver
que os outros o fazem.
Prestarei o melhor serviço de que sou capaz,
porque jurei a mim mesmo triunfar na vida,
e sei que o triunfo é sempre resultado
do esforço consciente e eficaz.
Finalmente, perdoarei os que me ofendem,
porque compreendo que às vezes
ofendo os outros e necessito de perdão.”
Mahatma Gandhi
i
Sumário
Resumo............................................................................................................................iii
Abstract............................................................................................................................iv
Lista de Figuras................................................................................................................v
Lista de Tabelas ............................................................................................................viii
Nomenclatura ..................................................................................................................ix
Introdução.........................................................................................................................1
1. Revisão Bibliográfica................................................................................................6
1.1. Abate e Resfriamento de Frangos .......................................................................6
1.2. O Sistema de Resfriamento das Carcaças (Chiller)...........................................11
1.3. Trabalhos Científicos .........................................................................................15
1.4. Legislação..........................................................................................................16
1.5. A Transferência de Calor...................................................................................19
1.6. A Transferência de Massa (Absorção de Água) ................................................24
2. Metodologia.............................................................................................................26
2.1. Estudo em Chiller Industrial...............................................................................26
2.2. Estudo em Chiller Piloto.....................................................................................27
ii
2.2.1. Determinação da Quantidade de Água Absorvida Pela Carcaça...................31
2.2.1.1. Modelos Matemáticos para Absorção de Água pelas Carcaças
Durante o Resfriamento.................................................................................34
2.2.2. Influência do Nível de Agitação na Absorção de Água pela Carcaça.............42
2.2.3. Influência da Pressão Hidrostática na Absorção de Água pela Carcaça........42
2.2.4. Determinação da Evolução da Temperatura Durante o Resfriamento das
Carcaças...................................................................................................................43
3. Resultados e Discussão.........................................................................................46
3.1. Estudo em Chiller Industrial...............................................................................46
3.2. Estudo em Chiller Piloto.....................................................................................50
3.2.1. Quantidade de Água Absorvida pela Carcaça................................................50
3.2.1.1. Modelos Matemáticos para Absorção de Água pelas Carcaças
Durante o Resfriamento.................................................................................54
3.2.2. Influência do Nível de Agitação na Absorção de Água pela Carcaça.............64
3.2.3. Influência da Pressão Hidrostática na Absorção de Água pela Carcaça........65
3.2.4. Evolução da Temperatura das Carcaças Durante o Resfriamento ................67
Conclusões.....................................................................................................................77
Referências Bibliográficas ............................................................................................80
iii
Resumo
O resfriamento industrial de carcaças de frango é normalmente efetuado em tanques de
imersão em água (chillers). Nesta etapa, além da redução da temperatura, ocorre
absorção de água pelas carcaças. Neste trabalho foram estudados diversos aspectos
relacionados com a redução da temperatura e com a absorção de água por carcaças
resfriadas por imersão, além de uma avaliação das condições operacionais dos chillers
industriais. Estudos realizados em dois chillers piloto possibilitaram a avaliação da
influência das variáveis de processo sobre a evolução da temperatura do centro do
músculo peitoral e sobre o percentual de água absorvido durante o resfriamento por
imersão. Os parâmetros de processo avaliados foram a temperatura da água de
resfriamento (1ºC e 15ºC), a influência da agitação do meio de resfriamento (por bomba
para a recirculação da água ou por injeção de ar comprimido) e a profundidade de
imersão das carcaças em relação à superfície da água (180, 845 e 1470mm). Dois
modelos matemáticos foram propostos para a representação da absorção de água
pelas carcaças. Em um dos modelos propõe-se que resistência global à absorção de
água é constante, enquanto no outro se propõe que essa resistência global aumenta
com a quantidade de água absorvida. O segundo modelo foi o que melhor se ajustou
aos dados experimentais. Este incremento da resistência à absorção é atribuído ao
mecanismo de penetração da água no tecido muscular. Inicialmente, os poros do tecido
muscular estão livres, provocando altas taxas de absorção (mecanismo hidrodinâmico).
Posteriormente, o mecanismo de transporte que controla a absorção de água é a
migração interna da água absorvida (mecanismo pseudo-difusivo). Para maiores
temperaturas, o aumento da pressão hidrostática e a agitação do meio de resfriamento
proporcionaram uma maior taxa de absorção de água pelas carcaças. A agitação
também proporcionou maior redução da temperatura das carcaças, pela redução da
resistência convectiva à transferência de calor. No entanto, os resultados evidenciaram
a dificuldade de se reduzir o tempo de resfriamento total para períodos inferiores a 60
minutos de imersão. Na análise dos chillers industriais, diversas possibilidades de
melhorias foram identificadas, como na circulação da água de resfriamento, na
distribuição de gelo, na distribuição e transporte das carcaças dentro do equipamento e
na padronização das carcaças resfriadas.
Palavras-chave: frango, carcaças, resfriamento, água, absorção.
iv
Abstract
The industrial cooling of chicken carcasses is usually performed by its immersion in
tanks with cold water (chillers). In this stage, besides temperature reduction, carcasses
absorb water. In this work several aspects related with carcasses cooling and water
absorption in the immersion tanks were studied. An evaluation of the operational
conditions of chillers industrial was made. Experimental essays were accomplished in
two pilot chillers to evaluate the influence of the process variables on the temperature
evolution of chicken breast and on water absorption during the cooling by immersion.
The evaluated parameters were the temperature of cooling water (1ºC and 15ºC), water
stirring procedure (by water circulation or air injection) and the carcasses immersion
depth (180, 845 and 1470mm). Two mathematical models were proposed to represent
the carcasses water absorption. In the first model it was proposed that global resistance
to water absorption is constant, while in the second model it was proposed that this
global resistance increases with the water absorption. The second model was the best
to represent the experimental data. This increment on the resistance to water absorption
was attributed to the water penetration mechanism in the muscular tissue. Initially, the
muscular tissue pores are free, which promotes high absorption rates, controlled by a
hydrodynamic mechanism. Afterwards, the transport mechanism that controls the water
absorption is the internal migration of the absorbed water (pseudo-diffusive mechanism).
Higher temperatures and stirring increased the rate of water absorption by the
carcasses. This rate also was favored by the hydrostatics pressure, i.e., carcasses close
to the surface had smaller water absorptions. Water stirring also provided larger cooling
rates, by the reduction of the convective resistance to heat transfer. However, the results
evidenced the difficulty to reduce the global time for cooling carcasses in periods lower
than 60 minutes. In the analysing of industrial chillers several possibilities of
improvement were identified, such as in the circulation of cooling water and ice
distribution, in the distribution and transportation of carcasses inside the tank and in the
weight standardization or carcasses.
Keywords: chicken, carcasses, cooling, water, absorption.
v
Lista de Figuras
Figura 1A: Fluxo produtivo representativo da empresa frigorífica de aves – Parte I..........7
Figura 1B: Fluxo produtivo representativo da empresa frigorífica de aves – Parte II.........8
Figura 1C: Fluxo produtivo representativo da empresa frigorífica de aves – Parte III........9
Figura 2: Fotos ilustrativas de chillers comercializados pela empresa Frigomaq: a)
Detalhe da rosca sem fim; b) Detalhe mostrando o sistema de descarregamento das
carcaças; c) Visão global do chiller. (Frigomaq[7])...........................................................14
Figura 3: Evaporadores do Air Chiller da empresa Stork Bronswerk, em ângulo
especialmente projetado. .................................................................................................15
Figura 4: Passagem da água através do volume de controle, agregando massa ao
frango...............................................................................................................................25
Figura 5: Representação esquemática do Tanque A. Tanque piloto usado nos ensaios
de resfriamento das carcaças de frango. .........................................................................29
Figura 6: Esquematização da vista superior do chiller industrial. Região de estagnação
e caminho preferencial da água no equipamento.............................................................49
Figura 7: Percentual de absorção de água pelas carcaças de frango em função do
tempo para água a 1ºC, em 3 diferentes condições de agitação.....................................51
Figura 8: Percentual de absorção de água pelas carcaças de frango em função do
tempo para água a 15ºC, em 3 diferentes condições de agitação. ..................................51
Figura 9: Curvas de absorção de água pelas carcaças de frango, quando não foi usada
agitação da água no tanque. Experimentos realizados a 1ºC e 15ºC..............................52
vi
Figura 10: Curvas de absorção de água pelas carcaças de frango, em condições de
agitação promovidas pela recirculação de água. Experimentos realizados a 1ºC e
15ºC.................................................................................................................................53
Figura 11: Curvas de absorção de água pelas carcaças de frango, em condições de
agitação promovidas pela injeção de ar. Experimentos realizados a 1ºC e 15ºC. ...........53
Figura 12: Ajuste dos dados experimentais à Equação 19 (Modelo I), para agitação por
bomba d’água e temperatura da água de resfriamento a 1ºC..........................................55
Figura 13: Interface gráfica do programa para determinação do perfil temporal de W e
dos valores ótimos do parâmetros
"
m
K
e
β
.....................................................................56
Figura 14: Valores do segundo coeficiente de proporcionalidade para transferência de
massa em função da quantidade de água absorvida pela carcaça de frango, nas 6
diferentes condições de operação....................................................................................60
Figura 15: Gráfico da evolução da fração de água absorvida (
W
) em função do tempo.
Valor de min
1,0
"
=
m
K
-1
, temperatura da água de 15ºC sob agitação da bomba d’água...61
Figura 16: Representação esquemática dos mecanismos que governam a absorção de
água pelas carcaças. .......................................................................................................63
Figura 17: Absorção de água pela carcaça sob diferentes condições do meio de
resfriamento agitado pela injeção de ar comprimido........................................................64
Figura 18: Absorção de água pela carcaça em função do tempo para três diferentes
condições de pressão hidrostática...................................................................................66
Figura 19: Evolução temporal da absorção de água pela carcaça em função da altura
de coluna d’água..............................................................................................................67
Figura 20: Perfil de temporal das temperaturas Tc e Ts para água a 1ºC em meio sem
agitação............................................................................................................................68
vii
Figura 21: Perfil de temporal das temperaturas Tc e Ts para água a 1ºC em meio
agitado pela injeção de ar (vazão intermediária)..............................................................68
Figura 22: Perfil de temporal das temperaturas Tc e Ts para água a 15ºC em meio sem
agitação............................................................................................................................69
Figura 23: Ajuste dos dados experimentais por equações parabólicas, nos primeiros 10
minutos de imersão, para testes a 1ºC.............................................................................70
Figura 24: Ajuste dos dados experimentais por equações exponenciais, do décimo ao
sexagésimo minuto, para testes a 1ºC.............................................................................70
Figura 26: Ajuste dos dados experimentais por equações parabólicas para ensaios a
15ºC. ................................................................................................................................71
viii
Lista de Tabelas
Tabela 1: Produção mundial de carne de frango................................................................2
Tabela 2: Produção e exportação de carne de frango entre os estados brasileiros...........2
Tabela 3: Valores de ,
"
m
K
β
e do erro acumulado obtidos pelo programa computacional
em diferentes passos no tempo. Dados experimentais a 1ºC, agitado com bomba
d’água ..............................................................................................................................57
Tabela 4: Valores de ,
"
m
K
β
e do erro acumulado obtidos pelo programa computacional
para as diferentes condições experimentais. Passo no tempo de 1s...............................58
Tabela 5: Valores de
β
e do erro acumulado obtidos pelo programa computacional para
as diferentes condições experimentais, fixando-se min
1,0
"
=
m
K
-1
. Passo no tempo de
1s. ....................................................................................................................................58
Tabela 6: Valores médios dos parâmetros
q
, e e dos coeficientes de correlação
a
b
2
R
referentes às duas equações ajustadas, nas condições de operação a 1ºC..............72
Tabela 7: Valores médios dos parâmetros e b e do coeficiente de correlação
a
2
R
referentes à equação ajustada, nas condições de operação a 15ºC ..............................73
Tabela 8: Valores médios de Tc, em
0
=
t
e
min60
=
t
, e da variação de Tc ocorrida
neste intervalo, nas condições de operação a 1ºC. .........................................................73
Tabela 9: Valores médios de Tc, em
0
=
t
,
min10
=
t
e
min60
=
t
, e da variação de Tc
ocorrida neste intervalo, nas condições de operação a 15ºC...........................................74
Tabela 10: Valores médios de Tc, em
0
=
t
e
min60
=
t
, e da variação de Tc ocorrida
neste intervalo, nas condições de operação a 1ºC, variando o tempo de injeção de ar. .75
ix
Nomenclatura
a
- Coeficiente angular da equação da reta
-
A
-
Área
(m
2
)
b
- Coeficiente linear da equação da reta
-
Bi
- Número adimensional de Biot
-
h
- Coeficiente convectivo de transferência de calor
(W m
-2 o
C
-1
)
j
- Fluxo mássico de água
(g
água
m
-2
min
-1
)
k
- Condutividade térmica
(W m
-1 o
C
-1
)
m
K
- Coeficiente de transferência de massa
(m
-2
min
-1
)
'
m
K
- Segundo coeficiente de transferência de massa
(min
-1
)
"
m
K
- Terceiro coeficiente de transferência de massa
(min
-1
)
c
L
- Comprimento característico do meio condutivo
(m)
m
- Massa do frango
(g
frango
)
0
m
-
Massa inicial do frango (em
0
tt
=
)
(g
frango
)
A
m
- Massa de água absorvida
(g
água
)
Am
m
- Massa máxima de água que pode ser absorvida
(g
água
)
n
- Direção paralela ao gradiente de temperatura
(m)
P
-
Percentual de água absorvido em relação à massa inicial
do frango
-
m
P
-
Percentual máximo de água absorvido em relação à
massa inicial do frango
-
q
- Taxa de transferência de calor
(W)
"q
- Fluxo de calor
(W m
-2
)
cond
R
- Resistência à transferência de calor condutiva
(W
o
C
-1
)
conv
R
- Resistência à transferência de calor convectiva
(W
o
C
-1
)
t
- Tempo
(min)
0
t
- Tempo inicial
(min)
f
T
- Temperatura do fluido
(
o
C)
s
T
- Temperatura da superfície
(
o
C)
Tc - Temperatura do centro do músculo peitoral da carcaça
(
o
C)
Ts - Temperatura da superfície do músculo peitoral da carcaça
(
o
C)
x
W
-
Fração mássica de água em relação à massa inicial do
frango
(g
água
g
-1
frango
)
m
W
-
Fração mássica máxima de água em relação à massa
inicial do frango
(g
água
g
-1
frango
)
β
-
Parâmetro do Segundo coeficiente de transferência de
massa
(g
frango
g
-1
água
)
Introdução 1
Introdução
O consumo de carne de aves tem crescido quando comparado ao consumo das
carnes bovinas e suínas, sendo estas três as mais comercializadas em termos mundiais.
No cenário econômico atual, o Brasil tem grande destaque mundial na exportação e
produção de carne de frango (cerca de 15% do total de frangos produzidos no planeta,
como mostrado na Tabela 1). O Brasil atualmente é o maior exportador mundial de carne
de frango.
O estado de Santa Catarina, segundo a ABEF – Associação Brasileira dos
Exportadores de Frango (2005), como evidenciado na Tabela 2, é o maior exportador e o
segundo maior produtor dentre os estados brasileiros. Neste estado estão sediadas as
principais empresas frigoríficas brasileiras, dentre elas a Perdigão Agroindustrial S/A,
segunda maior empresa do território nacional no ramo frigorífico avícola.
Desde os tempos mais remotos a preocupação com a escassez de alimentos
acompanha a humanidade e, por conta disto, os homens vêm buscando formas de
produzir alimentos em maior quantidade, com melhor qualidade e utilizando-se de menor
espaço físico e menor tempo. Para isto, grandes investimentos têm sido aplicados nas
áreas agrícola e pecuária no que tange a pesquisa e desenvolvimento de tecnologias
voltadas para o aumento da produtividade destes dois segmentos.
Através da parceria estabelecida junto à Universidade Federal de Santa Catarina,
a Perdigão serviu como base para os estudos de otimização e inovação dentro de suas
linhas industriais, parceria esta estabelecida com incentivo e fomento à pesquisa do
governo brasileiro, através da FINEP (Financiadora de Estudos e Projetos) – CT AGRO.
Introdução 2
Tabela 1: Produção mundial de carne de frango.
PRODUÇÃO MUNDIAL DE CARNES DE FRANGOS
PRINCIPAIS PAÍSES ( 1999 - 2004** )
Mil toneladas
ANO
EUA
CHINA BRASIL UE
MÉXICO MUNDO
1999
13.367
8.550
5.526
6.614 1.784
47.554
2000 13.703 9.269 5.977 6.654 1.936 50.097
2001 14.033 9.278 6.736 6.822 2.067 51.765
2002
14.467
9.558
7.517
6.750 2.157
53.597
2003*
14.696
10.000 7.843
4.466 2.297
53.913
2004**
15.226
10.000 8.235
6.695 2.460
55.622
Fonte:USDA/ABEF
* Preliminar ** Previsão
Tabela 2: Produção e exportação de carne de frango entre os estados brasileiros.
ESTADOS PRODUTORES E EXPORTADORES 2003
Cabeças
Partic.
Exportação
Partic.
ESTADOS
Abatidas c/SIF
%
Tons.
%
PARANÁ
813.373.908
21,90
496.746
25,8
SANTA CATARINA
648.752.226
17,47
612.524
31,9
RIO GRANDE DO SUL
602.214.275
16,22
547.963
28,5
SÃO PAULO
467.215.143
12,58
63.923
3,3
MINAS GERAIS
233.044.561
6,27
52.687
2,7
GOIÁS
138.022.314
3,72
59.038
3,1
MATO GROSSO DO SUL
112.086.545
3,02
42.949
2,2
MATO GROSSO
66.331.766
1,79
39.004
2,1
TOTAL GERAL
3.713.685.074 100,00 1.922.042*
100
* Não estão computadas as exportações de
industrializados.
Fonte: ABEF SECEX
Introdução 3
Dentro da indústria frigorífica, na linha de abate e processamento de aves,
destaca-se a operação unitária de resfriamento das carcaças (ou pré-resfriamento, como
é classificado pelo Ministério da Agricultura e do Abastecimento – Secretaria de Defesa
Agropecuária (2004)) a qual é considerada como uma das mais importantes etapas,
senão a mais importante delas.
É nesta etapa que a ave, após o abate, escaldagem, depenagem e evisceração, é
submetida a uma redução na sua temperatura em cerca de 35
o
C, medida no centro do
músculo peitoral.
Um adequado processo de resfriamento é fundamental para a preservação da
qualidade das carcaças. Segundo Dinçer (1997), a preservação é a mais importante das
etapas tecnológicas no processamento de alimentos, influenciando a vida de prateleira
do produto, através da manutenção de suas propriedades microbiológicas, físico-
químicas e sensoriais.
Neste caso a preservação é obtida através da utilização do “frio”, que em outras
palavras é a remoção de energia térmica do produto, com a finalidade de manter sua
temperatura em valores próximos a 0
o
C. Nesta temperatura as velocidades das reações
químicas, das reações enzimáticas e do crescimento de microorganismos patogênicos
são bastante reduzidas.
Em um mercado altamente acirrado, qualquer fator que leve à redução do custo
produtivo é visto como um diferencial competitivo. Sabendo que o consumo energético é
o responsável por grande parcela destes custos, e que por sua vez a refrigeração
representa grande parte desse consumo, todo esforço para otimizar os processos que
empregam o “frio” pode ser relevante.
O resfriamento das carcaças logo após o abate e evisceração é uma exigência da
legislação nacional vigente (regulamentada através do Ministério da Agricultura e do
Abastecimento – Secretaria de Defesa Agropecuária (2004)) e também dos clientes
internacionais, sendo estes últimos, em geral, mais rigorosos ainda nos seus índices de
controle (temperatura das carcaças e quantidade de água por elas absorvida).
Introdução 4
O resfriamento das carcaças pela indústria é um “problema” de engenharia de
grande complexidade. A matéria-prima (carcaças de frango) não possui geometria bem
definida, possui grande variabilidade de peso e dimensões, tem características
específicas para machos e fêmeas, apresenta diferenças entre raças, tem composição
química variável, entre outras. Devido ao mecanismo de transporte das carcaças dentro
dos equipamentos de processo atualmente existentes, fica muito difícil se determinar o
tempo de residência de uma carcaça nos tanques de resfriamento com água (chiller).
Desde modo, o resfriamento das carcaças em chillers de água é um complexo
processo de transferência simultânea de calor e massa, que deve ser controlado para
garantir a qualidade dos produtos resfriados.
Objetivo Geral
O objetivo central do presente trabalho foi compreender os fenômenos
simultâneos de transferência de calor e de absorção de água pelas carcaças nos chillers.
Com estas informações e com o conhecimento das condições de processo, procurou-se
encontrar soluções para essa importante etapa do processamento industrial de frangos.
Objetivos Específicos
a) Análise do processo de resfriamento atualmente utilizado pelas industrias
brasileiras, tendo como base as unidades industriais da Perdigão
Agroindustrial S/A;
b) Observar, medir e avaliar a eficiência dos chillers, equipamento responsável
pela realização da operação unitária de resfriamento das carcaças;
c) Avaliar a influência das variáveis de processo: massa e dimensões das
carcaças, condições de operação do equipamento, velocidade da linha de
Introdução 5
abate, tempo de residência, temperatura do meio de resfriamento e agitação
do meio de resfriamento;
d) Medir e quantificar a influência da temperatura da água utilizada como meio de
resfriamento na velocidade de redução da temperatura das carcaças;
e) Medir e quantificar a influência da temperatura da água utilizada como meio de
resfriamento na velocidade e na quantidade relativa de água absorvida pelas
carcaças;
f) Medir e quantificar a influência da agitação da água utilizada como meio de
resfriamento, bem como do agente utilizado para provocar essa agitação na
velocidade de redução da temperatura das carcaças;
g) Medir e quantificar a influência da agitação da água utilizada como meio de
resfriamento, bem como do agente utilizado para provocar essa agitação na
quantidade relativa de água absorvida pelas carcaças;
h) Compreender os fenômenos de transferência de calor e de massa que
ocorrem nesta operação unitária;
i) Propor modelos matemáticos que descrevam a evolução temporal da
temperatura do centro do peito da ave e a quantidade percentual de água
absorvida pela mesma.
Revisão Bibliográfica 6
1. Revisão Bibliográfica
1.1. Abate e Resfriamento de Frangos
Apresenta-se uma breve descrição do processo da linha de abate e resfriamento
de frango.
Segundo a definição para a indústria frigorífica, dada por Sakamoto (1999), a
produção pode ser horizontalizada, quando a indústria somente processa a matéria-
prima, isto é, o frango de corte, ou apresentar-se na forma verticalizada, quando a
empresa participa desde a criação das matrizes para produção de ovos até a
industrialização do produto. Este último é o caso específico da empresa parceira deste
trabalho, a Perdigão Agroindustrial S/A.
As diversas etapas que envolvem a industrialização dos frangos são apresentadas
nas Figuras 1A, 1B e 1C, que representam um fluxograma esquemático desta indústria.
Sucintamente, as etapas que compõem este fluxo são descritas a seguir.
A 1ª etapa dentro das instalações do abatedouro acontece no galpão de espera,
onde os caminhões que transportam os frangos ficam aguardando pela disponibilidade
para prosseguirem à próxima etapa, servindo como meio de redução de estresse das
aves. Neste lugar, as aves são tratadas através de um sistema de ventiladores, que têm
por finalidade diminuir a mortalidade no transporte/espera, bem como minimizar a
desidratação. Em algumas unidades industriais são utilizados aspersores de água, para
maior “conforto” das aves.
Revisão Bibliográfica 7
Galpão de
Espera
Recepção
de Aves
Descarga
de Frangos
Galpão de
Espera
Pendura
Gaiolas
Lavagem
de Gaiolas
Insensibi-
lização
Sangria
Escaldagem
A
Depenagem
Galpão de
Espera
Recepção
de Aves
Descarga
de Frangos
Galpão de
Espera
Pendura
Gaiolas
Lavagem
de Gaiolas
Insensibi-
lização
Sangria
Escaldagem
A
Depenagem
Figura 1A: Fluxo produtivo representativo da empresa frigorífica de aves – Parte I
Revisão Bibliográfica 8
Lavagem
do Frango
Inspeção
SIF
Transpasse
(troca nórea)
Corte
pés
Linha de
pés
Extração da
Cloaca
Corte
abdominal
Corte pele
do pescoço
A
Eventração
(exposição
das víceras)
B
Lavagem
do Frango
Inspeção
SIF
Transpasse
(troca nórea)
Corte
pés
Linha de
pés
Extração da
Cloaca
Corte
abdominal
Corte pele
do pescoço
A
Eventração
(exposição
das víceras)
B
Figura 1B: Fluxo produtivo representativo da empresa frigorífica de aves – Parte II
Revisão Bibliográfica 9
Inspeção
SIF
Retirada da
cabeça
Separação
víceras
Lavagem
da carcaça
B
Linha de
miúdos
Não
comestíveis
Fábrica de
farinha
Extração da
Traquéia
Higienizição
da carcaça
PRÉ-
RESFRIAMENTO
(CHILLER)
Aproveita-
mento parcial
Linha
aproveita-
mento
parcial da
carcaça
Fim
Inspeção
SIF
Retirada da
cabeça
Separação
víceras
Lavagem
da carcaça
B
Linha de
miúdos
Não
comestíveis
Fábrica de
farinha
Extração da
Traquéia
Higienizição
da carcaça
PRÉ-
RESFRIAMENTO
(CHILLER)
Aproveita-
mento parcial
Linha
aproveita-
mento
parcial da
carcaça
Fim
Figura 1C: Fluxo produtivo representativo da empresa frigorífica de aves – Parte III
Revisão Bibliográfica 10
Seguindo para a recepção das aves, tem-se a descarga de frangos, que é a
retirada das gaiolas dos caminhões. As mesmas são colocadas próximas à “pendura”.
Esta etapa é a colocação dos frangos em nóreas, pendurados pelos pés, quando são
transportados ao interior do abatedouro para o processamento. As gaiolas seguem para
a lavagem.
Dentro do abatedouro as aves inicialmente passam pela insensibilização por
meio de descarga elétrica. Ao passarem por uma cuba preenchida com água, a primeira
parte do frango, geralmente a cabeça, que entra em contado com a água compõe o
circuito elétrico, provocando a passagem de corrente elétrica pelo animal. O objetivo é
diminuir o índice de descarte em virtude de hemorragias internas causadas por quebra
de alguma parte do corpo da ave, devido ao fato destas se debaterem ao serem
encaminhadas à sangria e após esta etapa.
Na sangria, é efetuado um corte no pescoço do frango, podendo ser de forma
mecânica ou manual. A sangria manual muitas vezes é exigência para produtos
destinados à exportação aos países árabes, seguindo assim seus conceitos religiosos.
As duas etapas subseqüentes têm por intuito remover as penas do frango. A
escaldagem é o processo no qual a ave passa imersa em um tanque com água quente
(geralmente entre 50
o
C e 70
o
C), facilitando a depenagem, etapa onde as penas são
retiradas mecanicamente, normalmente através de paletas (“dedos”) giratórias de
borracha.
A lavagem se destina a higienização das carcaças no intuito de diminuir a carga
microbiana superficial. Os agentes do Serviço de Inspeção Federal (SIF) fazem a
inspeção da carcaça. Após a sua liberação, há o corte dos pés, que são classificados
e destinados para exportação ou fábrica de farinhas.
Através do transpasse é feita a troca de nóreas, com as carcaças seguindo para
uma seqüência de operações, chamada de evisceração, que é composta pela extração
da cloaca, o corte abdominal, o corte da pele do pescoço, a eventração (exposição
das vísceras), outra inspeção sanitária realizada pelo SIF, a separação das vísceras
Revisão Bibliográfica 11
em comestíveis e não comestíveis (o coração, a moela e o fígado seguem para
industrialização enquanto as demais vísceras vão para a fábrica de farinhas), a retirada
da cabeça, a lavagem das carcaças e a extração da traquéia.
Submetida a uma higienização, as carcaças seguem, enfim, ao pré-resfriamento
no sistema de Chiller.
Ao sair do chiller, as carcaças podem ser direcionadas para a linha de frango
inteiro ou de cortes. Na linha de inteiros, as carcaças podem ser ou não acrescidas dos
miúdos e embaladas, seguindo para as câmaras de congelamento e estocagem, onde
ficam até serem expedidas aos clientes.
Carcaças destinadas para a linha de cortes passam por outras operações, até
serem embaladas como coxa, sobrecoxa, peito, asa, entre outros. Estes cortes são
congelados para posterior comercialização.
Como já citado anteriormente, este processamento não é universal, porém serve
para exemplificar o fluxo produtivo da indústria frigorífica de processamento de frangos.
1.2. O Sistema de Resfriamento das Carcaças (Chiller)
As indústrias brasileiras, quase na sua totalidade, resfriam as aves removendo o
calor em tanques de inox preenchidos com água e gelo, onde as carcaças são colocadas
e transportadas por um sistema de rosca sem fim. Este equipamento é conhecido como
“chiller”.
Geralmente são utilizados acoplados dois destes tanques de resfriamento (“pré-
chiller de lavagem” e “chiller resfriador”), porém algumas plantas industriais possuem até
três destes tanques em série. Na Figura 2 encontram-se fotos ilustrativas do
equipamento de chiller comumente utilizado.
Revisão Bibliográfica 12
Os Chillers operam com renovação constante da água de resfriamento que circula
em contra corrente ao sentido das aves, as quais são conduzidas pela rosca sem fim de
uma extremidade a outra do equipamento. Na entrada, os frangos são derrubados das
nóreas no inicio do pré-chiller. Tanto a passagem de um tanque para outro, como a saída
do frango no último estágio, ocorre através de “pás” presas à última volta da rosca.
Ao longo do equipamento existem pontos de distribuição de gelo, gerado em salas
especialmente projetadas e equipadas para isto, podendo ocorrer em um ou mais pontos
ou até estar ausente em alguns tanques. É observado em alguns equipamentos, o
encamisamento do chiller, sendo a camisa preenchida por fluidos refrigerantes como o
etileno-glicol ou a amônia.
O tamanho dos equipamentos varia de acordo com a disponibilidade de espaço
físico na planta industrial, bem como com a necessidade de resfriamento de frangos
dada pela velocidade da linha de abate.
Também pode fazer parte destes equipamentos um sistema de injeção de ar
(conhecido industrialmente como borbulhamento), composto de entradas (bico injetores)
na parte inferior do chiller, acoplados a uma linha de ar comprimido. Estes bicos
permitem a entrada do ar (que deve ser previamente tratado e seguir padrões pré-
estabelecidos pela legislação vigente), promovendo uma maior agitação da água. Isso
pode promover um aumento nas taxas de resfriamento e de absorção de água pelas
carcaças. Assim, sua utilização deve estar cercada de cuidados.
Nos Estados Unidos, também se utiliza chillers de imersão em água para
resfriamento de carcaças de aves em grande parte das indústrias. Entretanto, existem
processos alternativos, os quais utilizam o ar frio, ao invés da água, como meio de
resfriamento (são os chamados “air chillers”).
Ao final do ano de 2003 a empresa Stork Bronswerk, uma das principais empresas
mundiais do ramo de equipamentos para frigorífico de aves, instalou seu primeiro túnel
de resfriamento por corrente de ar na Baiada Poultry Limited, empresa de
processamento de aves situada no subúrbio de Pendle Hill, em Sydney, na Austrália
Revisão Bibliográfica 13
(AVICULTURA INDUSTRIAL, 2004). A Figura 3 apresenta foto dos evaporadores
colocados em posição inclinada (especialmente calculada), visando aumentar a
eficiência do resfriamento.
Este processo desenvolvido pela Stork é misto, começando com o ciclo de
resfriamento por banho de imersão, seguido por outro de corrente de ar em linha, que
leva a temperatura interna do produto até o nível desejado.
Em alguns frigoríficos brasileiros, as aves também são resfriadas em câmaras
frigoríficas, utilizando-se então do ar como meio de resfriamento. É o caso, por exemplo,
do resfriamento de perus na unidade industrial da Perdigão em Carambeí-PR. Porém,
vale ressaltar que são exemplos pontuais.
O sistema de resfriamento com ar é mais adequado do ponto de vista sanitário,
pois a água que envolve as carcaças normalmente possui uma elevada carga microbiana
proveniente da própria ave, podendo levar a uma contaminação da carne. Em contra
partida, o processo de resfriamento com água é mais rápido, mais eficiente e mais viável
economicamente. Segundo o manual da ASHRAE (2002), chillers de imersão (utilização
da água como meio de resfriamento) são mais rápidos que chillers a ar, além de
impedirem a desidratação das carcaças. Durante a imersão, ocorre absorção de água
pelas carcaças.
Revisão Bibliográfica 14
a)
b)
c)
Figura 2: Fotos ilustrativas de chillers comercializados pela empresa Frigomaq: a)
Detalhe da rosca sem fim; b) Detalhe mostrando o sistema de descarregamento das
carcaças; c) Visão global do chiller. (FRIGOMAQ, 2004).
.
Revisão Bibliográfica 15
Figura 3: Evaporadores do Air Chiller da empresa Stork Bronswerk, em ângulo
especialmente projetado.
1.3. Trabalhos Científicos Sobre Resfriamento de Carcaças de
Frango
Não foram encontrados trabalhos que tratem especificamente sobre o
resfriamento das carcaças de frango em chillers, exceção feita a uma dissertação de
Mestrado defendida, na Faculdade de Engenharia de Alimentos da Unicamp, por Neves
Filho (1978).
Este trabalho foi divido em três frentes: resfriamento, contagem microbiológica e
alteração de peso (absorção de água). Aqui irá nos importar apenas o que se refere ao
resfriamento e à absorção de água pelas carcaças.
Neves Filho (1978) estudou a relação entre a vazão de água empregada no
resfriamento, relacionando litros de água utilizados por quilograma de carcaça de frango,
com a temperatura final do centro geométrico do peito da ave. O autor indicou valores
(que melhor ajustaram-se aos seus dados) para as propriedades termofísicas da carne
de frango, dentre as apresentadas pela literatura: densidade (massa específica) de 1070
kg.m
-3
, calor específico de 3,34 kJ.kg
-1
.
o
C
-1
e condutividade térmica de 0,42 W.m
-1
.
o
C
-1
.
Revisão Bibliográfica 16
Entretanto, vale ressaltar que estes são valores que podem sofrer variações. Por
exemplo, eles são influenciados pela composição da amostra. Logo, aves de diferentes
origens genéticas ou criadas em condições distintas devem possuir composições
centesimais e características físicas diferentes, assim ocorrendo com as suas
propriedades termofísicas.
No mesmo trabalho é mostrado que para frangos de 1,2 kg, razões de 1,6 litros/kg
e 2,1 litros/kg conduziram praticamente à mesma temperatura (decréscimo de 40
o
C até
10
o
C), mas razões de 4 litros/kg tiveram uma redução maior (decréscimo de 40
o
C até
7
o
C) para um mesmo intervalo de tempo. Ainda tratando-se do resfriamento, foi
concluído no referido trabalho, sobre a importância da manutenção de menores
temperaturas da água no último estágio para obtenção de melhores resultados.
Quando se trata da absorção de água pelo frango, Neves Filho (1978) analisa a
influência do tempo de respingo (gotejamento), após o chiller, no percentual de água
absorvida pelas carcaças entre o fim da evisceração e o fim do resfriamento. Fica
demonstrado que para maiores tempos de respingo a quantidade de água que é
absorvida diminui.
1.4. Legislação para Indústria Frigorífica
Algumas normas e definições estabelecidas pelo Ministério da Agricultura e do
Abastecimento – Secretaria de Defesa Agropecuária (2004) regulamentam as condições
de operação para o processo de “pré-resfriamento” das carcaças. Estas são
sucintamente apresentadas a seguir.
É definido como pré-resfriamento o processo de abaixamento da temperatura
das carcaças de aves, imediatamente após as etapas de evisceração e lavagem,
realizado por sistema de imersão em água gelada e/ou água e gelo ou passagem por
túnel de resfriamento, obedecidos aos respectivos critérios técnicos específicos.
Revisão Bibliográfica 17
Durante o texto desta dissertação é utilizado o termo resfriamento em lugar ao
termo pré-resfriamento, porém mantendo o mesmo sentido definido para o segundo.
Ao termo carcaça entende-se pelo corpo inteiro de uma ave após insensibilização
ou não, sangria, depenagem e evisceração, onde papo, traquéia, esôfago, intestinos,
cloaca, baço, órgãos reprodutores e pulmões tenham sido removidos. É facultativa a
retirada dos rins, pés, pescoço e cabeça.
Entende-se por índice de absorção o percentual de água adquirida pelas
carcaças de aves durante o processo de abate e demais operações tecnológicas,
principalmente no sistema de pré-resfriamento por imersão, uma vez que uma pequena
absorção percentual de água ocorre durante a escaldagem, depenagem e diversas
lavagens na linha de evisceração.
O sistema de controle da absorção de água em carcaças de aves submetidas ao
pré-resfriamento por imersão deve ser eficiente e efetivo, sem margem a qualquer
prejuízo na qualidade do produto final. Os métodos oficiais para o referido controle são o
Método de Controle Interno, realizado durante o processamento industrial pela
Inspeção Federal local, e o Método do Gotejamento para controle de absorção de água
em carcaças congeladas de aves submetidas ao pré-resfriamento por imersão.
As normas citam que a quantidade de água absorvida durante o pré-resfriamento
por imersão está relacionada principalmente com a temperatura da água dos
resfriadores, tempo de permanência no sistema, tipo de corte abdominal, injeção de ar
no sistema (borbulhamento) e outros fatores menos significativos.
Dentro da indústria, na prática, a absorção (percentual de água absorvido) é
medida tomando-se a massa da ave na entrada e logo após a saída do sistema de
chillers.
A diferença positiva averiguada na massa das carcaças entre a saída e a entrada
é calculada e indicada de maneira percentual, sobre o valor da massa na entrada.
Segundo o Ministério, a quantidade de água determinada por este método exprime-se
Revisão Bibliográfica 18
em percentagem da massa total da carcaça de ave no limite máximo de 8% da sua
massa.
O Método do Gotejamento (ou “drip test”) é utilizado para determinar a quantidade
de água resultante do descongelamento de carcaças congeladas. Se a quantidade de
água resultante expressa em percentagem da massa da carcaça, com todas os
miúdos/partes comestíveis na embalagem, ultrapassar o valor limite de 6%, considera-se
que a carcaça absorveu um excesso de água durante o pré-resfriamento por imersão em
água.
Para obtenção deste percentual, a carcaça congelada (com ou sem os
miúdos/partes comestíveis) é descongelada em condições controladas, que permitam
determinar a massa de água perdida. Esta massa de água é indicada percentualmente
em relação à massa da carcaça da ave anterior ao descongelamento.
O processo de pré-resfriamento, de acordo com esta legislação, poderá ser
efetuado através de: aspersão de água gelada, imersão em água por resfriadores
contínuos tipo rosca sem fim (chiller) ou resfriamento por ar (câmaras frigoríficas).
Outros processos devem ser previamente aprovados pelo DIPOA – Departamento
de Inspeção de Produtos de Origem Animal, da Secretaria Nacional de Defesa
Agropecuária, do Ministério da Agricultura e do Abastecimento.
Especificamente para o sistema de pré-resfriamento por imersão, é definido que a
renovação de água ou água gelada dos resfriadores contínuos tipo rosca sem fim,
durante sua operação, deverá ser constante e em sentido contrário à movimentação das
carcaças (contracorrente), na proporção mínima de 1,5 litros por carcaça no primeiro
estágio (“pré-chiller de lavagem”) e 1,0 litro no último estágio (“chiller resfriador”).
A temperatura da água residente, medida nos pontos de entrada e saída das
carcaças do sistema de chillers, não deve ser superior a 16ºC e 4ºC, respectivamente, no
pré-chiller de lavagem (primeiro estágio) e último estágio do chiller resfriador,
Revisão Bibliográfica 19
observando-se o tempo máximo de permanência das carcaças no primeiro, de trinta
minutos.
Com relação às aves, a temperatura das carcaças no final do processo de pré-
resfriamento deverá ser igual ou inferior a 7ºC (temperatura esta medida, como citado
anteriormente, no centro do peito). Tolera-se a temperatura de 10ºC, para as carcaças
destinadas ao congelamento imediato. Porém, estes padrões da legislação nacional não
atendem as exigências de clientes internacionais, os quais determinam que a
temperatura do peito deve ser igual ou inferior a 4ºC ao final do chiller.
Estes importadores também podem ter, em alguns casos, parâmetros diferenciados
para a absorção de água. Por exemplo, existem clientes europeus para os quais o “drip
test” não deve apresentar valores superiores a 4% ou 5%.
1.5. Transferência de Calor no Resfriamento das Carcaças
Apresenta-se a seguir uma breve descrição dos processos térmicos sofridos pelas
carcaças de frango durante o processamento industrial.
Ao chegar ao frigorífico, os frangos, que são animais de sangue quente, possuem
sua temperatura corporal pouco abaixo de 40
o
C. Poucos minutos após o abate, as suas
carcaças já estão submetidas ao processo de escaldagem, permanecendo imersas em
água quente (entre 55
o
C e 70
o
C) pelo intervalo de cerca de um minuto.
Entre a saída da escaldagem, último momento onde o frango ganha calor de
maneira significativa, e a entrada do sistema de chiller, decorre um intervalo de tempo
inferior a 15 minutos, onde a ave irá percorrer, nas nóreas, o sistema de evisceração.
As condições de operação do tanque de escaldagem e o intervalo de tempo citado
são determinantes na temperatura no centro geométrico do músculo peitoral do frango
(temperatura de controle) na entrada do chiller. O tamanho das carcaças também
influenciam neste valor.
Revisão Bibliográfica 20
Como já vimos anteriormente, a legislação determina como parâmetro de controle
da eficiência do processo de resfriamento das carcaças, o valor da temperatura do centro
do peito.
Dentro das condições normais de trabalho de uma planta industrial de abate de
frangos, considerando as carcaças com massa entre 1500 g e 2500 g, pode-se ter como
uma boa estimativa considerar a temperatura no centro do peito, na entrada do sistema
de chiller, com valor médio de 40
o
C, com a grande maioria das aves dentro do intervalo
de 38
o
C a 42
o
C (LAURINDO, HENSE e CARCIOFI, 2003).
Quando chega ao primeiro estágio do sistema de chiller (pré-chiller), a maioria das
carcaças possuem a temperatura da superfície abaixo de 25
o
C. Mesmo sendo bem
inferior à temperatura do centro do peito, o valor é suficiente para estabelecer uma
diferença de temperatura significativa com o meio que a cerca, pois o primeiro tanque
possui a temperatura da água inferior a 16
o
C, conforme exigência da legislação. Esta
configuração estabelece a diferença de potencial necessária à transferência de calor.
O sistema caracterizado por dois diferentes meios, um sólido (carcaça de frango)
envolto por um fluido (água do tanque de imersão), com diferentes temperaturas, induz à
transferência de calor convectiva, onde o fluido em movimento irá trocar calor com a
superfície do sólido. Tal afirmação está baseada na definição de transferência de calor
por convecção (INCROPERA e DEWITT, 1998).
Quanto maior a movimentação do fluido ou maior a área de contato entre os dois
meios, mais fácil será o processo de troca de calor. A força motriz (diferença de
temperatura entre os meios) também causa aumento da transferência de calor quando
incrementado o seu valor, conforme mostrado pela Lei de Newton do Resfriamento,
Equação 1.
(
)
fs
TThAq −= (1)
Revisão Bibliográfica 21
Nela pode-se observar que a taxa de transferência de calor ( ) é diretamente
proporcional à área de troca térmica (
q
A
), à diferença entre a temperatura do fluido ( ) e
a temperatura da superfície ( ) e ao coeficiente de transferência de calor convectivo
(
h
).
f
T
s
T
Este último é uma constante de proporcionalidade dependente das condições da
camada limite hidrodinâmica, as quais, por sua vez, são influenciadas pela geometria do
sistema, pelo escoamento do fluido e pelas propriedades termodinâmicas e de transporte
do fluido.
Enquanto imersas no pré-chiller, as carcaças de frango irão perder calor por
convecção para o meio, porém a taxa de transferência de calor torna-se cada vez menor,
tendendo a zero, devido à redução da temperatura da superfície da ave e, por
conseguinte, diminuição da diferença de temperatura, também tendendo a zero. Assim,
as carcaças devem ser passadas ao tanque seguinte, onde, pela legislação e para
garantir a continuidade do processo de resfriamento, a temperatura da água deve ser,
obrigatoriamente, inferior àquela do tanque anterior.
Para que a energia possa ser removida do interior das carcaças, o calor deve
“atravessar” a carne do peito e a pele que recobre a superfície das mesmas, para então
ser retirado pelo mecanismo convectivo.
Assim, deve-se analisar também a transferência de calor por condução que ocorre
no interior do peito das carcaças.
Existindo um gradiente de temperatura em um meio qualquer, dar-se-á a
condução de calor no sentido da maior para a menor temperatura. Este fluxo de calor é
dado pela Lei de Fourier (INCROPERA e DEWITT, 1998), Equação 2.
n
T
kq
∂
∂
−="
(2)
Revisão Bibliográfica 22
Nesta equação, o fluxo de calor é dado por , representa a temperatura,
enquanto é a direção normal à superfície isotérmica e, por fim, representa a
constante de proporcionalidade conhecida como condutividade térmica, a qual é
propriedade do material, sofrendo influência da temperatura na qual o mesmo se
encontra.
"q
T
n
k
Um estudo completo do resfriamento de carcaças de frango só é possível quando
analisados estes dois fenômenos (condução e convecção de calor) conjuntamente.
Particularmente, pode ser coerente a consideração de apenas um destes
fenômenos, desprezando-se o outro. Tal consideração pode ser embasada em uma
análise de ordem de grandeza das resistências à transferência de calor por condução e
por convecção.
Em casos onde a espessura do sólido é muito pequena ou a sua condutividade
térmica é muito elevada, o gradiente de temperatura no interior do sólido torna-se muito
pequeno. Se, acoplado a isto, existe um baixo coeficiente de transferência de calor
convectivo, passa-se a ter como “gargalo” a transferência de calor por convecção. Neste
caso, pode ser dito que a resistência à transferência de calor encontra-se quase que
totalmente na etapa convectiva do processo.
O inverso também pode ocorrer, em casos onde o meio está bem agitado e
valores elevados do coeficiente de transferência de calor convectivo são notados. E se,
na parte interna do sólido, a condutividade térmica é muito baixa ou a espessura deste
muito grande, os gradientes de temperatura estabelecidos são acentuados. Estas duas
condições somadas caracterizam uma maior resistência à transferência de calor por
condução, permitindo desprezar a contribuição da resistência convectiva.
Uma maneira de sistematizar esta comparação entre as resistências e tornar esta
análise não subjetiva, é recorrer à utilização do número de Biot (Bi).
Este número adimensional faz a comparação entre a resistência interna
(condutiva) e a externa (convectiva). O numero de Biot fornece uma medida da relação
Revisão Bibliográfica 23
entre a queda de temperatura ao longo do sólido e a diferença das temperaturas entre
sua superfície e do fluido. Este também pode ser interpretado como uma razão entre
resistências térmicas. Sendo dado pela Equação 3.
k
hL
hA
kAL
R
R
Bi
cc
conv
cond
==≡
1
(3)
Quando a resistência condutiva é muito maior que a resistência convectiva, Bi é
muito maior que 1 ( ). Casos onde o gradiente interno ao sólido é mínimo e a
resistência convectiva é predominante, Bi é fracionário, muito menor que 1 (
1>>Bi
1
<
<Bi ). Nos
casos onde Bi é próximo à unidade, nenhuma das duas resistências deve ser
desprezada.
Nas análises do resfriamento das carcaças, será importante determinar-se a
relatividade entre as duas resistências térmicas.
A resistência condutiva no tecido animal normalmente é grande, pois as carnes
possuem baixas condutividades térmicas (SINGH e HELDMAN, 1993). Obviamente, não
se pode alterar a espessura do peito de frango e nem mesmo as suas propriedades
termofísicas. Entretanto, a resistência convectiva pode ser modificada, alterando-se a
agitação do meio de resfriamento, de modo a se aumentar o coeficiente de transferência
de calor convectivo (
h
). Deste modo, eleva-se o número de Biot.
1.6. Transferência de Massa (Absorção de Água pelas Carcaças)
É sabido que as carcaças de frango absorvem água quando imersas no chiller.
Porém, no ambiente industrial, muitas são as dúvidas com relação a como este ganho de
massa ocorre, e quais são os fatores que realmente o influenciam. Em geral, é
Revisão Bibliográfica 24
observada a influência da temperatura da água e da agitação do meio (por injeção de ar,
por exemplo).
A legislação é clara quando regulamenta a absorção de água, impondo limites que
visam defender os interesses dos consumidores. Ela se manifesta exigindo dois tipos de
controle: o percentual de água absorvido no chiller e o “drip test”, apresentados
anteriormente.
Diferentemente da transferência de calor, onde o interesse é voltado para o
controle da temperatura do centro do músculo peitoral, na transferência de massa busca-
se controlar a quantidade total de água absorvida, não importando a maneira como ela
se distribui internamente nas carcaças. Em outras palavras, negligencia-se a existência
de gradientes de concentração de água nas carcaças.
Pode-se considerar toda a superfície do frango como uma fronteira, a qual a água
deverá transpor para passar a fazer parte da massa de água absorvida pelas carcaças.
O esquema simplificado, apresentado na Figura 4, ilustra o problema.
Não foram encontrados trabalhos na literatura tratando da dinâmica de absorção
de água pelas carcaças durante o resfriamento por imersão.
Revisão Bibliográfica 25
Fronteira do volume
de controle
Água
Fronteira do volume
de controle
Água
Figura 4: Passagem da água através do volume de controle, agregando massa ao
frango.
Matérias e Métodos 26
2. Materiais e Métodos
A obtenção de dados de resfriamento de carcaças de frango foi realizada
diretamente nas unidades industriais (chillers industriais) e em unidades piloto (chiller
piloto) especialmente montadas para este objetivo. Estas unidades piloto permitiram a
realização de ensaios que não poderiam ser efetuados nos chillers industriais. Os dois
sistemas são descritos a seguir.
2.1. Estudo em Chiller Industrial
O primeiro passo dentro da execução deste trabalho foi a averiguação dos Chillers
Industriais junto às unidades fabris. Durante o intervalo de seis meses realizaram-se
viagens a todas as unidades do grupo Perdigão, responsáveis pelo abate de aves: Marau
e Serafina Corrêa no Rio Grande do Sul, Videira e Capinzal em Santa Catarina,
Carambeí no Paraná e Rio Verde em Goiás.
Em cada unidade, os sistemas de resfriamento de carcaças de frango (chillers)
foram visitados e analisados, através de observações e entrevistas com os funcionários
da empresa.
Em algumas unidades, realizaram-se medições da temperatura do centro do
músculo peitoral e da massa percentual de água absorvida pelas carcaças. As medidas
foram tomadas na saída e em vários pontos ao longo dos chillers.
Matérias e Métodos 27
Os termômetros usados foram do tipo espeto (marca TESTO, modelo 106 – T1),
de resolução ±0,1
o
C e as balanças digitais tinham a precisão de ±1g, os quais são
rotineiramente utilizados para os controles realizados pela indústria. As calibrações e
aferições foram feitas pelo setor responsável dentro da unidade industrial.
Neste primeiro contato buscou-se diagnosticar o processo existente com relação à
temperatura da água no pré-chiller e no chiller resfriador, a temperatura média de
entrada das carcaças, assim como a evolução da temperatura ao longo do chiller. A
absorção média de água pelas carcaças e o tempo médio de residência destas no chiller
também foram avaliados.
O tempo de retenção dentro do chiller foi avaliado marcando-se algumas carcaças
com lacres coloridos cronometrando-se o movimento das mesmas no interior dos chillers.
Além das medições realizadas e das informações recolhidas através dos
funcionários, foi feita uma análise e uma discussão sobre a operação unitária e o
equipamento utilizado.
Pôde-se avaliar, através destas observações, o caminho percorrido pelas carcaças
de frango ao longo do equipamento, a distribuição destas dentro do equipamento, os
caminhos percorridos pela água de resfriamento, a distribuição de gelo ao longo do
chiller, a agitação do meio de resfriamento e o tempo de retenção das carcaças.
2.2. Estudo em Chiller Piloto
Durante a evolução dos trabalhos surgiu a necessidade da realização de
experimentos específicos, necessários à compreensão dos aspectos associados com os
fenômenos de resfriamento e de absorção de água pelas carcaças.
Foram construídos dois tanques piloto onde se realizaram os testes. Os tanques
piloto (ou chillers piloto) foram montados na unidade industrial da Perdigão localizada na
cidade de Capinzal-SC.
Matérias e Métodos 28
Em Capinzal-SC, a unidade está equipada com três linhas de chillers (Linha 1,
Linha 2 e Linha 3). A Linha 3 é composta por dois estágios (pré-chiller e chiller) e
normalmente é destinada às aves de maior massa. As Linhas 1 e 2 possuem três
estágios (pré-chiller 1, pré-chiller 2 e chiller). As carcaças que serviram como amostras
para os teste foram retiradas diretamente da Linha 1.
Para melhor diferenciação, os tanques piloto são denominados como Tanque A e
Tanque B.
Tanque A
Construído pela equipe da manutenção da Perdigão, este tanque de aço inox,
com dimensões 1000 x 915 x 540 mm (largura x comprimento x largura) aparece
esquematizado na Figura 5. Utilizou-se um volume de aproximadamente 500 litros para
minimizar as variações na temperatura da água, que poderiam ser causadas pela
entrada das carcaças no sistema. Este volume conferia ao sistema a inércia térmica
necessária.
Adaptações feitas no tanque permitiram que se fizesse a recirculação da água e a
injeção de ar no mesmo. A recirculação da água foi obtida através de uma bomba
centrífuga (marca WEG, potencia nominal 3CV). Uma válvula tipo globo, acoplada a
tubulação da bomba, permitiu a regulagem da vazão e um hidrômetro serviu para a
medição e controle da vazão. Este hidrômetro tinha especificações indicando como
capacidade nominal até 5 m
3
/h e vazão mínima de 0,100 m
3
/h.
O sistema de injeção de ar consistia em entradas distribuídas na parte inferior do
tanque, todas elas ligadas ao sistema de ar comprimido da fábrica. Para regulagem da
vazão existia uma válvula tipo globo, mas não se dispunha de rotâmetro ou outro sistema
para medida da vazão de ar empregada. Assim, os ensaios foram realizados com duas
diferentes vazões de ar: uma em vazão intermediária e outra na vazão máxima
(controladas através da abertura da válvula).
Matérias e Métodos 29
O fornecimento de água foi obtido através de duas tubulações disponíveis. A
primeira trazia água gelada gerada dentro da unidade para o abastecimento do chiller.
Em geral, sua temperatura estava em torno de 1
o
C, podendo apresentar pequenas
variações durante a operação. Na outra tubulação, fluía água utilizada para limpeza e
higienização da fábrica, sendo esta aquecida e apresentava valores em torno de 32
o
C.
Figura 5: Representação esquemática do Tanque A. Tanque piloto usado nos ensaios de
resfriamento das carcaças de frango.
Durante a realização dos ensaios a água era ininterruptamente adicionada ao
tanque. O seu nível foi controlado por uma válvula tipo globo, localizada na parte inferior
do tanque, e por uma abertura na parte superior, que atuava como “ladrão”.
Os experimentos foram realizados para investigar o comportamento das carcaças
de frango quando submetidas a duas diferentes temperaturas de operação. As
temperaturas escolhidas foram 1
o
C e 15
o
C, no intuito de se obter o comportamento para
condições próximas ao chiller (último estágio) e ao pré-chiller (primeiro estágio) industrial.
Aceitaram-se variações de até ±1
o
C nos valores da temperatura do meio de resfriamento
em relação ao valor objetivado.
Matérias e Métodos 30
Em geral, o primeiro estágio da etapa de resfriamento das carcaças tem a água
mantida entre 12
o
C e 15
o
C, sendo que a legislação estabelece como limite superior de
operação a temperatura de 16
o
C para este estágio. Por isto, a temperatura de 15
o
C foi
considerada adequada para realização dos testes, mantendo-se próximo ao valor
extremo.
É estabelecido pela legislação que o último estágio deve ter a temperatura da
água inferior à 4
o
C. Na prática, os chillers operam este estágio em temperaturas entre
0
o
C e 1
o
C, obtidas com a adição de gelo ao tanque de imersão.
No início dos ensaios abriam-se as válvulas de acordo com a temperatura
desejada. Para obtenção da temperatura de 15
o
C as vazões de água de cada tubulação
eram reguladas manualmente.
Medições da temperatura da água com um termômetro digital (marca TESTO,
resolução ±0,1
o
C, modelo 106 – T1) foram realizadas continuamente no tanque piloto,
para fixação das vazões de água. Os testes só eram iniciados após o tanque estar
completamente preenchido e a temperatura estabilizada no valor pré-determinado.
As vazões e as temperaturas dentro das tubulações de fornecimento de água
podiam sofrer pequenas variações ao longo do experimento. Assim, medições do valor
da temperatura da água dentro do tanque eram realizadas constantemente no intuito de
estabelecer-se um controle. As medições foram feitas utilizando-se o mesmo termômetro
digital TESTO, acima citado. A correção desta temperatura, sempre que necessário foi
realizada pelo ajuste das vazões de fornecimento de água.
Um suporte metálico, com capacidade para quinze carcaças, permitiu que as
aves, penduradas pela extremidade inferior da coxa permanecessem imersas em água
sem que houvesse o contato direto com o tanque e nem mantivessem contato entre si.
Com isto, toda a superfície delas permaneceu “livre” e em contato com a água durante o
experimento.
Matérias e Métodos 31
Tanque B
Também concebido em aço inox, o Tanque B era cilíndrico, com altura de
1645mm e diâmetro de 535mm.
Duas hastes metálicas idênticas, com três ganchos adaptados em alturas
diferentes em cada uma delas, serviram para colocar as carcaças imersas na água.
Estas foram penduradas pela extremidade inferior da coxa, sendo tomado o cuidado para
que estas não entrassem em contato com as paredes ou fundo do tanque e nem entre si.
Em cada haste, os ganchos tinham três posições em relação à superfície do
tanque: 180mm (nível 1), 845mm (nível 2) e 1470mm (nível 3).
Nos testes realizados neste segundo tanque não foi realizada a agitação do meio.
A água utilizada também foi adicionada e controlada da mesma maneira descrita para o
Tanque A.
2.2.1. Determinação da Quantidade de Água Absorvida pelas Carcaças
Os experimentos realizados no Tanque A permitiram acompanhar a evolução do
percentual de água absorvido pelo frango ao longo do tempo. As condições de operação
foram estabelecidas utilizando-se as seguintes condições:
Temperatura da água:
- T = 1
o
C;
- T = 15
o
C.
Agitação do tanque:
- Sem agitação forçada (sem recirculação de água ou injeção de ar);
Matérias e Métodos 32
- Agitação através da recirculação da água;
- Agitação por borbulhamento (injeção de ar), em vazão intermediária.
Foram analisadas todas as combinações possíveis de temperatura da água e
agitação do meio, resultando em seis condições diferentes de operação: 1
o
C/sem
agitação, 1
o
C/agitação com bomba, 1
o
C/agitação com ar, 15
o
C/sem agitação,
15
o
C/agitação com bomba, 15
o
C/agitação com ar.
Para uma melhor simulação das condições reais, as amostras utilizadas eram
retiradas diretamente da linha de produção. Para facilitar e garantir as melhores
condições para as amostras, o tanque piloto foi instalado ao lado do chiller industrial da
unidade fabril da Perdigão em Capinzal-SC.
Os frangos eram coletados exatamente no momento anterior à entrada dos
mesmos no pré-chiller de lavagem, mantendo assim as condições do processo industrial.
No momento de sua coleta, as carcaças eram avaliadas quanto à ausência de rasgos ou
ferimentos na pele superficial, pois estes causam interferências na absorção de água.
Não eram coletadas aves cujo pescoço não havia sido retirado ou que apresentassem
outra particularidade que pudesse interferir nos resultados. Nessa pré-seleção visual
também se procurou restringir a faixa de peso das aves.
Depois de selecionadas, as carcaças seguiam o mais rapidamente possível para
dentro do tanque piloto. As vísceras presentes na cavidade interna das carcaças eram
retiradas manualmente, pois estes miúdos podem se desprender durante a imersão das
carcaças no chiller piloto, causando erros consideráveis na medição das massas.
As medidas das massas das carcaças foram realizadas através de uma balança
da marca Toledo do Brasil - modelo: 2096-H/1, com precisão de +1g, fornecida pela
empresa, sendo esta calibrada e aferida conforme estipulado pela legislação. Todas as
carcaças eram pesadas e identificadas individualmente.
Através do suporte anteriormente citado, colocavam-se as carcaças em contato
com a água de resfriamento. Neste instante o cronômetro era acionado e as carcaças
Matérias e Métodos 33
permaneciam submersas durante um intervalo de tempo pré-determinado. Ao fim deste
intervalo, as carcaças eram retiradas e mantidas suspensas a partir da extremidade
inferior da coxa para que o excesso de água pudesse escorrer, permanecendo
suspensas por dois minutos, antes da pesagem. Após a retirada do tanque e pesagem
as amostras não retornavam a este, sendo encaminhadas para a fabrica de farinha.
Os intervalos de tempo de imersão das carcaças foram estabelecidos para
acompanhar a evolução temporal da quantidade de água absorvida.
No início do experimento, uma amostra foi retirada e analisada a cada dois
minutos, até o décimo segundo minuto. Uma amostra foi retirada no trigésimo minuto e
as próximas foram obtidas a cada quinze minutos até o sexagésimo minuto. Assim,
obtiveram-se as absorções de água nos tempos: 2, 4, 6, 8, 10, 12, 30, 45 e 60 minutos
de imersão.
Como se espera que grande parcela da água absorvida se dê nos primeiros
instantes, as medidas no início foram em intervalos menores, possibilitando o
acompanhamento da evolução da absorção de água logo após a imersão.
Durante os ensaios 15 frangos foram pesados em cada intervalo de tempo de
imersão, para cada uma das seis condições de operação.
2.2.1.1. Modelos Matemáticos para Absorção de Água pelas Carcaças
Durante o Resfriamento
Dois modelos matemáticos foram desenvolvidos para descrever a evolução da
massa de água absorvida pelas carcaças ao longo do tempo, denominados Modelo I e
Modelo II.
Desenvolvimento do Modelo I
Matérias e Métodos 34
Efetuando um balanço de massa na carcaça de frango, tem-se:
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
=
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
carcaça da fronteira da através
água da entrada de Taxa
carcaça da água de
massa da variaçãode Taxa
(4)
Considerado que:
tempo;
=t
início do processo (momento de imersão das carcaças em água);
=
0
t
massa da carcaça em um dado instante
=m
=
0
m
massa da carcaça imediatamente antes de iniciar a absorção de água
(antes da imersão),
0
tt
=
;
massa de água absorvida pela carcaça após um intervalo de tempo
( ).
=
A
m
t
0
mmm
A
−=
Pode-se definir a fração mássica (
W
) de água absorvida em relação à massa
inicial do frango pela Equação 5:
0
m
m
W
A
=
(5)
Matérias e Métodos 35
Em , o valor atribuído a
W
é zero, pois considera-se que no início do processo
as carcaças ainda não absorveram água. Sabe-se, no entanto, que o frango é constituído
em grande parte por água. Além disto, existe uma certa quantidade de água absorvida
pelas carcaças nas etapas anteriores ao resfriamento, mas somente a água absorvida no
chiller será avaliada.
0
t
A Equação 6 pode ser escrita como:
jA
dt
d
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
água de
massa
(6)
onde é o fluxo de água que passa pela fronteira da carcaça (volume de controle) de
área
j
A
.
O fluxo pode ser descrito como o produto entre uma diferença de potencial para
a transferência de água (força motriz para a passagem de água para a região interna do
frango) e uma constante de proporcionalidade (coeficiente de transferência de massa,
). A definição deste potencial pode ser tomada de diferentes maneiras, desde que,
uma vez definida, seja considerada em todo o restante da análise. Assim,
j
m
K
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
potencial
de diferença
m
Kj
(7)
Como diferença de potencial para a transferência de água é utilizada a diferença
entre a quantidade máxima de água que pode ser absorvida ( ) e a quantidade total
de água absorvida ( ) em um dado instante. Assim, pode-se descrever o fluxo de água
para o interior da carcaça pela Equação 8.
Am
m
A
m
Matérias e Métodos 36
[
AAmm
mmKj −=
]
(8)
A massa de água ( ) que aparece na Equação 8 poderá ser considerada como
a massa total absorvida desde , considerando-se que inicialmente a massa absorvida é
igual a zero. Substituindo a Equação 8 na Equação 6 vem que:
A
m
0
t
[
AAmm
A
mmAK
dt
dm
−=
]
(9)
Dividindo a Equação 9 por obtém-se a Equação 10.
0
m
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
00
0
m
m
m
m
AK
dt
m
m
d
A
Am
m
A
(10)
Pela definição dada na Equação 5 e definindo na Equação 11 o valor máximo da
fração mássica de água absorvida pela carcaça ( ), obtém-se a Equação 12.
m
W
0
m
m
W
Am
m
=
(11)
Matérias e Métodos 37
[
WWAK
dt
dW
mm
−=
]
(12)
A legislação e as industrias utilizam como índice de controle para a quantidade de
água absorvida o valor percentual. A conversão de fração mássica para percentual de
água absorvido é simples e direto, conforme mostrado na Equação 13:
100×= WP
(13)
A área superficial das carcaças (área de absorção de água) é de difícil
determinação, pois este não possui uma geometria bem definida e que pode variar de
uma amostra para outra. Assim, uma alternativa é embutir o valor da área (
A
) no valor
do coeficiente de transferência de massa ( ), obtendo-se um novo parâmetro,
denominado aqui de segundo coeficiente de transferência de massa, . Este novo
parâmetro terá como unidade o inverso do tempo (min
m
K
'
m
K
-1
). A Equação 14 explicita .
'
m
K
AKK
mm
=
'
(14)
Assim, chega-se a uma equação simples para a análise da cinética de absorção
de água pelas carcaças durante o resfriamento em chiller por imersão.
Matérias e Métodos 38
[
WWK
dt
dW
mm
−=
'
]
(15)
Em termos de porcentagem de massa absorvida, tomando como o percentual
máximo que pode ser absorvido pelo frango, escreve-se
m
P
[
PPK
dt
dP
mm
−=
'
]
(16)
Se o valor de depender somente das condições térmicas convectivas da água
em contato com a superfície das carcaças (grau de agitação e temperatura da água) e da
área superficial das mesmas, pode-se ter constante com o tempo.
'
m
K
'
m
K
Tomando-se o valor máximo de absorção ( ) como constante e rearranjando a
Equação 15 tem-se que:
m
W
()
dtK
WW
dW
m
m
'
=
−
(17)
Integrando-se a Equação 17 no intervalo de tempo [ -
t
], desde até o valor
de , vem que:
0
t
()
0
tW
()
tW
Matérias e Métodos 39
()
()
tK
tWW
tWW
m
m
m
'
0
ln =
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
(18)
Como definido anteriormente
(
)
0
tW
é nulo, resultando na Equação 19.
()
tK
tWW
W
m
m
m
'
ln =
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
(19)
O valor de
W
em função do tempo, para um dado valor de , é dado pela
Equação 20.
'
m
K
(
)
tK
m
m
eWW
'
1
.
−
−=
(20)
Em termos de percentual de absorção,
(
)
tK
m
m
ePP
'
1
.
−
−=
(21)
O valor máximo da fração mássica de água absorvida pelas carcaças foi
determinado a partir de um experimento específico. Dez carcaças foram imersas em
água por 24 horas para a determinação dos percentuais de massa absorvidos, os quais
Matérias e Métodos 40
variaram de 8% a 12%. Assim, assumiu-se o valor de 10% (0,1 g
água
g
-1
frango
) como esse
valor máximo. O uso de um valor diferente para (ou ) não altera conceitualmente o
modelo proposto.
m
W
m
P
O único parâmetro a ser determinado nesta equação é o valor do segundo
coeficiente de transferência de massa ( ). O conhecimento deste coeficiente nos
permite predizer a evolução de
W
com o tempo.
'
m
K
Desenvolvimento do Modelo II
O segundo modelo matemático foi desenvolvido a partir do primeiro. O segundo
coeficiente de transferência de massa ( ) foi redefinido como sendo dependente da
quantidade de água absorvida (
W
). Considerou-se que o coeficiente de transferência de
massa efetivo diminui com o próprio processo de absorção de água pelas carcaças.
Assim ele teria a forma representada pela Equação 22, onde e
'
m
K
"
m
K
β
são constantes.
(22)
W
mm
eK K
β
"'
=
Este terceiro coeficiente de transferência de massa ( ) tem a mesma dimensão
de (min
"
m
K
'
m
K
-1
) e o parâmetro
β
tem dimensão g
frango
g
-1
água
.
Substituindo a Equação 22 na Equação 15 vem que:
[
WWeK
dt
dW
m
W
m
−=
β
"
]
(23)
Matérias e Métodos 41
A solução analítica desta equação pode ser aproximada por uma solução através
de séries (SPIEGEL, 1968). Nesta solução, entretanto, obtém-se uma equação
transcendental (em termos da série) na qual não é possível explicitar-se o termo
W
.
Além disto, é ainda necessário avaliar-se os limites de convergência da solução (raio de
convergência da série). A solução está mostrada na Equação 24.
()
(
)
tKe
ii
WWW
W
WW
m
W
i
i
m
i
i
m
i
m
m
m
''
1
!
ln
β
ββ
−=
−−
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
∑
∞
=
(24)
Assim, a resolução desta equação diferencial ordinária (Equação 23) foi obtida
numericamente pelo método de Runge-Kutta de 4ª ordem. (GOMES-RUGGIERO e
LOPES, 1996).
O programa computacional para a resolução numérica da Equação 23 foi
elaborado utilizando-se a linguagem Delphi 7.0
®
. Este possibilitou a determinação dos
valores para os parâmetros e
"
m
K
β
que ajustaram adequadamente os dados
experimentais de absorção de água em função do tempo. Um diagrama de blocos
esquemático deste programa encontra-se no Apêndice A.
Numericamente, os melhores valores dos parâmetros foram aqueles que
obtiveram o menor valor para o somatório dos resíduos de todos os pontos de uma
determinada condição experimental. O resíduo para cada ponto experimental foi
calculado conforme a Equação 25.
alexperimentvalor ntenumericame estimadovalor r −=esíduo
(25)
Matérias e Métodos 42
2.2.2. Influência do Nível de Agitação na Absorção de Água pelas Carcaças
Para análise da influência do nível de agitação promovido na fase líquida sobre a
absorção de água pelas carcaças, realizaram-se medidas em quatro condições de
operação.
A agitação foi provocada pela injeção de ar, em duas intensidades. A vazão
intermediária foi aquela na qual se realizou a maior parte dos experimentos de absorção
de água durante o resfriamento. A outra condição de agitação foi aquela obtida com a
válvula de regulagem de entrada de água totalmente aberta, permitindo a vazão máxima.
As condições de operação utilizadas seguem descritas a seguir:
- Injeção de ar com máxima vazão, a 15
o
C;
- Injeção de ar com vazão intermediária, a 15
o
C;
- Injeção de ar com vazão intermediária, a 1
o
C;
- Sem agitação, a 15
o
C.
Utilizando-se o Tanque A, os procedimentos de medida da massa absorvida foram
idênticos aos descritos no item 2.2.1.
Para avaliar a influência da agitação na absorção de água pelas carcaças foram
realizadas medidas em dois intervalos de tempo de imersão: 15 e 30 minutos. Em cada
condição de operação, para cada tempo de imersão, foram coletadas medidas de massa
de vinte carcaças, individualmente.
2.2.3. Influência da Pressão Hidrostática na Absorção de Água pelas
Carcaças
O Tanque B, descrito anteriormente, foi utilizado para a verificação da influência
da pressão hidrostática sobre o percentual de água absorvido pelas carcaças.
Matérias e Métodos 43
Estes testes de absorção de água pelas carcaças seguiram os mesmos
procedimentos descritos no item 2.2.1. Os pesos antes da imersão e após a retirada de
dentro do tanque foram tomados com a balança fornecida pela Perdigão (marca Toledo
do Brasil - modelo: 2096-H/1, com precisão de +1g). As carcaças foram mantidas
penduradas nos ganchos presos às duas hastes que compõe o Tanque B.
No controle da temperatura da água, o mesmo sistema foi utilizado, contando com
duas fontes de alimentação, a 1
o
C e 32
o
C aproximadamente. Porém, neste experimento,
a temperatura do meio foi fixada em uma única condição, a 15
o
C.
As carcaças foram submetidas a três pressões hidrostáticas diferentes, ou seja,
180mm (nível 1), 845mm (nível 2) e 1470mm (nível 3). As medidas referem-se às
distâncias das carcaças submersas até a superfície da água.
2.2.4. Determinação da Evolução da Temperatura Durante o Resfriamento
das Carcaças
Para determinação da evolução temporal da temperatura do centro do músculo
peitoral das carcaças de frango, foram conduzidos experimentos no chiller piloto
denominado de Tanque A.
Como no procedimento descrito para avaliação da absorção de água, foram
analisadas todas as seis combinações possíveis de temperatura da água e agitação do
meio: 1
o
C/sem agitação, 1
o
C/agitação com bomba, 1
o
C/agitação com ar, 15
o
C/sem
agitação, 15
o
C/agitação com bomba, 15
o
C/agitação com ar. Foi utilizada, para promover
a agitação do meio, a vazão de ar fornecida pela válvula aberta na posição intermediária.
Uma nova variação nas condições de operação foi realizada neste teste. O
processo de resfriamento utilizando agitação com ar a 1
o
C foi repetido alterando-se o
intervalo de tempo em que o sistema de injeção de ar esteve ligado.
Matérias e Métodos 44
Assim, três novas condições de operação foram estabelecidas: 83,33% do tempo
do experimento (50 minutos) com válvula de ar aberta na posição intermediária; 66,67%
do tempo do experimento (40 minutos) com a válvula de ar aberta na posição
intermediária e 50% do tempo do experimento (30 minutos) com válvula de ar aberta na
posição intermediária. Manteve-se no restante do tempo as válvulas totalmente
fechadas.
Em todos os testes, inicialmente a válvula encontrava-se aberta, sendo
interrompido o fornecimento de ar na etapa final do experimento.
As carcaças utilizadas foram obtidas do mesmo modo realizado para os testes
anteriores.
Através do suporte adaptado ao chiller piloto, as aves foram imersas em água,
penduradas pela extremidade inferior da coxa, sem que houvesse o contato direto com o
tanque e nem mantivessem contato entre si. Com isto, toda a superfície delas
permaneceu em contato com a água, durante o experimento.
A evolução temporal da temperatura foi obtida através de um sistema de medição
e registro automático de dados. O coletor de dados (modelo Multipaq – TP0010)
trabalhou acoplado a um microcomputador IBM ThinkPad (Pentium MMX – 16 MB RAM),
onde se encontrava instalado o software “MultiTracker para Windows
TM
” (versão 4.10 –
Copyright DATAPAQ) que serviu para conversão dos sinais dos sensores em valores de
temperatura.
Antes da retirada das carcaças da linha de produção, o coletor era programado
para realizar a nova corrida. O intervalo entre cada leitura foi de 10 segundos e os testes
tiveram 60 minutos de duração.
O coletor de dados possui a faixa de medida entre - 190°C e 400°C. Com
capacidade de memória para 16000 dados, sua resolução é de 0,1°C e a precisão 0,5°C.
Este coletor dispõe de oito canais e oito sensores de temperatura tipo espeto.
Matérias e Métodos 45
Em cada amostra foram inseridos dois sensores tipo espeto. O primeiro no centro
do músculo peitoral, o outro permaneceu na parte superficial do peito, logo abaixo da
pele que recobre o mesmo. Um dos sensores foi usado para medir a temperatura da
água do tanque durante todo o experimento. Assim, ao término dos experimentos os
dados eram adquiridos no microcomputador com o software Multi Tracker.
Resultados e Discussão 46
3. Resultados e Discussão
3.1. Resultados Obtidos no Chiller Industrial
As seis unidades de abate de aves visitadas durante a realização deste trabalho
possuem características peculiares, mas os aspectos aqui discutidos são comuns a
todas as unidades e são resultados das observações efetuadas.
Quando imersas na água do chiller as carcaças submergem com tendência de se
aglomerarem no fundo do tanque. A rosca sem fim funciona continuamente, girando em
um único sentido ao longo de todo o equipamento. Este movimento da rosca provoca o
atrito das carcaças com a mesma. Ao atritarem-se, as carcaças são conduzidas pela
rosca em direção a um dos lados do equipamento, formando um grande bloco. Esta
aglomeração não se desfaz, sendo as carcaças conduzidas nesta forma até a última
volta da rosca, aonde as pás irão removê-las de dentro do equipamento.
A formação desses blocos (aglomeração de carcaças) cria barreiras à circulação
da água e também diminui a área livre de contato da superfície das carcaças com a
mesma. Considerando o que foi anteriormente discutido com relação à transferência do
calor das aves para o meio de resfriamento, estes dois aspectos operacionais
prejudicam a eficiência e a homogeneidade da transferência de calor entre carcaças e a
água.
A pouca mobilidade das carcaças ao percorrerem o equipamento (chiller) também
causa influência na absorção de água pelas mesmas. Além da redução da área de
contato e da dificuldade de circulação da água, a permanência das carcaças em
Resultados e Discussão 47
diferentes profundidades promove diferenças no percentual de água absorvido por elas.
Assim, uma carcaça que permanece grande parte do tempo na parte inferior do bloco
terá um percentual de água absorvida potencialmente inferior quando comparada à outra
carcaça, que esteve na maior parte do tempo em uma profundidade menor. Esta
influência da profundidade, e por conseqüência da pressão exercida pela coluna de
água, será mais bem discutida em um item específico apresentado adiante.
A água de resfriamento é sempre alimentada em contra-corrente ao sentido de
movimentação das carcaças pela rosca sem fim. A formação dos blocos de carcaças no
fundo do equipamento, somada à obstrução causada pela própria rosca sem fim, leva a
água a um caminho preferencial. Pôde-se claramente observar este caminho no
equipamento. Em um dos lados, rente à parede do chiller, a velocidade do escoamento é
visivelmente maior se comparada ao seio do mesmo. A criação deste caminho implica na
formação de uma zona de estagnação para o escoamento de água fria no bloco de
carcaças, diminuindo a eficiência do processo de resfriamento.
Assim, conclui-se que a formação da zona de estagnação está associada ao
sistema de transporte das carcaças. A rosca sem fim cobre grande parte da área
perpendicular à direção de escoamento da água de resfriamento. Como essa rosca não
possui aberturas na sua superfície que permitam a passagem da água (as roscas não
são perfuradas), o escoamento fica restrito à região periférica do equipamento. A Figura
6 ilustra o que foi discutido acima através da esquematização da vista superior do chiller.
Ao longo dos tanques de resfriamento (chiller) existem pontos de alimentação de
gelo. É comum observar-se gelo saindo junto às carcaças no final do equipamento. O
gelo, com menor massa específica que a água, permanece na parte superior do chiller
formando uma camada que recobre a superfície do meio de resfriamento. A baixa
agitação deste meio não facilita que todo o gelo se misture à água e seja fundido.
Um outro fator que dificulta uma maior eficiência do processo é a irregularidade da
matéria-prima com relação à massa e às dimensões das carcaças. As aves abatidas
pelos frigoríficos são originárias de várias granjas, possuem sexos diferentes e assim,
Resultados e Discussão 48
apresentam diferenças genéticas e de ambiente. Embora exista um grande esforço para
minimizar a variabilidade no tamanho das carcaças, em um mesmo turno podem ocorrer
muitas mudanças de lote, acarretando variações importantes na massa média das
mesmas. Além disto, em um mesmo lote, as carcaças podem apresentar consideráveis
desvios de massa em relação à média. Ainda que as aves se encontrem dentro de uma
estreita faixa de massa, podem ser constatadas diferenças na conformidade da sua
carcaça: espessura do peito, tamanho da cavidade interna, área superficial, tamanho das
asas e das coxas. Todos estes fatores influenciam na transferência de calor e na
absorção de água pela mesma.
Constatou-se que o tempo de retenção da carcaça dentro do equipamento de
chiller pode sofrer grande variação. Carcaças devidamente identificadas, que iniciaram
simultaneamente o processo de resfriamento, tiveram tempo de retenção com até 25%
de diferença. Durante o transporte pelo sistema de rosca sem fim é comum carcaças
ficarem em regiões estagnadas ou mesmo ficarem presas em partes do equipamento.
Além disso, a rosca não impõe o mesmo contato sobre todas as carcaças, permitindo
que algumas delas atravessem mais rapidamente o sistema de resfriamento em relação
às outras.
Medições realizadas nas linhas produtivas ao final do sistema de chiller mostraram
que as carcaças apresentaram pouca uniformidade nos valores da temperatura no
centro do músculo peitoral. Algumas amostras tinham sua temperatura final variando
entre si em até 7
o
C. A não uniformidade foi também observada no percentual de água
absorvida pelas carcaças. Atribuem-se essas diferenças aos diferentes caminhos
percorridos pelas carcaças, às posições relativas e aos tempos de retenção destas no
equipamento, às variações no tamanho das aves e aos caminhos preferenciais da água
de resfriamento.
Neste trabalho não foram incluídos os valores de medições realizadas na linha
produtiva por razões de sigilo industrial. Estes dados pertencem à Perdigão
Agroindustrial S/A.
Resultados e Discussão 49
Figura 6: Esquematização da vista superior do chiller industrial. Região de estagnação e
caminho preferencial da água no equipamento.
Sentido de
movimentação
das carcaças
Alimentação
de água fria
Caminho preferencial ao escoamento da água
Carcaça de frango
Região de estagnação
Sentido de
movimentação
das carcaças
Alimentação
de água fria
Carcaça de frango
Caminho preferencial ao escoamento da água
Região de estagnação
Resultados e Discussão 50
3.2. Resultados Obtidos no Chiller Piloto
Os dados obtidos a partir dos experimentos realizados nos tanques piloto
(Tanques A e B) serão apresentados e discutidos a seguir.
3.2.1 Quantidade de Água Absorvida pela Carcaça
Os resultados da influência das variáveis de processo na absorção de água pelas
carcaças de frango são apresentados a seguir.
Nas Figuras 7 e 8 são apresentados resultados que mostram a influência da
agitação da água fria na absorção de água, a duas temperaturas diferentes. Todos os
valores apresentados representam valores médios obtidos a partir do resultado da
absorção de água de 15 carcaças.
Na Figura 7 apresenta-se a comparação entre as curvas da evolução temporal do
percentual de água absorvida pelas carcaças, onde o meio de resfriamento manteve-se
em torno de 1
o
C. Observa-se nesta figura que as curvas de absorção de água obtidas
sob agitação, tanto com a bomba de água quanto com ar comprimido, mostraram
absorções de água mais elevadas, quando comparados com os valores de absorção de
água do processo sem agitação, durante todo o intervalo de tempo analisado.
Na Figura 8 mostra-se o percentual de água absorvida pelas carcaças para
temperatura da água de resfriamento em 15
o
C. Nesta figura maiores valores de absorção
de água são evidenciados na condição de agitação por injeção de ar comprimido,
superando significativamente as outras duas condições.
Nas duas temperaturas, percebe-se que a agitação do meio sempre influencia de
maneira positiva a absorção de água pela carcaça. Esses resultados também indicam
que a temperatura influencia positivamente na absorção de água.
Resultados e Discussão 51
Absorção Percentual de Água x Tempo
0,00%
0,40%
0,80%
1,20%
1,60%
2,00%
2,40%
0 10203040506
Tempo (min)
Percentual de Água Absorvida
Figura 7: Percentual de absorção de água pelas carcaças de frango em função do tempo
para água a 1
o
C, em 3 diferentes condições de agitação.
0
1C - sem agitação
1C - bomba d'água
1C - ar comprimido
1
o
C - sem agitação
1
o
C - bomba d'água
1
o
C - ar comprimido
Absorção Percentual de Água x Tempo
0,00%
0,50%
1,00%
1,50%
2,00%
2,50%
3,00%
0 1020304050
Tempo (min)
Percentual de Água Absorvida
Figura 8: Percentual de absorção de água pelas carcaças de frango em função do tempo
para água a 15
o
C, em 3 diferentes condições de agitação.
Figura 8: Percentual de absorção de água pelas carcaças de frango em função do tempo
para água a 15
o
C, em 3 diferentes condições de agitação.
60
15C - sem agitação
15C - bomba d'água
15C - ar comprimido
15
o
C - sem agitação
15
o
C - bomba d'água
15
o
C - ar comprimido
Resultados e Discussão 52
Nas Figuras 9, 10 e 11 apresentam-se os resultados que mostram a influência da
temperatura na absorção de água pelas carcaças durante o resfriamento. As curvas de
absorção de água com o tempo para o meio sem agitação (Figura 9) mostram maiores
valores de absorção para o maior valor da temperatura. Na Figura 10, a comparação das
curvas de absorção em meio agitado com bomba não mostrou uma influência nítida da
temperatura da água na variável estudada. Comparando-se as curvas de absorção de
água pela carcaça, em condições de agitação do meio por injeção de ar comprimido
(Figura 11), observa-se novamente uma maior absorção de água na temperatura de
15ºC. A curva de absorção de água, sob agitação com ar, na temperatura de 15
o
C, foi a
que apresentou maiores valores de percentual de absorção, dentro do intervalo de tempo
dos experimentos. Este resultado mostra um comportamento sinergético entre o aumento
de temperatura e a agitação do meio com ar comprimido.
Absorção Percentual de Água x Tempo
0,00%
0,50%
1,00%
1,50%
2,00%
0 10203040506
Tempo (min)
Percentual de Água Absorvida
Figura 9: Curvas de absorção de água pelas carcaças de frango, quando não foi usada
agitação da água no tanque. Experimentos realizados a 1
o
C e 15
o
C.
0
1C - sem agitação
15C - sem agitação
1
o
C - sem agitação
15
o
C - sem agitação
Resultados e Discussão 53
Absorção Percentual de Água x Tempo
0,00%
0,50%
1,00%
1,50%
2,00%
0 10203040506
Tempo (min)
Percentual de Água Absorvida
Figura 10: Curvas de absorção de água pelas carcaças de frango, em condições de
agitação promovidas pela recirculação de água. Experimentos realizados a 1
o
C e 15
o
C.
0
1C - bomba d'água
15C - bomba d'água
1
o
C - bomba d'água
15
o
C - bomba d'água
Absorção Percentual de Água x Tempo
0,00%
0,50%
1,00%
1,50%
2,00%
2,50%
3,00%
0 10203040506
Tempo (min)
Percentual de Água Absorvida
Figura 11: Curvas de absorção de água pelas carcaças de frango, em condições de
agitação promovidas pela injeção de ar. Experimentos realizados a 1
o
C e 15
o
C.
Figura 11: Curvas de absorção de água pelas carcaças de frango, em condições de
agitação promovidas pela injeção de ar. Experimentos realizados a 1
o
C e 15
o
C.
0
1C - ar comprimido
15C - ar comprimido
1
o
C - ar comprimido
15
o
C - ar comprimido
Resultados e Discussão 54
Os resultados apresentados nas Figuras 9, 10 e 11 mostram que uma parte
significativa da absorção de água pelas carcaças ocorre nos primeiros 10 minutos de
imersão (aproximadamente 50% da água absorvida durante 1 hora de imersão). Após
este período, as curvas indicam que há diminuição das taxas de absorção da água. Uma
análise detalhada da cinética de absorção de água, assim como a modelagem
matemática dessa absorção, será apresentada a seguir.
Os valores de absorção de água encontrados são inferiores àqueles observados
nos chillers industriais (3-5%) e muito abaixo do percentual máximo permitido pela
legislação brasileira (8%).
3.2.1.1. Modelos Matemáticos para Absorção de Água pelas Carcaças
Durante o Resfriamento
Aplicação do Modelo I aos Dados Experimentais
Com os dados experimentais da evolução temporal do percentual de água
absorvido pelas carcaças, realizou-se o ajuste das curvas ao primeiro modelo proposto,
representado pela Equação 19. Para isto,
(
)
(
)
tWWW
mm
−
ln
foi plotado em função do
tempo e uma equação linear foi ajustada para representar esses dados. Os dados e a
função ajustada são apresentados na Figura 12. Esses dados são relativos a um
experimento realizado a 1ºC e com agitação promovida pela recirculação da água de
resfriamento. Os dados e as funções ajustadas para as demais 5 combinações de
condições de operação encontram-se no Apêndice B.
t
No modelo matemático representado pela Equação 19, o segundo coeficiente de
transferência de massa é uma constante, cujo valor é o coeficiente angular da reta
mostrada na Figura 12, ou seja, . O uso deste coeficiente de
transferência de massa constante com o tempo pode ser a causa do ajuste de baixa
1'
min0021,0
−
=
m
K
Resultados e Discussão 55
qualidade proporcionado pelo Modelo I. Partindo-se da consideração de que este
coeficiente de transferência de massa diminui durante o processo de absorção de água,
um segundo modelo de transferência de massa foi utilizado.
Ln ( Wm/(Wm-W) ) = 0,0021.t + 0,1293
R
2
= 0,7868
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
0 10203040506
Tempo (min.)
Ln ( Wm/(Wm-W) )
Figura 12: Ajuste dos dados experimentais à Equação 19 (Modelo I), para agitação por
bomba d’água e temperatura da água de resfriamento a 1ºC.
0
1C - bomba d'água
Linear (1C - bomba d'água)
1
o
C - bomba d'água
Ajuste Linear (1
o
C - bomba d'água)
Aplicação do Modelo II aos Dados Experimentais
Neste modelo, o valor do segundo coeficiente de transferência de massa varia de
maneira inversa à quantidade de água absorvida pela carcaça:
()
[]
1
'
exp
−
∝ WK
m
β
.
O programa computacional construído para a resolução numérica deste modelo foi
utilizado para as 6 condições experimentais estudadas. A Figura 13 mostra a interface
gráfica do programa elaborado em Delphi 7.0
®
.
Resultados e Discussão 56
Utilizando-se de um método de aproximação para resolver a equação diferencial
ordinária em estudo (Equação 23), o passo no tempo utilizado para sua resolução pode
influenciar nos resultados. Para tal avaliação testou-se, para as 6 condições
experimentais, a execução do programa com diferentes valores deste passo. Foi-se
reduzindo o valor do passo até que os valores obtidos para os parâmetros e para o erro
acumulado fossem estáveis e independentes do mesmo. A Tabela 3 mostra estes
valores para uma das condições avaliadas.
Cada redução no valor do passo leva a um aumento, de maneira drástica, no
tempo de processamento computacional.
Figura 13: Interface gráfica do programa para determinação do perfil temporal de W e
dos valores ótimos do parâmetros e
"
m
K
β
.
Resultados e Discussão 57
Tabela 3: Valores de ,
"
m
K
β
e do somatório dos resíduos obtidos pelo programa
computacional em diferentes passos no tempo. Dados experimentais a 1ºC, agitado com
bomba d’água.
Passo no tempo (s)
β
(g
frango
g
-1
água
)
"
m
K
(min
-1
)
∑
resíduos
(*10
5
)
1,00 -250,52 0,1708 1,2271
0,50 -266,04 0,2204 1,2520
0,25 -267,84 0,2276 1,2586
0,20 -291,01 0,2875 1,1135
0,10 -291,19 0,2883 1,1134
0,05 -291,19 0,2883 1,1134
0,01 -291,19 0,2883 1,1134
Pode-se observar na Tabela 3, que para valores de passo de tempo iguais ou
inferiores a 0,1s os valores dos parâmetros e do erro acumulado tornam-se invariantes.
Este valor de passo de tempo foi suficiente para estabilizar a resposta para todas as
condições experimentais avaliadas.
Assim, a Tabela 4 traz os valores otimizados encontrados para os parâmetros
e
"
m
K
β
. Observa-se que os valores de não seguem uma lógica com relação as
variações da temperatura ou mesmo da agitação do meio. Porém, por esta nova tabela
percebe-se que os valores de
"
m
K
β
são maiores quanto maior a temperatura da água de
resfriamento e maiores para situações onde o meio está agitado.
Para uma melhor avaliação deste parâmetro
β
estabeleceu-se o valor de
como constante para as 6 condições experimentais estudadas e através do programa
computacional buscou-se novos valores ótimos para
"
m
K
β
. Neste caso, optou-se por um
valor intermediário de (Tabela 4) sendo este assumido como 0,1 min
"
m
K
-1
.
Os valores obtidos nesta segunda seqüência de ajustes são apresentados na
Tabela 5. A Figura 14 mostra os valores do segundo coeficiente de proporcionalidade
Resultados e Discussão 58
( ) em função da fração de água absorvida pelo frango (
W
), a partir dos
valores mostrados na mostrado nesta Tabela 5.
]exp[
"'
WKK
mm
β
=
As Tabelas 4 e 5 ainda apresentam a média dos erros de predição para cada uma
das combinações dos valores de e
"
m
K
β
. O erro de predição é definido como:
100 x
alexperimentvalor
alexperimentvalor preditovalor
predição Erro
−
=
(26)
Tabela 4: Valores de ,
"
m
K
β
e do erro de predição médio obtidos pelo programa
computacional para as diferentes condições experimentais. Passo no tempo de 0,1s.
Passo no tempo = 0,1s
β
(g
frango
g
-1
água
)
"
m
K
(min
-1
)
Erro de predição
Água (1ºC)
Sem agitação
-297,27 0,0763 7,17%
Água (1ºC)
Agitação Água
-291,19 0,2883 4,47%
Água (1ºC)
Agitação Ar
-234,12 0,0995 5,64%
Água Ambiente (15ºC)
Sem Agitação
-209,24 0,0622 5,76%
Água Ambiente (15ºC)
Agitação Água
-201,25 0,0696 6,30%
Água Ambiente (15ºC)
Agitação Ar
-119,08 0,0606 7,39%
Resultados e Discussão 59
Tabela 5: Valores de
β
e do erro de predição médio obtidos pelo programa
computacional para as diferentes condições experimentais, fixando-se min
1,0
"
=
m
K
-1
.
Passo no tempo de 0,1s.
Passo no tempo = 0,1s
β
(g
frango
g
-1
água
)
"
m
K
(min
-1
)
Erro de predição
Água (1ºC)
Sem agitação
-328,68 0,1000 8,05%
Água (1ºC)
Agitação Água
-205,76 0,1000 8,65%
Água (1ºC)
Agitação Ar
-234,58 0,1000 5,64%
Água Ambiente (15ºC)
Sem Agitação
-255,75 0,1000 6,77%
Água Ambiente (15ºC)
Agitação Água
-234,61 0,1000 6,68%
Água Ambiente (15ºC)
Agitação Ar
-154,13 0,1000 7,51%
Observando-se o comportamento do segundo coeficiente, percebe-se que este é
menor em módulo (partindo de um mesmo valor de ) para a condição sob agitação do
ar na temperatura de 15ºC, levando a maiores valores de . Na condição de 1ºC e sem
agitação forcada do meio, o valor de
"
m
K
'
m
K
β
é o maior em módulo, conduzindo a um maior
decaimento do segundo coeficiente de proporcionalidade, tendo este menores valores
nesta condição do que nas demais estudadas.
Estes resultados vão de encontro ao esperado ao analisar-se o crescimento de
em função do tempo para as diferentes condições. Um maior valor de indica uma
menor resistência a entrada de água na matriz sólida (carcaça de frango), aumentando
assim a velocidade de absorção.
W
'
m
K
Ainda analisando a Figura 14, pode-se constatar que as duas condições de
resfriamento nas quais o meio não foi agitado foram as quais apresentaram menores
Resultados e Discussão 60
valores do segundo coeficiente de proporcionalidade. Assim, demonstra-se maior
influência (sobre o percentual de água absorvida pela carcaça) da variação da agitação
em comparação a variação da temperatura. Esta observação também estará presente no
tópico 3.2.2, a seguir.
Segundo Coeficiente de Proporcionalidade x Fração de Água Absorvida
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 0,014 0,016 0,018 0,020
W (g/g)
K'
m
(1/min)
1
o
C-sem
1
o
C-água
1
o
C-ar
15
o
C-sem
15
o
C-água
15
o
C-ar
Figura 14: Valores do segundo coeficiente de proporcionalidade para transferência de
massa em função da quantidade de água absorvida pela carcaça de frango, nas 6
diferentes condições de operação.
Na Figura 15 têm-se os valores experimentais e os valores calculados pelo
método numérico de Runge-Kutta para a fração de água absorvida em função do tempo
de imersão no meio de resfriamento, mantido a 15ºC sob agitação da bomba d’água. Os
gráficos para as demais condições encontram-se no Apêndice C.
Resultados e Discussão 61
Figura 15: Gráfico da evolução da fração de água absorvida (W ) em função do tempo.
Valor de min1,0
"
=
m
K
-1
, temperatura da água de 15ºC sob agitação da bomba d’água.
Devido aos bons ajustes dos dados experimentais pelo Modelo II considerou-se
que este foi adequado para descrever o fenômeno de absorção de água pelas carcaças
durante o processo de resfriamento. No modelo, o valor do coeficiente de transferência
de massa ( ) variou de modo inversamente proporcional a quantidade de água
absorvida pela carcaça, devido a um aumento da resistência à transferência de massa.
Este aumento da resistência pode ser explicado pela saturação dos poros nas regiões
mais próximas à superfície da carcaça. Assim, o processo de absorção de água passa a
ser controlado pela migração interna de água que já penetrou na carcaça, mas que está
próxima a superfície. A Figura 16 ilustra essa explicação dos mecanismos de transporte
que controlam a absorção de água pelas carcaças.
'
m
K
Resultados e Discussão 62
No início do processo, o músculo peitoral (fibras e espaço interfibras) contém
baixa quantidade de líquido, proporcionando maiores taxas de sorção de água. Como se
verá mais adiante, esta taxa depende fortemente da pressão hidrostática agindo sobre as
carcaças, o que sugere que a entrada de água nas mesmas é controlada por um
mecanismo hidrodinâmico. Com o preenchimento dos espaços vazios interfibras desse
tecido muscular (poros) e com a saturação da região próxima à superfície da carcaça
ocorre uma queda na taxa de absorção de água, a qual passa a depender
preponderantemente da migração interna da água absorvida.
Estes valores de e
"
m
K
β
obtidos pelo ajuste da curva experimental ao modelo
teórico desenvolvido são bastante específicos e se aplicam apenas às mesmas
condições nas quais elas foram determinadas. Assim, qualquer alteração no meio de
resfriamento, no tipo de equipamento utilizado, na distribuição das carcaças ou qualquer
outra variável importante para o processo implica na necessidade de nova determinação
destes parâmetros.
Resultados e Discussão 63
Figura 16: Representação esquemática dos mecanismos que governam a absorção de
água pelas carcaças.
Resultados e Discussão 64
3.2.2. Influência do Nível de Agitação na Absorção de Água pelas Carcaças
Neste item será comparada a absorção de água pelas carcaças quando
submetidas à agitação pela injeção de ar a diferentes vazões. Na Figura 17, os valores
médios do percentual de água absorvida são apresentados para a temperatura da água
de resfriamento igual a 15ºC.
Figura 17: Absorção de água pela carcaça sob diferentes condições do meio de
resfriamento agitado pela injeção de ar comprimido.
Absorção Percentual de Água x Tempo
0,00%
0,50%
1,00%
1,50%
2,00%
2,50%
3,00%
3,50%
4,00%
4,50%
0 5 10 15 20 25 30 35
Tempo (min.)
Percentual de Água Absorvida
15C - sem agitação
15C - agitação ar vazão intermediária
15C - agitação ar vazão máxima
1C - agitação ar vazão intermediária
15
o
C - sem agitação
15
o
C - agitação ar vazão intermediária
15
o
C - agitação ar vazão máxima
1
o
C - agitação ar vazão intermediária
É grande a influência da vazão de ar no percentual de água absorvida pela
carcaça. Nota-se na Figura 17 que quando é passado da condição de meio sem agitação
(a 15ºC) para agitação com vazão intermediária (a 15ºC) o percentual de absorção teve
um acréscimo próximo a 100%. Outro grande salto no percentual absorvido é observado
quando se compara a condição de agitação pela vazão intermediária à condição de
agitação pela vazão máxima de ar comprimido.
Comparando-se os dados obtidos para agitação do meio pela vazão intermediária
de ar para duas temperaturas diferentes, novamente observa-se que temperaturas mais
Resultados e Discussão 65
elevadas favorecem a absorção de água. Porém, a diferença causada apenas pela
variação da temperatura do meio (“1ºC - agitação do ar vazão intermediária” x “15ºC -
agitação do ar vazão intermediária”) é pouco significativa se comparada à variação
causada pelo aumento do borbulhamento no meio (“15ºC - sem agitação” x “15ºC -
agitação ar vazão intermediária” x “15ºC - agitação ar vazão máxima”).
3.2.3. Influência da Pressão Hidrostática na Absorção de Água pela Carcaça
Investigou-se a contribuição da pressão exercida pela água de resfriamento no
percentual de água absorvida pela carcaça submersa. A evolução da absorção de água
pelas carcaças, a três diferentes profundidades (180mm, 845mm e 1470mm), é
apresentada nas Figuras 18 e 19. Os valores de percentual de água absorvida
representam as médias calculadas a partir das absorções de água determinadas para 15
carcaças.
Carcaças submetidas à imersão, por um mesmo intervalo de tempo, atingiram
diferentes percentuais de água absorvida para diferentes profundidades de imersão
(distâncias da superfície do tanque). Os dados experimentais mostram a influência
positiva da pressão hidrostática sobre a absorção de água. A maior pressão aplicada
sobre a superfície da carcaça promove o escoamento da água para o seu interior. Ao se
considerar que a entrada de água nas carcaças ocorre por mecanismos hidrodinâmicos,
pode-se compreender que o aumento da pressão externa provoque um maior fluxo de
líquido nos capilares (poros) próximos da superfície da carcaça.
Resultados e Discussão 66
Os resultados da Figura 18 indicam que a maior influência da pressão hidrostática
ocorre nos primeiros 10-15 minutos. Após 30 minutos de imersão, observa-se uma
diminuição das diferenças entre os percentuais de absorção de água, entre as três
profundidades. Esses resultados corroboram as explicações fenomenológicas
apresentadas no parágrafo anterior e no item 3.2.1.
Figura 18: Absorção de água pela carcaça em função do tempo para três diferentes
condições de pressão hidrostática.
Na Figura 19 apresentam-se os mesmos dados experimentais da Figura 18,
mostrando a absorção de água em função da altura de coluna d’água que age sobre a
carcaça. Também fica evidente o crescimento do percentual de água absorvida em
função da coluna d’água.
o
o
o
Absorção Percentual de Água x Tempo
0,80%
0,90%
1,00%
1,10%
1,20%
1,30%
1,40%
1,50%
1,60%
0 5 10 15 20
Tempo (min.)
Percentual de Água Absorvida
25 30 35
15C - nível 1 (180mm)
15C - nível 2 (845mm)
15C - nível 3 (1470mm)
15
o
C - nível 1 (180mm)
15
o
C - nível 2 (845mm)
15
o
C - nível 3 (1470mm)
Resultados e Discussão 67
0,8%
0,9%
1,0%
1,1%
1,2%
1,3%
1,4%
1,5%
1,6%
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
Altura de coluna d'água (m)
Percentual de Água Absorvida
15C - 6 minutos
1 15 minutos5C -
1 30 minutos
Figura 19: Evolução temporal da absorção de água pela carcaça em função da altura de
coluna d’água.
5C -
o
o
o
3.2.4. Evolução da Temperatura das Carcaças Durante o Resfriamento
Avaliou-se a evolução temporal da temperatura em dois pontos das carcaças: no
centro do músculo peitoral (Tc) e na superfície do músculo peitoral, logo abaixo da pele
que o recobre (Ts).
Na Figura 20 apresentam-se os perfis de Tc e Ts para três carcaças submetidas
ao resfriamento, em meio sem agitação e a 1
o
C. Além das temperaturas medidas nas
carcaças, apresenta-se a temperatura do meio de resfriamento (T da água) e a indicação
do limite crítico para a temperatura do centro do músculo peitoral (4
o
C). O limite crítico
é o valor que Tc deve atingir para o processo de resfriamento da carcaça atender a todas
as exigências legais e comerciais. Na legenda está indicada a massa da carcaça
correspondente a cada perfil levantado.
é o valor que Tc deve atingir para o processo de resfriamento da carcaça atender a todas
as exigências legais e comerciais. Na legenda está indicada a massa da carcaça
correspondente a cada perfil levantado.
Resultados e Discussão 68
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 10203040506
Tempo (min)
Temperatura ( C)
Figura 20: Perfil temporal das temperaturas Tc e Ts para água a 1ºC em meio sem
agitação.
0
T da água
m = 2,102kg
m = 2,010kg
m = 2,081kg
Limite crítico
Tc
Ts
Na Figura 21 são apresentadas as evoluções das temperaturas das carcaças para
a situação em que a água de resfriamento foi igual a 1ºC e a agitação foi promovida pela
injeção de ar comprimido na vazão intermediária.
Comparando-se as Figuras 20 e 21 observa-se que, depois de decorridos 60
minutos, a Tc para o meio agitado atinge valores muito próximos ao limite crítico,
enquanto no meio sem agitação forçada, Tc encontra-se cerca de 5
o
C acima deste valor.
Os valores de Ts no meio sob agitação diminuem muito mais rapidamente. Na
ausência de agitação, Ts atinge o valor do limite crítico depois de 25 minutos, enquanto
nas condições dadas na Figura 21 este limite é atingido após 5-8 minutos de imersão.
Resultados e Discussão 69
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 10203040506
Tempo (min)
Temperatura ( C)
Figura 21: Perfil temporal das temperaturas Tc e Ts para água a 1
o
C em meio agitado
pela injeção de ar (vazão intermediária).
o
C em meio agitado
pela injeção de ar (vazão intermediária).
0
T da água
m = 1,970kg
m = 1,929kg
m = 1,819kg
Limite crítico
Tc
Ts
A curva experimental da evolução da temperatura do centro do músculo peitoral
com o tempo apresenta uma forma característica de processos regidos pelo mecanismo
difusivo, conforme era esperado. Embora o mecanismo de transferência de calor difusivo
seja determinante na forma da curva de resfriamento, também fica evidente que a
transferência de calor por convecção, promovida pela movimentação do meio de
resfriamento, aumentou a velocidade da redução de Tc. Este fato é evidenciado em
todas as curvas de resfriamento. Assim, confirma-se que tanto a resistência à
transferência de calor condutiva (no interior da carcaça) quanto a resistência à
transferência de calor convectiva (entre a carcaça e o meio de resfriamento) são
significantes no processo de resfriamento de carcaças por imersão.
A curva experimental da evolução da temperatura do centro do músculo peitoral
com o tempo apresenta uma forma característica de processos regidos pelo mecanismo
difusivo, conforme era esperado. Embora o mecanismo de transferência de calor difusivo
seja determinante na forma da curva de resfriamento, também fica evidente que a
transferência de calor por convecção, promovida pela movimentação do meio de
resfriamento, aumentou a velocidade da redução de Tc. Este fato é evidenciado em
todas as curvas de resfriamento. Assim, confirma-se que tanto a resistência à
transferência de calor condutiva (no interior da carcaça) quanto a resistência à
transferência de calor convectiva (entre a carcaça e o meio de resfriamento) são
significantes no processo de resfriamento de carcaças por imersão.
Os perfis de temperatura para o meio de resfriamento à temperatura mais elevada
(15
o
C) são apresentados na Figura 22. Neste caso, o meio não estava sob nenhuma
condição de agitação forçada.
Os perfis de temperatura para o meio de resfriamento à temperatura mais elevada
(15
o
C) são apresentados na Figura 22. Neste caso, o meio não estava sob nenhuma
condição de agitação forçada.
Resultados e Discussão 70
Tc
Ts
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 10203040506
Tempo (min)
Temperatura ( C)
Figura 22: Perfil de temporal das temperaturas Tc e Ts para água a 15ºC em meio sem
agitação.
0
T da água
m = 2,094kg
m = 1,986kg
m = 2,071kg
Limite crítico
Dadas as dificuldades impostas pela geometria das carcaças para o uso de um
modelo matemático baseado nos fenômenos de transferência de calor, ajustaram-se
equações polinomiais e exponenciais aos dados experimentais de Tc x t.
Nas três condições onde a temperatura do meio de resfriamento foi de 1
o
C, o perfil
temporal de Tc foi ajustado por duas equações. No primeiro intervalo de tempo, do início
do processo até o décimo minuto, o perfil parabólico ( , onde , b e c são
os parâmetros a serem ajustados) foi o que melhor representou os dados experimentais.
Do décimo ao sexagésimo minuto, o perfil que se apresentou mais adequado foi o
exponencial ( , onde
cbxaxy ++=
2
a
)exp(qxpy =
p
e são os parâmetros a serem determinados). q
Nas Figuras 23 e 24 apresentam-se os dados experimentais de Tc x t e as
equações ajustadas aos mesmos, no período de 0-10 minutos e 10-60 minutos,
respectivamente.
Resultados e Discussão 71
T = -0,0419t
2
- 0,23t + 39,147
R
2
= 0,9985
T = -0,0418t
2
- 0,1919t + 37,454
R
2
= 0,9991
T = -0,0254t
2
- 0,4737t + 38,078
R
2
= 0,9981
20
23
25
28
30
33
35
38
40
0123456789
Tempo (min)
Temperatura ( C)
Figura 23: Ajuste dos dados experimentais por equações parabólicas, nos primeiros 10
minutos de imersão, para testes a 1ºC.
10
m = 2,102kg
m = 2,010kg
m = 2,081kg
T = 42,818e
-0,0279t
R
2
= 0,9995
T = 39,942e
-0,0273t
R
2
= 0,999
T = 41,309e
-0,0280t
R
2
= 0,9994
0
5
10
15
20
25
30
35
0 10203040506
Tempo (min)
Temperatura ( C)
Figura 24: Ajuste dos dados experimentais por equações exponenciais, do décimo ao
sexagésimo minuto, para testes a 1ºC.
0
m = 2,102kg
m = 2,010kg
m = 2,081kg
Limite crítico
Resultados e Discussão 72
Para os processos onde a temperatura da água foi mantida a 15ºC, os dados de
Tc em função do tempo puderam ser ajustados por uma única equação. O melhor ajuste
obtido foi pelas equações polinomiais do segundo grau ( ). A Figura 25 traz
o ajuste para os mesmos dados apresentados na Figura 22, onde o meio de resfriamento
está a 15ºC e sem agitação forçada.
cbxaxy ++=
2
T = 0,0051t
2
- 0,6778t + 39,417
R
2
= 0,9983
T = 0,0053t
2
- 0,7400t + 43,214
R
2
= 0,9974
T = 0,0040t
2
- 0,6311t + 41,911
R
2
= 0,9976
10
15
20
25
30
35
40
45
0 10203040506
Tempo (min)
Temperatura ( C)
Figura 25: Ajuste dos dados experimentais por equações parabólicas para ensaios a
15ºC.
0
m = 2,094kg
m = 1,986kg
m = 2,071kg
Na Tabela 6 apresenta-se um resumo dos valores médios dos parâmetros
ajustados para o processo de resfriamento quando o meio encontrava-se a 1
o
C. Para a
equação exponencial, aparece o parâmetro anteriormente denominado e para a
equação parabólica os parâmetros e
b
. Os outros dois parâmetros:
q
a
p
(equação
exponencial) e c (equação polinomial), embora apareçam nas equações ajustadas, não
foram considerados, pois estes representam justamente a temperatura Tc no inicio do
processo de resfriamento. Esta tabela também apresenta os valores do coeficiente de
correlação (
2
R
) para os dois ajustes.
Resultados e Discussão 73
Tabela 6: Valores médios dos parâmetros , e e dos coeficientes de correlação q a b
2
R
referentes às duas equações ajustadas, nas condições de operação a 1ºC.
q
R
2
- exp.
ab
R
2
- parab.
Água (1ºC)
Sem agitação
-0,0299 0,9992 -0,0403 -0,2990 0,9982
Água (1ºC)
Agitação Água
-0,0375 0,9997 -0,0362 -0,5386 0,9983
Água (1ºC)
Agitação Ar
-0,0404 0,9995 -0,0389 -0,6201 0,9980
Os coeficientes de correlação obtidos nestes ajustes estiveram muito próximos a
um, indicando que os modelos empíricos propostos foram adequados para a
representação matemática dos dados experimentais.
O valor do parâmetro ajustado é maior, em módulo, na condição em que o meio
de resfriamento é agitado com ar. Para o meio não agitado, este parâmetro apresentou o
seu menor valor modular. Quanto maior o módulo deste parâmetro, mais rapidamente
decresce o valor de Tc. Assim, pode-se, a partir dele, ordenar as condições mais
eficientes para o resfriamento: agitação com ar comprimido, seguido da agitação por
bomba d’água e por último, o meio sem agitação.
q
Os valores dos parâmetros e
b e dos coeficientes de correlação a
2
R
para os
processos cujo meio de resfriamento esteve a 15
o
C estão na Tabela 7. Nestes ajustes,
os coeficientes de correlação também estiveram próximos a um.
Outra análise pode ser feita através dos dados destes experimentos de
resfriamento. A Tabela 8 indica os valores da temperatura inicial do centro do músculo
peitoral, desta mesma temperatura ao final de 60 minutos e a sua variação ao longo do
experimento, para cada umas das três condições de resfriamento a 1
o
C.
Resultados e Discussão 74
Tabela 7: Valores médios dos parâmetros e b e do coeficiente de correlação a
2
R
referentes à equação ajustada, nas condições de operação a 15ºC.
ab
R
2
- parab.
Água Ambiente (15ºC)
Sem Agitação
0,0057 -0,7189 0,9982
Água Ambiente (15ºC)
Agitação Água
0,0066 -0,7839 0,9954
Água Ambiente (15ºC)
Agitação Ar
0,0076 -0,8649 0,9978
Tabela 8: Valores médios de Tc, em 0
=
t e min60
=
t , e da variação de Tc ocorrida
neste intervalo, nas condições de operação a 1ºC.
T inicial (
o
C) T em 60' (
o
C)
ΔT em 60' (
o
C)
Água 1ºC
Sem Agitação
38,3 7,2 31,0
Água 1ºC
Agitação Água
39,5 5,0 34,5
Água 1ºC
Agitação Ar
38,7 4,0 34,7
Nos meios onde houve agitação, a temperatura do centro do músculo peitoral ao
final do processo foi menor, atingindo o valor de 4ºC no caso do meio agitado pela
injeção de ar. Em ambos os meios sob agitação, a variação da temperatura ao longo do
60 minutos foi cerca de 3,5ºC maior em relação ao meio não agitado.
Quando o meio de resfriamento foi mantido a 15ºC, temperatura comumente
utilizada nos pré-chillers, os valores de Tc depois de 10 minutos do início do experimento
T em 60min. (
o
C)
Δ
T em 60min. (
o
C)
Resultados e Discussão 75
e ao final dele (60 minutos) foram analisados. Estes dados estão apresentados na
Tabela 9.
Tabela 9: Valores médios de Tc, em 0
=
t , min10
=
t e min60
=
t , e da variação de Tc
ocorrida neste intervalo, nas condições de operação a 15ºC.
T inicial (
o
C) T em 10' (
o
C) T em 60' (
o
C)
Δ
T em 10' (
o
C)
Δ
T em 60' (
o
C)
Água 15ºC
Sem Agitação
39,8 34,5 18,0 5,3 21,9
Água 15ºC
Agitação Água
39,8 34,2 17,3 5,6 22,5
Água 15ºC
Agitação Ar
40,1 33,8 16,4 6,3 23,7
T inicial (
o
C) T em 10min. (
o
C) T em 60min. (
o
C)
Δ
T 10min. (
o
C)
Água 15ºC
Sem Agitação
39,8 34,5 18,0 5,3 21,9
Água 15ºC
Agitação Água
39,8 34,2 17,3 5,6 22,5
Água 15ºC
Agitação Ar
40,1 33,8 16,4 6,3 23,7
ΔT 60min. (
o
C)
No intervalo de resfriamento representado pelos primeiros 10 minutos, a agitação
mostrou contribuir positivamente na diminuição de Tc. O meio onde não foi imposta
qualquer agitação teve a menor variação de temperatura, sendo os valores de Tc ao final
do décimo e do sexagésimo minuto maiores que as temperaturas da outras duas
condições. Novamente o meio agitado pelo ar comprimido apresentou as maiores
reduções de temperatura.
Os resultados das evoluções das temperaturas das carcaças resfriadas sob
diferentes tempos de agitação são apresentados na Tabela 10. Foram utilizadas as
seguintes condições: sem agitação, agitação nos primeiros 30 minutos, agitação nos
primeiros 40 minutos, agitação nos primeiros 50 minutos e agitação durante 60 minutos.
Resultados e Discussão 76
Tabela 10: Valores médios de Tc, em 0
=
t e min60
=
t , e da variação de Tc ocorrida
neste intervalo, nas condições de operação a 1ºC, variando o tempo de injeção de ar.
T inicial (
o
C) T em 60' (
o
C)
Δ
T em 60' (
o
C)
Água (1ºC)
Sem agitação
38,3 7,2 31,0
Água (1ºC)
Agitação Ar 30'
39,8 5,8 33,9
Água (1ºC)
Agitação Ar 50'
39,3 5,2 34,1
Água (1ºC)
Agitação Ar 50'
39,2 4,9 34,3
Água (1ºC)
Agitação Ar 60'
38,7 4,0 34,7
T inicial (
o
C) T em 60min. (
o
C)
ΔT em 60min. (
o
C)
Água (1ºC)
Sem agitação
38,3 7,2 31,0
Água (1ºC)
Agitação Ar 30'
39,8 5,8 33,9
Água (1ºC)
Agitação Ar 50'
39,3 5,2 34,1
Água (1ºC)
Agitação Ar 50'
39,2 4,9 34,3
Água (1ºC)
Agitação Ar 60'
38,7 4,0 34,7
A temperatura da superfície do músculo peitoral (Ts) decai rapidamente em
condições de resfriamento onde o meio encontra-se agitado (tempo inferior a 10 minutos
para meio agitado pela injeção de ar), conforme exemplificado na Figura 21. Mesmo
assim, a manutenção da agitação do meio durante todo o processo de resfriamento
garante uma maior velocidade na redução de Tc. O experimento no qual o ar esteve
ligado durante todo o teste apresentou a maior variação de Tc no intervalo de tempo
estudado. A explicação para isso é que, ao interromper-se a agitação do meio, a
resistência à transferência de calor convectiva foi aumentada e a renovação da água
localizada na cavidade interna da carcaça foi dificultada. Estes dois aspectos
influenciaram para uma menor redução de Tc nos ensaios onde a injeção de ar foi
interrompida antes do sexagésimo minuto.
Conclusões 77
Conclusões
Os resfriadores de carcaças por imersão (chillers) apresentam deficiências
operacionais que precisam ser alteradas, possibilitando o aumento da sua eficiência. É
possível obter-se um processo que propicie melhores resultados quanto ao resfriamento
das carcaças, sem que seja necessário um maior consumo de recursos e bens não
renováveis (água, energia elétrica, entre outros). Para isto, alguns pontos-chave devem
ser considerados: a otimização da circulação da água de resfriamento dentro do
equipamento; a otimização da distribuição de gelo ao longo do mesmo; a desobstrução
da área da secção transversal ao fluxo de água; a descompactação do aglomerado de
carcaças formado ao fundo do equipamento; a busca, ainda maior, pela padronização da
matéria-prima utilizada e a melhoria do sistema de transporte das carcaças no interior do
chiller.
A evolução temporal do percentual de água absorvido pelas carcaças sofre
influência positiva da temperatura do meio (em maiores temperaturas, maior a absorção
de água pela carcaça), do grau de agitação do mesmo (quanto maior a agitação, mais
facilmente a água é incorporada à carcaça) e da pressão da coluna d’água sobre a
carcaça (maiores pressões induzem a maiores percentuais de água absorvida). O
segundo coeficiente de absorção depende da quantidade de água já absorvida,
conforme o segundo modelo matemático proposto. Uma maior temperatura da água de
imersão e um maior grau de agitação do meio de resfriamento forneceram maiores
valores para o segundo coeficiente de transferência de massa ( ), significando maior
ganho de massa de água pela carcaça em um determinado intervalo de tempo. A
'
m
K
Conclusões 78
combinação de maior temperatura do meio com injeção de ar comprimido mostrou efeito
sinergético, potencializando a quantidade de água absorvida pela carcaça.
Aumentando-se a agitação do meio de resfriamento, mais rápida foi a redução da
temperatura do centro do músculo peitoral. As resistências à transferência de calor
convectiva e condutiva mostraram-se importantes durante todo o período de
resfriamento. Dentro do tempo de duração dos experimentos (60 minutos), apenas o
meio agitado pela injeção de ar comprimido, com a água de resfriamento sempre a 1ºC,
atingiu o valor objetivo da temperatura do centro do músculo peitoral, ou seja, o limite
crítico de 4ºC. Excelentes ajustes matemáticos dos perfis temporais da temperatura Tc
foram obtidos por equações parabólicas (do inicio do processo até o décimo minuto) e
por equações exponenciais (do décimo minuto ao final do processo) para o meio de
resfriamento a 1ºC. Nos experimentos onde o tempo de injeção de ar variou, conclui-se
que, mesmo ao final do processo de resfriamento, a resistência convectiva à
transferência de calor não pode ser despreza. Assim, a manutenção da agitação durante
todo o processo de resfriamento contribui para uma maior velocidade de redução da
temperatura do centro do músculo peitoral, mesmo durante a etapa final dos
experimentos.
Este trabalho contribuiu com conhecimentos em uma área desprovida de
informações de domínio científico público. As observações fenomenológicas e os
modelos matemáticos aqui propostos preenchem parte desta lacuna sobre o processo de
resfriamento da carcaça de frango. Isto possibilita responder a algumas questões sobre o
comportamento da temperatura do centro do músculo peitoral e sobre o percentual de
água incorporado à massa da carcaça, bem como comprovar a influência de alguns dos
principais parâmetros de processo. A atuação sobre as variáveis operacionais
apontadas, aliada às informações sobre o comportamento fenomenológico da
transferência simultânea de calor e massa, poderá ser útil para a melhoria do processo
de resfriamento das carcaças.
Conclusões 79
As seguintes propostas ficam como sugestões para trabalhos futuros.
- A investigação da influência da massa da carcaça na cinética de absorção de
água e na evolução das temperaturas.
- Estudo da distribuição da temperatura no interior do chiller industrial, incluindo as
zonas de escoamento preferencial e de estagnação.
- Determinação de coeficientes de transferência de calor convectivos médios nas
diferentes regiões do chiller.
- Medição do grau de agitação promovido pela injeção de gás, relacionando a
vazão de ar comprimido injetado com o volume e a altura da água no tanque.
- Estudo de um processo misto de resfriamento, alternando o uso de água fria e ar
com baixa umidade relativa.
Referências Bibliográficas 79
Referências Bibliográficas
1. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DOS PRODUTORES E EXPORTADORES DE
FRANGOS. Disponível em <www.abef.com.br> Acesso em: 17 de janeiro de 2005.
2. Ministério da Agricultura e do Abastecimento – Secretaria de Defesa
Agropecuária. “Anexo I – Regulamento Técnico da Inspeção Tecnológica e
Higiênico-Sanitária de carne de aves”. Disponível em <www.agricultura.gov.br>
Acesso em: janeiro de 2004
3. DINÇER, I. (1997). “Heat Transfer in Food Cooling Applications” – Ed.
Taylor & Francis, Washington, D.C., pág. 1.
4. SAKAMOTO, F. T. C. (1999). “Proposta de um Sistema de Informações
para Indústria Avícola Consistente com os Conceitos de Excelência Produtiva.
Enfoque nos Segmentos de Commodity e Semi-Commodity” - Dissertação
(Mestrado em Engenharia de Produção), Programa de pós-graduação em
Engenharia de Produção/CTC/UFSC. Florianópolis – SC.
5. AVICULTURA INDUSTRIAL. Disponível em
<
www.aviculturaindustrial.com.br> Acesso em: junho de 2004.
6. ASHRAE - American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning
Engineers (2002), Inc. “2002 ASHRAE HANDBOOK – Refrigeration” – SI edition.
Referências Bibliográficas 80
7. FRIGOMAQ - INDÚSTRIA DE MÁQUINAS FRIGORÍFICAS CHAPECÓ
LTDA. Disponível em <www.frigomaq.com.br> Acesso em: junho de 2004.
8. NEVES FILHO, L. C. (1978). “Estudo de Algumas Variáveis no
Resfriamento Contínuo por Imersão de Frango” – Tese (Mestrado em Engenharia
de Alimentos), FEA/UNICAMP. Campinas-SP.
9. LAURINDO, J. B; HENSE, H; CARCIOFI, B. (2003). Relatórios 1, 2 e 3 do
projeto “Desenvolvimento tecnológico dos processos industriais da Perdigão”, sub-
projeto “Resfriamento e congelamento de carcaças e de corte de aves”. Videira-
SC.
10. INCROPERA, F. P.; DEWITT, D. P. (1998). “Fundamentos de Transferência
de Calor e Massa” – Ed. LCT-Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., Rio de
Janeiro - RJ, 4
a
. edição, págs. 2, 118-120, 154, 448.
11. BENNETT, C. O.; MYERS, J. E. (1978). “Fenômenos de Transporte –
Quantidade de Movimento, Calor e Massa” – Ed. McGraw-Hill, São Paulo-SP, p.
248.
12. SINGH, R. Paul., HELDMAN, Dennis R. (1993). “Introduction to food
engineering”. 2ª edição. Academic Press, San Diego, USA.
13. SPIEGEL, M. R.; (1968). “Mathematical Handbook of Formulas and Tables”
– Schaum’s Outline Series, McGraw-Hill Book Company, USA.
14. GOMES-RUGGIERO, M. A.; LOPES, V. L. R. (1996). “Calculo Numérico:
Aspectos Teóricos e Computacionais.” – Editora Makron Books, Rio de Janeiro –
RJ, 2ª. Edição, págs. 326-339.
Apêndice A
Apêndice A
Apêndice A
Looping para os valores de
Valores de entrada: dados experimentais, passo
de tempo, intervalo de tempo para simulação e
valor de
m
W
Estimativa inicial dos valores de e
"
m
K
β
Otimizar o valor
de ?
"
m
K
"
m
K
Looping para os valores de
β
Sim
Não
Cálculo do valores numericamente
(método de Range-Kutta de 4
a
ordem)
Cálculo do erro (Equação 24)
Satisfez critério
de parada?
Está otimizando
o valor de ?
"
m
K
Imprime valores de
Imprime valores otimizados de e
txW
"
m
K
β
Sim
Sim
Não
Não
Figura A-1: Diagrama de blocos representativo do algoritmo para o programa
computacional construído.
Apêndice B
Apêndice B
Apêndice B
Ln ( Wm/(Wm-W) ) = 0,0021.t + 0,0778
R
2
= 0,965
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0 1020304050
Tempo (min.)
Ln ( Wm/(Wm-W) )
60
1C -sem agitação
Figura B-1: Gráfico e equação linearizada pelo o Modelo II para meio de resfriamento
sem agitação e temperatura da água a 1ºC.
Ln ( Wm/(Wm-W) ) = 0,0023.t + 0,1046
R
2
= 0,8757
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
0 1020304050
Tempo (min.)
Ln ( Wm/(Wm-W) )
60
1C - injeção de ar
Figura B-2: Gráfico e equação linearizada pelo o Modelo II para meio de resfriamento
agitado por injeção de ar comprimido e temperatura da água a 1ºC.
Apêndice B
Ln ( Wm/(Wm-W) ) = 0,0025.t + 0,0916
R
2
= 0,8710
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
0 1020304050
Tempo (min.)
Ln ( Wm/(Wm-W) )
60
15 C - sem agitação
Figura B-3: Gráfico e equação linearizada pelo o Modelo II para meio de resfriamento
sem agitação e temperatura da água a 15ºC.
Ln ( Wm/(Wm-W) ) = 0,0027.t + 0,098
R
2
= 0,8589
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
0 1020304050
Tempo (min.)
Ln ( Wm/(Wm-W) )
60
15 C - bomba d'água
Figura B-4: Gráfico e equação linearizada pelo o Modelo II para meio de resfriamento
agitado por bomba d’água e temperatura da água a 15ºC.
Apêndice B
Ln ( Wm/(Wm-W) ) = 0,0043.t + 0,1159
R
2
= 0,9428
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
0,350
0,400
0 1020304050
Tempo (min.)
Ln ( Wm/(Wm-W) )
60
15 C - bomba d'água
Figura B-5: Gráfico e equação linearizada pelo o Modelo II para meio de resfriamento
agitado por injeção de ar comprimido e temperatura da água a 15ºC.
Apêndice C
Apêndice C
Apêndice C
Figura C-1: Gráfico da evolução da fração de água absorvida (
W
) em função do tempo.
Valor de min1,0
"
=
m
K
-1
, temperatura da água de 1ºC sem agitação forcada.
Apêndice C
Figura C-2: Gráfico da evolução da fração de água absorvida (
W ) em função do tempo.
Valor de min
1,0
"
=
m
K
-1
, temperatura da água de 1ºC sob agitação por bomba de água.
Apêndice C
Figura C-3: Gráfico da evolução da fração de água absorvida (W ) em função do tempo.
Valor de min
1,0
"
=
m
K
-1
, temperatura da água de 1ºC sob agitação por injeção de ar.
Apêndice C
Figura C-4: Gráfico da evolução da fração de água absorvida (W ) em função do tempo.
Valor de min
1,0
"
=
m
K
-1
, temperatura da água de 15ºC sem agitação forcada.
Apêndice C
Figura C-5: Gráfico da evolução da fração de água absorvida (W ) em função do tempo.
Valor de min1,0
"
=
m
K
-1
, temperatura da água de 15ºC sob agitação por injeção de ar.
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