Uso de um secador de bandeja para investigar a transferência de calor por convecção e condução

Fonte: Michael G. Benton e Kerry M. Dooley, Departamento de Engenharia Química, Louisiana State University, Baton Rouge, LA

Os secadores são utilizados em inúmeros processos industriais. A função de uma secadora é usar processos de transferência de calor para secar sólidos. Existem vários tipos de secadoras. Os secadores adiabáticos utilizam convecção e contato direto com gases para sólidos secos, enquanto os secadores não adiabáticos utilizam métodos que não sejam o contato com gás aquecido para secar¹, incluindo condução, radiação e secagem por radiofrequência¹. Os secadores podem ser usados para processos em lote ou em uso contínuo¹.

Neste experimento, os efeitos da temperatura e da velocidade do ar na taxa de secagem da areia serão determinados usando um secador de bandeja. Três configurações de potência diferentes (1000 W, 1500 W e 2500 W) para duas diferentes taxas de fluxo de ar serão testadas, fornecendo um total de seis conjuntos de dados. A partir destes dados, os coeficientes de transferência de calor e massa podem ser calculados.

Os secadores de bandeja são um tipo de secador de lote, que também incluem secadores de leito fluidificado, secadores congelados e secadores de vácuo. Secadores de bandeja usam transferência de calor convectiva para fluir ar aquecido sobre sólidos para secá-los. Eles são usados por uma variedade de indústrias, incluindo para a produção de produtos farmacêuticos e outros produtos químicos¹. Os secadores contínuos, por outro lado, são comuns às indústrias de produtos de grande volume, como a indústria alimentícia¹.

Para iniciar o processo em uma secadora de bandeja típica, a bandeja é preenchida uniformemente com um sólido molhado, como areia, e carregada no aparelho. O ventilador e o aquecedor ajustáveis da secadora permitem variações contínuas na taxa de fluxo de ar do ventilador através do canal de secagem, e variações de calor em incrementos de 500 watts. À medida que a secadora opera, a água evapora da areia para o ar. A taxa de secagem é então calculada pesando a mistura inicial de água sólida/água e subtraindo o peso do sólido seco final e em vários intervalos cronometrado.

A transferência de calor é impulsionada pela diferença de temperatura entre a areia e o ar circundante. Uma Lei simplificada de Aquecimento de Newton (Equação 1) pode ser usada para modelar a transferência de calor entre o ar aquecido e a interface de ar de areia para obter um coeficiente experimental de transferência de calor. Outros termos de direitos térmicos são insignificantes em comparação com o termo na Equação 1,

Equação 1

onde q é o calor transferido, ṁ é a água evaporada em uma quantidade alocada de tempo ou taxa de evaporação, ∆_{H vap} é o entalpia da vaporização, h_y é o coeficiente de transferência de calor,_{o ar} T é a temperatura_do ar, e T é a temperatura da superfície da areia.

A fim de obter um coeficiente experimental de transferência de massa, a transferência de água da areia para o ar será modelada como transferência de massa fluindo através de um verdadeiro limite de fase. A equação da taxa de secagem (Equação 2) é este modelo.

Equação 2

onde k_y é o coeficiente de transferência de massa, C é a concentração de água, e A é a área superficial do limite. As concentrações de água na areia (C_s) e ar (C∞) serão obtidas utilizando-se um equilíbrio de massa e gráficos psicorométricos, respectivamente. Estes são usados para resolver para a taxa de secagem.

Os valores teóricos podem ser comparados aos dados experimentais através do cálculo dos coeficientes de transferência de calor e massa. Os coeficientes de transferência de calor teórico (Equação 3) e massa (Equação 4) são obtidos das propriedades das substâncias envolvidas a partir de correlações.

Equação 3

Equação 4

onde Re é o número de Reynolds, Pr é o número prandtl, Sc é o número de Schmidt, D_AB é a difundibilidade da água no ar, L é o comprimento, e k é condutividade térmica.

O experimento consistirá em quatro corridas, cada uma testando uma combinação diferente de um de dois ventiladores e configurações de calor.

1. Operação do Secador de bandejas

1. Prepare o chorume misturando 500 g de areia e 150 mL de água e carregue na bandeja experimental para a unidade. Espalhe a mistura uniformemente na bandeja.
2. Com a unidade principal desligada, coloque a bandeja na câmara de secagem.
3. Ligue a unidade principal e ligue o soprador e o aquecedor.
4. Defina a velocidade e a temperatura do ar para cada corrida. As três velocidades de ar devem variar de 0,8 ft/s a 2,0 pés/s (uma alta, média e baixa) com uma temperatura constante em torno de 195 ºF. As três temperaturas devem variar de 130 a 200º F com uma velocidade de ar constante de 1,8 ft/s.
5. Faça medições a cada 5 minutos durante toda a corrida, que deve durar 45 min. Os dados coletados devem incluir temperatura do ar de entrada, temperatura da areia, peso da areia, temperatura do ar de saída, taxa de fluxo de ar de saída, temperatura da lâmpada seca e temperatura da lâmpada molhada. Use os termômetros digitais para leituras de temperatura, ajustes de fluxo de ar para o fluxo de ar, uma escala digital para o peso da areia e um psicorômetro de sling para as temperaturas das lâmpadas úmidas e secas.
6. Repita o processo para cada conjunto de configurações, totalizando quatro corridas únicas.

A partir dos dados coletados, as seguintes informações podem ser obtidas. Use gráficos psicorométricos para determinar a umidade absoluta, o que dá a concentração de água presente no ar. Os coeficientes de transferência de calor podem ser calculados usando as temperaturas medidas e a Equação 1. E, finalmente, a mudança na massa da areia úmida pode ser usada para calcular a concentração de água na areia.

O teor de umidade da areia diminuiu linearmente ao longo do tempo. Como esperado, a taxa de evaporação foi encontrada para aumentar com maior vazão e serviço de calor. De acordo com suas equações, tanto os coeficientes de transferência de calor quanto de massa são diretamente proporcionais à taxa de evaporação na interface areia-ar. Os valores teóricos dos coeficientes de calor e transferência de massa apresentaram forte correlação positiva com R² de 99%. Os valores experimentais só apresentaram uma correlação fraca após o teste.

As relações entre fluxo de ar e taxa de evaporação e entre temperatura e taxa de evaporação aumentaram linearmente (Figura 1, Figura 2). O aumento do fluxo de ar (Figura 1) e o aumento da temperatura (Figura 2) aumentaram a taxa de evaporação. Estes gráficos mostram que quando o fluxo de ar ou a temperatura aumentam e a outra variável é mantida constante, a taxa de evaporação aumentará a uma taxa equivalente e seguirá uma tendência linear positiva. O teste de variação do fluxo de ar foi uma medida de transferência de calor convectiva, enquanto o teste de variação de temperatura foi uma medida de transferência de calor condutivo. A soma dos dois testes mostra que tanto a transferência de calor convectiva quanto a condutiva seguem uma relação linear com a taxa de evaporação.

Figura 1: Representação da relação entre velocidade do ar e taxa de evaporação, que aumentou linearmente.

Figura 2: Representação da relação entre temperatura e taxa de evaporação, que aumentou linearmente.

Há muitas fontes de erro nas medições com as maiores fontes de erro sendo a umidade relativa e a temperatura da interface ar-areia. Além disso, o efeito da velocidade do ar sobre o peso da bandeja foi considerado sem importância, mas é uma fonte de erro. Parte desse erro também pode ter reduzido a correlação dos coeficientes de transferência de calor e massa. Esses coeficientes foram calculados teoricamente e comprovados correlacionados. No entanto, os dados experimentais não mostraram uma tendência significativa, apesar de serem teoricamente semelhantes.

Um secador de bandeja foi usado para medir a taxa de secagem da areia no que diz respeito à transferência de calor convectiva e condutiva. Usando a secadora em três níveis de potência diferentes e duas taxas de fluxo diferentes, foram encontrados seis conjuntos de dados experimentais. As medidas foram tomadas por meio da pesagem da mistura areia/água em intervalos de cinco minutos.

Este experimento fez uso da Lei de Aquecimento de Newton, modelagem da taxa de secagem, e modelagem de transferência de calor e massa. Coeficientes de transferência de calor e massa foram determinados com o uso de um modelo de camada de fronteira. Teoricamente, os coeficientes de transferência de calor e massa mostram uma forte correlação linear positiva. Embora os resultados experimentais também tenham mostrado uma tendência positiva, os dados foram muito imprecisos para mostrar qualquer correlação significativa entre os dois.

A secagem de bandejas pode ser usada em uma variedade de campos. Um desses campos são os farmacêuticos. Nos produtos farmacêuticos, os secadores de bandeja são usados para secar muitos materiais básicos diferentes, incluindo materiais pegajosos, granulares e cristalinos². Muitos plásticos usados em produtos farmacêuticos podem ser secos em secadores de bandeja². Além disso, precipitados, pastas e outras massas molhadas podem ser secas com um secador de bandeja, juntamente com drogas brutas, produtos químicos, pós e grânulos de comprimidos. Até alguns equipamentos são secos nas secadoras². Os secadores de bandeja oferecem muitas vantagens para esta indústria, uma vez que são usados para lotes, que podem variar de tamanho e serem manuseados sem perdas². As secadoras também são prontamente ajustadas para acompanhar outros materiais de forma eficiente². Em alguns casos, secadores de bandeja no vácuo são usados para secar produtos sensíveis ao calor, como vitaminas².

Secadores de bandeja também são usados no processamento de alimentos³. Os alimentos podem ser espalhados finamente e uniformemente nas bandejas para secar³. Dependendo do tipo de alimento, a secagem pode ser realizada aquecendo com o ar movendo-se através das bandejas, condução de bandejas ou prateleiras aquecidas, ou radiação formar outras superfícies aquecidas³. O ar pode ser usado com o benefício adicional de remover vapores úmidos, embora isso possa ser um problema para alguns alimentos³.