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Title in Portuguese: Modelagem e simulação do processo de secagem convectiva utilizando modelo diferencial difusivo-convectivo resolvido pelo método numérico dos volumes finitos
Title: Modeling and simulation of process of drying convective using differential model diffusive - convective solved by method of numerical finite volumes
Author: Magalhães, Madson Linhares
Advisor(s): Fernandes, Fabiano André Narciso
Co-advisor(s): Cartaxo, Samuel Jorge Marques
Keywords: Engenharia química
Python (Linguagem de programação de computador)
Massa - Transferência
Secagem
Issue Date: 22-Mar-2016
Citation: MAGALHÃES, M. L. Modelagem e simulação do processo de secagem convectiva utilizando modelo diferencial difusivo-convectivo resolvido pelo método numérico dos volumes finitos. 2016. 61 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química)–Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2016.
Abstract in Portuguese: O consumo de energia é um fator determinante na viabilidade de qualquer processo industrial. A desidratação térmica é responsável por um alto consumo de energia térmica. Em países desenvolvidos, o consumo da energia da indústria nacional é atribuído, em média, entre 9-25% a desidratação térmica. Assim, o estudo do processo de secagem se mostra bastante promissor. Em produtos biológicos, a secagem tem uma importância específica, a conservação do produto, pois a matéria orgânica do produto e a água presente nele torna este um local propício para a proliferação de micro-organismos que irão deteriorar o produto, tornando-o inapropriado para consumo. Neste trabalho, realizou-se a modelagem e simulação do processo de secagem convectiva utilizando modelo diferencial difusivo-convectivo resolvido pelo método numérico dos volumes finitos para predizer o comportamento do conteúdo de umidade médio durante a secagem de cubos, definir os coeficientes de transferência de massa molecular e convectivo e encontrar os perfis do conteúdo de umidade no interior do sólido. Para avaliar a influência das resistências interna e externa, o número de Biot de Massa foi obtido. A implementação dos modelos deste trabalho foi realizada na ferramenta livre Python® utilizando seus módulos científicos de resolução de equações diferenciais. Esta ferramenta foi utilizada porque é livre, implementação simples, quando comparada com outras linguagens e possui alta performance nas simulações. Como estudos de caso, utilizaram-se dados experimentais da secagem convectiva assistida por ultrassom de cubos de maçã (Malus domestica L. var Royal Gala) com 8 mm de aresta nas seguintes condições operacionais: velocidades de secagem: 1, 2, 3 e 5 m/s; temperatura do ar de secagem: 45 °C e 60 °C; presença e ausência de ultrassom durante a secagem; presença e ausência de etapa de pré-tratamento com ultrassom. Os cubos de maçã dos experimentos tinham, em média, 25±1 g. A secagem foi realizada até que as amostras perdessem 80% da massa inicial. Os parâmetros, difusividade e coeficiente de transferência de massa, foram ajustados por regressão não linear pelo método de Levenberg-Marquardt. Os resultados obtidos nas simulações mostraram que o modelo implementado é promissor, pois representa bem o processo. Os valores obtidos da difusividade e coeficiente de transferência de massa foram plausíveis. Analisou-se a influência da velocidade do ar de secagem, da temperatura, da assistência do ultrassom no processo e da utilização de uma etapa de pré-tratamento com ultrassom no processo de secagem.
Abstract: The consumption of energy is a main factor that determines the viability of any industrial process. Thermal dehydration is responsible for a high consumption of energy. In developed countries, 9 to 25% of the energy consumption of the national industry is attached to thermal dehydration. Thus, studying the dehydration process shows itself very promisor. In biological products, dehydration has a specific importance, the product conservation. The organic matter of the product and its water create a propitious medium for microorganisms proliferation that will deteriorate the product, making the product inappropriate for consumption. In this work, the modeling and simulation of a convective dehydration process using a diffusive-convective differential model solved by the finite volumes numeric method for predicting the behavior of the mean moisture content during the dehydration, defining molecular mass transfer and convective coefficients, and drawing moisture profiles of the interior of the solid. To evaluate the influence of internal and external resistances, the mass transfer Biot number was obtained. The implementation of the models of this work were made in Python® using its scientific models for solving differential equations. This tool has been utilized because it is open source, has simple implementation when compared to other programming languages and has performance when performing simulations. As study of cases, experimental data of assisted convective dehydration by ultrasound of apple (Malus domestica L. var Royal Gala) cubes with 8 mm under the following operation conditions: 1, 2, 3 and 5 m/s for dehydration velocities, air flow temperature of 45ºC and 60ºC, presence and absence of ultrasound during the dehydration process and presence and absence of the pre-treatment with ultrasounds. The apple cubes of the experiments have 25 ±1g of mass. The dehydration has been performed until the removal of 80% of the initial mass of the cubes. The parameters, diffusivity and mass transfer coefficient, have been adjusted by Levenberg-Marquardt non-linear regression method. The results obtained in the simulations showed that the implemented model is very promisor, because it represents accurately the process. The values for diffusivity and mass transfer coefficient herein obtained were plausible. The influence of the air flow velocity, temperature and ultrasounds assistance and ultrasounds pre-treatments have been analyzed.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/16512
metadata.dc.type: Dissertação
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