TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR RESFRIAMENTO RADIAL EM SUCOS DILUÍDO E CONCENTRADO

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1 TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR RESFRIAMENTO RADIAL EM SUCOS DILUÍDO E CONCENTRADO Rosana Araújo Cruz 1 (PVIC), Anna Carolina O. Martins 1 (PVIC), Rosilayne M. Oliveira Trindade 1 (PVIC), Thaís Rodrigues de Oliveira ¹ (PVIC), Orlene da Silva Costa 2 Universidade Estadual de Goiás -UEG Unidade Universitária de Ciências Exatas e Tecnológicas, , Anápolis (GO), Brasil. PALAVRAS CHAVES: transferência de calor, sucos 1 INTRODUÇÃO A goiaba é uma fruta originária da região tropical das Américas, cultivada em mais de 50 países, constituindo uma das mais importantes matérias-primas para a indústria de sucos, polpas e néctares, onde o Brasil é o segundo produtor mundial (EVANGELISTA; VIEITES, 2006). Transporte de calor (energia) se dá pela diferença de temperatura entre corpos. Essa energia será transmitida quando dois sistemas com temperaturas diferentes são colocados em contato. Na condução térmica o calor passa de uma parte a outra de um mesmo meio, ou entre meios que estão em contato físico com o outro. O resfriamento de líquidos provoca a formação de correntes convectivas, por isso a transmissão por condução em líquidos é acompanhada por convecção ( INSTITUTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA UFRGS, 2010). O resfriamento trata-se de uma transferência de calor, pelo decaimento da temperatura entre um corpo de maior temperatura para com outro de temperatura inferior, sendo este fenômeno prosseguido até que se atinja o equilíbrio térmico entre os corpos. Como finalidade, a operação de resfriamento consiste no abaixamento da temperatura do produto, para retardar as reações químicas e a atividade enzimática, bem como para retardar ou inibir o crescimento e a atividade dos microrganismos nos alimentos. A refrigeração é normalmente utilizada como operação suplementar a alguma outra forma de conservação, a temperatura de refrigeração é normalmente entre 5 e 10º C, e pode varia em função do produto e do tempo de prateleira desejado (SOUZA, 2007). Em 1701, quando tinha quase 60 anos, Newton publicou anonimamente um

2 artigo intitulado Scala Graduum Caloris [Newton 1701], em que descreve um método para medir temperaturas de até 1000º C, algo impossível aos termômetros da época. O método estava baseado no que hoje é conhecido como a lei do resfriamento de Newton, expressa matematicamente por dt KTT a dt Eq. 01: Lei do resfriamento de Newton Onde T é a temperatura do corpo, t é o tempo, k é uma constante e T a é a temperatura ambiente. A Eq.(01) modela o fato da diminuição da temperatura de um corpo sendo proporcional à diferença de temperaturas entre o corpo e o ambiente, tão logo se este objeto estiver a uma temperatura mais alta do que a sua vizinhança perderá calor para o ambiente e esfriará (SOUZA, 2007). A lei do resfriamento de Newton afirma que, para pequenas diferenças de temperaturas, a taxa de resfriamento é aproximadamente proporcional a diferença de temperatura, caso contrário, quando a diferença de temperatura é muito alta, a radiação térmica passa a ser importante, deixando esta ter caráter de transferência de calor por condução, ou convecção forçada quando este, experimento sofre com a ação do vento, realizado em ambientes abertos, sob eventuais interferências (SOUZA, 2007). 2 OBJETIVO O presente trabalho teve como objetivo, avaliar a capacidade de resfriamento térmico de sucos concentrados e diluídos, por meio da transmissão de calor por condução, em regiões de diferentes temperaturas, sob o uso de uma superfície cilíndrica contendo o suco, presente em uma cuba com o gelo exposto ao ar livre, observando-se o resfriamento radial do liquido. 3 MATERIAL E MÉTODOS O sistema de resfriamento foi construído por um recipiente cilíndrico metálico de 18,7 cm de diâmetro, 1,52 mm de espessura da parede e 5,1 cm de altura, isolado termicamente nas partes superior e inferior com uma camada de isopor de

3 2,5 cm de espessura, de forma que o resfriamento ocorresse radialmente. Na parte superior foram colocados quatro termômetros da parte mais externa até o centro e com distância de 2,33 cm um do outro. Para o suco diluído, a densidade média experimentalmente com densímetro foi 1.10 gml -1 à temperatura de 25ºC e para o suco concentrado a densidade medida foi 1,35 gml -1 na mesma temperatura. No recipiente cilíndrico foram adicionados 1000 ml do suco diluído. Em seguida, fez-se o isolamento na parte superior e colocou o recipiente em contato com uma cuba de gelo a temperatura de 0ºC, a partir deste instante iniciou-se a contagem de tempo e a observação da variação da temperatura. O mesmo procedimento foi realizado com o suco concentrado. Na figura 1 pode-se observar o sistema de resfriamento utilizado para realizar as medidas. Figura 1: sistema de resfriamento 4 RESULTADOS E DISCURSSÃO Neste experimento considerou-se apenas o resfriamento por condução, já que as fontes de convecção e radiação foram consideradas desprezíveis. Os resultados do resfriamento para o suco concentrado e diluído podem ser observados nos gráficos ilustrados nas Figuras 1 e 2, respectivamente.

4 Figura 1: Perfis de temperatura em função do tempo para o suco concentrado. Figura 2: Perfis de temperatura em função do tempo para o suco diluído. Ao avaliar os gráficos percebe-se que no período de 60 minutos a temperatura do suco diluído começa a cair antes do suco concentrado. No suco diluído a primeira variação de temperatura no R1 ocorre após 3 minutos de resfriamento e no suco concentrado a primeira variação de temperatura no R1 ocorre após 5 minutos de resfriamento. No R1 de ambos os sucos, o que se observa é que a variação de temperatura ocorre em pouco tempo, e isto está diretamente

5 relacionado com a proximidade que os raios estão da fonte de resfriamento. Nos termômetros dispostos nos raios mais distantes o que se percebe é que é necessário um maior tempo de resfriamento para que comece a variar a temperatura nos raios mais internos. No R4, que é o raio mais interno e consequentemente o mais distante da fonte de resfriamento, para ambos os sucos o resfriamento ocorre de forma lenta e branda. Porém para o suco concentrando a variação da temperatura em todos os raios ocorre de forma mais discreta e demorada que no suco diluído, e isso está diretamente relacionado com a quantidade de polpa de goiaba contida em cada suco, sendo que no concentrado tem maior concentração de polpa de goiaba e o resfriamento é mais lento, pode-se concluir que a polpa de goiaba leva maior tempo para atingir a mesma temperatura da água, sendo ainda seu ponto de congelamento -18ºC. Ainda avaliando este fato, no suco diluído onde se tem maior quantidade de água o resfriamento ocorre de forma mais rápida, pois neste caso ocorre maior influencia das propriedades da água. Ao avaliar os resultados percebe-se um comportamento semelhante para ambos os sucos, o que os diferencia é a concentração de cada suco onde se tem maior influencia das propriedades da água para o diluído e maior influencia das propriedades da goiaba para o concentrado. Para ocorrer o resfriamento nos raios mais internos é necessário ocorrer difusividade térmica nos sucos, já que a parte interna não está com contato direto com a fonte de resfriamento. Avaliando as curvas dos gráficos 1 e 2 o que se tem são curvas decrescentes para todos os raios. Para o R1 de ambos os sucos tem-se curvas lineares, estando de acordo com a lei de Newton que diz que para resfriamentos brandos a curva é linear, pois neste caso o liquido está em contato com a fonte de resfriamento. Nos raios R2, R3, R4 de ambos o sucos o comportamento das curvas de resfriamento não é linear, isto está diretamente relacionado com o fato do suco contido nestas posições não está contato direto com a fonte de resfriamento, nestes caso o que ocorre é uma difusividade térmica, que é uma propriedade que indica quão rapidamente o corpo se ajusta por inteira a temperatura do seu entorno. Nesta faixa de temperatura temos que a difusividade térmica da água corresponde a 1,45x10-7 m 2 s -1, que segundo PINTO (et al., 2009) a difusividade térmica da goiaba é de 1,39x10-7 m 2 s -1. Sabendo que materiais de baixa difusividade retardam a transferência de variações externas de temperatura, a partir disso é possível concluir que no suco

6 concentrado o resfriamento foi mais lento e brando devido ao fato da difusividade térmica da goiaba ser menor que a da água. Já no suco diluído o resfriamento ocorreu de forma mais rápida e eficaz, e isto e devido ao fato dele sofrer maior influência das propriedades da água, como a difusividade térmica, sendo mais elevada que a da goiaba, o resfriamento no suco diluído ocorre de forma mais rápida e eficiente, se assemelhando ao comportamento da água. 5 CONCLUSÃO Devido à diferença entre a difusividade térmica da água e da goiaba, o que se observou foi uma diferença entre o tempo de congelamento entre os sucos diluído e concentrado, percebeu-se também que para ambos os sucos teve-se maior dificuldade de resfriar o suco no centro do recipiente. A partir destas observações e possível concluir que para o resfriamento de uma polpa concentrada é necessário um maior período de tempo e uma menor temperatura, já que a goiaba tem uma baixa difusividade térmica dificultando o equilíbrio do sistema com o meio. Para o suco diluído o que se tem é um resfriamento mais rápido, devido a maior difusividade térmica da água o que facilita o equilíbrio do sistema com o meio. Do ponto de vista industrial torna-se mais caro resfriar um suco concentrado, já que este deve ser submetidos a temperaturas mais baixas por um maior período de tempo. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS EVANGELISTA, R. M.; VIEITES, R. L. Avaliação da qualidade da pola de goiaba congelada, na cidade de São Paulo. 6 f. Segurança Alimentar e Nutricional, Campinas, 13(2): 76-81, INSTITUTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA UFRGS. Operações Unitárias/Refrigeração. Disponível em: < Acessado em 18/06/2010. SOUZA, L. F. Um experimento sobre a dilatação térmica e a lei de resfriamento f. Monografai de Conclusão de Curso Licenciatura em Física, Departamento de Física da Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2007.

7 PINTO, P. M.; et al. Efeito do 1-MCP na qualidade das pós colheita de goiabas 'Pedro Sato' minimamente processadas. Anais do XII Congresso Brasileiro de Fisiologia Vegetal, Fortaleza, v. 12, n. 720, Trabalho apresentado no XII Congresso Brasileiro de Fisiologia Vegetal Desafios para a produção de alimentos e bioenergia, Fortaleza, Ceará, 2009.

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