PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II. Parte 2. Secagem - Drying 29/8/18

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1 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Parte 2 Secagem - Drying 29/8/18

2 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Condições externas e internas de secagem

3 Condições externas e internas de secagem PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II 1. Condições externas de secagem condições que não se relacionam com a estrutura do sólido a secar. -Temperatura - Umidade relativa do ar -Velocidade de circulação do ar -Forma física do sólido - Suporte do sólido durante a operação As Condições Externas de Secagem são particularmente importantes nas etapas iniciais de secagem remoção da umidade livre Durante a remoção da umidade estabelece elevado gradiente de umidade entre o interior e a superfície do sólido aparecimento de tensões que podem causar a fissuração e a deformação dos produtos o que fazer? A velocidade de secagem deve ser convenientemente ajustada, diminuindo a velocidade de evaporação da superficial Como?

4 Condições externas e internas de secagem PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Variação da umidade com a distância da superfície na secagem de peças cerâmicas

5 Condições externas e internas de secagem PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II 2. Condições internas de secagem características do sólido influencia a cinética da secagem dos produtos cerâmicos transferência de calor para o sólido úmido gradiente de temperatura no sólido migração da umidade do interior para a superfície do sólido mecanismos de: Difusão Escoamento capilar Pressões internas associadas retração devido a secagem O conhecimento do movimento interno da umidade é muito importante, principalmente quando esse controla o processo

6 Condições externas e internas de secagem PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II 2. Condições internas de secagem Secagem é um processo complexo que envolve a transferência simultânea de calor e massa Para projetar, otimizar e controlar o funcionamento dos secadores, é necessário recorrer a modelos para descrever o processo de secagem muito trabalho de pesquisa melhorar o empirismo Qualquer modelo, que pretenda descrever o processo de secagem, incorpora um conjunto de parâmetros associados às propriedades termodinâmicas e de transporte dos materiais a secar difusividade efetiva da umidade; condutividade térmica efetiva; coeficientes peliculares; constante de secagem; conteúdo de umidade no equilíbrio relacionadas com a transferência de massa e calor no interior do sólido relacionadas com a transferência de massa e calor no exterior do sólido

7 Condições externas e internas de secagem PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Propriedades de transporte na secagem de sólidos difusividade efetiva da umidade Depende: Umidade Temperatura Estrutura do material t X 2 D X 2ª Lei de Fick D é a difusividade efetiva (m 2 /s) X é a umidade do sólido (kg/kg de sólido seco) t é o tempo (s) 2 Difusão molecular Escoamento capilar Escoamento de Knudsen Difusão superficial é o operador laplaceano Descreve a variação da distribuição de umidade com o tempo, ou seja, o movimento da umidade no interior do sólido A dependência da T pode ser descrita pela equação de Arrhenius D = D 0 exp.(-e/rt) D( X, T) D 0 T T 0 a T X X 0 a X Para alguns materiais tijolo para construção civil

8 Condições externas e internas de secagem PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Propriedades de transporte na secagem de sólidos difusividade efetiva da umidade Para sólidos porosos, além da umidade e da temperatura, outros fatores podem influenciar: Fração de vazios Morfologia e distribuição dos poros Efeito da umidade e da temperatura na difusividade da umidade em um tijolo de argila Fonte: Fonseca Tabelas mostram valores de difusividade para vários materiais

9 Condições externas e internas de secagem 2. Condições internas de secagem PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Fonte: Fonseca

10 Condições externas e internas de secagem PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II 2. Condições internas de secagem - condutividade térmica efetiva Condutividade térmica de um material mede a sua capacidade para conduzir calor e pode ser definida pela equação de Fourier. T t k C p k C p 2 T Equação de Fourier Difusividade térmica k é a condutividade térmica (kw/m.k) O estudo desse parâmetro é muito importante quando a secagem é por condução e este processo controla a velocidade de secagem Efeito da geometria - modelos Efeito da geometria na condutividade térmica de materiais heterogêneos, usando modelos estruturais Fonte: Fonseca

11 Condições externas e internas de secagem PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II 2. Condições internas de secagem - condutividade térmica efetiva A estimativa teórica da condutividade térmica nos sólidos, a partir de dados termofísicos e de propriedades moleculares, não tem tido sucesso. Usualmente a condutividade térmica é determinada experimentalmente, para cada caso, dado o grande número de fatores que não podem ser medidos ou pré-estabelecidos Fonte: Fonseca

12 Condições externas e internas de secagem PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Técnica do fio quente para medida da condutividade térmica

13 Condições externas e internas de secagem PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II 2. Condições internas de secagem Coeficientes peliculares de transferência de calor e massa O coeficiente de transferência de calor entre fases relaciona-se com a transferência de calor através de uma película, relativamente imóvel, de ar em circulação, que se admite ser aderente a superfície do sólido, durante a secagem é o fator de proporcionalidade da equação de Newton Q = h H A (T A -T) Equação de Newton Q velocidade de transferência de calor (kw) h H coeficiente superficial de transferência na interface gás-sólido (kw/m 2 K) A área efetiva de transferência (m 2 ) T A temperatura seca do gás (K) T temperatura do sólido (K) Fonte: Fonseca

14 Condições externas e internas de secagem PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II 2. Condições internas de secagem Coeficientes peliculares de transferência de calor e massa Q = h H A (T A -T) Velocidade do ar (m/s) Coeficiente de transferência de calor em função da velocidade do ar para alguns tipos de secadores Fonte: Fonseca

15 Condições externas e internas de secagem PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II 2. Condições internas de secagem Coeficientes peliculares de transferência de calor e massa Por analogia, o coeficiente pelicular de transferência de massa pode ser definido pela seguinte equação J = h M A (Y A Y AS ) J é a velocidade de transferência de massa (kg/s) h M é o coeficiente pelicular de transferência de massa na superfície arsólido (kg/m 2 s) A é a área efetiva de transferência (m 2 ) Y AS é a umidade na interface ar-sólido (kg/kg) Y A umidade do ar (kg/kg) Fonte: Fonseca

16 Condições externas e internas de secagem PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II 2. Condições internas de secagem Coeficientes peliculares de transferência de calor e massa Coeficiente de transferência de massa em função da velocidade do ar para alguns tipos de secadores Fonte: Fonseca

17 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II 2. Condições internas de secagem constante de secagem combinação das propriedades anteriores (condutividade térmica efetiva, Coeficientes peliculares de transferência de calor e massa) dx dt K X X Para placas X é a umidade média do material (kg/kg) X* é a umidade de equilíbrio com o ar de secagem (kg/kg) t é o tempo (s) D é a difusividade (m 2 /s) L é espessura da placa (m) K depende da geometria K D 2 L K é muito importante para efeito de projeto e otimização de secadores Fonte: Fonseca

18 Resumo PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II - temperatura - umidade relativa do ar - forma física do sólido Velocidade de secagem difusividade efetiva da umidade - condutividade térmica efetiva - constante de secagem - conteúdo de umidade no equilíbrio sólido com elevada densidade aparente baixa porosidade poros pequenos A velocidade de secagem deixa de ser dependente de q mais dependente da difusão e passa a ser

19 Exemplos de secadores PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II

20 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Sistemas de secagem - equipamentos industriais de secagem cerâmica quanto ao fluxo: - contínuos - intermitentes tipo de produto leva em conta - secadores para produtos cerâmicos estruturais (barro vermelho, por exemplo) - secadores para pavimentos e revestimentos - secadores de louça - etc - quantidade de produtos - forma

21 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II

22 Estufas com tiragem de ar natural - DEMAR PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II

23 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Rubens Alves Junior

24 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Sistemas de secagem Ar Exaustão Secador a vagonetas duplos: (A) duto de entrada do ar, (B) duto de exaustão do ar, com registro, (C) ventilador de hélice com inclinação ajustável de 1 a 15 HP, (D) motor do ventilador, (e) aquecedores aletados, (F) câmara de vento, (G) bocais ajustáveis para os jatos de ar, (H) vagonetas de bandejas, (J) chicanas de reversão Perry.

25 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Sistemas de secagem fornos contínuos Peças úmidas e frias contatam o ar com umidade relativa elevada e baixa temperatura Baixas velocidades de secagem Ótimo para peças com umidades superiores à umidade crítica

26 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Sistemas de secagem fornos contínuos Ar seco com temperatura elevada contata diretamente com as peças frias e úmidas Elevadas velocidades de secagem Pode produzir fissuras nas peças

27 Sistemas de secagem PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II

28 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Na maioria dos casos, os secadores de bandeja operam de modo descontínuo e têm a desvantagem de não secar o produto uniformemente, dependendo se sua posição no secador, havendo a necessidade de girar as bandejas durante o processo de secagem para obter-se a uniformidade no processo Fonte: Dias, Leandro Gonçalves - Universidade Federal de São João del Rei

29 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem em fornos de microondas

30 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Interações microondas/materiais Microondas são ondas eletromagnéticas com faixa de frequência no espectro de energia de 0,3 a 300 GHz, correspondendo ao intervalo de comprimento de onda de 1 m a 1 mm R. R. Menezes, P. M. Souto, R. H. G. A. Kiminami, Sinterização de cerâmicas em microondas. Parte I: Aspectos fundamentais. Cerâmica 53 (2007) 1-10

31 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Interações microondas/materiais Microondas são ondas eletromagnéticas com faixa de frequência no espectro de energia de 0,3 a 300 GHz, correspondendo ao intervalo de comprimento de onda de 1 m a 1 mm D. Agrawal, The Pennsylvania State University, USA

32 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Figura 2.12 Esquema de um forno de microondas. Fonte: Dias, Leandro Gonçalves - Universidade Federal de São João del Rei

33 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Comparação da secagem de uma argila pura em estufa convencional e com microondas Fonte: Dias, Leandro Gonçalves - Universidade Federal de São João del Rei

34 Fornos intermitentes a gás PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II

35 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Dimensionamento de secadores Questões básicas do dimensionamento: Quanto tempo durará a secagem? Quais as dimensões do secador? Qual o consumo energético no processo?

36 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Dimensionamento de secadores 3 situações distintas: 1. Necessidade de selecionar o tipo e tamanho de secador para secar determinado produto e de otimizar os custos de investimento e de operação Ferramentas: experiência industrial trabalhos experimentais novas tecnologias 2. Necessidade de conhecer as condições de funcionamento de um secador em operação, ou avaliar a sua capacidade para tratamento de um novo produto Ferramentas: Idem a 1, mas para um determinado tipo de secador 3. Necessidade de conhecer e otimizar as condições de funcionamento de um secador em operação Ferramentas: É mais frequente experiência e responsabilidade do operador na condução do processo fabril

37 Processo básicos de cálculo na secagem PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Variáveis presentes no estudo de um secador - Fluxo de material seco - Umidade do solido Entrada Saída - Temperatura do sólido Entrada Saída - Gás que entra no secador - Gás que sai do secador É reciclado? Umidade Temperatura Fluxo Umidade Temperatura Ferramentas Base de dados experimentais ROBUSTA EXPERIENCIA OBS: apenas cálculos teóricos a probabilidade de êxito é muito pequena Para projetar o secador, torna-se necessário determinar as variáveis desconhecidas

38 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Cálculo de um secador (somente uma breve discussão) Para calcular um secador precisa-se fazer balanços de massa e de energia que permite conhecer e otimizar os consumos energéticos associados ao funcionamento das instalações de secagem. 12/9/18

39 umidade do sólido temperatura do material umidade absoluta do gás temperatura do ar úmido Processo básicos de cálculo na secagem PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II fluxo mássico de gás seco umidade do sólido temperatura do material massa do sólido seco tempo de residência temperatura do ar seco fluxo mássico de sólido seco umidade absoluta do gás Variáveis envolvidas no funcionamento de um secador - Fonseca entra = sai + retido

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41 Alguns parâmetros importantes para a escolha de um secador Comparar as vantagens e desvantagens dentre as várias alternativas disponíveis tomando em conta tanto o ponto de vista técnico como o econômico Precisam-se de muitas informações fundamentais que variam entre os estudiosos no assunto, embora um conjunto delas sejam comuns entre eles: 1 - Produção Produtividade em termos da massa seca (ex: kg /h); Fonte de matéria-prima (extrusão, colagem, prensagem, injeção): Se o processo anterior à secagem dá-se em batelada ou contínuo. Se em batelada, estabelecer as quantidades de cada batelada e a frequência com que é reposta. PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Adaptado de:ciênc. Tecnol. Aliment., Campinas, 25(2): , abr.-jun. 2005

42 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Alguns parâmetros importantes para a escolha de um secador 2 - Propriedades físicas da matéria-prima Fonte de matéria-prima; Estágios de secagem anteriores; Método para alimentação do secador; Dimensão aproximada da carga; 3 - Especificações do produto seco: Umidade desejada no produto final; Dimensões das peças; Máximo percentual de impregnação aceito no produto final. 4 - Dados de secagem disponíveis: Detalhamento dos testes em planta piloto; Detalhamento da performance de materiais semelhantes em escala real; Adaptado de:ciênc. Tecnol. Aliment., Campinas, 25(2): , abr.-jun. 2005

43 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Alguns parâmetros importantes para a escolha de um secador 5 - Local de operação Disponibilidade de fontes de calor (energia elétrica, gás, óleo e outros combustíveis); Detalhes do fornecimento de energia elétrica; Necessidades da purificação do ar de secagem e resfriamento; Necessidade de remoção do odor dos gases liberados para a atmosfera; Restrições de espaço; Facilidades para a supervisão do processo e manutenção; Disponibilidade de equipamentos para controle e manutenção. Adaptado de:ciênc. Tecnol. Aliment., Campinas, 25(2): , abr.-jun. 2005

44 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Alguns parâmetros importantes para a escolha de um secador Para finalizar, mais algumas perguntas a serem respondidas O material úmido é de difícil manuseio? O aquecimento indireto é necessário para impedir a contaminação do material pelos gases da queima? A taxa de secagem será limitada pela difusão interna? Algum material específico é necessário para as faces em contato com o material? O aquecimento indireto é necessário para impedir a contaminação do material pelos gases da queima? Adaptado de:ciênc. Tecnol. Aliment., Campinas, 25(2): , abr.-jun. 2005

45 PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Exercício: Quanto tempo uma estufa de 1750 W e 220 V leva para aquecer de 20ºC para 100ºC? Massa a aquecer Capacidade térmica dos materiais Condutividade térmica dos materiais Perdas térmicas devido a isolação outros

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