Tese
Análise da modelagem, simulação e otimização da secagem em leito deslizante com escoamentos paralelos
Registro en:
PFEIFER, Adriene Artiaga. Análise da modelagem, simulação e otimização da secagem em leito
deslizante com escoamentos paralelos. 2011. 237 f. Tese (Doutorado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2011.
Autor
Pfeifer, Adriene Artiaga
Institución
Resumen
The Brazilian soybean production increases every year, and its stored in safe places so
as to meet future demands, or unsuccessful crops. The drying process must reduce the
moisture content and maintain the physical and physiological qualities (seeds fissures,
germination and vigor), especially when the objetive is to replant. The technique of
sliding bed proves to be a safe alternative for the maintenance of seed quality and
reduction of moisture in less time. The literature presents several studies on differents
configurations of flow between the solid and fluid, and the operating variables that
influence the quality of soybean seeds. Empirical functions are used to represent the
germination, vigor and non-fissured seeds indices as functions of drying variables, which
are: the interstitial air velocity, inlet air inlet temperature, solids flow rate and inlet
relative humidity. Another method to reduce the damage on the soybean seed is to
divide the bed of the dryer in stages, generating a multi-stage dryer. The mathematical
model that describes the transfer of mass and energy in sliding bed dryers are widely
reported in the literature. Associated with this model, the equations of the quality
indices, in addition to the constitutive equations for the coefficient of heat transfer
between the two phases, the drying kinetics and equilibrium moisture content in the
solid material. The modeling and simulation of the models presented in the literature
need to be better studied. To this end, this thesis examine the modeling, simulation
and optimization of energy and mass transfer between air and soybean seeds in parallel
flow sliding bed, searching for satisfactory conditions that promote the maintenance
of seed quality and better removal rates moisture. In addition, the modeling sought to
improve the agreement between the models used and the experimental data obtained in
the literature. The mathematical model generated five general models, which proposed
the change in physicochemical properties (Cpf , Cpv, Cpl and Cps) constants or not,
variation of the porosity of the bed and the velocity profile, and these have provided
important data for the analysis of the drying model. According to the simulations, the
results showed agreement in relation to those models that considered the property of
the solid specific heat (Cps) constant. This property was represented by an equation that was a function of moisture from the solids, whereas other properties were explicit
functions of temperature. Overall, it was observed that the physico-chemical profile
and porosity influence the velocity profiles of humidity and temperature of the solid
and fluid for all experiments, confirming that the assumptions made in each model
generates significant changes in drying results. The computational fluid dynamics
proved to be of great help to verify the effect of wall profiles of porosity and fluid
velocity, confirming that the assumption of flat velocity profile of fluid phase in twophase
model is not valid in the range of air analysis. Regarding the study of the
quality of soybean seeds, and index of germination, vigor and seeds without cracking
and drying performance, it was observed that the strategy to transform a conventional
sliding bed dryer on a multi-stage dryer is proved quite satisfactory in relation to the
elevation of the potential for drying and maintaining the quality of seeds. The study
of optimization of the dryer through the technique of Differential Evolution, obtained
optimum operational conditions that maximize the quality indices or the removal of
moisture. Thus, this thesis has generated data from simulation and optimization that
can be used to improve the models already presented in the literature and thus provide
for the construction and improvement of dryers, and optimal experimental conditions
to study the sliding bed drying. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Doutor em Engenharia Química A produção brasileira de soja aumenta a cada ano, sendo armazenada em lugares seguros
de modo a suprir demandas futuras ou colheitas mal sucedidas. O processo de
secagem deve reduzir o teor de umidade e manter as qualidades físicas e fisiológicas
(fissuras, germinação e vigor), principalmente quando o objetivo é o replantio. A técnica
do leito deslizante demonstra ser uma alternativa segura para a manutenção da
qualidade das sementes e redução da umidade em menor tempo. A literatura apresenta
diversos estudos sobre as configurações do escoamento entre o sólido e o fluido, e
as variáveis operacionais que influenciam na qualidade das sementes de soja. Funções
empíricas são utilizadas para representar os índices de germinação, vigor e de sementes
sem fissuras como funções das variáveis de secagem, sendo as mais comumente analisadas:
a velocidade intersticial do ar, temperatura de entrada do ar, vazão de sólidos e
umidade relativa do ar de entrada. Uma forma de reduzir o desgaste das sementes de
soja é dividir o leito do secador em estágios, gerando um secador de múltiplos estágios.
A modelagem matemática que descreve a transferência de massa e energia em secadores
de leito deslizante são largamente apresentados na literatura. Associa-se a este modelo,
as equações dos índices de qualidade, além das equações constitutivas para o coeficiente
de transferência de calor entre as duas fases, a cinética de secagem e o conteúdo
de umidade no equilíbrio do material sólido. Verifica-se que a modelagem e a simulação
dos modelos apresentados na literatura necessitam ser melhor estudadas. Para
isso, esta tese buscou analisar a modelagem, simulação e otimização da transferência
de massa e energia entre o ar e sementes de soja em leito deslizante com escoamentos
paralelos, buscando encontrar condições satisfatórias que promovam a manutenção
da qualidade das sementes e melhores taxas de remoção de umidade. Além disso, a
modelagem buscou melhorar a concordância entre os modelos utilizados e os dados
experimentais obtidos na literatura. A modelagem matemática generalizada gerou 5
modelos, que propunham a variação das propriedades físico-químicas (Cpf , Cpv, Cpl e
Cps) constantes ou não, variação da porosidade do leito e do perfil de velocidade, e estes
forneceram dados importantes para a análise do modelo de secagem. De acordo com assimilações, os resultados apresentaram concordância em relação aqueles modelos que
consideravam a propriedade calor específico do sólido (Cps) constante. Esta propriedade
foi representada por uma função da umidade do sólido, enquanto que as outras
propriedades eram funções explícitas da temperatura. De forma geral, foi observado
que as propriedades físico-químicas, perfil de porosidade e de velocidade influenciam
nos perfis de umidade e temperatura do sólido e do fluido, para todos os experimentos
realizados, confirmando que as hipóteses adotadas em cada modelo geram modificações
significativas nos resultados de secagem. A fluidodinâmica computacional mostrou-se
de grande ajuda para a verificação do efeito da parede nos perfis de porosidade e velocidade
do fluido, confirmando que a suposição de perfil plano de velocidade da fase
fluida, no modelo a duas fases, não é válida na faixa de ar analisada. Em relação ao
estudo da qualidade das sementes de soja, quanto aos índices de germinação, vigor e
sementes sem fissuras, e do desempenho de secagem, observou-se que a utilização do
secador de múltiplos estágios é bastante satisfatória em relação `a elevação do potencial
de secagem e manutenção da qualidade das sementes. O estudo da otimização do
secador, por meio da técnica de Evolução Diferencial, obteve condições operacionais
ótimas que maximizam os índices de qualidade ou a remoção de umidade. Assim, esta
tese gerou dados de simulação e otimização que poderão ser utilizados para a melhoria
dos modelos já apresentados na literatura e consequentemente, fornecer informações
para a construção e melhoria de secadores, além de condições experimentais ótimas
para o estudo da secagem em leito deslizante.