COMPARAÇÃO ENTRE TÉCNICAS NUMÉRICAS PARA A RESOLUÇÃO DO PROBLEMA DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM ALIMENTOS ENLATADOS

Este trabalho apresenta a comparação das técnicas de resolução numérica de Diferenças Finitas e Runge-Kutta-Gill de 4a ordem com passo de integração variável para a simulação do modelo de transferência de calor em regime transiente bidimensional em coordenadas cilíndricas e unidimensional em coordenadas esféricas, aplicado a alimentos enlatados processados em autoclave, observando-se a rapidez e a precisão de integração comparados aos perfis reais de tempo/temperatura, incluindo desvios de processo. Além disso, uma análise de sensibilidade paramétrica na difusividade térmica foi realizada na tentativa de quantificar a influência que essa propriedade possui na resolução numérica. Para tanto, foram realizados ensaios de penetração de calor em autoclave a vapor, utilizando-se latas cilíndricas de 75x90 e 100x110 contendo simulantes de alimentos com características de aquecimento por condução e convecção.

Secagem de fatias de abacaxi in natura e pré-desidratadas por imersão-impregnação: cinética e avaliação de modelos

O presente estudo teve como objetivos investigar o efeito da impregnação de sacarose e de açúcar invertido na taxa de secagem por convecção de abacaxi e avaliar a adequação de nove modelos matemáticos na descrição das curvas de secagem. Os testes experimentais foram feitos empregando-se coroas circulares de abacaxi in natura e pré-desidratadas por imersão-impregnação em soluções de sacarose (0,40, 0,44 e 0,47 g.mL-1) e em xarope de açúcar invertido. A pré-desidratação osmótica foi realizada a 40 e 50 ºC, por 2 horas, sob agitação de 60 min-1. A secagem por convecção foi feita em secador do tipo gabinete com bandejas, a 60 ºC e 1,25 m.s-1. O grau de ajuste dos modelos foi avaliado por meio do coeficiente de determinação, da raiz do erro quadrático médio, do erro percentual absoluto médio e por análise de dispersão de resíduos. As maiores taxas de secagem foram obtidas para amostras in natura; naquelas pré-desidratadas osmoticamente, o aumento da concentração da solução ocasionou a diminuição da taxa de secagem. O modelo de Wang e Singh foi o que melhor descreveu a secagem por convecção de coroas circulares de abacaxi.

Influência da geometria e da temperatura na cinética de secagem de tomate (Lycopersicum esculentum)

O tomate é um fruto muito perecível por causa do seu conteúdo de umidade. A secagem é uma das práticas industriais mais utilizadas em alimentos para manter a qualidade do produto final. A pesquisa foi desenvolvida para estudo dos parâmetros de secagem de tomate (Lycopersicon esculentum Mill), cv Carmen, com relação ao tipo de corte (meio e um quarto) e à temperatura de processo (60 e 70 ºC), bem como à escolha do tempo de secagem para a obtenção de um produto com umidade de 45% (base úmida). As cinéticas de secagem foram determinadas experimentalmente por convecção forçada e ajustadas ao modelo de Page. Os resultados obtidos mostraram que a geometria de corte influenciou na taxa de secagem e no tempo de desidratação. Os tomates cortados em quatro partes e desidratados a 70 ºC alcançaram umidade de 45% em menor tempo (10 horas), quando comparados aos tomates com o corte em metades. O modelo de Page forneceu bom ajuste nas cinéticas de secagem

Avaliação de modelos de secagem em camada fina de sementes de maracujá amarelo

Este trabalho foi realizado com o objetivo de determinar o modelo, dentre cinco modelos matemáticos pré-selecionados, que melhor descreve a secagem por convecção em camada fina de sementes de maracujá-amarelo. Os testes de secagem foram realizados em protótipo de secador de leito fixo, com fluxo de ar ascendente, empregando-se três níveis de temperatura (30, 37 e 40 ºC), três níveis de fluxo de ar (0,4; 0,8 e 1,0 m³ s-1 m-2) e dois teores iniciais de água (23,3 e 32,9% b.u.). Todos os experimentos foram realizados em ambiente com temperatura de 29,3±1,5 ºC e razão da mistura de 0,016±0,003 kg kg-1. O modelo exponencial duplo com quatro parâmetros descreveu de forma mais acurada as curvas de secagem. O coeficiente de determinação obtido foi de 0,9056 e o erro padrão de ajustamento foi igual a 1,4 pontos percentuais de teor de água.

Germinação e vigor de sementes de mamão (Carica papaya L.) cv. Golden secadas em altas temperaturas

O presente estudo teve como objetivo avaliar os efeitos imediato e latente do emprego de altas temperaturas de secagem na qualidade fisiológica das sementes de mamão cv. Golden. Os testes de secagem por convecção, em camada delgada, foram realizados a 50 e 58ºC, empregando-se fluxo de ar seco de 1,00kg s-1 m-2; as sementes foram armazenadas a 15ºC, por 90 e 180 dias, em embalagens herméticas. A secagem a 50 e 58ºC teve efeito imediato negativo sobre o vigor das sementes de mamão. Quanto ao efeito latente, apenas as sementes secadas a 58ºC e armazenadas por 180 dias mantêm o mesmo vigor observado em sementes recém retiradas dos frutos. Em relação ao percentual de germinação, as sementes secadas a 50ºC e avaliadas imediatamente depois da secagem são influenciadas negativamente pela secagem.

Qualidade fisiológica e potencial de armazenamento de sementes de carambola

O experimento foi realizado com objetivo de avaliar a qualidade fisiológica das sementes de carambola secadas por convecção a 38 ºC, por meio do teste de germinação em rolo de papel com duração de 84 dias. Avaliou-se, também, o potencial de armazenamento empregando-se dois tipos de embalagem, permeável e impermeável, sob duas condições de estocagem, ambiente a 25 ºC e 61% de umidade relativa e câmara a 10 ºC e 82% de umidade relativa, ao longo de 90 e 180 dias. Obteve-se germinação média de 87% para sementes recém-retiradas dos frutos. Os resultados revelaram que as sementes podem ser armazenadas em embalagem impermeável a vácuo, sem redução do poder germinativo, por 90 ou 180 dias a 10 ºC, e por 90 dias em condição do ambiente. As sementes podem, também, ser armazenadas por 90 dias, sob refrigeração, em embalagem permeável. Independentemente do período e da temperatura de armazenamento, o vigor estimado pelo índice de velocidade de germinação (IVG) e pelo tempo médio de germinação (t médio), é consistentemente superior para as sementes estocadas em embalagens impermeáveis a vácuo.

Simulação numérica do processo de fusão e solidificação da água no interior de cilindros

Durante a realização de projetos de sistemas de refrigeração assistidos por sistemas de armazenagem de energia, na forma latente, é necessário que se saiba de antemão as taxas de transferência de energia dos mesmos. Na literatura soluções para este problema são escassos e não abordam todas as geometrias utilizadas para o armazenamento de energia latente, inexistindo correlaçõesmatemáticas que permitam aos projetistas prever o comportamento da fusão e da solidificação do material de mudança de fase (MMF) e as taxas de transferência de energia térmica. Na solução destes problemas são usualmente adotadas hipóteses simplificativas para amenizar o grau de complexidade da descrição matemática do problema Uma destas hipóteses constitui-se em desconsiderar o processo advectivo na transferência de calor no MMF, em sua fase líquida. Outra hipótese adotada, quando o MMF é a água pura, consiste em utilizar um comportamento linear para a massa específica ou um comportamento médio, consistindo em um afastamento da realidade. Este trabalho descreve esforços no sentido de aproximar estas soluções cada vez mais da realidade fisica do problema. São apresentadas simulações para a mudança de fase da água pura levando em conta a inversão da massa específica, em geometria polar, na forma transiente, utilizando o método de Volumes Finitos para solução das equações governantes. As soluções apresentadas, otimizadas quanto às malhas espacial e temporal, envolvem condições de contorno de primeira e terceira espécies Como resultado das soluções são apresentados o Nusselt local, ao longo da parede do cilindro além do Nusselt médio. Correlações matemáticas para o número de Nusselt médio durante a fusão e para o volume de MMF fundido, são propostos e apresentados. A evolução geométrica da fronteira de mudança de fase também é avaliada para as duas condições de contorno e diversos números de Rayleigh. Comparações entre o volume fundido considerando apenas o processo difusivo e o volume fundido utilizando a convecção são realizadas. Para a verificação da independ~encia de malha aplica-se o índice de convergência de malha (GCI) . Algumas comparações qualitativas com soluções experimentais disponíveis na literatura são apresentadas.

Solução de um problema não linear do tipo reação-difusão na modelagem dispersão de insetos

Neste trabalho tratamos da solução de um problema não linear do tipo tração-difusão, na modelagem de dispersão de insetos. Começamos estabelecendo uma lei de conservação e a partir desta, deduzimos algumas equações importantes para o desenvolvimento do nosso estudo, tais como a equação de convecção, de difusão e simultaneamente convecção e difusão. Se considerarmos uma escala de tempo que possibilite a adição ou retirada de indivíduos no meio, conforme seja considerada reprodução, migração ou morte, podemos acrescentar ao processo difusivo um termo de reação, obtendo então, a equação do tipo reação-difusão. Se o temp de reação for deendendee da densidade populacional e do tipo logístico, obtém-se a equação de Fischer. Dessa equação abordamos alguns aspectos, tais como, determinação dos estados estacionários, análise da estabillidade dos mesmos, representação gráfica no plano de fase e por último investigamos a existência de solução do tipo onda viajante. Abordamos, também, alguns exemplos apresentados na literatura, envolvendo equação da difusão com coeficiente constante e com coeficiente dependente da densidade populacional. Além disso, apresentamos o resultados obtidos com a modelagem em tempo discreto, a partir de um trabalho experimental com besouros marcados para o experimento e depois liberados Banks et al (1985) , em que os autores admitiram uma variação temporal e a partir dos dados obtidos fizeram uma estimativa para o coeficiente de difusão D (t), bem como para o coeficiente de decaimento α(t) do termo de reação linear em u. Construimos curvas que se ajustam a essas alternativas e apresentamos esses coeficientes em versão continua D (t) e α(t), dependentes da variável tempo t. Através de uma abordagem numérica, os modelos foram comparadas da variável tempo t. Através de uma abordagem numérica, os modelos foram comparados para diversos casos, usando diferentes combinação de D constante e D variando no tempo, a constante e a variando no tempo. Além disso, analisamos tambén, o efeito da substituição do coeficiente de difusão D constante por D(t) na equação de Fisher.

Análise de estruturas de concreto armado sujeitas à corrosão de armadura por cloretos através do método dos elementos finitos

A corrosão da annadura é um dos principais problemas para um grande número de es1ruturas de concreto annado por causa da redução substancial da área de aço, da perda de aderência, da fonnação de fissuras e lascamento do concreto. O modelo tridimensional proposto por este trabalho é baseado no processo de corrosão iniciado por ataque de cloretos e propagado a partir de micropilhas de corrosão, utilizando o método dos elementos finitos. A influência da temperatura, da umidade relativa do concreto, da ligação dos cloretos com compostos do concreto, da fonnação de fissuras provenientes do carregamento e da resistência ôhmica do concreto são levados em consideração. O modelo é dividido em 4 módulos que interagem entre si, sendo eles: análise estrutural, transferência de calor, difusão de cloretos e corrosão eletroquímica. O modelo computacional para a análise estrutural utiliza dois procedimentos. No primeiro busca-se a resposta da estrutura para um carregamento instantâneo, considerando-se o material com comportamento elasto-viscoplástico, associado com modelos de annadura incorporada e fissuras distribuídas.No segundo, detennina-se a resposta da estrutura ao longo do tempo com a teoria da solidificação proposta por Bazant e Prasannan (1989), utilizando as cadeias Kelvin, apresentando ótimos resultados com uma grande economia computacional. O processo de transferência de calor é baseado na fonnulação tridimensional da equação de Helmholtz, com condições de contorno de fluxos provenientes da radiação solar, convecção e radiação, apresentando bons resultados em relação a fonnulações analíticas. Para análise de vigas com a variação da temperatura média diária, constatou-se que as mesmas se encontram em equilíbrio ténnico com o ambiente A análise de difusão de cloretos implementada apresentou um comportamento idêntico ao da segunda lei de Fick para casos unidimensionais. Para análises de vigas carregadas se constatou que as fissuras provenientes de cargas de serviço não influenciam o processo de difusão e que o coeficiente de difusão referencial é o principal parâmetro na análise. O modelo de corrosão eletroquímica é baseado na fonnulação proposta por Liu (1996), obtendo-se como resultado a taxa de corrosão em função do tempo.

Simulação numérica de um sistema de armazenamento de calor em estufas de plasticultura

Apresentar um modelo para simular um sistema de armazenamento de calor no solo em estufas para plasticultura é o objetivo do presente trabalho. O sistema consiste num feixe de tubos enterrados no solo. A convecção forçada de ar no seu interior realiza a troca térmica necessária para manter as estufas sob faixas desejadas de temperatura. O objetivo do modelo é investigar os efeitos no calor armazenado e a influência das variáveis, tais como diâmetro, comprimento, espaçamento entre os tubos e a velocidade de ar no canal provocam no sistema. O solo é tratado como um meio difusivo e avalia-se a contribuição do termo de condensação e evaporação da água contida no ar em escoamento nos tubos. A equação da energia é resolvida para o solo e para o ar. Os tubos de seção transversal circular são modelados como tubos de seção transversal quadrada com o objetivo de que as simulações possam ser processadas em coordenadas cartesianas. O programa resolve situações tridimensionais, transientes e emprega o Método dos Volumes Finitos para integrar as equações diferenciais governantes. O modelo original é baseado no modelo de Gauthier et al., 1997, tendo sido os resultados do mesmo foram usados para a validação do presente estudo. Um circuito de água quente é também projetado e apresentado para o aquecimento das estufas. A água circula através de mangueiras sobre o solo e é aquecida por um sistema de queimadores a gás liqüefeito de petróleo ou óleo combustível, transferindo assim calor para o interior da mesma. O projeto de aquecimento foi realizado através de um programa de parceria entre a Ufrgs, Sebrae, Fapergs e a Agropecuária Clarice.

Comparação entre resultados experimentais e computacionais do comportamento térmico de um ambiente

O presente trabalho apresenta uma comparação entre resultados computacionais, obtidos através do "software" EnergyPlus e experimentais do comportamento térmico de um ambiente condicionado e não condicionado. Para tanto, monitoraram-se os dados climáticos de radiação, velocidade do vento e temperatura, no período de 11 a 20 de janeiro de 2002 e produziu-se um arquivo climático. Simultaneamente, fez-se a aquisição das temperaturas de uma sala-teste, localizada no terceiro pavimento de um prédio na cidade de Porto Alegre, bem como das salas adjacentes. As temperaturas do ar de insuflamento e de retorno dos condicionadores de ar, localizados na sala-teste, foram medidas durante o dia, em seis dias do período de monitoramento. Mediu-se também a velocidade do ar de retorno e determinou-se a potência sensível de refrigeração. Os ganhos de calor interno da sala também foram medidos e utilizaramse as formulações apresentadas pela ASHRAE, 2001, para determiná-los em relação às pessoas e à infiltração. Tais dados foram declarados ao programa como variáveis de entrada. As simulações do comportamento térmico da sala-teste foram implementadas informando-se ao programa a temperatura das salas ou os coeficientes de uma equação representativa das mesmas. Por considerar que a primeira representava melhor as condições térmicas das salas contíguas, utilizou-se esta modalidade para análise As simulações foram conduzidas, alterando-se opções fornecidas pelo programa: modelo de céu isotrópico e anisotrópico, coeficiente de convecção simples e detalhado. Os resultados da carga térmica e temperatura ambiente da sala-teste obtidos nas simulações foram comparados com os dados experimentais do período de monitoramento. A melhor concordância foi obtida para o modelo anisotrópico, coeficiente de convecção detalhado. Constatou-se uma grande discrepância entre as cargas térmicas, para o modelo de convecção simples. Assim, conclui-se que o "software" EnergyPlus representa bem o comportamento térmico de uma edificação "termicamente pesada" para coeficiente de convecção detalhado, necessitando pesquisa para as demais edificações.

Análise teórico experimental dos evaporadores de uma bomba de calor

Faz-se um estudo da construção de uma bomba de calor residencial de baixo custo utilizando um condicionador de ar do tipo janela. Com tal equipamento operando fora das condições de projeto é preciso fazer uma avaliação das novas condições de operação, onde os evaporadores passam a ser objetivo de estudo do presente trabalho. A análise foi conduzida de duas formas. Uma tomada de dados experimental, feita em duas épocas distintas do ano, nas condições mais severas de consumo, no inverno, e nas condições mais severas de temperatura, no verão. A outra, uma análise teórica, gerando dados que podem ser comparados com a literatura. Inicialmente, é feita uma avaliação do coeficiente de performance visando a competitividade do equipamento no que tange o custo operacional. Como objetivo principal é avaliada a troca de calor nos evaporadores e os parâmetros que a influenciam, bem como o comportamento do fluido refrigerante na entra e saída. Foi preciso desenvolver uma metodologia para trocadores aletados que apresentam mudança de fase já que esta não é vista com facilidade na literatura. Faz-se uso do método NUT e- , que é adaptado de forma a ser função somente dos dados psicrométricos do ar. Para a efetividade média externa e o coeficiente de convecção externo é utilizada a metodologia desenvolvida por Schmidt em 1949 Como resultados, observou-se que o coeficiente de performance fica na faixa dos equipamentos comercias (2,6 na média anual) e o custo operacional é competitivo com o uso do gás liquefeito de petróleo, em aquecedores de passagem. A efetividade do trocador e o coeficiente de convecção externo apresentam um valor baixo, atribuído a grande área de troca de calor externa. O coeficiente de contato, apresenta um valor alto se comparado ao coeficiente de convecção externo. Quanto ao fluido refrigerante, este apresenta condições normais nas saídas dos evaporadores e título baixo na entrada de um dos evaporadores. Também é observado que um dos evaporadores apresenta baixo uso efetivo, sendo o problema atribuído a baixa vazão de refrigerante.

Modelagem física e matemática dos processos de extração de óleo de soja em fluxos contracorrente cruzados

Este trabalho visa desenvolver um modelo físico e matemático geral para os processos de extração sólido-líquido em fluxos contracorrente cruzados (CCC) que são utilizados na indústria de alimentos. Levam-se em consideração os processos principais (o transporte de massa entre as fases, difusão e convecção) envolvidos por todo o campo de extração, com uma abordagem bidimensional evolutiva, incluindo as zonas de carregamento, drenagem e as bandejas acumuladoras. O modelo matemático é formado por equações diferenciais parciais que determinam a alteração das concentrações nas fases poro e “bulk” em todo o campo de extração e equações diferenciais ordinárias (que refletem as evoluções das concentrações médias nas bandejas). As condições de contorno estabelecem as ligações entre os fluxos CCC da micela e matéria-prima e consideram, também, a influência das zonas de drenagem e carregamento. O algoritmo de resolução utiliza o método de linhas que transforma as equações diferenciais parciais em equações diferenciais ordinárias, que são resolvidas pelo método de Runge-Kutta. Na etapa de validação do modelo foram estabelecidos os parâmetros da malha e o passo de integração, a verificação do código com a lei de conservação da espécie e um único estado estacionário. Também foram realizadas a comparação com os dados experimentais coletados no extrator real e com o método de estágios ideais, a análise da influência de propriedades da matéria-prima nas características principais do modelo, e estabelecidos os dados iniciais do regime básico (regime de operação) Foram realizadas pesquisas numéricas para determinar: os regimes estacionário e transiente, a variação da constante de equilíbrio entre as fases, a variação do número de seções, a alteração da vazão de matéria-prima nas características de um extrator industrial e, também foram realizadas as simulações comparativas para diferentes tipos de matéria-prima (flocos laminados e flocos expandidos) usados amplamente na indústria. Além dessas pesquisas, o modelo também permite simular diferentes tipos de solventes. O estudo da capacidade de produção do extrator revelou que é necessário ter cuidado com o aumento da vazão da matéria-prima, pois um pequeno aumento desta pode causar grandes perdas de óleo tornando alto o custo da produção. Mesmo que ainda seja necessário abastecer o modelo com mais dados experimentais, principalmente da matéria-prima, os resultados obtidos estão em concordância com os fenômenos físico-químicos envolvidos no processo, com a lei de conservação de espécies químicas e com os resultados experimentais.

Formulação semi-analítica para a equação transformada resultante da aplicação da GITT em problemas difusivos-advectivos

Neste trabalho se propõe um avanço para a Técnica Transformada Integral Generalizada, GITT. O problema transformado, usualmente resolvido por subrotinas numéricas, é aqui abordado analiticamente fazendo-se uso da Transformada de Laplace. Para exemplificar o uso associado destas duas transformadas integrais, resolvem-se dois problemas. Um de concentração de poluentes na atmosfera e outro de convecção forçada com escoamento laminar, entre placas planas paralelas, com desenvolvimento simultâneo dos perfis térmico e hidrodinâmico. O primeiro é difusivo, transiente e com coeficientes variáveis. Sua solução é obtida de forma totalmente analítica. Além de mostrar o uso da técnica, este exemplo apesar de ter coeficientes variáveis, é resolvido com o auxílio de um problema de autovalores associado com coeficientes constantes. No segundo, obtém-se a solução da Equação da Energia analiticamente. Já a Equação da Conservação do Momentum é linearizada e resolvida de forma iterativa. A solução de cada iteração é obtida analiticamente.

Desenvolvimento de um programa de simulação computacional de sistemas de aquecimento solar para água

Esta Tese apresenta uma análise do comportamento térmico de um sistema de aquecimento solar operando por termossifão. Neste tipo de sistema o fluido no coletor solar é circulado por convecção natural, que acontece devido à diferença de massa específica da água ao longo circuito. Nestes sistemas a vazão mássica varia ao longo do dia e do ano, dependendo, dentre outros fatores, da irradiância solar absorvida, do perfil de temperaturas da água no sistema, da geometria, do volume e do perfil de demanda de água quente. Para uma avaliação detalhada do comportamento térmico de aquecedores solares operando por termossifão foram realizados ensaios experimentais e cálculos teóricos. Os resultados dos experimentos concordaram com aqueles apresentados na literatura e sua análise fundamentou o desenvolvimento do aplicativo TermoSim, um programa de simulação computacional do comportamento térmico de sistemas de aquecimento de água com energia solar. O tratamento matemático adotado no TermoSim compreende a modelagem dos coletores solares de acordo com a teoria de Hottel-Bliss-Whillier. O reservatório térmico é modelado com estratificação térmica, convecção e condução entre as camadas. A vazão mássica é obtida a partir do balanço da quantidade de movimento no circuito. Os modelos matemáticos empregados na construção do aplicativo TermoSim foram validados através do confronto dos resultados simulados com medidas experimentais. Foi demonstrado que a utilização destes modelos é adequada e permite reproduzir com precisão o comportamento térmico dos coletores solares e do reservatório térmico. Além do programa TermoSim, foi também desenvolvido o programa TermoDim, que é uma ferramenta para o dimensionamento de sistemas de aquecimento solar, que requer apenas o conhecimento dos parâmetros geométricos do sistema, dados meteorológicos em média mensal e informação a respeito do volume de demanda. O TermoDim é apropriado para estimar o desempenho de aquecedores solares operando por termossifão com tanques verticais e horizontais. O método de dimensionamento do TermoDim é baseado na correlação para a eficiência média mensal obtida neste trabalho a partir de um grande número de simulações.