Secagem e Armazenamento Grãos

Secagem e Armazenamento Grãos

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Evandro de Castro Melo Adriano Ferreira Rozado

1. Introdução

Psicrometria é definida como "o ramo da física relacionado com a medida ou determinação das condições atmosféricas, particularmente com respeito à mistura ar seco - vapor d’água (ar úmido)", ou ainda, "aquela parte da ciência que está de certa forma intimamente preocupada com as propriedades termodinâmicas do ar úmido.

O ar é constituído por uma mistura de gases (nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono, etc.), vapor de água e uma série de contaminantes, como partículas sólidas em suspensão e outros gases.

O ar seco existe quando se remove todo o vapor d’água e os contaminantes. A composição do ar seco é relativamente constante, apesar das pequenas variações em função da localização geográfica e altitude. A composição média percentual do ar seco ao nível do mar (101,325 kPa) é apresentada na Tabela 1.

Tabela 1 - Composição aproximada do ar seco

As propriedades termodinâmicas da mistura ar seco - vapor d’água são de grande interesse para o setor de pós-colheita de produtos agrícolas, devido as trocas de umidade que ocorrem entre os produtos biológicos e o ar que o circunda. A quantidade de vapor d’água presente na mistura pode variar de zero até um valor correspondente à condição de saturação, isto é, o ar está com a quantidade máxima de vapor d’água que pode suportar em determinada condição de temperatura.

Diversas propriedades termodinâmicas fundamentais estão associadas com as propriedades do ar úmido. Duas propriedades independentes, além da pressão atmosférica, são necessárias para estabelecer o estado termodinâmico do ar úmido.

Três propriedades estão associadas com temperatura: temperatura de bulbo seco (Tbs), temperatura termodinâmica de bulbo molhado (Tbm) e temperatura do ponto de orvalho. Algumas propriedades termodinâmicas caracterizam a quantidade de vapor d’água presente no ar úmido: pressão de vapor (pv), razão de mistura (RM) e umidade relativa (UR). Outras propriedades de fundamental importância estão relacionadas com o volume ocupado pelo ar ou volume específico (ve) e com a energia do ar ou entalpia (h). As propriedades entalpia e volume específico são propriedades da mistura, mas por conveniência são expressas com base em uma unidade de massa de ar seco. O vapor d’água presente no ar úmido não saturado exerce determinada pressão

(pv). Quando o ar está saturado de umidade a pressão de vapor d’água é denominada de pressão de saturação (pvs). A umidade relativa do ar (UR) é definida como a razão entre a pressão de vapor d’água atual no ar (pv) e a pressão de vapor d’água quando o ar se encontra saturado de umidade (pvs) à mesma temperatura. A preservação e armazenagem de produtos agrícolas utilizam diversas práticas com implicação direta de psicrometria. O processo de secagem é uma dessas práticas. Um dos conceitos importantes em secagem e armazenagem é o teor de umidade de equilíbrio. Esta é uma expressão para a troca recíproca de umidade entre materiais higroscópicos, tal como grãos, e o ar úmido que os circunda. O equilíbrio se estabelece para uma condição fixa de temperatura quando a pressão de vapor correspondente a umidade do produto é igual a pressão do vapor presente no ar.

1. Lei do Gás Ideal

Em que: p = pressão absoluta (Pa); V = volume (m3); n = número de kg-moles; R = constante universal dos gases = 8314 Pa.m3.kg mol-1.K-1; T = temperatura absoluta (K).

Se o valor de "n" for fixado, tem-se:

Dessas duas equações pode-se deduzir que:

2. Lei de Dalton

É a lei da mistura dos gases. A pressão total é soma das pressões parciais. A massa total é a soma das massas de cada componente. Assim:

Em que:

mi = massa do componente i (kg); ni = número de moles do componente i (kg moles); Mi = massa molecular do componente i (kg.kg mol-1)

Então:

Como se trata de mistura: Logo:

Assim, para a mistura, tem-se:

Em que M é a massa molecular efetiva da mistura.

3. Definições

A. Relação do ar com o vapor d’água

O ar recebe diferentes denominações em função de sua relação com o vapor d’água:

i. Ar seco É constituído basicamente pela mistura de gases atmosféricos com a exclusão do vapor d’água.

i. Ar úmido É constituído pelo ar seco mais vapor d’água em quantidade inferior à saturação. O ar úmido é a condição normal do ar atmosférico, pois em condições naturais sempre há presença de vapor d’água.

i. Ar saturado É constituído pela mistura de ar seco mais vapor d’água em quantidade correspondente à pressão de saturação.

iv. Ar supersaturado É constituído pela mistura de ar seco mais vapor d’água acima da pressão de saturação.

B. Propriedades termodinâmicas do ar úmido

Como o ar úmido é a condição normalmente apresentada no ambiente são estabelecidas propriedades termodinâmicas que permitem quantificar o vapor d’água presente no ar, bem como caracterizar as demais condições associadas. As principais propriedades termodinâmicas do ar úmido são:

i. Temperatura de bulbo seco (Tbs) É a temperatura do ar úmido, ou simplesmente a temperatura do ambiente medida por termômetros ordinários (comuns), que corresponde ao calor sensível do ar úmido. No Brasil é expressa em graus Celsius (oC).

i. Temperatura de bulbo molhado (Tbm) Outra medida importante, quando se fala em secagem e aeração de grãos, é a temperatura de bulbo molhado (Tbm), também expressa em graus Celsius. Para obtêla, cobre-se o bulbo de um termômetro comum, cujas características devem ser semelhantes às do termômetro de bulbo seco, com um tecido de algodão embebido em água destilada. O bulbo molhado deve ser ventilado, com o ar que se quer conhecer, a uma velocidade de 2,5 a 5,1 m/s. O fluxo de ar em contato com bulbo umedecido provoca evaporação da umidade do tecido, resfriando o bulbo e, conseqüentemente, reduzindo a temperatura. Quanto menor for a quantidade de vapor d’água presente no ar mais água será removida do tecido umedecido e maior será a redução da temperatura do bulbo molhado em relação àquela registrada pelo bulbo seco. A temperatura de bulbo molhado será, sempre, menor ou igual à temperatura de bulbo seco, quando estas temperaturas se igualam a umidade relativa do ar assume valor igual a 100%. Através dos valores de temperatura de bulbo seco e bulbo molhado é possível calcular a umidade relativa da mistura ar seco + vapor d’água em uma dada condição.

i. Temperatura do ponto de orvalho (Tpo) É a temperatura em que ocorre a condensação da quantidade de vapor d’água presente no ar úmido, mantendo-se constantes a razão de mistura e a pressão atmosférica. É expressa em graus Celsius (oC).

iv. Pressão de saturação (psat) É a quantidade de vapor d’água, suficiente ou necessária para saturar o ar a uma dada temperatura.

Brooker (1967) verificou que a pressão de saturação, para uma faixa de temperatura absoluta de 255,38 K a 273,16 K pode ser expressa pela seguinte equação:

Em que psat é a pressão de saturação é expressa em Pascal (Pa), T é a temperatura dada em Kelvin (K) e ln é o logaritmo natural.

A pressão de saturação, segundo Keenan e Keyes (1936), para uma faixa de temperatura absoluta entre 273,16 e 533,16 K pode ser equacionada da seguinte maneira:

Em que: R’, A, B, C, D, E ,F e G são constantes e apresentam os seguintes valores:

Exemplo 1: Determine a pressão de saturação para uma temperatura de 20 oC. Solução: A temperatura absoluta será de 293,16 K v. Razão de mistura (RM)

É definida como a razão entre a massa de vapor d’água e a massa de ar seco em dado volume da mistura. É expressa em kg de vapor por kg de ar seco.

Em que: RM = razão de mistura (kg água/kgar seco); mv = massa de vapor d'água (kg água); mar = massa de ar seco (kg ar seco).

Para um gás ideal utiliza-se a seguinte equação:

Em que: Mar = massa molecular do ar (28,97 kg.kg mol-1);

Mv = massa molecular do vapor d'água (18,02 kg.kg mol-1) pv = pressão de vapor d'água (Pa); par = pressão do ar seco (Pa).

Mas:

Em que: patm = pressão atmosférica (Pa).

Então:

Exemplo 2: Determine a razão de mistura para as condições de temperatura e pressão atmosférica iguais a 20oC e 101,325 kPa, respectivamente.

Solução:

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