Modelagem multifísica e validação experimental da secagem de meios porosos em micro-ondas a vácuo

Abstract

A secagem com micro-ondas a vácuo é um processo que consiste em remover parcialmente a água presente em um meio poroso pela aplicação conjunta de vácuo em uma câmara contendo o meio poroso e o fornecimento de energia eletromagnética na frequência das micro- ondas. Aos alimentos, a secagem com micro-ondas a vácuo se aplica buscando: reduzir os efeitos térmicos sobre compostos termosensíveis, aumentar a velocidade de desidratação do processo e agregar valor ao produto desidratado pela modificação da microestrutura do alimento. O objetivo principal deste trabalho foi propor um modelo matemático para descrever o processo de secagem de meios porosos rígidos com micro- ondas a vácuo. Um modelo matemático tridimensional de escoamento multifásico em meio poroso acoplado com as equações de Maxwell do eletromagnetismo foi proposto para descrever o processo de secagem. O meio poroso, consistindo de uma fase sólida não deformável, uma fase líquida (água) e uma fase gasosa (vapor de água), foi idealizado como um meio contínuo baseado na noção do volume elementar representativo. Os mecanismos de transporte considerados no modelo de meio poroso foram: fluxo capilar, fluxo resultante dos gradientes de pressão e fluxo condutivo. O modelo incorpora também a mudança de fase volumétrica entre água na fase líquida e água na fase vapor (evaporação/condensação). Um modelo bidimensional de escoamento multifásico em meio poroso empregando a equação de Lambert para contabilizar o aquecimento micro-ondas também foi proposto para avaliar o processo de secagem. Os dois modelos foram resolvidas numericamente com o método dos elementos finitos utilizando um código computacional comercial. Os experimentos foram realizados utilizando-se um meio poroso modelo não deformável, obtido por meio do processo de sinterização de microesferas de vidro, e um secador construído com um forno de micro-ondas doméstico adaptado com uma câmara de vácuo de polipropileno. Experimentalmente, determinou-se a evolução temporal do conteúdo de umidade do meio poroso e estes dados foram comparados aos resultados calculados para a validação dos modelos. Os modelos bi e tridimensional descreveram adequadamente os dados experimentais da cinética de secagem, mas apenas o modelo tridimensional fornece informações sobre a dinâmica da distribuição dos campos eletromagnéticos na cavidade do secador e no interior do meio poroso durante a secagem. Ambos os modelos permitiram acompanhar a evolução temporal dos perfis de dissipação de energia micro-ondas, mudança de fase, temperatura, conteúdo de água e pressão no interior do meio poroso durante a secagem. O modelo permitiu também caracterizar a cinética de secagem em três fases distintas: na primeira fase, não há redução do conteúdo de umidade, apenas o amento da temperatura do meio; na segunda fase, a água é removida do meio preferencialmente na forma líquida; e na terceira fase, a água é removida do meio preferencialmente na forma vapor. A maior redução no conteúdo de umidade do ocorre pela remoção de água na forma líquida. Com base nos resultados obtidos neste trabalho é possível afirmar que as ferramentas nele desenvolvidas são úteis e aplicáveis à compreensão e a melhoria do processo de secagem de meios porosos com micro-ondas a vácuo.

Abstract : Microwave vacuum drying is a process that consists of partially removing the water of a porous medium through the application of vacuum in a hermetic container with the sample followed the application of the microwave heating. In food processing, microwave vacuum drying is applied in order to: reduce the thermal effects on foodstuff, accelerate the dehydratation process and modify the microstructure of the dried food. The main objective of this study was to formulate a mathematical model to describe the microwave vacuum drying process in non-deformable porous medium. A three-dimensional multiphase porous media model was coupled with the Maxwell s equations of electromagnetics to describe the drying process. The porous medium consists of a non-deformable solid phase, liquid phase (water) and a gas phase (vapor). For the mathematical description of the transport phenomena in porous medium a continuum approach based on the Representative Elementary Volume method was adopted. The transport mechanisms considered were: capillary flow, pressure driven flow and conduction. The model also incorporates the change of phase between liquid water and vapor (evaporation/condensation) throughout the porous medium domain. A simplified two-dimensional multiphase porous media model using Lambert equation, to model microwave heating, also was evaluated. Both models were solved by Finite Element Method using a commercial CFD program. The experiments were carried out using a non-deformable porous medium, obtained from sintering process of the glass microspheres, and a dryer made from domestic microwave oven adapted with a polypropylene vacuum chamber. The experimental methodology allowed determining the time evolution of the porous medium moisture along the drying process and these results were compared to the results predicted with the developed models. The bi- and three-dimensional models described the experimental data, but only three-dimensional model was able to provide information about the distribution of the electromagnetic fields inside of the dryer and porous medium along the process. Both models allowed following the time evolution of the microwave dissipation, phase change, temperature, moisture content and pressure profiles inside the porous medium. The kinetic drying showed three stages: in the first stage, there was no reduction of the moisture content, only increase of the porous medium temperature; in the second one, water, mostly in liquid form, was removed whereas in the third stage, vapor water, especially, was carried away from the porous medium. The tools developed in this work are useful and applicable to understanding and improvement of the drying process of porous medium with microwave vacuum drying.