Estudo do efeito do pré-tratamento ultrassônico na secagem: modelagem via CFD da transferência de calor em uma fatia de melão

CAPES CNPq Devido à sua importância econômica e fragilidade com relação à preservação in natura, estudar e avaliar processos de conservação para garantir estabilidade do melão (Cucumis melo L.) até sua utilização para consumo torna-se imprescindível do ponto de vista econômico e da segurança alimentar. O presente trabalho teve como objetivo geral analisar, experimentalmente, diferentes sistemas de secagem, com e sem aplicação de ultrassom (US) como pré-tratamento, quanto à transferência de calor e massa, simulando numericamente a transferência de calor empregando a fluidodinâmica computacional (CFD). A matéria-prima, previamente selecionada foi fatiada em retângulos (5,0 cm x 3,0 cm) de 0,5 cm de espessura. As fatias de melão foram levadas para um banho ultrassônico por 10 (US10), 20 (US20) e 30 (US30) minutos numa frequência de 25 kHz. A perda de água média (PAₘ) e o ganho de sólidos médio (GSₘ) foram avaliados. A secagem convectiva das amostras com e sem pré-tratamento ultrassônico foi feita nas temperaturas de 50, 60 e 70°C e velocidade do ar de 2,0 m∙s⁻¹. Os coeficientes de difusividade efetiva foram calculados por meio do modelo difusivo baseado na Lei de Fick. Os dados experimentais de secagem foram modelados empiricamente por meio dos modelos de Page, Henderson e Pabis e Dois termos. O fluxo de ar no secador e a distribuição de temperatura, tanto no secador quanto na fatia de melão, foi simulado via CFD. A simulação no secador mostrou que o fluxo de ar no centro oferece menor variação da velocidade e a temperatura foi numericamente uniforme ao longo do secador, se dando a secagem do melão nesta região central. O tempo de secagem foi efetivamente reduzido, variando de 25% (US20 e US30 a 50°C) a 40% (US20 e US30 a 70°C), mostrando um efeito positivamente sinérgico conforme a temperatura foi elevada. Dos modelos empíricos testados, o modelo de Page e Dois termos obtiveram R² > 0,999; contudo, o erro percentual mostrou que o modelo Dois termos teve melhor ajuste, variando de 0,22 a 2,31%. Os coeficientes de difusividade variaram de 2,47∙10⁻⁹ (50°C) a 4,50∙10⁻⁹ m²∙s⁻¹ (70°C). A PAₘ e GSₘ variaram de -1,19% (±0,17%) a -2,65% (±0,09%) e -1,61% (±0,02%) a -2,30% (±0,01%), respectivamente. A modelagem da transferência de calor via CFD mostrou que a distribuição de temperatura ao longo da fatia de melão foi representativa, apresentando resultados similares ao encontrados na literatura para geometria estudada para diversas frutas. Due to its economic importance and fragility in relation to in natura preservation, studying and evaluating conservation processes to guarantee the stability of the melon (Cucumis melo L.) until its use for consumption becomes essential from the economic point of view and food security. The present work had the general objective of analyzing, experimentally, different drying systems, with and without the application of ultrasound (US) as pre-treatment, for heat transfer and mass, simulating numerically the heat transfer using computational fluid dynamics (CFD). The previously selected raw material was sliced into rectangles (5.0 cm x 3.0 cm) of 0.5 cm thickness. The melon slices were taken to an ultrasonic bath for 10 (US10), 20 (US20) and 30 (US30) minutes at a frequency of 25 kHz. The average water loss (WLₘ) and the average solids gain (SGₘ) were evaluated. The convective drying of the samples with and without ultrasonic pretreatment was done at temperatures of 50, 60 and 70°C and air velocity of 2.0 m∙s⁻¹. The coefficients of effective diffusivity were calculated by means of the diffusive model based on the Law of Fick. Experimental drying data were modeled empirically through the models of Page, Henderson and Pabis and Two terms. The air flow in the dryer and the temperature distribution, both in the dryer and in the melon slice, was simulated via CFD. The simulation in the dryer showed that the air flow in the center offers lower speed variation and the temperature was numerically uniform throughout the dryer, giving the melon drying in this central region. The drying time was effectively reduced, ranging from 25% (US20 and US30 at 50°C) to 40% (US20 and US30 at 70°C), showing a positively synergistic effect as the temperature was raised. From the empirical models tested, the Page and Two terms model obtained R² > 0.999; however, the percentage error showed that the Two terms model had a better fit, ranging from 0.22 to 2.31%. The diffusivity coefficients ranged from 2.47∙10⁻⁹ (50°C) to 4.50∙10⁻⁹ m²∙s⁻¹ (70°C). The WLₘ and SGₘ ranged from -1.19% (± 0.17%) to -2.65% (± 0.09%) and -1.61% (± 0.02%) to -2.30% (± 0.01%), respectively. The modeling of heat transfer via CFD showed that the temperature distribution along the melon slice was representative, presenting results similar to those found in literature for geometry studied for various fruits.