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

Abstract

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.