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Previous issue date: 2013-03-19 / Universidade Federal de Sao Carlos / Convective drying of leaves involves heat and mass transfer in packed-beds of deformable material, since the leaves shrink significantly when the moisture is removed. Therefore, the packing structure changes over time, and the transfer properties alter as well. An additional drawback is the challenge to obtain reproducible packings, given the random nature of packing for such an irregular type of material. In this work, an experimental investigation was conducted to analyze how basil leaves (Ocimum basilicum L.) behave during drying focusing in the challenging characteristics of this particulate phase. A full characterization of the leaves as a particulate solid was conducted by measuring their dimensions, specific density, initial moisture content and equilibrium moisture content. Loose and compacted bulk densities were measured for beds of leaves under different moisture content. Results indicate that the basil leaves have a low sphericity (=0.160), a high projected area (Aproj=4.55 cm2) and density equal to 0.874 g.cm-3. Bulk density of fresh leaves was 0.089 g.cm-3 in loosely packed-beds, and 0.198 g.cm-3 in compacted packed-beds. Drying experiments were performed in a range of 30 to 60oC under different air-particle contact modes, including fixed and moving beds. Drying cells 10 cm in diameter with heights of either 1 or 12 cm (corresponding to thin-layer and deep-layer beds respectively) were tested with air flowing perpendicular to the samples. In moving beds, a rectangular chamber of dimensions 20 cm x 11 cm was used, also with air flowing perpendicular to the samples. In the conditions tested, problems were observed regarding reproducibility of data of moisture content versus time, bed shrinking, channeling and non-homogeneous drying. It was demonstrated that these problems appear due to the inherent characteristics of the leaves (low density, high ratios of surface area to volume, rough surface, etc.), and also due to their biological variability, which made it difficult to obtain packed-beds with reproducible characteristics in different assays. Homogeneous drying was obtained only for moving beds with vertical vibration, under dimensionless vibration parameter equal to 1.0 and an amplitude of vibration of 0.5 cm. The effect of the cell diameter to mean leaf size ratio (D/dm) on the bulk densities and drying rates was also investigated. For that, the size of leaves was reduced by cutting them in two parts widthways (half-sized particles), and also in four parts, width- and lengthways (quarter-sized particles), resulting in D/dm= 4.2 (whole leaves), 5.3 and 7.8 (half- and quarter-sized leaves respectively). It was observed that loose and compacted bulk densities did not vary significantly for beds of half-sized particles, but increased approximately 20% in beds of quarter-sized leaves. Regarding the drying rates, a tendency of an increase as D/dm was raised to 7.8 was observed, but the variation remained within the range of standard deviation of experimental data. Axial shrinking of the beds throughout drying was measured in deep packed-beds. The initial bed height was reduced by approximately 47% after 100 minutes of drying at 60 oC. The pressure drop through the bed decreased drastically when the leaves were dried, resulting in an increase by 141 times in the bed permeability for drying at a temperature of 60°C. The results obtained show that the packed-bed structure strongly affects the heat and mass transfer during convective drying of leaves. / A secagem convectiva de folhas envolve os processos de transferência de calor e massa em leitos empacotados de materiais deformáveis, uma vez que as folhas apresentam um elevado encolhimento com a redução da umidade. Desta forma, a estrutura do pacote de folhas muda ao longo do tempo de secagem, e as propriedades de transferência também se alteram. Um inconveniente adicional é a dificuldade de se obter pacotes reprodutíveis, devido à natureza aleatória dos empacotamentos constituídos por este tipo de material, que tem formatos irregulares. Neste trabalho, uma investigação experimental foi realizada com o intuito de avaliar como as folhas de manjericão (Ocimum basilicum L.) comportam-se durante o processo de secagem, levando em consideração as características desta fase particulada. Uma caracterização completa das folhas enquanto um sólido particulado foi realizada medindo-se suas dimensões características, massa específica, teor de umidade inicial e teor de umidade de equilíbrio. As densidades bulk solta e compactada foram medidas para leitos de folhas com diferentes teores de umidade. Os resultados indicam que as folhas de manjericão possuem baixa esfericidade (=0,160), elevada área projetada (Aproj=4,55 cm2) e massa específica igual a 0,874 g.cm-3. As densidades bulk obtidas para as folhas in-natura foram iguais a 0,089 g.cm-3 e 0,198 g.cm-3, para os leitos com empacotamento solto e compactado, respectivamente. Experimentos de secagem foram realizados para temperaturas do ar de secagem entre 30 e 60°C, e com os leitos de folhas sendo submetidos a diferentes formas de contato sólido-fluido, incluindo leitos fixos e móveis. Células de secagem com 10,0 cm de diâmetro e com alturas de 1,0 ou 12,0 cm (correspondendo às alturas de leitos com camada fina e espessa, respectivamente) foram testadas com escoamento de ar perpendicular ao material. Nos ensaios de secagem em leitos móveis, uma câmara retangular com área de seção transversal de 20,0 cm x 11,0 cm foi usada, também com escoamento de ar perpendicular às amostras. Nas condições investigadas, problemas com relação à reprodutibilidade das curvas de cinética de secagem, encolhimento do leito, canalização do ar nas proximidades das paredes da célula e secagem não homogênea foram observados. Foi demonstrado que estes problemas aparecem como consequência das características inerentes às folhas (baixa massa específica, elevada relação Ap/Vp, rugosidade superficial, etc.), e também devido à variabilidade biológica, que dificulta a obtenção de pacotes de folhas com características similares entre diferentes ensaios. Um produto final seco de forma homogênea foi obtido somente para os ensaios realizados em leitos móveis com vibração vertical, utilizando adimensional de vibração igual a 1,0 e amplitude vibracional de 0,5 cm. O efeito da razão D/dm (diâmetro da célula/dimensão média da folha) sobre as densidades bulk e taxas de secagem foi também avaliado. Para isto, as folhas inteiras (D/dm=4,2) foram cortadas em duas e em quatro partes (valores de D/dm=5,3 e 7,8, respectivamente). Verificou-se que as densidades bulk médias solta e compactada não variaram significativamente para os leitos de folhas cortadas em duas partes, mas aumentaram em 20% para as folhas cortadas em quatro partes em relação às folhas inteiras. Em relação às taxas de secagem, uma tendência de aumento foi observada quando D/dm passou de 4,2 para 7,8, mas as diferenças mantiveram-se dentro da faixa de desvios padrão dos dados experimentais. O encolhimento axial dos leitos foi medido durante ensaios de secagem utilizando camadas espessas de folhas. A altura inicial dos leitos de folhas foi reduzida em aproximadamente 47% após cerca de 100 minutos de secagem para os ensaios de secagem realizados a 60°C. Os valores de queda de pressão através do leito diminuíram bastante quando as folhas foram secas, resultando em um aumento de 141 vezes na permeabilidade do leito para a secagem com o uso de T=60°C. Os resultados experimentais obtidos neste trabalho mostram que a estrutura dos leitos de folhas afetam fortemente as transferências de calor e massa que ocorrem durante a secagem das folhas.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/3929 |
| Date | 19 March 2013 |
| Creators | Lima, Renata de Aquino Brito |
| Contributors | Ferreira, Maria do Carmo |
| Publisher | Universidade Federal de São Carlos, Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, UFSCar, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSCAR, instname:Universidade Federal de São Carlos, instacron:UFSCAR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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