UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ESTUDO DE UM SECADOR SOLAR DE BAIXO

CUSTO PARA DESIDRATAÇÃO DE ALIMENTOS

RODRIGO AZEVEDO DE LIMA

NATAL - RN, 2019

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ESTUDO DE UM SECADOR SOLAR DE BAIXO

CUSTO PARA DESIDRATAÇÃO DE ALIMENTOS

RODRIGO AZEVEDO DE LIMA

Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao curso de Engenharia

Mecânica da Universidade Federal do

Rio Grande do Norte como parte dos

requisitos para a obtenção do título de

Engenheiro Mecânico, orientado pelo

Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza.

NATAL - RN

2019

i

Agradecimentos

Este trabalho não poderia ter sido concluído sem a ajuda de diversas pessoas

as quais presto minha homenagem:

Primeiramente, aos meus pais e minha querida irmã, que nunca deixaram de

me apoiar para que eu chegasse até aqui, e não mediram esforços para me

propiciarem uma boa educação.

Por conseguinte, quero agradecer também ao engenheiro mecânico José de

Medeiros Leite Segundo, administrador da empresa na qual realizei o estágio

supervisionado, que através da convivência, me proporcionou a aquisição de bastante

conhecimento na área.

Ao professor orientador Luiz Guilherme Meira de Souza, pela oportunidade

que me deu em poder trabalhar ao seu lado, por sugerir ideias para acrescentar ao

trabalho, pela paciência, sinceridade, e por todo o conhecimento que recebi.

E, às pessoas com quem convivi no ambiente acadêmico. Principalmente aos

amigos mais próximos, que sempre me ajudaram com boa vontade, ao longo de todo

o curso.

ii

LIMA, R.A. ESTUDO DE UM SECADOR SOLAR DE BAIXO CUSTO PARA

DESIDRATAÇÃO DE ALIMENTOS. 2019. 30 p. Trabalho de Conclusão de Curso

(Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do

Norte, Natal-RN, 2019.

Resumo

O presente trabalho tratou sobre um secador solar de baixo custo fabricado para

desidratação de alimentos. Teve como objetivo o estudo e análise de suas

características técnicas, bem como demonstrar a viabilidade de seu uso na

secagem dos produtos escolhidos. O secador solar de exposição direta proposto

funcionava em regime de convecção natural, e foi construído através de uma

estrutura de aço sucateada. Para tal, foi efetuada a montagem do secador e uma

série de ensaios de secagem foram realizados. Através dos dados coletados

avaliou-se cada aspecto do secador, no tocante à eficiência, limitações, economia,

aplicação, entre outros. Sendo assim, tomando como base os vários resultados

obtidos, foi possível analisar, e ter o discernimento que é possível a fabricação de

secadores solar de custo reduzido com boa aplicabilidade para uso caseiro. Além

disso, constitui-se numa opção ecologicamente correta para desidratação de

alimentos, uma vez que, a fabricação desse secador permite a reutilização de

materiais recicláveis, e o processo se dá por meio de uma fonte limpa e renovável

de energia. Foi demonstrada a viabilidade de utilização do secador solar proposto

pela obtenção de produtos secos de boa qualidade, bom aspecto e sabor apreciável,

sendo para banana, batata-doce, berinjela, beterraba, coco e goiaba, os respectivos

tempos de secagem: 12h, 12h, 8h, 10h, 5h e 12h.

Palavras-chave: energia solar, secador solar, desidratação de alimentos,

viabilidade, baixo custo, reutilização de materiais.

iii

LIMA, R.A. STUDY OF A LOW COST SOLAR DRYER FOR FOOD

DEHYDRATION. 2019. 30 p. Conclusion work project (Graduate in Mechanical

Engineering) - Federal University of Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2019.

Abstract

The present work dealt with a low cost solar dryer made for food dehydration. The

objective was to study and analyze the technical characteristics, as well as to

demonstrate the viability of its use in drying the chosen products. The proposed

direct exposure solar dryer operates under natural convection, and was constructed

from scrapped steel frame. For this, the dryer was assembled and a series of drying

tests were performed. Through the collected data, each aspect of the dryer was

evaluated, regarding efficiency, limitations, economy, application, among others.

Thus, based on the various results obtained, it was possible to analyze, and have

the discernment that it is possible to manufacture low cost solar dryers with good

applicability for home use. Moreover, it is an ecologically correct option for food

dehydration, since the manufacture of this dryer allows the reuse of recyclable

materials, and the process takes place by a clean and renewable source of energy.

The viability of using the solar dryer proposed was demonstrated by obtaining good

quality dry products, good appearance and appreciable taste, being the drying times

for banana, sweet potato, eggplant, beet, coconut and guava, the following: 12h, 8h,

10h, 5h and 12h.

Keywords: solar energy, solar dryer, food dehydration, viability, low cost, reuse of

materials.

iv

Lista de ilustrações

Figura 2.1 – Distribuição média de energia solar mundial...................................................4

Figura 2.2 – Radiação solar global diária do Brasil – média anual típica..............................4

Figura 2.3 – Efeito estufa no interior de um secador solar...................................................6

Figura 2.4 – Esquema de um secador solar de exposição direta.........................................6

Figura 2.5 – Esquema de um secador solar de exposição indireta......................................7

Figura 2.6 – Esquema de um secador solar operando em convecção natural.....................7

Figura 2.7 – Esquema de um secador solar operando em convecção forçada....................8

Figura 2.8 – Esquema de um secador solar híbrido............................................................8

Figura 2.9 – Um dos produtos escolhidos para a secagem - Banana................................10

Figura 2.10 – Um dos produtos escolhidos para a secagem - Batata-doce.......................11

Figura 2.11 – Um dos produtos escolhidos para a secagem - Berinjela.............................12

Figura 2.12 – Um dos produtos escolhidos para a secagem - Beterraba...........................13

Figura 2.13 – Um dos produtos escolhidos para a secagem - Coco..................................15

Figura 2.14 – Um dos produtos escolhidos para a secagem - Goiaba...............................16

Figura 3.1 – Placa de aço utilizada na construção do secador..........................................16

Figura 3.2 – Desenho representativo com as dimensões do secador fabricado................17

Figura 3.3 – Secador no processo final de montagem.......................................................18

Figura 3.4 – Termômetro digital com termopar acoplado..................................................18

Figura 3.5 – Balança digital de precisão............................................................................19

Figura 3.6 – Medidor portátil de radiação solar global.......................................................20

Figura 3.7 – Distribuição das frutas no secador (ensaio 1)................................................20

Figura 3.8 – Distribuição de lascas e amostras de coco no secador (ensaio 2).................21

Figura 3.9 – Amostras do coco identificadas.....................................................................21

Figura 4.1 – Temperaturas médias do ar na entrada e saída do secador..........................25

Figura 4.2 – Alimentos separados ao final da secagem....................................................27

Figura 4.3 – Farinhas produzidas......................................................................................27

v

Lista de tabelas

Tabela 2.1 – Percentual de umidade dos alimentos............................................................9

Tabela 2.2 – Informações nutricionais da banana.............................................................10

Tabela 2.3 – Informações nutricionais da batata-doce......................................................11

Tabela 2.4 – Informações nutricionais da berinjela...........................................................12

Tabela 2.5 – Informações nutricionais da beterraba..........................................................13

Tabela 2.6 – Informações nutricionais do coco.................................................................14

Tabela 2.7 – Informações nutricionais da goiaba..............................................................15

Tabela 4.1 – Parâmetros medidos e calculados na secagem............................................24

Tabela 4.2 – Variação de massa das amostras na secagem do coco................................25

Tabela 4.3 – Eficiências dos processos de secagem........................................................26

vi

Lista de símbolos

𝐴 – Área da seção transversal por onde escoa o fluido (m²);

𝐴𝐶 – Área útil do coletor exposta à radiação (m²);

𝑐𝑝 – Calor específico à pressão constante (kJ/kg.K);

𝐼 – Radiação solar global (W/m²);

�̇� – Vazão mássica (kg/s);

𝑚𝑎 – Massa da amostra (g);

𝑚á𝑔𝑢𝑎 – Massa total de água das amostras (g);

𝑚i – Massa inicial das amostras (g);

𝑚f – Massa final das amostras (g);

𝜂𝑝 – Eficiência do processo de secagem;

𝜂𝑡 – Rendimento térmico;

𝑝 – Perda de massa da amostra;

𝑝h – Perda horária de massa da amostra;

𝑃𝑢 – Potência útil transferida ao fluido de trabalho (W);

𝜌 – Densidade específica do fluido (kg/m³);

𝑇secagem – Tempo de secagem (h);

�̅�𝑒 – Temperatura média do ar na entrada do secador (K);

�̅�𝑠 – Temperatura média do ar na saída do secador (K);

𝑈 – Teor de umidade do produto;

𝑈f – Teor de umidade final do produto;

𝑈perdida – Teor de umidade perdida pelo produto;

𝑉 – Velocidade de escoamento do fluido (m/s).

vii

Sumário

Agradecimentos .................................................................................................................................. i

Resumo ............................................................................................................................................. ii

Abstract ............................................................................................................................................. iii

Lista de ilustrações ........................................................................................................................... iv

Lista de tabelas ................................................................................................................................. v

Lista de símbolos .............................................................................................................................. vi

1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................................. 1

1.1 Apresentação do trabalho ..................................................................................................... 1

1.2 Objetivos ................................................................................................................................ 2

1.2.1 Objetivo geral .............................................................................................................. 2

1.2.2 Objetivos específicos .................................................................................................. 2

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................................................... 3

2.1 A importância da utilização de energias alternativas ............................................................ 3

2.2 A energia solar ...................................................................................................................... 3

2.3 O princípio da desidratação .................................................................................................. 5

2.4 Os secadores solares ............................................................................................................ 5

2.5 Alimentos escolhidos para secagem ..................................................................................... 9

2.5.1 Banana ...................................................................................................................... 10

2.5.2 Batata-doce ............................................................................................................... 11

2.5.3 Berinjela .................................................................................................................... 12

2.5.4 Beterraba ................................................................................................................... 13

2.5.5 Coco .......................................................................................................................... 14

2.5.6 Goiaba ....................................................................................................................... 15

3 MATERIAIS E MÉTODOS .......................................................................................................... 16

3.1 Eficiência do secador solar ................................................................................................. 22

3.2 Eficiência do processo de secagem .................................................................................... 23

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ................................................................................................ 24

5 CONCLUSÕES ........................................................................................................................... 28

6 REFERÊNCIAS ........................................................................................................................... 29

1

1 INTRODUÇÃO

1.1 Apresentação do trabalho

Nos dias de hoje, a utilização da energia solar é de suma importância para o

Brasil, pois a posição geográfica do país nos garante grande incidência de radiação

solar todos os anos, sendo uma fonte de energia limpa e renovável, que não agride o

meio ambiente. Contudo, para o devido aproveitamento dessa energia, tecnologias

precisam ser constantemente implantadas no ramo (BANDEIRA, 2012).

As áreas localizadas no Nordeste do Brasil têm taxas de radiação solar anuais

comparáveis às melhores regiões do mundo. Sendo assim, o uso dessa energia se

torna uma alternativa ambientalmente correta e sustentável, para o emprego de

projetos de baixo custo, a fim de servir famílias de baixa renda e pequenos agricultores

(TIBA et al., 2000).

Nosso país é o terceiro maior produtor mundial de frutas, ficando atrás apenas

da China e da Índia, portanto a fruticultura é um dos setores mais importantes para o

agronegócio brasileiro (EMBRAPA et al., 2019).

Porém, o grande problema está no enorme desperdício desses alimentos

perecíveis. O mau manuseio, indevido armazenamento, e a ausência de infraestrutura

adequada é o maior motivo dessa perda (OLIVEIRA; RIBEIRO; SATURNO, 2018).

A utilização da energia solar para a secagem de grãos, frutas e outros

produtos alimentícios apresenta-se como uma excelente saída para tal problema. A

desidratação propicia uma maior vida útil dos alimentos na prateleira, pois evita a

proliferação de microrganismos, impedindo que se estraguem, além de manter suas

propriedades nutricionais originais (ALMEIDA; LIMA; SOUZA, 2016).

Fora isso, Almeida, Lima e Souza (2016) ressalta que os produtos

desidratados servem como matéria-prima para a produção de alimentos

diferenciados, como por exemplo, massas, biscoitos, iogurtes, sorvetes, doces, sucos,

entre outros.

Então, para o processo de secagem ocorrer, se faz necessário o uso dos

secadores solares, que possuem como sua principal finalidade a redução/eliminação

da umidade dos produtos expostos, pela ação do calor do sol.

2

Dessa forma, realizou-se o estudo de um secador solar de baixo custo de

exposição direta, fabricado a partir de uma estrutura de aço em desuso, buscando-se

justificar sua viabilidade econômica, principalmente em comunidades de agricultura

familiar, constituindo-se numa opção de geração de emprego e renda para essas

pessoas, que também contribui na conservação e manutenção da qualidade dos

alimentos, diminuindo os índices de desperdício alimentar.

Serão apresentados os processos de fabricação, montagem e levantamento

de desempenho do secador solar proposto, que tem como principais características a

simplicidade de fabricação e o baixo custo.

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo geral

Demonstrar a viabilidade de utilização de um secador solar de baixo custo na

desidratação de alimentos.

1.2.2 Objetivos específicos

a) Projetar e fabricar o secador solar proposto;

b) Escolher os alimentos a serem secos;

c) Testar o secador na secagem dos produtos escolhidos;

d) Demonstrar a boa relação custo-benefício do secador, e sua viabilidade;

e) Produzir farinha com os alimentos secos.

3

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 A importância da utilização de energias alternativas

“O século XXI chegou com enormes desafios para a humanidade, figurando

entre eles o objetivo de garantir que a crescente demanda por energia seja suprida de

forma segura, sem comprometer a qualidade de vida das futuras gerações.” (COPEL

et al., 2014, p. 14).

Energias renováveis representam uma alternativa às fontes de energias

convencionais, sendo uma possibilidade de mudança na atual matriz energética. Já

que o uso de recursos naturais como o petróleo, carvão, gás natural, entre outros,

provoca inúmeros danos ambientais, como o agravamento do efeito estufa.

2.2 A energia solar

Como o objetivo deste trabalho é o estudo de um secador, cujo o meio de

obtenção de calor é a energia solar, faz-se uma análise bibliográfica sobre o potencial

e importância dessa fonte de energia alternativa.

A energia que vem do sol é renovável e praticamente inesgotável na escala

terrestre do tempo, podendo ser aproveitada pela sociedade para suprir suas

necessidades energéticas, considerando seus múltiplos usos.

O sol emite para a atmosfera terrestre uma taxa de radiação solar estimada

em cerca de 1,5 x 1012 GWh/ano, mais de 10.000 vezes que o consumo de energia

mundial. Isso equivale a dizer que menos de 1% da energia solar disponível seria

suficiente para suprir as necessidades energéticas da humanidade. Tais dados

constatam que a energia solar tem o maior potencial técnico de aproveitamento,

quando comparada a outras fontes renováveis (TOLMASQUIM, 2016).

Os países tropicais recebem grandes incidências solares, devido à posição

geográfica global, recebem energia solar quase o ano todo, o que torna bastante

favorável o uso de equipamentos solares. Entre eles se encontra o Brasil, com

disponibilidade equivalente a 1,13 x 1010 GWh/ano (QUEIROZ, 2005). Pode-se

perceber a veracidade da informação observando-se a Figura 2.1.

4

Figura 2.1 – Distribuição média de energia solar mundial.

Fonte: Loster (2006).

O Nordeste é uma das regiões de nosso país mais privilegiadas nesse quesito,

apresenta uma média de radiação solar global que se situa na faixa de 500 a 700

W/m², conforme mostra a Figura 2.2, retirada do Atlas de energia elétrica do Brasil

(BEZERRA, 2001).

Figura 2.2 – Radiação solar global diária do Brasil – média anual típica.

Fonte: ANEEL (2005).

5

Como pode ser visto, os maiores índices de radiação são observados na

região Nordeste, energia que ainda é pouco utilizada, por falta de investimentos.

Citar a energia solar como solução para todos os problemas energéticos da

humanidade representa desconhecer as limitações técnicas de tal alternativa, como

por exemplo: seu custo elevado, dependência climática, baixo rendimento, etc. Porém,

tal fonte não pode ser desprezada por nenhum país do mundo. Em tempos de

economia de combustíveis convencionais, representa uma importante alternativa para

a composição da matriz energética.

2.3 O princípio da desidratação

O processo de desidratação consiste na retirada de água do alimento por

evaporação, através de sua exposição à radiação solar por longos períodos de tempo,

sob condições climáticas favoráveis, preferencialmente a altas temperaturas, baixa

umidade relativa e ventos moderados. Seu principal objetivo é propiciar uma maior

vida útil ao produto, trata-se de uma das técnicas mais antigas de preservação de

alimentos, segundo afirmação de Almeida, Lima e Souza (2016):

A secagem é um processo físico que consiste na eliminação de água por evaporação, de modo a melhorar a conservação de um produto. É um dos métodos mais antigos de conservação de alimentos e surgiu quando os povos primitivos observaram que as sementes das plantas, com que se alimentavam, se conservavam por mais tempo depois de expostas ao sol. A partir daí começaram a secar ao sol outros alimentos, nomeadamente carne, peixe e os próprios grãos (ALMEIDA; LIMA; SOUZA, 2016, p. 2).

A desidratação ocorre com o fornecimento de calor para evaporar a umidade

do produto, e um meio de transporte para remover o vapor de água formado na

superfície desse produto. Neste trabalho foi feito o emprego de correntes convectivas

como meio de transporte, combinadas com o calor da radiação solar.

2.4 Os secadores solares

Os secadores solares são classificados como sistemas de energia solar ativa,

captando a energia do sol, e transformando-a em energia térmica, com o objetivo de

fornecer calor ao produto posto no secador.

6

De acordo com Bezerra (2001), o funcionamento dos secadores solares

depende de um fluxo de ar, que percorre toda sua área interna, e sofre aumento de

temperatura durante seu trajeto, pela exposição aos raios solares. Os produtos a

serem secos dispostos no coletor perdem umidade ao entrarem em contato com o ar

aquecido, no qual atua como meio de transporte para remover o vapor de água

formado na superfície do produto. O aquecimento da massa de ar no interior do

secador ocorre através do princípio o efeito estufa, como ilustra a Figura 2.3.

Figura 2.3 – Efeito estufa no interior de um secador solar.

Fonte: Silva (2013).

Quanto à classificação dos secadores solares, existem dois principais tipos: de

exposição direta, quando o alimento é colocado diretamente no coletor solar, de modo

que a radiação solar incida diretamente sobre ele, e de exposição indireta, quando há

uma câmara separada para pôr o material a ser seco. Existem também os secadores

mistos, que combinam os dois tipos de exposição citados.

Figura 2.4 – Esquema de um secador solar de exposição direta.

Fonte: Silva (2013).

7

Figura 2.5 – Esquema de um secador solar de exposição indireta.

Fonte: Silva (2013).

Ao tratar-se do fluxo de ar que circula em seu interior, pode-se classificá-los

quanto ao regime de operação: convecção natural (secagem passiva), convecção

forçada (secagem ativa) e híbrido.

No secador de convecção natural, o ar circula espontaneamente em seu

interior, de forma natural. Nele, o ar é aquecido, e por ser menos denso, é arrastado

até a saída do coletor, promovendo a secagem do produto.

Figura 2.6 – Esquema de um secador solar operando em convecção natural.

Fonte: Silva (2013).

8

Ao contrário disso, no secador de convecção forçada, o ar sofre a ação de

forças externas, como ventiladores ou bombas, sendo forçado a escoar.

Figura 2.7 – Esquema de um secador solar operando em convecção forçada.

Fonte: Silva (2013).

Já o secador híbrido, se utiliza de outras fontes de energia em seu processo de

secagem, além da energia solar. A Figura 2.8 ilustra um secador híbrido, onde uma

resistência elétrica é usada, a fim de melhorar o rendimento do secador.

Figura 2.8 – Esquema de um secador solar híbrido.

Fonte: Silva (2013).

O secador projetado que está em estudo é de exposição direta, e trabalha em

regime de convecção natural. Trata-se de um coletor solar plano de baixa

concentração.

9

2.5 Alimentos escolhidos para secagem

O secador proposto promoverá a secagem das frutas e hortaliças mostradas

a seguir. As tabelas desta seção mostram as informações nutricionais dos alimentos,

os valores apresentados são referentes à quantidade de 100 gramas de parte

comestível, segundo a Tabela Brasileira de Composição de Alimentos (TACO).

Tabela 2.1 – Percentual de umidade dos alimentos.

ALIMENTO UMIDADE

Banana 71,9%

Batata-doce 69,5%

Berinjela 93,8%

Beterraba 86%

Coco 43%

Goiaba 85%

Fonte: NEPA (2011).

10

2.5.1 Banana

Figura 2.9 – Um dos produtos escolhidos para a secagem - Banana.

Banana é uma pseudobaga da bananeira, uma planta herbácea, vivaz, acaule,

da família “Musaceae”. Banana é o quarto produto alimentar mais produzido no

mundo, depois do arroz, trigo e milho. É cultivada em 130 países.

Originárias do sudeste da Ásia, as bananas são cultivadas em praticamente

todas as regiões tropicais do planeta. Vulgarmente, inclusive para efeitos comerciais,

o termo banana refere-se às frutas de polpa macia e doce, que podem ser consumidas

cruas. São fonte apreciável de vitamina A, vitamina C, fibras e potássio.

As bananas formam-se em cachos, na parte superior dos pseudocaules, que

nascem de um verdadeiro caule subterrâneo, cuja longevidade chega a 15 anos ou

mais. Depois da maturação e colheita do cacho de bananas, o pseudocaule, dando

origem, posteriormente, a um novo pseudocaule.

Tabela 2.2 – Informações nutricionais da banana.

Fonte: NEPA (2011).

11

2.5.2 Batata-doce

Figura 2.10 – Um dos produtos escolhidos para a secagem - Batata-doce.

A batata-doce é um tubérculo que cresce nas raízes de uma planta conhecida

cientificamente como “Ipomoea batatas”. Ela é muito rica em um antioxidante

chamado betacaroteno, que contribui para a formação de vitamina A no organismo,

principalmente em crianças. A batata-doce também é muito rica em fibras, vitamina C,

potássio, manganês, vitamina B6, entre outras substâncias que

proporcionam benefícios como prevenção de deficiência em vitamina A, prevenção do

câncer e regulação níveis de açúcar no sangue.

As folhas e brotos da batata-doce são comestíveis após breve cozimento,

sendo saborosas e nutritivas, de produção facílima e abundante. Também podem ser

consumidas na forma frita. É encontrada nas cores laranja, branco, vermelho, rosa,

violeta, amarelo e roxo.

Tabela 2.3 – Informações nutricionais da batata-doce.

Fonte: NEPA (2011).

12

2.5.3 Berinjela

Figura 2.11 – Um dos produtos escolhidos para a secagem - Berinjela.

A berinjela é o fruto da planta “Solanum melongena”, originária da Índia,

considerada de fácil cultivo nos trópicos e que pertence à mesma família do pimentão.

Existem vários tipos desse fruto, que se diferenciam pelas suas cores. As mais

comuns são o vermelho escuro ou roxo, mas pode também ser branco.

Por ser rica em proteínas, vitaminas (A, B1, B2, B5, C), minerais (cálcio, fósforo,

ferro, potássio, magnésio) e alcaloides, que atuam diminuindo a pressão sanguínea,

os naturalistas recomendam o seu consumo para prevenir alguns males referentes ao

fluxo sanguíneo. É recomendada nos casos de artrite, apresentando bons resultados

no reumatismo, bem como na diabetes e nas inflamações da pele em geral. É também

muito digestiva, nutritiva e laxante. Por esse motivo, é indicada nos casos de

desnutrição, indigestão e prisão de ventre. O consumo da berinjela é também indicado

para problemas do fígado e do estômago (ZANIN, 2017).

Tabela 2.4 – Informações nutricionais da berinjela.

Fonte: NEPA (2011).

13

2.5.4 Beterraba

Figura 2.12 – Um dos produtos escolhidos para a secagem - Beterraba.

A beterraba é uma planta herbácea da família das quenopodiáceas. O nome é

derivado do substantivo francês “betterave”. A raiz tuberculizada serve, além dos fins

culinários, para produção de açúcar/sacarose.

Destaca-se como uma das hortaliças mais ricas em ferro, tanto na raiz quanto

nas folhas. Quando em condição natural, a beterraba se conserva por até uma

semana, se mantida em local fresco e sombreado. Na Europa, a beterraba é usada

também como combustível alternativo, na preparação de etanol.

A beterraba tem poucas calorias, é cheia de vitaminas, minerais e

antioxidantes poderosos. Contém potássio, magnésio, ferro, vitaminas A, B6 e C,

ácido fólico, zinco, hidratos de carbono, proteína e fibra solúvel. Traz inúmeros

benefícios para a saúde, como a melhoria da função cerebral, prevenção do

câncer/anemia, controle da pressão arterial, fortalecimento dos ossos, redução do

colesterol ruim, dentre outros (JONES, 2017).

Tabela 2.5 – Informações nutricionais da beterraba.

Fonte: NEPA (2011).

14

2.5.5 Coco

Figura 2.13 – Um dos produtos escolhidos para a secagem - Coco.

O coqueiro (Cocos nucifera L.), é um membro da família “Arecaceae” (família

das palmeiras). É a única espécie classificada no gênero “Cocos” que, por sua vez, é

constituída de três a quatro variedades. É uma das mais importantes espécies

tropicais, sendo considerada uma planta de mil e uma utilidades. No Brasil, o cultivo

do coqueiro predomina no litoral do Nordeste, região onde se concentra as principais

agroindústrias de coco (LOIOLA, 2009).

O coqueiro tem origem no Sudeste da Ásia. A planta foi introduzida no Brasil

pelos colonizadores portugueses no século XVI, disseminando-se por muitas regiões,

principalmente pelo litoral nordestino. Botanicamente falando, o coco é um fruto seco

simples classificado como drupa fibrosa (não uma noz). Junto à casca (exocarpo) é

encontrada uma camada grossa e fibrosa (mesocarpo). No interior, uma polpa branca

(albúmen sólido), oleosa, com espessura variável que toma toda a cavidade interna é

parcialmente preenchida com água, a famosa “água de coco” (albúmen líquido).

Tabela 2.6 – Informações nutricionais do coco.

Fonte: NEPA (2011).

15

2.5.6 Goiaba

Figura 2.14 – Um dos produtos escolhidos para a secagem - Goiaba.

Goiaba é o fruto da goiabeira, árvore da espécie “Psidium guajava”, originária

da América tropical. O fruto é constituído de uma casca verde, amarelada ou roxa,

com superfície irregular, cerca de 8cm de diâmetro. Em seu interior, há uma polpa

rosada, branca ou dourada, contendo dezenas de pequenas sementes duras, mas

que podem ser ingeridas sem problemas.

Somente as variedades de polpas brancas e vermelhas são comercializadas.

A branca, de casca esverdeada, e a vermelha, de casca amarelada e interior rosado.

As goiabas são consumidas principalmente “in natura” ou em forma de doce,

chamado goiabada. Compotas, geleias e sucos também são comuns. São muito ricas

em vitamina C, mais do que a laranja ou o limão. Além da vitamina C, possui

quantidades razoáveis de vitaminas A e do complexo B e sais minerais, como cálcio,

fósforo e ferro.

Tabela 2.7 – Informações nutricionais da goiaba.

Fonte: NEPA (2011).

16

3 MATERIAIS E MÉTODOS

O secador do estudo foi construído a partir de uma base de aço abandonada

com 3mm de espessura, mostrada na Fig. 3.1, combinada com o uso de materiais de

baixo custo e fácil acesso, como perfis de madeira inutilizados, vidros em desuso,

isopores, etc.

Figura 3.1 – Placa de aço utilizada na construção do secador.

Fonte: Disponibilizada pelo autor.

A seguir serão listados todos os processos de fabricação e montagem do

secador solar de exposição direta, que trabalha em regime de convecção natural:

1. Lixamento e limpeza da placa de aço abandonada para formação da superfície

absorvedora do secador;

2. Corte de perfis de madeira para fixação nas laterais do secador, através de rebites,

servindo de apoio para colocação dos vidros da cobertura do secador;

3. Pintura da base com tinta de cor preto fosco, com finalidade de melhorar a absorção

de radiação solar da mesma;

17

4. Colocação de isopor de 4cm de espessura na parte de baixo da placa, para o devido

isolamento térmico da mesma;

5. Corte e montagem dos vidros, usados na cobertura e superfície do coletor;

6. Inserção do secador em um suporte, utilizando-se de tijolos como apoio para deixá-

lo com uma menor inclinação. A inclinação recomendada para esse tipo de secador é

de 15,5º, mas devido ao escorregamento das amostras, foi utilizada uma inclinação

de 10º;

7. Colocação de um anteparo de isopor na saída do secador solar, a fim de facilitar o

fluxo de ar natural em seu interior, fazendo com que o ar entre pelo lado correto do

secador.

O equipamento foi montado nas dependências do Laboratório de Máquinas

Hidráulicas e Energia Solar (LMHES) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte

(UFRN). Ao final do processo de fabricação o secador ficou com as dimensões em cm

mostradas na Figura 3.2.

Figura 3.2 – Desenho representativo com as dimensões do secador fabricado.

Fonte: Disponibilizada pelo autor.

18

Figura 3.3 – Secador no processo final de montagem.

Fonte: Disponibilizada pelo autor.

Dados dos processos de secagem foram coletados através de aparelhos de

medição fornecidos pelo laboratório. Os valores das temperaturas do ar na entrada e

saída do secador foram obtidos utilizando-se termopares acoplados a um termômetro

digital.

Figura 3.4 – Termômetro digital com termopar acoplado.

Fonte: Disponibilizada pelo autor.

19

Sabe-se que dois parâmetros são de fundamental importância na secagem de

quaisquer produtos: sua umidade inicial, e sua umidade final (após seco). Para que o

alimento seja considerado desidratado ou seco, a literatura especializada determina

um percentual residual de massa de água final menor que 20%. Para a produção de

farinha, recomenda-se a eliminação de toda ou quase toda massa de água do

alimento.

Uma balança digital de precisão foi utilizada na determinação desses

parâmetros. Amostras do produto foram pesadas ao decorrer do processo, para que

fosse verificado se o ponto de desidratação desejado na secagem havia sido

alcançado. Quando o produto não atingia o ponto desejado em um dia de secagem,

no dia seguinte o processo era reiniciado.

Figura 3.5 – Balança digital de precisão.

Fonte: Disponibilizada pelo autor.

Também foi utilizado um medidor de radiação solar global, que funciona a partir

do direcionamento de seu sensor à luz solar, fornecendo em W/m² o valor de radiação

solar global no momento da medição.

20

Figura 3.6 – Medidor portátil de radiação solar global.

Fonte: Disponibilizada pelo autor.

No primeiro ensaio foram utilizados 256g de banana, 397g de batata doce,

383g de berinjela, 369g de beterraba e 408g de goiaba. As frutas foram partidas e

distribuídas no secador, como mostra a Figura 3.7.

Figura 3.7 – Distribuição das frutas no secador (ensaio 1).

Fonte: Disponibilizada pelo autor.

21

Um segundo ensaio, mais detalhado, foi realizado, uma massa de 1kg de

polpa de coco foi utilizada, e cortada em lascas de tamanhos variados para a

secagem. Dessas lascas foram adotadas duas amostras para servirem de base para

secagem, essas amostras pesaram cada uma 7,4g, a amostra 1 foi posta no topo do

secador (próximo à saída de ar), e a amostra 2 na parte inferior (próximo à entrada de

ar). Os pedaços de coco foram distribuídos no secador, como mostra a Figura 3.8.

Figura 3.8 – Distribuição de lascas e amostras de coco no secador (ensaio 2).

Fonte: Disponibilizada pelo autor.

Figura 3.9 – Amostras do coco identificadas.

Fonte: Disponibilizada pelo autor.

22

3.1 Eficiência do secador solar

O rendimento térmico ou eficiência do secador é determinado pela equação

3.1. Representa a razão entre a potência entregue e a potência disponibilizada para o

sistema.

𝜂𝑡 = 𝑃𝑢

𝐼 . 𝐴𝐶

(3.1)

Onde:

𝑃𝑢 = �̇� . 𝑐𝑝 . Δ𝑇

�̇� = 𝜌 . 𝑉 . 𝐴

Δ𝑇 = (�̅�𝑠 − �̅�𝑒)

𝜂𝑡 – Rendimento térmico;

𝑃𝑢 – Potência útil transferida ao fluido de trabalho (W);

𝐼 – Radiação solar global (W/m2);

𝐴𝐶 – Área útil do coletor exposta à radiação (m2);

�̇� – Vazão mássica (kg/s);

𝑐𝑝 – Calor específico à pressão constante (kJ/kg.K);

𝜌 – Densidade específica do fluido (kg/m³);

𝑉 – Velocidade de escoamento do fluido (m/s);

𝐴 – Área da seção transversal por onde escoa o fluido (m²);

�̅�𝑠 – Temperatura média do ar na saída do secador (K);

�̅�𝑒 – Temperatura média do ar na entrada do secador (K).

23

3.2 Eficiência do processo de secagem

A eficiência do processo de secagem pode ser avaliada através das massas

do produto a ser seco. A equação 3.2 apresenta os parâmetros necessários para essa

determinação. A massa de água é calculada a partir do percentual de umidade de

cada produto “in natura”.

𝜂𝑝 = (𝑚i − 𝑚f)

𝑚á𝑔𝑢𝑎

(3.2)

Onde:

𝑚á𝑔𝑢𝑎 = 𝑚𝑖 . 𝑈

𝜂𝑝 – Eficiência do processo de secagem;

𝑚i – Massa inicial das amostras (g);

𝑚f – Massa final das amostras (g);

𝑚á𝑔𝑢𝑎 – Massa total de água das amostras (g);

𝑈 – Teor de umidade do produto.

24

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

A secagem dos alimentos foi realizada na penúltima semana do mês de

outubro, entre os dias 21 e 25, ano 2019, aos arredores do Laboratório de Máquinas

Hidráulicas e Energia Solar da UFRN. Os dias estavam bem ensolarados, sem muita

presença de nuvens. A temperatura ambiente durante o período de secagem teve

média diária de 30ºC.

Na Tabela 4.1 estão especificados os dados gerais de cada processo de

secagem, da banana, batata-doce, berinjela, beterraba, coco e goiaba,

respectivamente.

Tabela 4.1 – Parâmetros medidos e calculados na secagem.

Alimento 𝑚i 𝑚𝑓 𝑈 𝑈perdida 𝑈𝑓 𝑇secagem

(g) (g) (%) (%) (%) (h)

Banana 256 115 71,9 55,1 16,8 12

Batata-doce 397 173 69,5 56,4 13,1 12

Berinjela 383 29 93,8 92,4 1,4 8

Beterraba 369 55 86 85,1 0,9 10

Coco 1000 700 43 30,0 13,0 5

Goiaba 408 84 85 79,4 5,6 12

Fonte: Disponibilizada pelo autor.

Através desses dados, observamos que os produtos finais ficaram com

umidade menor que 20%. Significa que os alimentos obtidos ao final do processo

podem ser considerados secos, como desejado.

Tendo em vista que o secador é de pequeno porte e de baixa concentração

solar, podemos dizer que bons tempos de secagem foram obtidos. Sendo para

banana, batata-doce, berinjela, beterraba, coco e goiaba, os respectivos tempos

de secagem: 12h, 12h, 8h, 10h, 5h e 12h.

A Tabela 4.2 apresenta os resultados da secagem do coco, e mostra a

variação de massa das amostras 1 e 2.

25

Tabela 4.2 – Variação de massa das amostras na secagem do coco.

Fonte: Disponibilizada pelo autor.

Foi percebido que a amostra 1, situada próxima à saída do secador, foi a que

apresentou maior percentual de massa perdida. O que evidencia o bom

funcionamento do equipamento, pois o ar é aquecido em sua parte inferior, e por ser

menos denso, sobe arrastado pela corrente de ar atmosférico, tendo uma maior

temperatura na saída do secador, fazendo com que o alimento localizado nessa região

seque mas rápido.

Na Figura 4.1 têm-se os valores das temperaturas médias do ar na entrada e

saída do secador. Os valores informados estão em ºC.

Figura 4.1 – Temperaturas médias do ar na entrada e saída do secador.

Fonte: Disponibilizada pelo autor.

Hora 𝐼 𝑚𝑎1 𝑝h1 𝑝1 𝑚𝑎2 𝑝h2 𝑝2

(W/m²) (g) (%) (%) (g) (%) (%)

09:30 750 7,40 0,0 0,0 7,40 0,0 0,0

10:30 900 6,45 12,8 12,8 6,66 10,0 10,0

11:30 870 5,80 10,1 21,6 6,15 7,7 16,9

12:30 860 5,38 7,2 27,3 5,78 6,0 21,9

13:30 720 5,02 6,7 32,2 5,45 5,7 26,4

14:30 500 4,83 3,8 34,7 5,26 3,5 28,9

26

Com base nos valores de temperaturas médias, medidos através de

termopares acoplados a um termômetro digital, observou-se o correto funcionamento

do equipamento, tendo em vista que as temperaturas sofrem aumento gradativo da

entrada para a saída do secador, 36ºC na entrada e 47ºC na saída.

Foram calculadas as eficiências dos processos de secagem, levando em

consideração as massas iniciais, finais, e de água da carga total de cada alimento, os

resultados dos cálculos estão reproduzidos na Tabela 4.3.

Tabela 4.3 – Eficiências dos processos de secagem.

Fonte: Disponibilizada pelo autor.

Os valores obtidos representam eficiências de processo bastante

significativas. É razoável considerarmos satisfatórios os desempenhos dos processos

de secagem, visto que utilizamos um secador de fabricação caseira de pequena área,

que opera em regime de convecção natural, o que significa baixa vazão de ar, e

consequentemente baixa vazão mássica.

Terminada a secagem foram separados os alimentos, e armazenados em

recipientes. Posteriormente, foram produzidas farinhas dos seguintes alimentos:

batata-doce, berinjela, beterraba e goiaba, com auxílio de um liquidificador industrial.

Quanto aos aspectos referentes à aparência, sabor e qualidade dos produtos

pós-secagem, pode-se considerar que foram satisfatórios. Os alimentos secos e as

farinhas produzidas estão mostrados nas Figuras 4.2 e 4.3.

Alimento 𝜂𝑝

(%)

Banana 76,6

Batata-doce 81,2

Berinjela 98,5

Beterraba 98,9

Coco 69,8

Goiaba 93,4

27

Figura 4.2 – Alimentos separados ao final da secagem.

Fonte: Disponibilizada pelo autor.

Figura 4.3 – Farinhas produzidas.

Fonte: Disponibilizada pelo autor.

28

5 CONCLUSÕES

Considerando os objetivos definidos inicialmente pelo trabalho, e após análise

dos resultados obtidos, apresentam-se as conclusões a seguir.

1. O secador solar fabricado mostrou-se viável na desidratação dos alimentos, tendo

em vista as boas eficiências dos processos;

2. Apesar do baixo custo e simplicidade do secador, foram obtidos bons tempos de

secagem nos processos, demonstrando a boa relação custo-benefício do secador;

3. O secador proposto é uma alternativa para geração de emprego e renda em

comunidades carentes, pois os produtos secos possuem significativo valor agregado;

4. O equipamento pode ser aplicado no combate ao desperdício alimentar, pois

possibilita uma maior vida útil aos alimentos;

5. O processo de secagem por exposição direta mostrou-se eficiente, podendo

produzir perda de massa compatível com o que aponta a literatura especializada em

desidratação de alimentos;

6. A produção de alimentos secos, a partir da secagem, pode ser realizada em regiões

de zona rural e urbana, principalmente na região Nordeste do nosso país, onde há

abundância de radiação solar durante o ano todo;

7. A farinha obtida como produto final pode ser de grande utilidade para alimentação

em geral, e serve de matéria-prima para produção de alimentos diferenciados.

29

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