Publicação: Estudo experimetal e numérico da dinâmica de grãos de café em um tambor rotatório
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CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
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Coorientador
Barrozo, Marcos Antonio de Souza
Resumo
O estudo da dinâmica de partículas no interior de um tambor rotatório é de grande importância
devido à ampla aplicação deste equipamento em diferentes setores industriais. Na produção de
café, nas etapas de secagem e torra, são utilizados tambores rotatórios. Considerando o fato de
que o Brasil é o maior produtor e exportador de café do mundo, melhorar a eficiência de
funcionamento destes equipamentos é de grande relevância. Dessa forma, o presente trabalho
desenvolveu um estudo experimental e numérico sobre a dinâmica de grãos de café, nas
condições verde e torrado, no escoamento em um tambor rotatório. Experimentalmente,
avaliou-se, para ambos os cafés verde e torrado, as transições entre os regimes de rolamento,
cascateamento, catarateamento e centrifugação, utilizando-se uma técnica de análise de
imagens. A diferença de densidades das partículas nos dois casos influenciou de maneira
significativa a transição catarateamento-centrifugação. Uma análise mais aprofundada foi feita
em relação ao regime de rolamento, para o qual se avaliou os perfis de velocidade das partículas
em estudo e também a espessura da camada ativa para diferentes níveis de enchimento e
velocidades de rotação do tambor. Tal espessura mostrou-se dependente de ambas as variáveis.
Encontrou-se uma grande similaridade no comportamento da região ativa para os grãos de café
antes e depois do processo de torra, considerando-se o grau de enchimento do cilindro
constante. Em relação ao estudo numérico, foram empregadas duas metodologias: Lagrangeana
e Euleriana. Na abordagem Euleriana foram testadas duas condições de contorno na parede
(coeficientes de especularidade e não deslizamento) e o modelo com a condição de contorno de
não deslizamento acoplado à viscosidade friccional mostrou-se eficiente em prever o
comportamento dos grãos de café verde em relação aos perfis de velocidade no regime de
rolamento. Quanto à abordagem Lagrangeana, realizou-se uma calibração para os coeficientes
de atritos de rolamento e estático partícula-partícula e partícula-parede. Estes parâmetros foram
avaliados em um Planejamento Composto Central e também foi possível encontrar a melhor
combinação entre eles capaz de reproduzir o comportamento dos grãos verdes para os perfis de
velocidade.
Abstract
The study of particle dynamics inside a rotating drum is extremely important due to the wide
range of application for this equipment in different industrial sectors. In order to produce coffee,
in the drying and roasting stages, rotary drums are used. Considering the fact that Brazil is the
largest producer and exporter of coffee in the world, improving the efficiency of these
equipments has great relevance. Thus, the present work developed an experimental and
numerical study about the dynamics of coffee beans, under green and roasted conditions, inside
a rotating drum. Experimentally, for both green and roasted coffees, the transitions between
rolling, cascating, cataracting and centrifuging regimes were evaluated using an image analysis
technique. The different density values in both conditions, green and roasted, significantly
influenced the cataract-centrifuging transition. Further analyses were made regarding the
rolling regime: velocity profiles of the particles were evaluated as well as the thickness of the
active layer for different filling degrees and rotation speeds of the drum. This thickness was
observed as dependent on both variables. It was found great similarity between the behavior of
the active region for coffee beans before and after the roasting process, considering a constant
filling level. About the numerical study, two methodologies were employed: Lagrangian and
Eulerian. For the Eulerian approach, two boundary conditions on the wall were tested
(specularity coefficient and no-slip ) and the model with non-slip condition coupled with
frictional viscosity parameter proved to be an efficient model predicting the velocity profiles
for green coffee beans in the rolling regime. As for the Lagrangean approach, a calibration was
performed involving the coefficients of rolling and static friction (particle-particle and particle
wall). These parameters were evaluated using a Central Composite Experimental Design and it
was also possible to find the best combination between them, capable of reproducing the
behavior of the green grains for particle velocity profiles.
Palavras-chave
tambor rotatório, café, abordagem Euleriana, abordagem Lagrangeana, perfis de velocidade, regimes de escoamento, dinâmica da partícula, química
Citação
RESENDE, Isabela Araújo. Estudo experimental e numérico da dinâmica de grãos de café em um tambor rotatório. 2017. 102 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2017. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2024.5507.
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