Transport coefficients for low and high-rate mass transfer along a biological horizontal cylinder

Abstract

Knowledge of heat and mass transfer coefficients is essential for drying simulation studies or design of food and grain thermal processes, including drying. This work presents the full development of a segregated finite element method to solve convection-diffusion problems. The developed scheme allows solving the incompressible, steady-state Navier-Stokes equations and convective-diffusive problems with temperature and moisture dependent properties. The problem of simultaneous energy, momentum and species transfer along an infinite, horizontal cylinder under drying conditions in forced convection is presented, considering conditions normally found in biological material thermal treatment or drying. Numerical results for Nusselt and Sherwood numbers were compared against available empirical expressions; the results agreed within the associated experimental errors. For high rate mass transport processes, the proposed methodology allows to simulate drying conditions involving wall convective mass flux by a simple inclusion of the appropriated boundary conditions. Key words: drying, heat transfer, convection, diffusion Coeficientes de transporte para baixas e altas taxas de transferência de massa ao longo de um cilindro biológico horizontal RESUMO O conhecimento dos coeficientes de transferência de calor e massa é essencial para o estudo de simulação de secagem e para o projeto de processamento térmico de grãos e alimentos, inclusive secagem. Este trabalho apresenta o desenvolvimento completo de um método de elementos finitos segregado para resolver problemas de convecção-difusão. O esquema desenvolvido permite que se resolvam as equações de Navier-Stokes incompressíveis em regime permanente, além de problemas convectivos-difusivos com propriedades dependentes da temperatura e da umidade. Apresenta-se o problema de transferência simultânea de energia, momentum e espécies ao longo de um cilindro horizontal, infinito sob condições de secagem em convecção forçada, considerando-se condições normalmente encontradas em tratamento tér-mico ou secagem de material biológico. Compararam-se resultados numéricos para Nusselt e Sherwood com expressões empíricas disponíveis; os resultados concordaram dentro dos erros experimentais associados. Para processos com altas taxas de transporte de massa, a metodologia proposta permite simular condições de secagem envolvendo fluxo convectivo de massa na parede, por meio de uma simples inclusão de condições de contorno apropriadas.