Dimensionamento e análise de uma fornalha redonda de fogo direto para secadores de grãos

RIO GRANDE DO SUL – UNIJUÍ

THIAGO LUIZ WEIAND

DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DE UMA FORNALHA REDONDA

DE FOGO DIRETO PARA SECADORES DE GRÃOS

Panambi 2014

THIAGO LUIZ WEIAND

DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DE UMA FORNALHA REDONDA

DE FOGO DIRETO PARA SECADORES DE GRÃOS

Trabalho de conclusão de curso

apresentado à banca do curso de

Engenharia Mecânica da Universidade

Regional do Noroeste do Estado do

Rio Grande do Sul - UNIJUÍ, como

parte dos requisitos para obtenção do

título de Bacharel em Engenharia

Mecânica.

Orientador: Roger Schildt Hoffmann

Panambi 2014

DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DE UMA FORNALHA REDONDA

DE FOGO DIRETO PARA SECADORES DE GRÃOS

Esta monografia foi julgada adequada para a obtenção do título de BACHAREL EM ENGENHARIA MECÂNICA, e aprovada em sua forma final pelo professor orientador

e pelo Curso de Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do rio Grande do Sul - UNIJUÍ.

Panambi, 19 de maio de 2014

Prof. Roger Schildt Hoffmann Mestrado em Engenharia Mecânica - UFGRS

Prof. Roger Schildt Hoffmann Coordenador do DCEENG - UNIJUÍ

BANCA EXAMINADORA

Aos meus pais e minha noiva pela confiança, amor, carinho e estimulo que me ofereceram, dedico-lhes essa conquista como gratidão.

Primeiramente a Deus, que sempre me deu força nos momentos difíceis e que sempre esteve ao meu lado.

A minha noiva Larissa, pelo amor, carinho, compreensão, pela dedicação e, especialmente, por estar ao meu lado, dando-me forças para concluir este trabalho.

Aos meus pais Luis Paulo e Silvane que sempre estiveram ao meu lado em todos os momentos, ao meu Sogro Adauto e minha Sogra Margit, pelo apoio e carinho.

A Empresa Tromink Industrial Ltda, pela disponibilidade de informações para a Elaboração e Desenvolvimento deste Relatório.

À Universidade Regional do Noroeste do estado do Rio Grande do Sul cujos conhecimentos lá obtidos, me foram à base técnica necessária para desenvolver este trabalho.

Dedico esta conquista a todos.

Para conhecermos os amigos é necessário passar pelo sucesso e pela desgraça. No sucesso, verificamos a quantidade e, na desgraça, a qualidade.

Hoje com a necessidade de serem cada vez mais produtivos e competitivos no mercado, e também eficientes em produção de grãos, os agricultores estão colhendo cada vez mais cedo os produtos das lavouras, e com isso não com a umidade ideal para armazenagem. Com isso a empresa Tromink Industrial Ltda desenvolveu uma fornalha redonda de fogo direto que atende as exigências. Um sistema com um secador de grãos é desenvolvido juntamente com essa fornalha para secagem de sementes. O projeto tem como princípios desenvolver um método de cálculos para dimensionamento de fornalhas redondas, visando à análise entre o projeto existente com os resultados obtidos nos cálculos.

ABSTRACT

Today the need to be ever more productive and competitive in the market, and also efficient in grain production, farmers are harvesting earlier and earlier products of crops, and thus not the ideal storage humidity. Thus the company developed a Tromink Industrial Ltda round direct furnaces that meets the requirements. A system with a grain dryer is developed with such a furnace for drying seeds. The project is to develop a method of principles calculations for sizing of round furnaces, aiming the analysis of the existing project with the results obtained by calculations.

FIGURA 1 – CLASSIFICAÇÃO DO MÉTODO DE SECAGEM ... 17

FIGURA 2 – SECAGEM NATURAL ... 17

FIGURA 3 – SECADOR DE LEITO FIXO ... 18

FIGURA 4 – SECADOR DE FLUXOS CRUZADOS ... 19

FIGURA 5 – SECADOR DE FLUXOS CONTRACORRENTES ... 20

FIGURA 6 – SECADOR DE FLUXOS CONCORRENTES ... 20

FIGURA 7 – SECADOR TIPO CASCATA ... 22

FIGURA 8 – FORNALHA DE FOGO DIRETO ... 25

FIGURA 9 – FORNALHA DE FOGO INDIRETO ... 26

FIGURA 10 – ESQUEMA DO TROCADOR DE CALOR TUBO DUPLO... 27

FIGURA 11 – ESQUEMA DO TROCADOR DE CASCO E TUBO ... 28

FIGURA 12 – ESQUEMA DO TROCADOR DE CALOR DE PLACAS ... 29

FIGURA 13 – FORNALHA REDONDA DE FOGO DIRETO ... 32

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 – CAPACIDADE DE SECAGEM SCOT-100. ... 34 TABELA 2 – CAPACIDADE DE SECAGEM SCOT-100. ... 49 TABELA 3 – COMPARATIVA DA FORNALHA D 2,8M... 50

A Água a ser evaporada [%]

B Quilograma de lenha [kg]

C Calor teórico para evaporar água livre [kcal/kg] C’ Valor prático para evaporar água do grão [kcal/kg] Carga k Combustível sólido para fornalhas [kcal/m3 x h] Cc Custo do combustível necessário [R$] Ccm Custo da lenha [R$] Ccr Custo por hora da energia consumida [R$] Cglp Poder calorífico do gás GLP [kcal/kg] Cgn Poder calorífico do gás natural [kcal/kg] Ch Custo da hora de funcionamento dos ventiladores [R$] Cpc Capacidade calorífica da casca de arroz [kcal/kg] Cr Custo a ser calculado [R$] Es Peso estéreo da lenha [kg] H Calor necessário [kcal] H’ Calor prático [kcal/kg] Hc Altura da câmara de combustão [m] N Potência do motor [cv] N’ Potência do motor com reaproveitamento de calor [cv] K Carga mecânica e ar forçado [kg/m² x h] Pa Peso da água [kg] Pc Peso da casca de arroz [kg] Pci Poder calorífico inferior do combustível [kcal/kg] Ps Peso do grão [kg] Pglp Peso do gás (glp) necessário [kg/h] Pgn Peso do gás natural necessário [kg/h] PI Peso da lenha [kg] PLC Capacidade calorífica da lenha [kcal/kg] Pt Pressão total na coluna d’água [mmCA] Q Vazão de ar necessária para secagem e resfriamento [m³/h] Q’ Vazão de ar [m³/s]

Qcr Vazão de ar para secagem com reaproveitamento de calor [m³/h] Sg Área de grelha [m²] t Tempo necessário [h] t1 Temperatura do ar ambiente [°C] t2 Temperatura do ar quente de secagem [°C] Uf Umidade final [%] Ui Umidade inicial [%] V Volume da câmara de combustão [m³] Vi Volume de lenha [m³]

ϒ _{Rendimento [ - ]} Ø Diâmetro da fornalha [m]

INTRODUÇÃO ... 15

1

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 16

1.1 PROCESSOS DE SECAGEM DE GRÃOS ... 16

1.2 FORNALHAS ... 22

1.2.1 Classificação das Fornalhas ... 24

2

ESTUDO DO CASO ... 31

2.1 INTRODUÇÃO ... 31

2.2 SECADOR SCOT-100 ... 31

2.3 FORNALHA DE FOGO DIRETOØ 2,8M ... 32

2.4 SISTEMA DE SECAGEM DE SEMENTES ... 33

2.5 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE SECAGEM PARA GRÃOS ... 34

2.5.1 Cálculo do percentual de água a ser evaporada. ... 34

2.5.2 Cálculo do peso da água a ser evaporada por hora. ... 35

2.5.3 Cálculo do calor necessário para evaporar a água. ... 35

2.5.4 Cálculo da quantidade de combustível necessário para evaporar a água e custo aproximado ... 36

2.5.5 Cálculo da vazão aproximada de ar para a secagem e o resfriamento pelo sistema convencional ... 41

2.5.6 Cálculo da vazão aproximada de ar para a secagem e o resfriamento pelo sistema com reaproveitamento de calor. ... 42

2.5.7 Cálculo da potência do motor do ventilador para secagem convencional. ... 43

2.5.8 Cálculo da potência do motor do ventilador para secagem com reaproveitamento de calor ... 44

2.5.9 Cálculo do custo de uma hora de funcionamento do secador em função dos motores dos ventiladores... 44

3

ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 49

3.1 INTRODUÇÃO ... 49

3.2 COMPARATIVO DOS VALORES CALCULADOS DO SECADOR ... 49

3.3 COMPARATIVO DOS VALORES CALCULADOS DA FORNALHA ... 50

3.4 DISCUSSÕES DOS RESULTADOS ... 50

3.5 SUGESTÃO PARA ESTUDOS FUTUROS DO SISTEMA DE SECAGEM ... 50

CONCLUSÃO ... 52

REFERÊNCIAS ... 53

ANEXO A- TABELA GERAL SECADOR SCOT TROMINK ... 54

I N T R O D U Ç Ã O

Podem-se definir distintos modos de secagem, dependendo do enfoque que se deseja dar. O mais comum é a ênfase sobre os mecanismos de transporte e armazenagem. Assim, a secagem pode ser definida como um processo em que há trocas simultâneas de calor e massa entre o ar do ambiente de secagem e os grãos. Mas também se pode definir como operação responsável pela redução da umidade de certo produto até o nível considerado seguro para o armazenamento.

Grandes prejuízos são causados aos produtores anualmente, isso devido à falta de conhecimento sobre a conservação de grãos no Brasil. Outro fator que é preocupante é a falta de infraestrutura para armazenamento, o que vem acarretando em desperdícios de grande parte do que se produz.

Por se ter uma grande demanda de produtos em unidades armazenadoras, dificilmente se usa fornalhas de fogo indireto, modelos desse tipo são recomendadas para unidades sementeiras e do gênero alimentícios, pois não se tem o contato de temperaturas elevadas com o grão e a demanda geralmente não é muito grande.

Por outro lado em grandes unidades de armazenamento, o fluxo de grãos (milho, soja, trigo) é muito grande, então não se pode perder muito tempo na secagem, e nesse caso o ideal é a fornalha de fogo direto, pois a secagem é feita com temperaturas mais altas, obtendo assim um fluxo maior na secagem.

A empresa Tromink Industrial Ltda, fornecedora de equipamentos para unidades armazenadoras é uma fabricante deste modelo de fornalha de fogo direto que será à base de estudo deste trabalho. Através do projeto existente, busca-se realizar uma análise da fornalha verificando se o que está sendo executado é coerente com os resultados obtidos pelo método de cálculo empregado e disso, tirar as conclusões devidas do projeto, e, se necessário, recomendações de alteração na forma construtiva da fornalha e demais equipamentos envolvidos no processo de secagem.

16

1

R E V I S Ã O B I B L I O G R Á F I C A

Neste capítulo apresenta-se uma breve introdução sobre os assuntos pertinentes ao estudo em questão trazendo algumas definições relevantes para o entendimento do leitor sobre a metodologia utilizada.

1.1 PROCESSOS DE SECAGEM DE GRÃOS

Hoje com a necessidade de serem cada vez mais produtivos e competitivos no mercado, e também eficientes em produção de grãos os agricultores estão colhendo cada vez mais cedo os produtos das lavouras, não com a umidade ideal para armazenagem.

O grão ficando mais do que sua maturidade fisiológica na lavoura, corre o risco de mudanças no clima, o que podem acarretar perdas nas suas condições ideias.

Para garantir que estas sementes com grau de umidade elevado não sejam danificadas, causando prejuízo ao produtor, é necessário que haja um sistema de secagem.

As principais vantagens da secagem segundo SILVA (2008) são:

• Permite antecipar a colheita, disponibilizando a área para novos cultivos; • Minimiza a perda do produto no campo;

• Permite armazenagem por períodos mais longos, sem o perigo de deterioração do produto;

• O poder germinativo é mantido por longos períodos; e • Impede o desenvolvimento de microrganismos e insetos.

O processo de secagem envolve a retirada parcial de água das sementes através da transferência simultânea de calor do ar para as sementes e de água, por meio de fluxo de vapor, das sementes para o ar.

Figura 1 – Classificação do Método de Secagem

Fonte: SILVA. (2005).

• Secagem Natural

Na secagem natural, conforme SILVA (2005), os grãos são dispostos em eiras ou em lonas e emprega-se energia solar ou eólica (Figura 2), para remover a umidade dos grãos, devendo-se ter o cuidado de que a umidade do grão será retirada uniformemente. Neste método o grão é pouco afetado por danos mecânicos e térmicos, mas depende diretamente das condições psicrométricas do ar ambiente, o que geralmente não são muito adequadas para a secagem dos grãos. Método muito usado para quantidade de grãos não muito elevada.

Figura 2 – Secagem Natural

18

• Secagem Artificial

SILVA (2005) caracteriza a secagem artificial por forçar uma vazão de ar aquecido a passar por certo volume de grãos estáticos ou em movimento. Neste processo deve-se ter cuidado para que esse ar quente não passe todo diretamente nos grãos próximos a entrada do ar quente e também para que os grãos mais distantes não fiquem sem ar quente. A secagem artificial divide-se em:

- Secagem a baixa temperatura: Neste método normalmente o ar de secagem não ultrapassa os 10° Celsius da temperatura ambien te.

- Secagem a alta temperatura: Neste método o ar de secagem normalmente chega a 110° graus Celsius. Primeiramente podem ser classificados em função do sentido dos fluxos de ar de secagem e da massa de grão: leito fixo, fluxos cruzados, fluxos concorrentes, fluxos contra concorrentes e fluxo misto.

- Secadores de leito fixo (Figura 3): Neste sistema a quantidade de grãos

dispostos a ser secados permanece estática. O sistema dispõe de fornalha a lenha, ventilador e câmara de secagem com capacidade estática em torno de cinco toneladas.

Figura 3 – Secador de Leito Fixo

- Secadores de Fluxos Cruzados: os grãos e o fluxo de ar de secagem se cruzam

sob um ângulo de 90° na câmara de secagem. Conforme é mostrado na figura 4, ocorre inversão de lado das colunas de grãos da primeira para segunda câmara de secagem. Isto é feito para homogeneizar o teor de umidade na massa de grãos. Pois, o produto que se encontra mais próximo à entrada do ar de secagem, torna-o mais seco e aquecido.

Figura 4 – Secador de Fluxos Cruzados

Fonte: SILVA, (2005).

- Secador de Fluxos Contracorrentes: os fluxos de grãos e ar de secagem

ocorrem em sentidos opostos, sendo que o fluxo de grãos ocorre no sentido da gravidade e o fluxo de ar em sentido ascendente. Em seu funcionamento, a frente de secagem permanece sempre junto ao fundo. Esse sistema de secagem é composto por um silo que possui: fundo perfurado, sistema de aquecimento, ventilador e sistema de movimentação de grãos. À medida que ocorre a secagem, a camada de grãos seca é transportada para silos armazenadores ou então, é depositada na parte superior da massa de grãos. Para tanto, o sistema de movimentação de grãos é acionado por um termostato que monitora o avanço da frente de secagem. Quando o termostato detecta temperatura próxima a 70 °C é acionado o sistema de movimentação de grãos.

20 Figura 5 – Secador de Fluxos Contracorrentes

Fonte: SILVA, (2005).

- Secador de Fluxos Concorrentes: os fluxos de ar de secagem e grãos têm o

mesmo sentido de deslocamento (Figura 6).

Figura 6 – Secador de Fluxos Concorrentes

- Secador de fluxos mistos ou secador do tipo Cascata: de acordo com SILVA

(2005), é o modelo de secador mais utilizado pelas unidades armazenadoras, disponibilizado com capacidades de secagem de 15 a 250 t/h. Estruturalmente, esses secadores possuem uma torre central montada pela superposição vertical de caixa dutos. Uma caixa duto é formada por dutos montados em uma fileira horizontal. Conforme pode ser observado na Figura 7, 2/3 da altura da torre correspondem à câmara de secagem. Pelo lado esquerdo entra o ar de secagem com temperaturas entre 60 a 100°C. E do lado direit o é procedida a sucção do ar exausto, que geralmente possui temperatura em torno de ± 7°C acima da temperatura ambiente. O 1/3 inferior da altura da torre é destinado à câmara de resfriamento. Cujo objetivo é retirar calor da massa de grãos, deixando-a com temperatura próxima a ideal para a armazenagem. Para o secador esquematizado, ocorre o reaproveitamento do ar que sai da seção de resfriamento. Assim, ao invés de lançá-lo ao ambiente, este é misturado ao ar de secagem, melhorando o rendimento do secador. O secador esquematizado na Figura 7 tem ventiladores colocados na parte lateral, podendo também dispô-los na parte superior. A função dos ventiladores é garantir a vazão de ar necessária à secagem. Sobre a torre do secador está montada a Pirâmide de Carga ou Funil de Carga sendo que neste local deve ser mantida uma quantidade de grãos que permita a torre sempre estar cheia. Isto evita a passagem direta do ar de secagem de um lado da torre para o outro o que representa uma economia de energia calorífica. Utiliza-se secagem com coluna inteira quando se está fazendo a secagem intermitente, a secagem com resfriamento se faz quando o secador está sendo descarregado e o grão irá ser armazenado, então assim o grão está a uma temperatura ideal de armazenagem. Praticamente todos os secadores possuem duas câmaras, uma de secagem e outra de resfriamento, porém aos secadores contínuos é indispensável as duas câmaras sendo uma para a secagem e outra para o resfriamento dos grãos de forma contínua. Os grãos secam e resfriam passando uma única vez pelo secador e operarão neste regime quando os grãos estiverem com umidade inicial aproximadamente em torno de 20% de umidade máxima.

22 Figura 7 – Secador Tipo Cascata

Fonte: Arquivo Tromink (2013)

E quanto ao seu funcionamento classificam-se:

- Secador Contínuo: quando o produto necessita passar uma só vez pelo secador para atingir o teor de umidade desejado.

- Secador intermitente: o produto necessita recircular por várias vezes.

1.2 FORNALHAS

As fornalhas são equipamentos baseados nos 3T’s da combustão, temperatura, turbulência e tempo. São projetadas para garantir a queima completa do combustível, de modo a aproveitar a energia térmica liberada na combustão e assim garantir a maior eficiência contínua possível, obtendo assim o maior rendimento térmico.

Para se definir o tamanho da fornalha depende do tipo do combustível, do dispositivo usado para queimá-lo e da quantidade de energia térmica necessária num intervalo de tempo. Para que se obtenha a combustão completa do combustível deve-se buscar a mistura homogênea de ar-combustível, isso na dosagem certa e tempo certo.

De acordo com MAGALHÃES (2007), as fornalhas devem ser dimensionadas para garantir a combustão completa dos combustíveis, que podem ser sólidos, gasosos e líquidos.

As fornalhas devem ser dimensionadas para:

• Permitir a alimentação contínua e uniforme do combustível;

• Possuir aberturas reguláveis para a entrada de ar primário e secundário; Possibilitar distribuição uniforme e turbulenta do ar na câmara de combustão; • Assegurar a estabilidade da queima e a continuidade operacional do sistema;

• Permitir a remoção eficiente das cinzas;

• Apresentar boa tiragem para a retirada contínua dos produtos da combustão.

Segundo MAGALHÃES (2007), para assegurar a queima dos combustíveis que fornecerão calor ao ar e promover a secagem dos grãos, a fornalha basicamente deve ser constituída de:

• Câmara de combustão: espaço destinado ao processo da combustão

propriamente dita, no qual todos os compostos combustíveis devem ser oxidados, liberando energia térmica. A temperatura é um dos quesitos principais no dimensionamento da fornalha. Uma câmara de combustão muito grande pode não propiciar a temperatura mínima de combustão dos combustíveis, enquanto, em câmaras menores, pode não ocorrer à queima completa dos gases liberados do combustível em virtude do curto tempo de permanência deles na câmara.

24

• Grelha: estrutura que mantém o combustível sólido suspenso durante o

processo de combustão, enquanto o ar comburente circula por sua superfície. As grelhas devem propiciar a sustentação dos combustíveis, assim como permitir a passagem das cinzas para o cinzeiro e devem ser produzidas com material resistente a altas temperaturas como o ferro fundido.

• Cinzeiro: depósito localizado abaixo da grelha, destinado ao

armazenamento dos resíduos da combustão (cinzas). Dependendo da configuração, também se destina à passagem do ar comburente.

• Entradas de ar: são responsáveis pela passagem do ar comburente para o

interior da fornalha. Elas devem ser reguláveis e localizadas em pontos estratégicos no corpo da fornalha, favorecendo a mistura do comburente com o combustível.

• Saídas dos gases: as saídas dos gases devem ser localizadas em função

da configuração da fornalha, ou seja, na forma de chaminé, exaurindo os gases da combustão no ambiente, ou em forma de aberturas que permitam o aproveitamento desses gases.

• Sistema de alimentação: normalmente em fornalhas a lenha, a alimentação

é feita manualmente, por meio de uma abertura na câmara de combustão, na qual o combustível é disposto sobre a grelha. No caso de fornalhas para combustíveis particulados, a alimentação deve ser preferencialmente mecanizada.

1.2.1 Classificação das Fornalhas

De acordo com MAGALHÃES (2007) existem basicamente dois tipos de fornalhas, as de fogo direto onde o ar de secagem é proveniente dos gases de combustão e as de fogo indireto, onde se utiliza um trocador de calor.

- Fornalhas de fogo direto: Neste tipo de fornalha é necessário que haja um

ciclone, que na verdade tem a função de um decantador, em que as partículas mais pesadas (partículas incandescentes) sejam separadas do fluxo gasoso pela ação da força centrífuga. A fornalha de fogo direto possui maior rendimento do que a fornalha de fogo indireto. Os gases resultantes da combustão são misturados com o ar

ambiente. Esse tipo de mistura pode gerar contaminantes indesejáveis que entram em contato com os grãos ou com as sementes.

Por mais que esse tipo de fornalha possua um bom rendimento, seu uso não é aconselhável para a secagem de gêneros alimentícios como feijão, café, arroz, cacau, amendoim entre outros, pois pode ocorrer a contaminação pelos gases de combustão além de influenciar no sabor, odor e até em sua aparência. Para este caso recomenda-se o uso da fornalha de fogo indireto.

Na figura 8 pode-se visualizar um modelo de fornalha redonda a lenha, de fogo direto.

Figura 8 – Fornalha de Fogo Direto

Fonte: Arquivo Tromink (2013)

- Fornalha de fogo indireto: destina-se a atividades agrícolas que requerem

temperaturas controladas, não muito altas. O ar frio, ao entrar pelos tubos do trocador de calor, é aquecido pelo fluído circulante na carcaça até uma temperatura máxima determinada pelo equilíbrio com a temperatura do fluído circulante. Além da

26 grande durabilidade, a fornalha em questão apresenta como vantagem a não contaminação do ar aquecido, mesmo quando a combustão é incompleta.

Na Figura 9, é apresentado o esquema básico de uma fornalha para aquecimento indireto utilizando trocador de calor. Nota-se que no interior da câmara de combustão foi instalada uma estrutura metálica, por onde circulavam os fluídos quentes. Esta estrutura é aquecida pelas chamas da lenha em combustão. O fluído circula por convecção natural, sendo conduzido a um trocador de calor água-ar que aquecia o ar de secagem. Os gases de combustão são conduzidos para a chaminé e exauridos para o ambiente.

Figura 9 – Fornalha de Fogo Indireto

Fonte: MAGALHÃES, (2007)

1.3 TROCADOR DE CALOR

Um trocador de calor é um equipamento onde ocorre uma troca térmica entre dois fluídos normalmente separados por uma parede. Há diversos tipos construtivos, dentre os quais, um dos mais usados industrialmente é o de feixe tubular, constituído por um conjunto de tubos envolto por um casco. Um dos fluídos circula no interior dos tubos e o outro fluído escoa no lado externo.

1.3.1 Classificação dos Trocadores de Calor

Os trocadores de calor podem ser classificados de acordo com sua geometria como:

• Duplo tubo; • Casco e tubo; • Placas;

• Outros: Trocadores compactos, resfriadores de ar, variações do casco e tubo, etc.

- Trocadores tubo duplo (Figura 10): De acordo com MAGALHÃES (2007) é

composto por dois tubos concêntricos, geralmente com trechos retos e com conexões apropriadas nas extremidades de cada tubo para dirigir os fluídos de uma seção reta para outra. Neste tipo de trocador, um fluído escoa pelo tubo interno e outro, pelo espaço anular, a troca de calor ocorre através da parede do tubo interno.

Suas principais vantagens são:

• Facilidade de construção e montagem;

• Facilidade de manutenção e acesso para limpeza.

Figura 10 – Esquema do Trocador de Calor Tubo Duplo.

Fonte: MAGALHÃES, (2007).

- Trocador de calor casco e tubo (Figura 11): Para VICTORIA (2009) é

composto por um casco cilíndrico, contendo um conjunto de tubos, colocados paralelamente ao eixo longitudinal do casco. Os tubos são presos, em suas extremidades a placas perfuradas denominadas espelhos e a cada furo corresponde

28 a um tubo do feixe. Os espelhos são presos de alguma forma ao casco. Os tubos que compõe o feixe atravessam várias placas perfuradas, as chicanas, que servem para direcionar o fluído que escoa por fora dos tubos e também para suportar os tubos. No trocador um dos fluídos escoará pelo interior dos tubos e outro por fora dos tubos.

A distribuição dos tubos é padronizada e o número de tubos que é possível distribuírem em um determinado diâmetro, depende do diâmetro externo do tubo, da distância e arranjo dos tubos que compõe o feixe e do número de passagens no lado do tubo.

O espaçamento entre as chicanas é padronizado. A redução no seu espaçamento tende a elevar o coeficiente de troca de calor do lado do casco, entretanto, tende a aumentar também a perda de carga o que pode sobrecarregar o sistema de movimentação do fluído.

Figura 11 – Esquema do Trocador de Casco e Tubo

Fonte: VICTORIA, (2009).

- Trocador de calor de placas: Conforme VICTORIA (2009) consiste de um

suporte, onde placas independentes de metal, sustentadas por barras, são presas por compressão, entre uma extremidade móvel e outra fixa. Entre placas adjacentes formam-se canais por onde os fluídos escoam. As placas são feitas por prensagem e apresentam na superfície corrugações, as quais fornecem mais resistência à placa

e causam maior turbulência aos fluídos em escoamento. As vantagens destes equipamentos são:

• Facilidade de acesso à superfície de troca, substituição de placas e facilidade de limpeza;

• Flexibilidade de alteração da área de troca térmica;

• Fornece grandes áreas de troca ocupando pouco espaço; • Pode operar com mais de dois fluídos;

• Apresenta elevados coeficientes de transferência de calor;

• Incrustação reduzida em função da turbulência, ocasionando menos parada para limpeza;

• Baixo custo inicial;

• Não é necessário isolamento;

• Mesmo que a vedação falhe não ocorre à mistura das correntes;

• Possibilidade de respostas rápidas em função do pequeno volume de fluído retido no trocador.

Figura 12 – Esquema do Trocador de Calor de Placas

30

- Trocador de calor Compacto: são equipamentos que apresentam alta

razão entre área de transferência de calor e volume do trocador. São exemplos deste tipo de trocador os trocadores de placa e espiral, trocadores com tubos aletados, resfriadores a ar e variações do trocador casco e tubo.

2

E S T U D O D O C A S O

2.1 INTRODUÇÃO

A análise terá como base uma fornalha redonda de fogo direto, fabricada pela empresa Tromink Industrial Ltda. modelo

ø

2.2 SECADOR SCOT-100

Este secador é do tipo de colunas finas onde a massa de grãos circula pela gravidade, mediante um sistema regulador de saída individual chamado basculante e estão conectadas entre elas por um eixo, unificando o processo de descarga.

A entrada do grão se dá pela parte superior do secador, através do funil de carga, e logo vai descendo na torre do secador. A torre do secador encontra-se montada sobre a descarga do secador, formando assim uma estrutura rígida.

Na câmara de secagem, esta câmara é constituída de chapa de aço galvanizado, e que se pode prover de maneira opcional com uma placa de lã mineral protegida com chapa galvanizada, formando uma parede isolada em forma térmica do exterior, evitando assim perdas de calor e permitindo assim uma economia considerável de combustível, melhorando assim seu rendimento.

O ar que passou pela torre do secador é tirado ao exterior mediante ventiladores axiais de pás colocados diretos na câmara de ar servido. O ar que transpassa o corpo de secado é tirado ao exterior mediante ventiladores axiais de pás variáveis e acoples diretos colocados na câmara de ar servido.

32 No interior desse secador encontram-se passarelas, que tem como finalidade de translado de pessoas para ao longo do tempo fazer manutenções e limpezas no secador.

2.3 FORNALHA DE FOGO DIRETO

Ø 2,8M

A fornalha redonda de fogo direto ø 2,8m (Figura 13) é constituída pela câmara de combustão, pelo revestimento com material refratário, pela estrutura externa metálica, pela porta de alimentação do combustível, pelos cinzeiros, pelo duto de ligação fornalha/secador, pela chaminé que promove a saída dos gases para o ambiente e pelas entradas de ar natural.

Figura 13 – Fornalha redonda de Fogo Direto

2.4 SISTEMA DE SECAGEM DE SEMENTES

O sistema de secagem de grãos da empresa Tromink, basicamente é composto pelos equipamentos mostrados na figura 14:

Figura 14 – Sistema de secagem

34

2.5 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE SECAGEM PARA

GRÃOS

Para a realização do cálculo do sistema de secagem que envolve os equipamentos descritos acima, é necessário ter o conhecimento de algumas informações relacionadas ao método utilizado para o dimensionamento destes equipamentos. Será seguido um formulário conforme WEBER (2005) com sua solução para o entendimento da questão da evaporação da água removida da massa de grão, dar uma ideia de vazão de ar necessária, determinar aproximadamente a quantidade de calor e de combustível para realizar a secagem, conhecer o poder calorífico de vários combustíveis e seus preços para comparar as várias fontes energéticas e os seus custos. Na tabela 1 são descritas algumas informações fornecidas pelo fabricante em relação à capacidade de secagem e em quais condições estas foram consideradas:

Tabela 1 – Capacidade de Secagem SCOT-100. SECADOR SCOT-100 Capacidade Capacidade estática (sacas) m3 ton 93 70 1380 Redução de umidade 18% _→ 13% Observações:

A capacidade de secagem, assim como a quantidade de energia necessária, está definida para as seguintes condições

• Produto: Grãos de soja (750 kg/m3);

• Temperatura ambiente de 25° C;

• Temperatura de secagem de 110° C.

2.5.1 Cálculo do percentual de água a ser evaporada.

Para se calcular a percentual de água a ser evaporada deve-se utilizar a equação 1:

=_ × 100 (1)

Onde:

Ui: Umidade inicial = 18% Uf: Umidade final = 13% A: Água a ser evaporada

=_  × 100
= 5,74%

2.5.2 Cálculo do peso da água a ser evaporada por hora.

Para se calcular o peso da água a evaporar por hora do grão no secador, é dada pela equação 2:

 =  ×_ (2)

Onde:

Pa: Peso da água (kg) Ps: Peso do grão (soja) (kg) A: Água a ser evaporada

 = 100.000 × ,_  = 5.740 /ℎ

2.5.3 Cálculo do calor necessário para evaporar a água.

36

=!" ×#_∝ (3)

Onde:

H: Calor em kcal Pa: Peso da água (kg)

C: Calor teórico para evaporar água livre: 667 kcal/kg

C’: 950 a 1.100 kcal/kg, valor prático para evaporar água do grão que se utilizado dispensa o uso do valor do rendimento α_.

α_{: 0,7 (rendimento, valor utilizado quando usamos C na fórmula abaixo).}

=5.740 × 667_0,7 = 5.469.400 '(/ℎ

) _{= 5.740 × 1025} ) _{= 5.883.500 '(/ℎ}

Dizemos que esse roteiro de cálculo é simplificado porque não levamos em consideração outros fatores que embora não seja tão expressivo, também são relevantes como o caso das perdas por transmissão de calor nas paredes do secador e fornalha (WEBER, 2005, p. 301).

2.5.4 Cálculo da quantidade de combustível necessário para evaporar

a água e custo aproximado.

Para se calcular a quantidade de combustível necessário para evaporar a água da massa de grão deve-se utilizar equação 4.

• Lenha

- =_!#/0. (4)

Onde:

PI: Peso da lenha (kg)

H: Calor necessário por hora (kcal/h)

PCL: Capacidade calorífica da lenha utilizada 2.900 kcal/kg Cc: Custo do combustível necessário em (R$)

Ccm: Madeira

- =5.469.400_2.900 - = 1.886 /ℎ

Para se ter o custo do combustível transformamos o peso da lenha em metros cúbicos que é a forma mais usual de comercialização. A forma mais correta seria vender e comprar madeira por quilograma para evitar o mau empilhamento, pois quando falamos em estéreo, estamos falando do peso de um volume de 1m x 1m x 1m de toras de madeira, com seus espaços vazios e não um volume maciço, 100% ocupado com madeira, Um estéreo pesa aproximadamente 400 kg, enquanto o peso específico da madeira é bem maior, possivelmente

acima de 700 kg/m3 (WEBER, 2005, p. 303).

Transforma-se então o peso da lenha em metros cúbicos com a equação 5.

38 Onde:

VI: Volume de lenha (m3) PI: Peso da lenha (kg)

Es: Peso de um m3 estéreo (kg/m3). Valor utilizado é aproximado.

1- =. 4_

1- = 4,715 5_{/ℎ (estéreo)}

Calcula-se então o custo do combustível utilizado (lenha) com a equação 6, e utiliza-se o valor de R$ 40,00 metro cúbico da lenha.

6'5 = 1- × 6' (6)

6'5 = 4,715 × 40,00 6'5 = 188,60 7$/ℎ

• Casca de arroz a granel

A casca de arroz é um subproduto do beneficiamento do arroz, que se não utilizada será um problema a mais ao meio ambiente, por este motivo o seu custo é quase zero, a não ser o custo do transporte e da armazenagem. Assim, será calculado apenas o peso necessário de casca a ser queimada por hora para obter a caloria necessária. Será chamado atenção ainda que a casca de arroz é utilizada como combustível gerador de calor na secagem de arroz e raramente é utilizada na secagem de outros produtos. No caso do arroz, o leitor aplicará as mesmas fórmulas simples que foi utilizado até aqui e chegará ao peso de casca necessária por hora (WEBER, 2005, p. 303).

' =_#9:. (7)

Onde:

Pc: Peso da casca necessária (kg)

Cpc: Capacidade calorífica inferior da casca (3.300 kcal/kg) H = 5.883.500 kcal/h

' =5.883.500_3.300 ' = 1.782,88 /ℎ

• Casca de arroz em forma de briquetes

Forma mais recente de apresentação e utilização da casca de arroz diz respeito a aplicar sobre o produto um grau de industrialização, fazendo as cascas passar por um processo de peletização formando briquetes de aproximadamente 8 centímetros de diâmetro por 50 centímetros de comprimento. Fabricante e usuários dizem que são estas as características do produto (WEBER, 2005, p. 304).

Um metro cúbico de briquetes produz 4.000 kcal, enquanto um estéreo de lenha produz como foi visto, 2.900 kcal.

• GLP – Gás liquefeito de petróleo

Conhecido o calor necessário por hora, calcula-se o peso de gás necessário para gerar as calorias desejadas com a equação 8.

40 Onde:

Pglp: Peso do gás (glp) necessário a ser calculado em (kg/h) Cglp: 11.500 kcal/kg - Poder calorífico inferior do gás GLP H: 5.883.500 kcal/h

(; =. ._. (; = 511,61 /ℎ

Calcula-se então o custo do combustível utilizado (glp) com a equação 9, e usaremos o valor de R$ 2,90 kg.

6(; = (; × 6(; (9)

6(; = 511,61 × 2,90 6(; = 1.483,67 7$/ℎ

• GN – Gás natural

Conhecido o calor necessário por hora, calcula-se o peso de gás natural necessário para gerar as calorias desejadas com a equação 10.

> =_#<?. (10)

Onde:

Pgn: Peso do gás natural necessário a ser calculado em (kg/h) Cgn: 11.000 kcal/kg – Poder calorífico inferior do gás natural

H: 5.883.500 kcal/h

> =. . _. > = 534,86 /ℎ

Calcula-se então o custo do combustível utilizado (gás natural). O preço conhecido em 1.000.000 BTU é de R$17,12. Será calculado o consumo por hora em BTU com a equação 11, sabendo ainda, que 1 BTU é igual a 0,250 kcal.

@ABC =_DE. (11)

@ABC =. . _,F

@ABC = 23.534.000 @AB/ℎ

Cálculo do valor em Reais do consumo de Gás natural por hora se dá pela equação 12 (Cgn/h). #<? G = H IJKL M .. DEN × 17,12 (12) #<? G = F.. .. × 17,12 #<? G = 402,90 7$/ℎ

2.5.5 Cálculo da vazão aproximada de ar para a secagem e o

resfriamento pelo sistema convencional.

Calcula-se a vazão sem reaproveitamento de calor pela equação 13.

42 Onde:

Q: Vazão de ar para secagem e resfriamento pelo sistema convencional sem reaproveitamento de calor (m3/h)

t1: Temperatura do ar ambiente (25 °C)

t2: Temperatura do ar quente de secagem (110 °C)

ϒ_{: Rendimento (1,30)}

O =. . ×4 _{ ×QFU} × 1,3

O = 317.586,85 5_{/ℎ (Vazão sem reaproveitamento de calor)}

2.5.6 Cálculo da vazão aproximada de ar para a secagem e o

resfriamento pelo sistema com reaproveitamento de calor.

Calcula-se a vazão com reaproveitamento de calor pela equação 14.

O:/X = O × Q_U (14)

Onde:

Qc/r: Vazão de ar para secagem e resfriamento pelo sistema de reaproveitamento de calor (m3/h)

Q: Vazão de ar para secagem e resfriamento pelo sistema convencional sem reaproveitamento de calor (m3/h)

O = 317.586,85 × 0,7

2.5.7 Cálculo da potência do motor do ventilador para secagem

convencional.

Será calculada a potência do motor do ventilador do secador pela equação 15.

Y =!XR ×Z)_{ × [} (15)

Onde:

Prt: Pressão total em milímetros de coluna d’agua. A pressão total (Pt) nestes tipos de secadores está na faixa de 50 a 60 mmCA e é a cima das pressões dinâmicas (Pd) e estática (Pe).

N: Potência do motor

ϒ_{: Rendimento (0,7)}

Q’: Vazão em m3/s Q: 317.586,85 m3/h

Transformando a vazão de m3/h para m3/s pela equação 16.

O)₌ Z Q4 ×4U (16) O)₌. 4,  4 O)_{= 88,22 5}_/ Aplicando na equação 15. Y =4 × ,FF_{ ×,} Y = 100,82 '\

44 Motor a utilizar: N = 100 cv (8 x 12.5 cv)

Sistema sem reaproveitamento de calor

2.5.8 Cálculo da potência do motor do ventilador para secagem com

reaproveitamento de calor.

Será calculada a potência do motor do ventilador do secador pela equação 16.

Y)=!R ×Z]×F/

 ×, (16)

Onde:

N’: Potência do motor com reaproveitamento de calor Q’: Vazão em m3/s

Pt: Pressão total na coluna d’agua

Y)₌ 4 × ,FF ×F/  ×,

Y)_{= 67, 21 '\}

Motor a utilizar: N = 75 cv (6 x 12.5 cv) Sistema com reaproveitamento de calor

2.5.9 Cálculo do custo de uma hora de funcionamento do secador em

função dos motores dos ventiladores.

O cálculo do custo de uma hora de funcionamento dos ventiladores de um secador sem reaproveitamento de calor se dá pela equação 17.

Onde:

Cr: Custo a ser calculado (R$) N: Potência em kw.

t: Tempo (uma hora)

Transforma-se a potência de cv para kw com a equação 18.

Y = Y × 0,736 (18)

Y = 100 × 0,736

Y = 73,6 _ (Potência dos 8 motores dos ventiladores em uso para geração do volume de ar necessário).

Para se calcular o valor da hora de funcionamento será utilizada a equação 19, com o custo unitário de energia em kw de R$0,357.

6ℎ = Y × 7$ × C (19)

Onde:

Ch: Custo da hora de funcionamento N: Potência em kw

t: Tempo

R$: Valor unitário da energia elétrica (R$0,357)

6ℎ = 73,6 × 0,357 × 1 6ℎ = 26,27 7$/ℎ

O cálculo do custo de uma hora de funcionamento dos ventiladores de um secador com reaproveitamento de calor se da pela equação 20.

46

6'^ = 6ℎ × 2/3 (20)

Onde:

Ccr: Custo por hora da energia consumida pelos ventiladores no sistema com reaproveitamento de calor.

Ch: Custo da hora de funcionamento

6'^ = 26,27 × 2/3 6'^ = 17,51 7$/ℎ

Com o reaproveitamento de calor em um secador, teremos uma economia de 33,33%.

2.5.10

Cálculo da Câmara de Combustão da fornalha e área de

grelha.

A parte mais delicada da fornalha diz respeito à superfície adequada de grelhas para que se dê a queima em boas condições do volume de lenha por hora. A outra parte também importante é o correto dimensionamento do volume da câmara de combustão, para que os gases possam ser queimados de maneira a se obter o melhor rendimento com o máximo aproveitamento do combustível, Grelhas menores e câmara de

combustão abaixo do recomendado, não queimam

integralmente os gases combustíveis que terminam saindo pelo ventilador na forma de fumaça (WEBER, 2005, p. 307).

O cálculo do volume da câmara de combustão se da pela equação 21.

Onde:

B: kg/h de lenha (1886 kg/h)

Pci: Poder calorífico inferior do combustível V: Volume da câmara de combustão (m3)

Carga k: Para fornalhas de combustível sólido como lenha e carvão (150.000 a 200.000 kcal/m3xh).

6^  =. 4 ×F.a_` 1 =. 4 ×F.a_F.

1 = 27,347 5

O cálculo da área de grelha se dá pela equação 22.

b =D_c (22)

Onde:

Sg: Área de grelha

B: kg/h de lenha (1886 kg/h)

K: Carga mecânica e ar forçado (150 kg/m2xh)

b =. 4_ b = 12, 57 5F

48

' =_de` (23)

Onde:

Hc: Altura da câmara de combustão V: Volume da câmara de combustão (m3) Sg: Área de grelha

Ø da fornalha: 2,8m

' =F,_F, ' = 2,175

3

A N Á L I S E D O S R E S U L T A D O S

3.1 INTRODUÇÃO

No capítulo que segue, faz-se um comparativo entre os resultados obtidos pelo método de cálculo empregado e os valores obtidos pelo fabricante dos equipamentos. Realiza-se uma análise entre essas duas situações e se necessário, será sugerida alterações no projeto para um melhor desempenho e rendimento do sistema de secagem, composto pelo secador SCOT-100 e pela fornalha redonda de fogo direto D 2,8m.

3.2 COMPARATIVO DOS VALORES CALCULADOS DO SECADOR

A tabela abaixo relaciona os valores fornecidos pelo fabricante do secador SCOT-100 e os obtidos pelos cálculos.

Tabela 2 – Capacidade de Secagem SCOT-100.

SECADOR SCOT-100 - Dados Fornecidos pelo

Fornecedor Valores Calculados

Diferença Percentual (%)

Capacidade de secagem por hora

(ton) 100 - Energia Necessária (kcal/h) 4.800.000 5.469.400 13,95 Vazão de Ar (m³/h) 240.000 222.310,80 -7,37 Consumo de combustível (lenha) (kg/h) 1714 1.886 10,03

50

3.3 COMPARATIVO DOS VALORES CALCULADOS DA FORNALHA

A Tabela 3 mostra os valores comparativos determinados do cálculo da fornalha, em comparação com os dados do fornecedor.

Tabela 3– Comparativa da Fornalha D 2,8m.

FORNALHA D 2,8m - Dados fornecidos pelo

Fornecedor Valores Calculados

Diferença Percentual (%) Área da Grelha (m²) 12,3 12,57 2,2 Volume da Câmara de Combustão (m³) 28,29 27,35 -3,32 Altura da Câmara de Combustão (m) 2,3 2,17 -5,65

3.4 DISCUSSÕES DOS RESULTADOS

As tabelas comparativas apresentadas anteriormente mostram algumas divergências em alguns valores informados pelo fabricante e os valores calculados.

No secador, pode-se notar que a energia necessária para evaporar a água e o consumo de lenha, informada pelo fornecedor teve uma diferença significativa em relação ao valor calculado. A vasão de ar obteve também uma diferença em relação aos valores realizados pelos cálculos.

Pelo que pode ser analisado na fornalha, a construção atual possui um área de grelha menor do que foi obtido nos cálculos, porém o volume da câmara de combustão e a altura da câmara de combustão estão maiores do que nos resultados dos cálculos.

3.5 SUGESTÃO PARA ESTUDOS FUTUROS DO SISTEMA DE

SECAGEM

Para o sistema de secagem em estudo, verifica-se que pode ser dada continuação no estudo para o melhoramento de seu desempenho e rendimento. Futuramente recomenda-se que sejam analisados os seguintes fatores:

• Realizar medições do equipamento instalado em unidade de beneficiamento de sementes e comparar com os resultados obtidos pelo método de cálculo:

• Rever em estudos a influência das perdas de calor na secção dos difusores.

• Com números do fornecedor, observou-se que a vazão de ar está maior do que o necessário no secador. Mas isso se realizar a secagem com sistema de reaproveitamento de calor.

52

C O N C L U S Ã O

Neste estudo de sistema de secagem podem-se perceber várias divergências dos valores do fornecedor com os valores resultados dos cálculos. O valor que teve menor diferença percentual foi à área de grelha que obteve uma diferença de 2,2% (Tabela 3). A maior diferença percentual ficou por conta da energia necessária sendo esta de 13,95% (Tabela 3). Percebe-se que erros de cálculos e dimensionamento comprometem o funcionamento do equipamento podendo causar danos ao sistema e ao produto.

Buscou-se assim sugerir medições do equipamento instalado em unidade de beneficiamento de sementes e comparar com os resultados obtidos pelo método de cálculo. Observou-se que a fornalha está com vazão maior que a necessidade do secador para secagem com reaproveitamento de calor, porém, quando a secagem for realizada sem o reaproveitamento de calor será necessária uma vazão maior, então é aconselhado deixar a vazão da fornalha conforme especificado nos cálculos. Com base ainda neste sistema de secagem, foram sugeridos tópicos para continuação do estudo para uma maior melhoria do rendimento do equipamento.

R E F E R Ê N C I A S

WEBER, Érico Aquino. Excelência em beneficiamento e armazenagem de grãos. 1ª Ed. Panambi, 2005.

BAZZO, Edson. Geração de Vapor. Florianópolis: 2ª Ed. Editora da UFSC. 1992 MAGALHÃES, Edney A. Desenvolvimento e análise de uma fornalha para

aquecimento direto e indireto de ar utilizando biomassa polidispersa. Tese.

Universidade Federal de Viçosa. Viçosa, 2007.

SILVA, Juarez de Souza e. Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas. 2ª Ed. Editora Aprenda Fácil. Viçosa, 2008.

DE SOUZA, Marino F. M. Z. Transmissão de calor. Apostila. Escola Estadual de Engenharia de Itajubá. Itajubá, 1989.

HOLMAN, Jack Philip. Transferência de calor. 1ª Ed. Editora McGraw-Hill Ltda. São Paulo, 1983.

MARTINELLI, L.C. Noções de transmissão de calor. 1ª Ed. Editora UNIJUÍ. Ijuí, 1995.

VICTORIA, R. Gerson. Trocadores de calor. Apostila. 2010.

NHAMBIU, Jorge. Transmissão de calor. Apostila. Universidade Eduardo Mondlane. Moçambique, 2010

MORAN, M.J.; SHAPIRO, H.N. (2002). Misturas reagentes e combustão interna.

54

A N E X O A - T A B E L A G E R A L S E C A D O R S C O T

T R O M I N K

56