UILIAN DA SILVA PIUCO
DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DE UM SISTEMA DE AERAÇÃO
PARA ARMAZÉM GRANELEIRO DE FUNDO PLANO
Panambi 2014
DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DE UM SISTEMA DE AERAÇÃO
PARA ARMAZÉM GRANELEIRO DE FUNDO PLANO
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Mecânica apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
Orientador: Roger Schildt Hoffmann
Panambi 2014
À minha família por todo apoio oferecido, dedico-lhes está conquista como gratidão.
sidos os meus alicerces nessa caminhada.
Aos meus irmãos Alex e Larissa, por todo carinho, companheirismo e incentivo durante os momentos de dificuldade.
A minha namorada Bruna, por todo amor, cumplicidade e incentivo nos momentos mais difíceis.
A Empresa Tromink Industrial Ltda., pela disponibilidade de informações para a elaboração e desenvolvimento deste relatório.
A Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul cujos conhecimentos lá adquiridos, foram a base técnica para o desenvolvimento deste trabalho
“O sucesso nasce do querer, da determinação e da persistência em se chegar a um objetivo. Mesmo não atingindo o alvo, quem busca e vence obstáculos, no mínimo fará coisas admiráveis.” José de Alencar
também em todo o mundo. O Brasil também possui um imenso potencial para o aumento do cultivo de grãos, mas além do esforço para aumentar a produtividade, há necessidade de minimizar perdas, preservando a qualidade dos grãos durante o armazenamento em silos ou armazéns. A conservação dos grãos por um determinado tempo depende principalmente de um eficiente sistema de aeração sem que ocorra danos à qualidade e à quantidade da massa armazenada. A aeração consiste na passagem forçada do ar ambiente pela massa de grãos e seu objetivo geral é diminuir e uniformizar a temperatura, propiciando a essa massa condições favoráveis para a conservação da qualidade durante um longo período de tempo. Este trabalho busca desenvolver um método de cálculos para dimensionamento de aeração baseado em bibliografias reconhecidas na área de excelência em armazenagem de grãos, visando validar os conceitos que a Empresa Tromink Industrial Ltda. utiliza para o dimensionamento de seus projetos de aeração.
and around the world. The Brazil also has a potential immense to the increase of grain production, but beyond the effort to increase productivity, there is necessity to minimize losses, preserving the quality of grain during storage in silos or grain stores. The conservation of grain for a given time depends chiefly on an efficient aeration system without damage the quality and quantity of mass stored. Aeration consists in a forced passage of ambient air through the grain mass, and your general objective is decrease and unifies temperature, providing this mass favorable condition for the conservation of quality over a long period of time. This project seeks to develop a method of calculations for sizing aeration based on recognized bibliographies in the area of excellence in grain storage order to validate the concepts that the Company Tromink Industrial Ltda. used for the design of their projects aeration
Figura 2 – Silos de concreto ... 17
Figura 3 – Armazém graneleiro ... 17
Figura 4 – Ângulo de repouso ... 20
Figura 5 – Ventilador axial ... 26
Figura 6 – Ventilador centrífugo ... 27
Figura 7 – Traçado do caminho maior (C) e do menor caminho (c). ... 29
Figura 8 – Configurações possíveis da distribuição dos dutos de ar ... 29
Figura 9 – Dimensões do armazém de fundo plano. ... 34
Figura 10 – Cálculo do volume dos grãos. ... 35
Figura 11 – Distribuição dos dutos e ventiladores ... 37
Figura 12 – Relação entre maior menor caminho do fluxo de ar. ... 38
Figura 13 – Relação entre o maior e menor caminho do fluxo de ar. ... 39
Figura 14 – Volume da massa de grãos central ... 41
Figura 15 – Divisão do volume de grãos central em vista superior ... 42
Figura 16 – Vista frontal do projeto duto de suprimento central. ... 45
Figura 17 – Vista frontal do projeto do duto de aeração central. ... 47
Figura 18 – Volume e massa de grãos lateral ... 49
Figura 19 – Divisão do volume de grãos lateral em vista superior ... 50
Figura 20 – Vista frontal do projeto do duto de suprimento lateral. ... 53
Tabela 2 – Massa específica global de algumas espécies de grãos ... 20
Tabela 3 – Ângulo de repouso dos grãos ... 21
Tabela 4 – Relação do maior e menor caminho a ser percorrido pelo ar ... 28
Tabela 5 – Velocidades recomendadas nos dutos de ar ... 30
Tabela 6 – Fluxo de ar recomendado segundo o tipo de instalação ... 32
Tabela 7 – Vazão específica para aeração de várias espécies de grãos a umidades diferentes ... 33
Tabela 8 – Dados do armazém ... 34
Tabela 9 – Especificações ventilador RFS 450 CLASSE I ... 57
Tabela 10 – Especificações ventilador RFS 450 CLASSE I comercial ... 57
Tabela 11 – Dados de entrada do fabricante para o dimensionamento do sistema de aeração ... 58
Tabela 12 – Dados de entrada para dimensionamento do sistema de aeração .. 59
Tabela 13 – Valores fornecidos pelo fabricante do sistema de aeração... 60
Tabela 14 – Comparativo entre valores fornecidos pelo fabricante e os valores calculados neste trabalho ... 60
Tabela 15 – Especificações técnicas do ventilador utilizado pelo fornecedor do sistema de aeração ... 61
𝐴𝑐1 Área do duto de suprimento central 𝑚²
𝐴𝑐2 Área total dos dutos de aeração central 𝑚²
𝐴𝑐3 Área do duto de aeração central 𝑚²
𝐴𝑙1 Área dos dutos de suprimento lateral 𝑚²
𝐴𝑙2 Área dos dutos de aeração lateral 𝑚²
𝑏𝑐1 Base do duto de suprimento central 𝑚
𝑏𝑐2 Base do duto de aeração central 𝑚
𝑏𝑙1 Base do duto de suprimento lateral 𝑚
𝑏𝑙2 Base do duto de aeração lateral 𝑚
𝜌 Massa específica do grão 𝑘𝑔/𝑚3
𝐶 Maior caminho a ser percorrido pelo ar 𝑚
𝑐 Menor caminho a ser percorrido pelo ar 𝑚
ℎ𝑐1 Altura do duto de suprimento central 𝑚
ℎ𝑐2 Altura do duto de aeração central 𝑚
ℎ𝑙1 Altura do duto de suprimento lateral 𝑚
ℎ𝑙2 Altura do duto de aeração lateral 𝑚
𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 Massa total dos grãos armazenados T
𝑃𝑚1 Pressão estática do volume de grãos central 𝑚𝑚. 𝑐𝑎 𝑃𝑚2 Pressão estática do volume de grãos lateral 𝑚𝑚. 𝑐𝑎
𝑄𝑐 Vazão total de ar 𝑚3/ℎ
𝑄𝑟 Vazão específica recomendada para cada espécie de grão 𝑚3/ min. 𝑚³
𝑄𝑐1 Vazão de ar no volume central de grãos 𝑚3/ℎ
𝑄𝑐2 Vazão de ar para cada ventilador das partes centrais 𝑚3/ℎ
𝑄𝑙1 Vazão de ar no volume lateral de grãos 𝑚³/ℎ
𝑄𝑙2 Vazão de ar para cada ventilador das partes laterais 𝑚3/ℎ
𝑉 Volume de grãos 𝑚3
INTRODUÇÃO ... 14
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 15
1.1 Armazenagem de Grãos ... 15
1.2 Propriedades Físicas dos Grãos ... 18
1.2.1 Porosidade ... 18
1.2.2 Condutividade térmica ... 19
1.2.3 Massa específica global ... 19
1.2.4 Ângulo de repouso ... 20
1.3 Aeração de Grãos ... 22
1.3.1 Objetivos da aeração ... 22
1.3.2 Tipos de aeração ... 23
1.3.3 Modos de execução da aeração ... 24
1.3.4 Componentes do sistema de aeração... 25
1.3.4.1 Ventiladores ... 25
1.3.4.2 Dutos ... 27
1.4 Movimentação de Ar ... 30
1.4.1 Resistência que os grãos oferecem ao escoamento de ar ... 31
1.4.2 Fluxo de ar ... 31
1.4.3 Vazão específica ... 32
2 DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE AERAÇÃO PARA ARMAZÉM GRANELEIRO DE FUNDO PLANO ... 34
2.1 Cálculo do Volume do Armazém ... 35
2.5 Dimensionamento da Aeração Central ... 40
2.5.1 Cálculo da vazão de ar central ... 41
2.5.2 Determinação da vazão nos ventiladores ... 42
2.5.3 Dimensionamento dos dutos de suprimento central ... 43
2.5.4 Determinação da área dos dutos de aeração central ... 45
2.5.5 Pressão estática e potência do motor para o volume central ... 48
2.6 Dimensionamento da Aeração Lateral ... 48
2.6.1 Cálculo de vazão de ar lateral ... 49
2.6.2 Determinação da vazão nos ventiladores ... 50
2.6.3 Pressão estática central ... 51
2.6.4 Dimensionamento dos dutos de suprimento lateral ... 51
2.6.5 Determinação da área dos dutos de aeração lateral ... 53
2.6.6 Pressão estática e potência do motor para o volume lateral... 55
2.7 Determinação dos Ventiladores ... 56
3 RESULTADOS ... 58
3.1 Comparativo dos dados de entrada para o dimensionamento ... 58
3.2 Comparativo dos valores calculados ... 59
CONCLUSÃO ... 62
REFERÊNCIAS ... 63
ANEXO A – GRÁFICO PARA CÁLCULO DA PRESSÃO ESTÁTICA DO MILHO. 65 ANEXO B – SIMULAÇÃO DA SELEÇÃO DE VENTILADORES NO SOFTWARE VORTEX 1.3 ... 66
INTRODUÇÃO
Nos últimos anos, o Brasil vem se destacando no cenário mundial como um dos principais produtores de grãos e como um grande investidor em pesquisa e tecnologia na produção agrícola. Porém, o bom desempenho da produção não está sendo acompanhado pelo desenvolvimento dos sistemas de armazenagem e de transporte, o que tem prejudicado a competitividade do produto brasileiro nos mercados interno e externo. O setor agrícola brasileiro busca encontrar soluções para evitar os prejuízos que ocorrem todos os anos, devido à falta de infraestrutura para a conservação e armazenagem de grãos.
A produção de grãos é armazenada em grandes armazéns verticais ou horizontais, e torna-se quase impraticável esse armazenamento por um período de tempo prolongado sem um sistema de aeração bem projetado e adequadamente manejado.
A aeração consiste na passagem forçada do ar ambiente pela massa de grãos, visando controlar a umidade e temperatura para com isso manter os níveis de atividades metabólicas e reações químicas baixas.
A empresa Tromink Industrial Ltda., fornecedora de equipamentos para unidades armazenadoras é a fabricante do sistema de aeração que será utilizado como base de estudo deste trabalho. Através do projeto existente fornecido pelo fabricante, busca-se realizar uma análise do sistema de aeração de um armazém graneleiro verificando se o que está sendo proposto e executado pela empresa é coerente com o método de cálculo utilizado neste trabalho e, através disso, se necessário, sugerir propostas de alterações nos critérios utilizados pela empresa para dimensionamento destes sistemas.
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
1.1 Armazenagem de Grãos
Desde os primeiros tempos da história da humanidade, a produção de alimentos é o que há de mais importante em qualquer sociedade. A produção, o transporte, o beneficiamento, a armazenagem, a comercialização e o consumo de alimentos constituem uma cadeia de atividades vitais às pessoas, às famílias e às nações, motivo pelo qual a armazenagem agrícola é uma das atividades mais antigas e importantes (WEBER, 2005).
Os sistemas de armazenagem evoluíram muito em tecnologia, capacidade e forma, sempre buscando melhorar a capacidade de proteger e preservar as características que os grãos apresentam após a colheita.
A vitalidade dos grãos pode ser preservada e a qualidade de moagem e das propriedades nutritivas como alimento pode ser mantida (BROOKER, 1992). Mas, apesar de tudo, não se pode melhorar a qualidade dos grãos, durante o armazenamento. Os grãos colhidos inadequadamente serão de baixa qualidade, não importando como são armazenados, mas boas condições durante esse período são fundamentais para conservar a qualidade inicial. A umidade da semente e a temperatura do ar são variáveis determinantes das mudanças de qualidade durante o armazenamento (BROOKER, 1982).
O armazenamento protege e dá segurança ao produto, guardando e conservando, diminuindo ao máximo suas perdas. Antes do armazenamento, o grão sofre o processo de secagem onde sua umidade é reduzida. Somente após a secagem o grão pode ser armazenado. Estruturalmente, a rede de armazenagem de grãos brasileira é constituída de unidades armazenadoras. As convencionais destinam-se a armazenagem de produtos acondicionados em um determinado tipo de embalagem, como por exemplo, sacarias, enquanto as do tipo a granel dispensam o uso de embalagens e podem possuir em suas estruturas silos metálicos, silos em concreto e, ou, armazéns graneleiros (BLASZAK, 2005).
Segundo Weber (2005) os silos metálicos Figura 1 caracterizam-se como unidades armazenadoras de grãos, constituídas por células ou compartimentos herméticos, ou semi- herméticos, sendo construídos em chapas metálicas parafusadas entre si. Possuem a vantagem de ser de rápida montagem e estarem disponíveis no mercado em diversos diâmetros e alturas diferentes.
Figura 1 – Silos metálicos
Fonte: Arquivo Tromink Industrial Ltda.
Os silos de concreto Figura 2, conforme Knob (2010) possuem um investimento inicial maior do que o silo metálico, porém apresenta baixo custo de manutenção aliado a uma vida de utilização longa. Assim como os metálicos, também podem ser encontrados e construídos segundo várias opções de engenharia, de diferentes capacidades e custos. Proporciona um sistema de manipulação dos produtos de forma rápida, econômica e condições de armazenar diferentes espécies e variedades de grãos.
Figura 2 – Silos de concreto
Fonte: Página da Ceraçá.
Os armazéns graneleiros (Figura 3) constituem-se em uma unidade armazenadora cuja estocagem desenvolve-se em sentido horizontal, através de um ou mais compartimentos. Geralmente parte do armazém fica abaixo da linha do solo, em formato v, semi-v, w ou semi-w.
Figura 3 – Armazém graneleiro
O interesse na utilização de armazém graneleiro tem sido crescente em muitos países devido à rapidez na construção e ao seu baixo custo em relação aos silos. Este tipo de estrutura necessita que a massa de grãos seja mantida com teor de umidade mais baixo do que em silos. Devido às limitações funcionais deste sistema de armazenamento, se faz necessário o emprego frequente da aeração mecânica, além de apresentar dificuldades na descarga do produto armazenado.
1.2 Propriedades Físicas dos Grãos
Os grãos possuem algumas propriedades físicas que interferem diretamente no dimensionamento do sistema de aeração e no processo de armazenagem. Tais propriedades devem ser levadas em consideração quando se busca a excelência em armazenagem de grãos.
1.2.1 Porosidade
Segundo Silva e Corrêa (2000) a porosidade pode ser descrita como a relação entre o volume ocupado pelo ar existente na massa granular e o volume total ocupado por esta massa. Tem grande influência sobre a pressão de um fluxo de ar que atravessa a massa de grãos, refletindo – se no dimensionamento dos ventiladores, nos sistemas de secagem e aeração e na potência dos motores.
A variação da porosidade de uma massa de grãos é de 30 a 50%, conforme o tipo, teor de umidade e a quantidade de grãos quebrados. A Tabela 1 mostra alguns valores de porosidade.
Tabela 1 – Porosidade de alguns grãos
Grão % umidade b.s. % porosidade
Arroz Milho Sorgo Soja Trigo 14,2 9,9 10,5 7,4 10,9 46,5 40,0 37,0 36,1 40,1 Fonte: PARK, et al, (2007)
Em grãos maiores a porosidade é menor, mas as dimensões dos poros são maiores, tendo como consequência a facilidade em escoar o ar. Já nos grãos quebrados, a porosidade aumenta, mas diminuem as dimensões dos poros dificultando o escoamento de ar, as impurezas finas preenchem os espaços vazios também reduzindo a porosidade.
Grãos úmidos possuem maior volume, portanto apresentam menor porosidade com maior dimensão dos poros em relação aos grãos secos.
1.2.2 Condutividade térmica
“A condutividade térmica é uma propriedade termo física do material, que descreve a taxa na qual o fluxo de calor passa através do mesmo sob a influência de uma diferença de temperatura. O calor é transmitido no corpo sólido pela transferência física de elétrons livres e pela vibração de átomos e moléculas, e cessa quando a temperatura em todos os pontos do corpo for igual à temperatura do meio em que se encontra.” (PARK, et al, 2007, pg. 12)
Os grãos apresentam um bom isolamento térmico devido à baixa condutividade térmica. Uma desvantagem dessa baixa condutividade é que focos de aquecimento que ocorrerem no interior de uma massa de grãos podem não ser percebidos em tempo hábil para sua correção. Sendo que, quanto mais úmido for o grão maior será sua capacidade de condutividade térmica (PARK, 2007).
1.2.3 Massa específica global
A massa específica aparente, ou global, de uma massa de grãos, é o seu peso por unidade de volume, incluindo seus espaços vazios. Este dado é específico de cada espécie de grãos e serve para a determinação da capacidade de silos e graneleiros. Entretanto, a massa específica pode aumentar ao longo de uma coluna de grãos devido à compressão das camadas superiores pelas inferiores.
A Tabela 2 apresenta a massa específica de cada espécie de grão variando de acordo com o teor de umidade.
Tabela 2 – Massa específica global de algumas espécies de grãos
Espécie de Grãos Teor de Umidade (% base
úmida)
Massa Específica Global
(𝒌𝒈. 𝒎−𝟑) Arroz 12 586 14 588 16 605 Milho 7,3 753 13 737 16,2 721 Trigo 7,3 790 11 790 14,1 756 Fonte: CENTREINAR (2009) 1.2.4 Ângulo de repouso
Ângulo de repouso é o ângulo máximo (Figura 4) formado entre o talude do material amontoado e o plano horizontal. Este ângulo existe devido ao coeficiente de fricção, entre as partículas do material granular.
Figura 4 – Ângulo de repouso
Fonte: DÜRKS (2011).
Existem os ângulos de repouso estático e dinâmico. O estático é o ângulo de fricção de material granular sólido quando desliza sobre si próprio. O dinâmico é aquele que aparece quando de um lote de material granular está em movimento, como a descarga de silos ou moegas.
A variação do ângulo de repouso ocorre da seguinte maneira: Quanto mais esférico for o grão, menor o ângulo;
Quanto maior o grão, menor o ângulo;
Quanto menor a superfície lisa do grão, maior o ângulo; Maior teor de umidade, maior o ângulo;
Impurezas geralmente aumentam o ângulo.
. O conhecimento do valor do ângulo de repouso dos grãos é importante para a determinação da capacidade estática dos silos, da capacidade de correias transportadoras e do dimensionamento de moegas, dutos e rampas de descarga de grãos (SILVA, 2007). A Tabela 3 mostra o ângulo de repouso de algumas espécies de grãos.
Tabela 3 – Ângulo de repouso dos grãos
Material Ângulo (graus)
Arroz com casca 36
Cevada 31 Feijão 31 Soja 30 Trigo 35 Milho 27 Fonte: CENTREINAR (2009)
O ângulo de repouso determina o volume do cone na parte superior do silo, inclinação do fundo do silo para a descarga natural, inclinação de dutos de transporte por gravidade e capacidade de transporte nas correias transportadoras.
1.3 Aeração de Grãos
Em unidades armazenadoras mais antigas, quando se verificava qualquer problema de armazenagem que pudesse comprometer a qualidade do produto os operadores faziam a transilagem do grão, a qual consistia em movimentar a massa de grãos através do ar ambiente. Essa operação, apesar de resolver parcial ou totalmente os problemas, elevava o índice de danos mecânicos no produto durante a movimentação da massa de grãos, além da necessidade, na maioria das vezes, de mais tempo para a sua execução, considerando que com uma única circulação do produto pelo ar ambiente o problema pode não ser totalmente solucionado (KNOB, 2010). Levando em consideração os inconvenientes que ocorrem devido à transilagem, sugere-se a técnica da aeração.
Conforme Weber (2005), a aeração caracteriza-se pela movimentação forçada de ar ambiente adequado através da massa de grãos, com o objetivo geral de diminuir e uniformizar a temperatura, propiciando a essa massa condições favoráveis para a conservação da qualidade durante um longo período de tempo.
1.3.1 Objetivos da aeração
Segundo Sperandio (2013), a operação de aeração de uma massa de grãos armazenada altera o ecossistema e o microclima interno da célula armazenadora, o que permite alcançar os seguintes objetivos:
Estabelecer condições que permita o resfriamento de pontos aquecidos na massa de grãos;
Uniformizar a temperatura da massa de grãos; Controle de insetos e fungos;
Evitar as correntes de ar de convecção;
Evitar a transilagem, diminuindo os custos de armazenagem; Evitar danos mecânicos;
Conservar as qualidades químicas e físicas dos grãos;
Promover a secagem, dentro de certos limites, condicionando a complemento de secagem e a condições atmosféricas;
Promover a remoção dos odores. 1.3.2 Tipos de aeração
Em armazéns de grãos, os produtos precisam ser mantidos em boas condições de temperatura, umidade, aeração e o mínimo de impurezas presentes na massa de grãos. Segundo Weber (2005) existem três tipos de aeração destinados a silos metálicos, de concreto, ou graneleiros horizontais:
Aeração de manutenção: Pode ser denominada também de corretiva. Os grãos são armazenados secos, frios e limpos e a aeração terá como finalidade evitar que haja aquecimento, fazendo com que na menor elevação de temperatura, os ventiladores sejam ligados, para manter a massa em uma determinada temperatura. Todo o produto armazenado precisa ser mantido em boas condições de temperatura, umidade e com mínimas quantidades de impurezas depositadas na massa. Mesmo havendo boas condições de armazenagem, sem infiltrações, goteiras, condensação de umidade e sem concentração de impurezas, o aumento da temperatura ainda acorrerá devido aos aspectos biológicos e químicos com a respiração dos grãos, as reações químicas, o metabolismo entre outros fatores como o micro movimento do ar no verão e no inverno, desenvolvimento de fungos e insetos.
Aeração de resfriamento: Este tipo de aeração, leva em consideração que os grãos recebidos para armazenagem estão limpos, secos, porém quentes e que a aeração deverá possuir um fluxo de ar que resfrie os grãos sem risco de perda. Existem duas situações em que os grãos podem ser recebidos quentes:
a) Grãos quentes mesmo utilizando a câmara de resfriamento do secador: os grãos saem da câmara de resfriamento do secador em horário de elevada temperatura do ar externo, sendo resfriados de forma precária e ainda mantendo alta temperatura inadequada para armazenagem. Como os grãos saem do secador com temperaturas variando entre 5ºC e 10ºC acima da temperatura do ar ambiente, temperatura elevada
para uma boa conservação dos grãos. Neste caso, será indispensável aerar no período noturno para baixar a temperatura da massa de grãos.
b) Por conveniência, o secador poderá estar trabalhando com “coluna inteira” para aumentar o seu poder de secagem, com a câmara de resfriamento trabalhando também como câmara de secagem. Assim sendo, os grãos sairão secos, mas quentes do secador, com temperaturas variando entre 60ºC e 65ºC chegando ao silo com 55ºC ou 60ºC, tornando necessário haver aeração de resfriamento.
Aeração de Secagem: Definido como o processo de aeração de secagem mais crítico, exigindo projeto e cálculos mais precisos, pois erros de dimensionamento podem retardar a secagem com perda de produto úmido e quente na parte superior, região onde a secagem é mais demorada e onde os grãos são facilmente atacados pela microflora que se instala e prolifera rapidamente nesses ambientes. Este sistema de aeração ainda exige uma maior vazão de ar por metro cúbico de grãos, maior vazão específica, além de maior potência no motor do ventilador.
1.3.3 Modos de execução da aeração
A forma com que o ar passa através da massa de grãos é realizada em dois sentidos, por insuflação ou por aspiração.
Insuflação: é o sistema de aerar mais utilizado e o sentido da vazão do ar na massa de grãos é de baixo para cima. Deve ser empregado sempre que o silo for cheio com grãos quentes ou úmidos, para que o calor ou umidade dos grãos que estão entrando não vão para baixo, vindo a contaminar os que já estão mais secos ou mais frios. O ar insuflado passa pela massa de grãos na parte inferior do silo ou armazém através de canais ou fundo falso (WEBER, 2005).
Este sistema facilita e acelera a remoção de focos de calor quando estes se localizam na parte superior do silo, além de permitir fazer a aeração de resfriamento dos grãos durante o enchimento do silo graneleiro. Outra grande vantagem é que o sentido da vazão do ar mantém limpos os furos das chapas perfuradas da cobertura dos aerodutos, evitando entupimento dos mesmos.
Aspiração: A aeração de aspiração é utilizada quando ocorrem focos de calor no meio do silo para baixo e o ar frio da aeração entra pela parte superior, pelos respiros e mesmo pela porta aberta do telhado. O ar é aspirado pelo ventilador e passa pela massa de grãos no sentido de cima para baixo (WEBER, 2005).
Neste sistema, ocorre a possibilidade de impurezas, finos e quebrados, bloquearem parcialmente as perfurações das chapas do fundo do silo sobre os canais ou do fundo falso.
1.3.4 Componentes do sistema de aeração
O sistema de aeração é constituído basicamente por:
Ventiladores: fornecem ar necessário para a aeração.
Dutos de distribuição e de suprimento: alimentam e distribuem ar pela massa de grãos.
Silos ou armazéns: armazenam a massa de grãos.
Cobertura dos canais: construídas em chapas perfuradas permitem a passagem do ar dos dutos para a massa de grãos;
Dispositivos de monitoramento: equipamentos eletrônicos responsáveis pelo controle da temperatura e umidade relativa, que indicam as condições do ambiente interno e externo à massa de grãos.
1.3.4.1 Ventiladores
Segundo Silva (2008), os ventiladores são máquinas que, por meio da rotação de um rotor provido de pás adequadamente distribuídas e acionado por um motor, permitem transformar a energia mecânica do rotor em forma de energia potencial de pressão e energia cinética. Devem ser dimensionados para fornecer a quantidade de ar necessária ao resfriamento do produto e de vencer a resistência oferecida à passagem deste ar pela massa de grãos armazenada.
Conforme CENTREINAR (2009), basicamente há dois tipos de ventiladores utilizados para aeração, os ventiladores axiais e os centrífugos. Estes equipamentos aspiram ou insuflam ar de forma contínua, transformando energia eletromecânica em
energia cinética. A principal diferença entre os ventiladores de fluxo axial e centrífugo é o formato das pás. Essa característica define, essencialmente, a relação de volume, pressão e eficiência.
Conforme descrito por Sperandio (2013) o ventilador de fluxo axial (Figura 5) movimenta o ar paralelamente ao seu eixo de rotação e são indicados para situações de altas vazões e baixas pressões.
Figura 5 – Ventilador axial
Fonte: OTAM Ventiladores Industriais Ltda.
Apresenta em sua forma construtiva uma carcaça em forma de tubo (1), um rotor (2) montado diretamente no eixo do motor (3). A boca aspirante (4) e a boca de descarga (5) são circulares e o fluxo de ar se desloca paralelamente ao eixo do rotor.
Por serem ventiladores projetados para movimentar o ar de um espaço fechado a outro à pressões estáticas relativamente baixas, podem ser aplicados em sistemas de circulação de ar. Esses tipos de ventiladores produzem alto nível de ruído e apresentam rendimento menor do que os centrífugos. Porém, são mais leves e compactos, além de eliminar curvas no sistema de dutos devido ao fluxo de ar ser em linha reta.
Os ventiladores centrífugos são largamente utilizados para aeração, devido à capacidade de fornecer grandes vazões. O ventilador centrífugo (Figura 6) é caracterizado pela forma com que o ar entra na caixa ou voluta do sistema e também
pela capacidade de vencer grandes resistências ao fluxo de ar. Nos ventiladores centrífugos o ar entra no sistema paralelamente ao eixo do rotor e é descarregado perpendicularmente à direção de entrada do ar.
Figura 6 – Ventilador centrífugo
Fonte: OTAM Ventiladores Industriais
Os ventiladores centrífugos consistem de uma carcaça externa (1), em forma de difusor em espiral e internamente um rotor (2) acionado por motor elétrico (3), através de polias e correias (4). A boca aspirante (5) é redonda e a de descarga (6) é retangular.
1.3.4.2 Dutos
Nos silos, os ventiladores fornecem o ar necessário para a operação de aeração. Os dutos de distribuição levam todo o ar produzido para o fundo da unidade armazenadora. No fundo do silo uma determinada área perfurada permite a passagem de ar para a massa de grãos. O ar atravessa a massa de grãos saindo pela parte superior do silo.
Nos armazéns, por serem estruturas horizontais e possuírem grande variação na altura da massa de grãos, os esquemas de aeração são mais complexos. Pode-se dividir a aeração em duto central e dutos laterais. No duto central acontece a maior vazão de ar. O ar atravessa um túnel ou duto pela parte central inferior do armazém. As
entradas de ar no fundo do armazém fazem com que o ar atravesse a massa e grãos saindo pela parte superior. A aeração lateral ocorre devido aos dutos centrais não conseguirem atingir as áreas laterais do armazém, apesar da maior vazão e a maior pressão da entrada de ar ocorrer nos dutos centrais.
Os dutos devem ser dimensionados de modo que haja a menor perda de carga possível. Geralmente utiliza-se um duto principal que age como câmara de distribuição de ar, para conduzir o ar desde o ventilador até os dutos secundários que fazem a distribuição do ar na massa de grãos
Para determinar a distância entre os dutos é necessário levar em conta que o ar percorre vários caminhos até chegar a superfície da massa de grãos, com isso há variação no tempo de resfriamento entre os grãos que estão na superfície dos dutos e os que estão na metade do caminho entre eles. A determinação da distância ideal entre dutos visa minimizar esta desuniformidade na distribuição de ar na massa.
Os dutos devem ser posicionados de tal forma a garantir no mínimo os fluxos de ar recomendados na Tabela 4.
Tabela 4 – Relação do maior e menor caminho a ser percorrido pelo ar
1,5
c
C
1,8
c
C
Graneleiros Silos Fonte: CENTREINAR (2009)O fluxo de ar terá por caminho preferencial o que oferecer menor resistência. Portanto, em projetos de aeração recomenda-se observar a relação do maior e menor caminho a ser percorrido pelo ar, representado pelas letras C e c, respectivamente, conforme esquematizado na Figura 7. Para graneleiros e silos são recomendados as seguintes relações:
Figura 7 – Traçado do caminho maior (C) e do menor caminho (c).
Fonte: CENTREINAR (2009)
Dependendo da vazão e da estrutura armazenadora os dutos de aeração apresentam diferentes configurações, conforme esquematizado na Figura 8.
Figura 8 – Configurações possíveis da distribuição dos dutos de ar
Fonte: SILVA (2008)
Os dutos de suprimento são os que conectam os ventiladores aos dutos de aeração. Esses dutos são dimensionados considerando as vazões a serem aplicadas e a velocidade do ar pelos dutos.
Para o dimensionamento e distribuição dos dutos parte-se do cálculo da área necessária de área de chapa perfurada para aplicação do ar. Para tanto, é necessário considerar as velocidades recomendadas em cada ponto do sistema de aeração, conforme mostra a Tabela 5:
Tabela 5 – Velocidades recomendadas nos dutos de ar Ponto de medição Velocidades recomendadas m/s m/min Saída do ventilador 10 600 Duto de suprimento 8 480 Duto de aeração 4 240
Saída da chapa perfurada 0,25 a 0,50 15 a 30
Fonte: WEBER (2005)
1.4 Movimentação de Ar
O ar é usualmente utilizado no processamento de produtos agrícolas, tais como transporte, classificação, secagem e aeração de grãos.
Em um sistema de aeração o ar perpassa a massa de grãos com a ação de um ventilador que transforma a energia mecânica em energia cinética, gerando uma pressão para vencer as resistências oferecidas pelo sistema ao escoamento de ar, sendo elas especialmente a massa de grãos, chapa perfurada e pelas perdas que ocorrem em dutos e transições.
As relações entre o volume de ar que perpassa a massa de produto, a resistência oferecida e a altura da camada de produto acima do sistema de distribuição de ar são importantes para o projeto. Como o custo de instalação e as operações destes dispositivos estão se tornando cada vez mais relevantes, é de suma importância que o projetista de sistemas de processamento de produtos agrícolas esteja apto a selecionar e aplicar o melhor equipamento de movimentação de ar para qualquer instalação, levando em consideração os fatores técnicos e econômicos relacionados no projeto. (CENTREINAR, 2009)
1.4.1 Resistência que os grãos oferecem ao escoamento de ar
Segundo Weber (2005) quando o ar é forçado a passar por uma camada de grãos, a resistência ao escoamento (pressão estática), é resultado de perda de energia devida ao atrito e turbulência. Para diferentes fluxos de ar é necessário determinar a quantidade de energia que o ventilador tem que transferir ao ar para vencer a resistência oferecida pela massa de grãos e mantê-lo em movimento.
Entretanto, nem todos os grãos oferecem a mesma resistência à passagem do ar, a qual varia em alguns aspectos, como:
Dos parâmetros do fluxo do ar;
Das características da superfície do produto; Da forma e tamanho das impurezas;
Do tamanho e quantidade de grãos quebrados; Do grau de compactação da massa de grãos;
Da configuração e tamanho dos espaços intersticiais; Da homogeneidade da massa de grãos;
Da altura da massa de produto.
Além da resistência oferecida à passagem de ar na massa de grãos existe ainda a resistência oferecida pelos dutos, curvas, bifurcadas, rugosidades, impurezas na tubulação e a resistência na chapa perfurada por onde atravessa o ar quando entra na massa.
1.4.2 Fluxo de ar
O fluxo de ar corresponde à medida de um determinado valor de vazão que flui por área, ou por metro cúbico de produto, ou por uma tonelada de produto.
Na Tabela 6, são apresentados os fluxos de ar recomendados segundo o tipo de instalação: silos graneleiros fundo plano, silo armazenador, silo-pulmão, e silo-secador.
Segundo PUZZI (1977), o tamanho e forma dos grãos afeta a resistência ao fluxo de ar, os grãos pequenos apresentam uma resistência maior ao fluxo de ar, pois grãos menores formam uma massa mais compacta.
A magnitude do fluxo de ar afeta a pressão estática e a energia necessária para o ventilador operar.
Tabela 6 – Fluxo de ar recomendado segundo o tipo de instalação
Tipo de instalação
Fluxo de ar
m³/min.m2 L/min.m³
Silos graneleiros fundo plano 0,1 a 0,2 78 a 156
Silos 0,03 a 0,1 23 a 78
Silos-Pulmão 0,3 a 0,6 234 a 468
Silo-Secador 0,5 a 1,0 390 a 780
Fonte: SILVA (2008)
1.4.3 Vazão específica
Vazão é a medição do volume de ar que passa por uma determinada seção de duto por unidade de tempo (SILVA, 2008).
A vazão total de ar pode ser obtida através da seguinte equação:
𝑄𝑐 = 𝑄𝑟 . 𝑉 (1)
Onde,
𝑄𝑐= Vazão total de ar em 𝑚3/ℎ;
𝑄𝑟 = Vazão específica recomendada para cada espécie de grão 𝑚3/ min. 𝑚³; 𝑉= Volume de grãos em 𝑚3.
Para cada tipo de aeração, para cada serviço que se pretende segundo a classificação anterior e os diferentes tipos de grãos, é selecionado um conjunto de ventiladores, canais, aerodutos e cobertura perfurada, que permitam o uso da vazão específica adequada, tornando a armazenagem segura.
A Tabela 7 informa sobre a vazão específica para grãos comerciais, armazenados com diversos teores de umidade.
Tabela 7 – Vazão específica para aeração de várias espécies de grãos a umidades diferentes
Grãos Umidade (%) Vazão específica
m³/min x m³ m³/h x t Milho 14-16 0,125 10,00 16-18 0,200 16,00 18-20 0,416 33,33 20-24 0,666 53,33 Soja 15-16 0,075 – 0,187 6 – 15 Trigo e Cevada 14-16 0,083 6,66 16-18 0,166 13,33 18-20 0,333 26,66 Fonte: WEBER (2005)
2 DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE AERAÇÃO PARA
ARMAZÉM GRANELEIRO DE FUNDO PLANO
Para realizar o dimensionamento do armazém de fundo plano e obter o volume de grãos armazenados é necessário obter alguns dados da construção do armazém A Figura 9 apresenta um croqui do armazém graneleiro a ser utilizado neste trabalho.
Figura 9 – Dimensões do armazém de fundo plano.
Fonte: Autor
A Tabela 8 apresenta a descrição e o valor das medidas do armazém de fundo plano mostrado na Figura 9.
Tabela 8 – Dados do armazém
Incógnita Valor em metros Descrição
L 25 Largura do armazém
C 29,9 Comprimento do armazém
K 2 Altura dos grãos na parede do
armazém
B 4 Pé direito
D 6,95 Flecha
Fonte: Tromink Industrial
Armazéns graneleiros são projetados para receber grãos a granel e apresentam-se como uma boa opção quando apresentam-se deapresentam-seja evitar maiores profundidades, devido a altura do lençol freático ou existência de rochas. Podem ainda, apresentar projetos diferenciados em função da localização, do espaço disponível, do tempo em que os
grãos permanecerão armazenados e se será armazenado simultaneamente mais de um tipo de produto.
2.1 Cálculo do Volume do Armazém
Para o cálculo do volume do armazém foi construída uma maquete eletrônica da massa de grãos (Figura 10) utilizando o Software Solid Edge.
Figura 10 – Cálculo do volume dos grãos.
Fonte: Elaborado pelo autor.
A maquete eletrônica foi construída utilizando os dados do armazém fornecidos na Tabela 8, também foi utilizado o valor do ângulo de repouso para milho de 27º obtido na Tabela 3. O volume dos grãos encontrado e que será utilizado nos cálculos é de 3211,995 𝑚3.
2.2 Cálculo da Massa dos Grãos
A aeração do armazém graneleiro deve ser dimensionada para receber grãos de milho, secos e limpos, com umidade aproximada de 14%. Interpolando os dados da Tabela 2, obtém-se o valor da massa específica para milhos com 14% de umidade de 723,67 𝑘𝑔. 𝑚3.
A massa dos grãos geralmente é calculada para justificar o investimento dos custos de aeração e é obtida através da Equação 2, onde a massa é calculada multiplicando a densidade do grão pelo volume.
𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝜌. 𝑉 (2)
Onde,
𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = Massa total dos grãos armazenados em toneladas; 𝜌 = Massa específica do grão;
𝑉= Volume total dos grãos armazenados em 𝑚3.
Substituindo os valores da massa específica e do volume dos grãos na Equação 2, obtém-se a massa total dos grãos:
𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 723,67 (𝑘𝑔/𝑚3). 3211,995 (𝑚3) 𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 2324424,42 𝑘𝑔 𝑜𝑢 2324 𝑡𝑜𝑛
2.3 Distribuição dos Dutos e Ventiladores
Para a distribuição dos dutos cabe ao projetista determinar o melhor arranjo físico dos canais, de forma que atenda as necessidades do projeto. Neste armazém a aeração será feita pelas laterais e não por túnel, pois desta forma é possível aerar enquanto o armazém é descarregado. Além disso, não há fugas de ar pelos equipamentos. Dois ventiladores localizados no centro do armazém fornecerão a vazão necessária para aerar o volume de grãos.
A Figura 11 mostra um croqui da distribuição dos dutos de aeração e ventiladores no armazém.
Figura 11 – Distribuição dos dutos e ventiladores
Fonte: Elaborado pelo autor.
2.4 Cálculo do Menor Caminho a Ser Percorrido
A análise do menor caminho a ser percorrido pelo ar deve obedecer a configuração para armazéns graneleiros apresentada na Tabela 4. Onde a relação entre o maior caminho “C” e menor caminho “c”, exemplificados na Figura 7, deverá ser menor ou igual a 1,5.
Os dutos devem ser posicionados de tal forma a garantir as relações de caminho necessárias, levando em conta que o fluxo de ar terá por caminho preferencial o que oferecer menor resistência. Para traçar o caminho do fluxo de ar os dutos são distribuídos conforme Figura 12. Traçando linhas retas perpendiculares ao ângulo de talude de grãos e ligando aos centros dos dutos, têm-se os caminhos para o fluxo de ar.
Figura 12 – Relação entre maior menor caminho do fluxo de ar.
Fonte: Elaborado pelo autor.
As relações entre o maior caminho “C” e o menor caminho “c” será dada pela Equação 3:
𝐶
𝑐 ≤ 1,5
(3) Substituindo os valores, na primeira relação tem-se:
8,35
6,3 ≤ 1,5 Resolvendo,
1,32 ≤ 1,5
O resultado encontrado atende a relação desejada. A segunda relação é dada por:
8,35
4,5 ≤ 1,5 Resolvendo,
1,85 ≤ 1,5
O resultado encontrado não atende a relação desejada.
Devido às grandes diferenças de altura dos grãos central e dos grãos próximos das paredes, a aeração do armazém precisa de operação especial. O ideal é fazer a aeração em partes: uma etapa aerando o miolo central e numa segunda parte aerar o contorno próximo das paredes.
Na segunda tentativa o volume de grãos é dividido em dois volumes A e B. Neste caso, a aeração terá funcionamento de 50 % por vez, ora é aerado o volume A ora é aerado o volume B.
Figura 13 – Relação entre o maior e menor caminho do fluxo de ar.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Neste caso devem ser realizadas novas relações de caminho, agora levando em consideração que existem dois volumes de grãos. A relação do maior e menor caminho do volume A já foi realizada anteriormente na primeira relação. É necessário fazer as relações do volume de grãos B. Sendo assim, a primeira relação entre o maior caminho “C” e o menor caminho “c” do volume B será a seguinte:
4,50
2,70≤ 1,5 Resolvendo,
1,66 ≤ 1,5
O resultado desta relação está aproximadamente 10% acima do que está estabelecido na Tabela 4, o que pode ser considerado como aceitável.
A segunda relação do volume B será: 2,0 + 2,0
2,70 ≤ 1,5 Resolvendo,
1,48 ≤ 1,5
O resultado encontrado atende a relação desejada.
Portanto, o volume de grãos será dividido em dois volumes menores para atender as relações do maior e menor caminho do fluxo de ar. Sendo assim, o sistema de aeração terá funcionamento de 50% por vez.
2.5 Dimensionamento da Aeração Central
Devido à divisão do volume da massa de grãos a vazão deverá ser calculada separando o volume central do lateral.
Para a determinação das especificações dos ventiladores e dimensões dos canais são necessários os cálculos da vazão de ar central e das perdas de carga nos dutos de suprimento e aeração.
2.5.1 Cálculo da vazão de ar central
Para o cálculo da vazão de ar no ventilador é necessário selecionar na Tabela 7 a vazão específica em função do grão e da umidade em que será armazenado. Neste caso, a vazão específica para milho com 14 % de umidade é de 0,125 𝑚3/ min 𝑥 𝑚³.
Com o auxílio do Software Solid Edge encontra-se o volume de grãos central (𝑉𝑐1) que é de aproximadamente 1263,542 𝑚3 e massa central (𝑀𝑐1 ) de 914,38 𝑡𝑜𝑛, conforme mostra Figura 14.
Figura 14 – Volume da massa de grãos central
Fonte: Elaborado pelo autor.
A vazão de ar no volume central é obtida utilizando a Equação 4:
𝑄𝑐1= 𝑄𝑟 . 𝑉𝑐1 (𝑚3/𝑚𝑖𝑛) (4)
Onde:
𝑄𝑐1: Vazão de ar no volume central de grãos em 𝑚³/ℎ.
𝑄𝑟: Vazão específica do milho encontrada na tabela em 𝑚3/ min. 𝑚³. 𝑉𝑐1: Volume central da massa de grãos em 𝑚3.
Substituindo os valores da vazão especifica e do volume de grãos para a aeração central, tem-se:
𝑄𝑐1= 0,125 (𝑚3/ min. 𝑚³) . 1263,542(𝑚3) 𝑄𝑐1= 157,942 (𝑚³/𝑚𝑖𝑛)
𝑄𝑐1= 157,942 (𝑚3/𝑚𝑖𝑛) . 60 𝑄𝑐1 = 9476,565 𝑚3/ℎ
A vazão de ar que permite a aeração do volume central de milho com 14% de umidade é de 9476,565 𝑚3/ℎ.
2.5.2 Determinação da vazão nos ventiladores
Para a distribuição dos dutos cabe ao projetista determinar o melhor arranjo físico dos canais, de forma que atenda as necessidades do projeto. Neste armazém a aeração será feita pelas laterais e não por túnel, pois desta forma é possível aerar enquanto o armazém é descarregado. Além disso, não há fugas de ar pelos equipamentos.
O volume de grãos em sua parte central será dividido em duas partes iguais (Figura 15) sendo alimentadas por um ventilador cada.
Figura 15 – Divisão do volume de grãos central em vista superior
Deste modo, a vazão para cada ventilador das partes centrais será dada pela Equação 5: 𝑄𝑐2 = 𝑄𝑐1 𝑛º 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 (5) Onde,
𝑄𝑐2= Vazão de ar para cada ventilador das partes centrais em 𝑚³/ℎ. 𝑄𝑐1= 9476,565 𝑚3/ℎ
𝑛º 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 = 2 ventiladores.
Resolvendo a equação utilizando a vazão central e o número de ventiladores, encontra-se a vazão de ar necessária de cada ventilador:
𝑄𝑐2= 9476,565 2 𝑄𝑐2= 4738,3 𝑚³/ℎ 2.5.3 Dimensionamento dos dutos de suprimento central
Para o dimensionamento dos dutos de suprimento será utilizada a distribuição de dutos feita na Figura 11. A Tabela 5 recomenda que para dutos de suprimento a velocidade do ar seja de 480 𝑚/𝑚𝑖𝑛 , afim de que não ocorra a perda de carga excessiva.
Portanto, a área do duto de suprimento central será calculada pela Equação 6: 𝐴𝑐1= 𝑄𝑐2
𝑣𝑠
(6)
Onde,
𝐴𝑐1 = Área do duto de suprimento central em 𝑚². 𝑄𝑐2 = 4738,3 𝑚³/ℎ .
𝑣𝑠 = Velocidade recomenda para dutos de suprimento em 𝑚/𝑚𝑖𝑛. Substituindo os valores, obtém-se a seguinte área:
𝐴𝑐1 =4738,3 (𝑚 3/ℎ)/60 480 (𝑚/𝑚𝑖𝑛) 𝐴𝑐1= 78.97(𝑚3/𝑚𝑖𝑛) 480 (𝑚/𝑚𝑖𝑛) 𝐴𝑐1 = 0,16𝑚²
A cobertura dos dutos de suprimento deve ser cega e de concreto, afim de que sejam mínimas as perdas de pressão enquanto o ar não alcança os dutos de aeração. Desta forma, recomenda-se uma base de no máximo 0,3 m, devido aos esforços sofridos pelo trânsito de maquinários no armazém.
A altura do canal será dada pela Equação 7:
𝐴𝑐1= 𝑏𝑐1. ℎ𝑐1 (7)
Onde,
𝐴𝑐1= área do duto de suprimento central em 𝑚². 𝑏𝑐1= base do duto de suprimento central em metros. ℎ𝑐1= altura do duto de suprimento central em metros.
Substituindo os valores na Equação 6 , obtém-se a altura do duto de suprimento central:
0,16 𝑚² = 0,30 𝑚 . ℎ𝑐1 ℎ𝑐1 = 0, 533 𝑚
A Figura 16 apresenta uma vista frontal do projeto do duto de suprimento central:
Figura 16 – Vista frontal do projeto duto de suprimento central.
Fonte: Elaborado pelo autor.
2.5.4 Determinação da área dos dutos de aeração central
Para calcular a área dos dutos de aeração central, será utilizada a distribuição de dutos apresentadas na Figura 11. Na aeração central será utilizado um duto de suprimento com dois ramais para cada parte central, a cobertura dos ramais será feita com chapa perfurada.
A velocidade utilizada para o dimensionamento dos dutos de aeração central será de 240 m/min conforme mostra Tabela 5. A vazão de cada ventilador utilizado no volume central é de 4738,3 𝑚³/ℎ . Então, a vazão em cada ramal será dada pela seguinte equação:
𝐴𝑐2 = 𝑄𝑐1 𝑣𝑎
(8) Onde,
𝐴𝑐2= Área total dos dutos centrais de aeração em 𝑚². 𝑄𝑐1 = 4738,3 𝑚³/ℎ .
𝑣𝑎= velocidade recomenda para dutos de aeração em 𝑚/𝑚𝑖𝑛. Substituindo os valores na Equação 8 , obtém-se:
𝐴𝑐2 =4738,3 (𝑚
3/ℎ)/60 240 𝑚/𝑚𝑖𝑛 𝐴𝑐2 = 0,33 𝑚²
Obtém-se a área de cada duto de aeração central dividindo a área total pelo número de ramais, conforme Equação 9:
𝐴𝑐3=
𝐴𝑐2 𝑛º 𝑑𝑒 𝑟𝑎𝑚𝑎𝑖𝑠
(9)
Onde,
𝐴𝑐3 = Área do duto de aeração central em 𝑚². 𝐴𝑐2 = 0,33 𝑚².
𝑛º 𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑟𝑎𝑚𝑎𝑖𝑠 = 2 ramais. Substituindo os valores, têm-se:
𝐴𝑐3 =0,33 𝑚² 2 𝐴𝑐3 = 0,165 𝑚²
Devido ao trânsito de caminhões e carregadeiras em armazéns de fundo plano será feito um apoio central nos dutos, afim de que não ocorra amassamento das coberturas. Aconselha-se em função da largura dos pneus dos veículos, fazer a base do duto com 0,3 m e colocar um apoio de 0,1 m a cada 0,15 m de vão livre.
A altura do canal será dada pela seguinte equação:
𝐴𝑐3 = 𝑏𝑐2. ℎ𝑐2 (10)
𝐴𝑐3= 0,165 𝑚².
𝑏𝑐2= base do duto de aeração central em metros. ℎ𝑐2= altura do duto de aeração central em metros.
Substituindo os valores na Equação 8, obtém-se a altura de cada duto central de aeração:
0,165 𝑚² = 0,30 𝑚 . ℎ1 ℎ1 = 0, 55 𝑚
ℎ1 ≅ 55 𝑐𝑚
Para o duto de aeração será utilizada uma geometria retangular. As coberturas de canais existentes no mercado e padronizadas possuem larguras pré-definidas de 207 mm, 257 mm, 307 mm, 407 mm, 507 mm, 757 mm e 1007 mm. De acordo com as dimensões calculadas a cobertura de canal necessária para cobrir o duto e que será utilizada é uma de 507 mm de largura.
A Figura 17 apresenta uma vista frontal em corte do projeto final do duto de aeração central:
Figura 17 – Vista frontal do projeto do duto de aeração central.
2.5.5 Pressão estática e potência do motor para o volume central
Utilizando como dados de entrada a altura do volume de grãos central de 8,35 m e vazão específica recomendada na Tabela 7 de 10 𝑚3/ℎ. 𝑡𝑜𝑛, encontra-se a pressão estática em centímetros de coluna de água devido à passagem do ar através de uma massa de milho no gráfico do ANEXO A. Este valor é obtido interpolando a vazão específica recomendada entre as curvas de 6 𝑒 15 𝑚3/ℎ. 𝑡𝑜𝑛.
A pressão estática do volume de grãos central (𝑃𝑚1) será: 𝑃𝑚1 = 1,08 𝑝𝑜𝑙 𝑚𝑚. 𝑐𝑎
𝑃𝑚1 = 1,08 𝑝𝑜𝑙 𝑚𝑚. 𝑐𝑎. 25,4 𝑚𝑚 𝑃𝑚1 = 27,432 𝑚𝑚. 𝑐𝑎
Segundo Weber (2005) a pressão estática encontrada deve ser acrescida de mais um valor que varia de 20% a 40% devido às resistências da tubulação, curvas, tampas perfuradas dos canais e acionamento. Para o dimensionamento do motor será utilizado o valor médio de 30%, assim obtém-se a nova pressão estática considerando as perdas do sistema:
𝑃𝑚1 = 27,432 𝑚𝑚. 𝑐𝑎 . 1,3 𝑃𝑚1 = 35 𝑚𝑚. 𝑐𝑎
2.6 Dimensionamento da Aeração Lateral
Para o dimensionamento da aeração lateral, tal como a determinação das especificações dos ventiladores e dimensões dos canais são necessários os cálculos da vazão de ar lateral e das perdas de carga nos dutos de suprimento e aeração.
2.6.1 Cálculo de vazão de ar lateral
Utilizando a vazão específica para milho, com 14% de umidade de 0,125 𝑚3/ min 𝑥 𝑚³, já encontrada na Tabela 7, calcula-se a vazão de ar no ventilador necessária para aerar a volume de grãos lateral.
Com o auxílio do software de CAD Solid Edge encontra-se o volume de grãos lateral que é de aproximadamente 1948,440 𝑚³ e massa lateral (𝑀𝑙 ) de 1410,027 𝑡𝑜𝑛, conforme mostra Figura 18:
Figura 18 – Volume e massa de grãos lateral
Fonte: Elaborado pelo autor.
A vazão de ar em um volume lateral de grãos é obtida através da Equação11. Assim, tem-se a seguinte vazão específica para a aeração lateral:
𝑄𝑙1= 𝑄𝑟 . 𝑉𝑙1 (𝑚3/𝑚𝑖𝑛) (11) nde,
𝑄𝑙1: Vazão de ar no volume lateral de grãos em 𝑚³/ℎ.
𝑄𝑟: Vazão específica do milho encontrada na tabela em 𝑚3/ min. 𝑚³. 𝑉𝑙1: Volume lateral da massa de grãos em 𝑚3.
𝑄𝑙1 = 0,125 (𝑚3/ min. 𝑚³) . 1948,440(𝑚3) 𝑄𝑙1= 243,555 (𝑚³/𝑚𝑖𝑛)
𝑄𝑙1= 243,555 (𝑚3/𝑚𝑖𝑛) . 60 𝑄𝑙1 = 14613,3 𝑚3/ℎ
A vazão de ar que permite a aeração do volume central de milho com 14% de umidade é de 14613,3 𝑚3/ℎ.
2.6.2 Determinação da vazão nos ventiladores
O volume de grãos em sua parte lateral será dividido em duas partes iguais (Figura 19), obedecendo à distribuição de dutos realizados na Figura 11. Cada parte será alimentada por um ventilador.
Figura 19 – Divisão do volume de grãos lateral em vista superior
Fonte: Elaborado pelo autor.
Deste modo, utilizando a Equação 12 obtém-se a vazão para cada ventilador das partes laterais:
𝑄𝑙2=
𝑄𝑙1
𝑛º 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 (𝑚
Onde,
𝑄𝑙2= Vazão de ar para cada ventilador das partes laterais em 𝑚³/ℎ. 𝑄𝑐1= 14613,3 𝑚3/ℎ
𝑛º 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 = 2 ventiladores.
Resolvendo a equação utilizando a vazão central e o número de ventiladores, encontra-se a vazão de ar necessária por ventilador.
𝑄𝑙2 = 14613,3
2 (𝑚
3/ℎ)
𝑄𝑙2= 7306,65 (𝑚3/ℎ) 2.6.3 Pressão estática central
Para fins de cálculo o valor utilizado de pressão estática lateral (𝑃𝑚2) será o mesmo que o da aeração central (𝑃𝑚1), pois é o ponto mais crítico do sistema de aeração, onde o ar oferece maior resistência para a passagem do ar.
𝑃𝑚2 = 𝑃𝑚1 (13)
𝑃𝑚2 = 27,432 𝑚𝑚. 𝑐𝑎 2.6.4 Dimensionamento dos dutos de suprimento lateral
Para o dimensionamento dos dutos de suprimento lateral será utilizada a distribuição de dutos feita na Figura 11. Utilizando a velocidade para dutos de suprimento de 480 𝑚/𝑚𝑖𝑛 encontrada na Tabela 5, determina-se a área dos dutos de suprimento lateral através da Equação 14.
𝐴𝑙1= 𝑄𝑙2 𝑣𝑠
(14)
Onde,
𝑄𝑙2 = 7306,65 (𝑚3/ℎ).
𝑣𝑠 = Velocidade recomenda para dutos de suprimento em 𝑚/𝑚𝑖𝑛. Substituindo os valores, obtém-se:
𝐴𝑙1 =7306,65(𝑚
3/ℎ)/60 480(𝑚/𝑚𝑖𝑛) 𝐴𝑙1 = 0,25 𝑚²
O ar necessário para aerar cada parte do volume lateral será levado até os grãos por dois dutos de suprimento, sendo assim a área encontra deverá ser dividida em dois dutos.
A cobertura dos dutos de suprimento deve ser cega, afim de que sejam mínimas as perdas de pressão enquanto o ar não alcança os dutos de aeração. Desta forma, recomenda-se para cada duto de suprimento lateral uma cobertura de concreto e uma base de no máximo 30 cm, devido ao grande trânsito de caminhões e empilhadeiras no local.
A altura do canal será dada pela seguinte equação:
𝐴𝑙1 = 𝑏𝑙1. ℎ𝑙1 (15)
Onde,
𝐴𝑙1 = 0,25 𝑚².
𝑏𝑙1= base do duto de suprimento lateral em metros. ℎ𝑙1= altura do duto de suprimento lateral em metros.
Substituindo os valores na Equação 15, e dividindo a área encontrada na Equação 14 pelo número de dutos de suprimento, obtém-se a altura de cada duto lateral:
0,25 𝑚²
2 𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠 = 0,30 𝑚 . ℎ1 ℎ1 = 0, 416 𝑚
ℎ1 ≅ 42 𝑐𝑚
A Figura 20 mostra uma vista em corte frontal do projeto final de cada duto suprimento lateral.
Figura 20 – Vista frontal do projeto do duto de suprimento lateral.
Fonte: Elaborado pelo autor.
2.6.5 Determinação da área dos dutos de aeração lateral
Na aeração lateral serão adotados quatro ramais, com cobertura de canal perfurada.
A velocidade utilizada para o dimensionamento dos dutos de aeração lateral será de 240 m/s conforme mostra Tabela 5. Como se pode observar na Figura 11 cada duto de suprimento leva o ar até dois ramais. A vazão de cada ventilador utilizado em cada
parte do volume lateral é de 7306,65 𝑚³/ℎ. Então, determina-se a área dos dutos de suprimento lateral através da Equação 16:
𝐴𝑙2 = 𝑄𝑙2
𝑣𝑎
(16)
𝐴𝑙2= área dos dutos laterais de aeração em 𝑚²; 𝑄𝑙2 = 7306,65 (𝑚3/ℎ).
𝑣𝑎= velocidade recomendada nos dutos de aeração em 𝑚/𝑚𝑖𝑛. Substituindo os valores na Equação 13, têm-se:
𝐴𝑙2 =
7306,65(𝑚3/ℎ)/60 240 𝑚/𝑚𝑖𝑛 𝐴𝑙2 = 0,507 𝑚²
A altura do canal será dada pela seguinte equação:
𝐴𝑙2 = 𝑏𝑙2. ℎ𝑙2 (17)
Onde,
𝐴𝑙2 = 0,507 𝑚².
𝑏𝑙2= base do duto lateral de aeração metros; ℎ𝑙2= altura do duto lateral de aeração em metros.
Considerando os mesmos dados de projetos recomendados para dutos de aeração central, onde se aconselha em função da largura dos pneus dos veículos, colocar um apoio de 0,10 m a cada 0,15 m de vão livre, cada duto terá de base 0, 30 m de vão livre. Substituindo os valores na Equação 17, e dividindo a área encontrada na Equação 16 pelo número de ramais obtém-se a altura necessária de cada canal.
0,507 𝑚²
4 𝑟𝑎𝑚𝑎𝑖𝑠= 0,30 𝑚 . ℎ𝑙2 ℎ𝑙2 = 0, 42 𝑚
ℎ𝑙2 ≅ 42 𝑐𝑚
A Figura 21 mostra o projeto final de cada duto lateral de aeração.
Figura 21 – Vista frontal do projeto do duto de aeração lateral.
Fonte: Elaborado pelo autor.
2.6.6 Pressão estática e potência do motor para o volume lateral
Utilizando como dados de entrada a altura do volume de grãos central de 4,5 m e vazão específica recomendada na Tabela 7 de 10 𝑚3/ℎ. 𝑡𝑜𝑛, encontra-se a pressão estática em centímetros de coluna de água devido à passagem do ar através de uma massa de milho no gráfico do ANEXO A.
A pressão estática do volume de grãos central (𝑃𝑚2) será: 𝑃𝑚2 = 0,5 𝑝𝑜𝑙 𝑚𝑚. 𝑐𝑎
𝑃𝑚2 = 0,5 𝑝𝑜𝑙 𝑚𝑚. 𝑐𝑎. 25,4 𝑚𝑚 𝑃𝑚2 = 12,7 𝑚𝑚. 𝑐𝑎
A pressão estática encontrada deve ser acrescida de mais um valor que varia de 20% a 40% devido às resistências da tubulação, curvas, tampas perfuradas dos canais e acionamento. Utilizando o valor médio de 30%, assim obtém-se a nova pressão estática do volume lateral considerando as perdas do sistema:
𝑃𝑚2 = 12,7 𝑚𝑚. 𝑐𝑎 . 1,3 𝑃𝑚2 = 16,5 𝑚𝑚. 𝑐𝑎
2.7 Determinação dos Ventiladores
Como a aeração será feita 50% por vez e o ventilador utilizado no volume central e no volume lateral serão os mesmos, então se deve selecionar aquele ventilador que atenderá a situação mais crítica, ou seja, onde os grãos oferecem uma maior resistência para a passagem do ar, que neste caso é a aeração do volume central.
Para a seleção do ventilador será utilizada o software “VORTEX 1.3”, o qual é fornecido pelo fabricante OTAM Ventiladores Industriais Ltda., a fim de auxiliar o projetista na escolha do ventilador correto. As informações disponibilizadas correspondem a características técnicas e mecânicas do próprio fabricante.
Os dados de entrada no programa são a vazão do ventilador e perda de carga do volume central:
𝑄𝑐2 = 4738,3 𝑚³/ℎ 𝑃𝑚1 = 35 𝑚𝑚. 𝑐𝑎
Os ventiladores selecionados são de simples aspiração da linha RFS, os quais possuem rotores de pás em perfil aerofólio voltadas para trás. São projetados para ventilação, exaustão e ar condicionado de alta velocidade, equipamentos de secagem e armazenagem de grãos.
Algumas condições de operação do sistema devem ser determinadas como: temperatura ambiente, pressão atmosférica e o tipo de fluído de trabalho. Neste caso,
considera-se uma temperatura ambiente de 20°C e uma pressão atmosférica ao nível do mar de 760 mmHg, sendo o tipo de fluído ar.
Após o preenchimento dos dados de seleção o programa fornece algumas opções de ventilador, com variações de diâmetro, rendimento, potência e rotação. A escolha deve ser feita levando em consideração aquele ventilador que mais atender as necessidades do projeto. O ANEXO B apresenta as opções de ventiladores fornecidas pelo software. Deve-se escolher um ventilador das faixas do meio, pois são os que apresentam os maiores rendimentos. A Tabela 9 apresenta as principais especificações do ventilador selecionado:
Tabela 9 – Especificações ventilador RFS 450 CLASSE I
MODELO DIÂMETRO (mm) MOTOR (cv) ROTAÇÃO (RPM) RENDIMENTO (%)
RFS 450 0,84 1306 81,26
Fonte: VORTEX 1.3
Existem diversos tipos de acionamentos comercializados com modelos e rotação padronizados. A escolha do ventilador deve ser feita considerando os modelos disponíveis no mercado. Com isso, o ventilador utilizado terá motor com 4 pólos e 1760 rpm. Deve ser feita uma readequação da rotação do motor no software, o qual fornecerá novas opções de seleção de ventiladores (ANEXO C) O ventilador selecionado que atende as necessidades acima descritas, possui as seguintes características, conforme Tabela 10:
Tabela 10 – Especificações ventilador RFS 450 CLASSE I comercial
MODELO DIÂMETRO (mm) MOTOR (cv) ROTAÇÃO (RPM) RENDIMENTO (%)
RFS 450 3 1760 81,24
3 RESULTADOS
Neste capítulo, faz-se um comparativo entre os resultados obtidos pelo método de cálculo empregado no trabalho e os dados fornecidos pelo fabricante do sistema de aeração. Realiza-se uma análise entre essas duas situações e se necessário, serão sugeridas alterações nos conceitos utilizados pelo fabricante, visando o fornecimento de sistemas de aeração com maior precisão e qualidade.
3.1 Comparativo dos dados de entrada para o dimensionamento
A Tabela 11 apresenta os dados de entrada utilizados pelo fabricante para o dimensionamento do sistema de aeração.
Tabela 11 – Dados de entrada do fabricante para o dimensionamento do sistema de aeração
Parâmetro de entrada Dados fornecidos pelo fabricante
Produto Milho Umidade (%) 14 Massa de grãos (T) 2419 Volume total (m³) 3225 Volume central (m³) 1271 Volume lateral (m³) 1954
Velocidade dutos de suprimento (m³/min) 700
Velocidade dutos de aeração (m³/min) 450
Vazão específica (m³/min.m³) 0,075
