ISSN 1518-9953 Engenharia na Agricultura BOLETIM TÉCNICO
Fornalhas Tubulares para
Aquecimento de Ar
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Queima de Resíduos Agrícolas
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N.0 10 - JUNHO 2008
Engenharia na Agricultura Boletim Técnico n.º 10 ISSN 1518 – 9953
Fornalhas Tubulares para
Aquecimento de Ar
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Queima de Resíduos Agrícolas
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Edney Alves Magalhães1 Juarez de Sousa e Silva2 Jadir Nogueira da Silva3 Fernanda A. de Oliveira Melo4
Roberta Martins Nogueira5
Associação dos Engenheiros Agrícolas de Minas Gerais Universidade Federal de Viçosa – Departamento de Engenharia
Agrícola
Viçosa – MG Junho de 2008
1
Eng. Agrícola, Pós-Doutorando, UFV/DEA. eamagalhaes@yahoo.com.br
2
Prof. Associado, Ph.D. UFV/DEA. juarez@ufv.br
3
Prof. Titular, Ph.D.UFV/DEA. jadir@ufv.br
4
Eng. Agrícola, Doutoranda, UFV/DEA. faomelo@yahoo.com.br
5
Todos os direitos são reservados à Revista Engenharia na Agricultura
Associação dos Engenheiros Agrícolas de Minas Gerais Departamento de Engenharia Agrícola
e-mail: juarez@ufv.br
Ficha catalográfica preparada pela Seção de Catalogação e Classificação da Biblioteca Central da UFV
Fornalhas tubulares para aquecimento de ar : queima de
F727 resíduos agrícolas / Edney Alves Magalhães ... [et al.].
2008 – Viçosa, MG : UFV, DEA, 2008.
41p.: il. (algumas col.) ; 23cm. (Boletim técnico, Engenharia agrícola : 1518-9953; n. 10)
Referências bibliográficas: f. 39-41.
1. Energia da biomassa. 2. Combustão. 3. Cereais - Secagem. I. Magalhães, Edney Alves, 1978-. II. Universidade Federal de Viçosa. Departamento de Engenharia Agrícola.
SUMÁRIO
1. Introdução ... 1
2. Fornalhas... 3
3. Descrição das fornalhas ... 4
3.1. Configuração e dimensões gerais das fornalhas ... 15
3.2. Desempenho das fornalhas ... 16
3.2.1. Aquecimento usando lenha ... 16
3.2.2. Aquecimento usando serragem (Fornalha F1)... 19
3.2.3. Palha de café ... 21
4. Detalhes da contrução das fornalhas ... 23
4.1. Fornalha com sistema de pneumático e troca de calor em fluxos contracorrentes... 23
4.2. Fornalha com sistema de alimentação por helicóide e troca de calor em fluxos cruzados... 28
5. Etapas da construção da fornalha ... 32
5.1. Base ... 32
5.2. Câmara de combustão/trocador de calor ... 33
5.3. Posicionamento da câmara de combustão/trocador de calor ... 34
6. Materiais para construção da fornalha ... 38
7. Considerações finais ... 39
1. Introdução
Além dos aspectos tecnológicos, o uso racional de energia em processos agrícolas irá, também, contribuir para a melhoria do estilo de vida no meio rural, quando são consideradas operações como cocção de alimentos, iluminação, aquecimento, bombeamento de água etc. Com mais de 2,5 bilhões de pessoas vivendo no campo em todo o mundo, Rosillo-Calle (2000) afirma que a futura dependência de fontes energéticas convencionais é problema que não pode ser ignorado.
O Brasil, devido à sua grande área territorial, apresenta grande potencial de recursos naturais, que podem gerar energia para minimizar o suprimento de energia convencional. Apesar dos estudos sobre as energias eólica, solar e hidráulica, o melhoramento e desenvolvimento de processos eficientes para uso de resíduos industriais são altamente necessários, principalmente devido ao grande crescimento das atividades agrícolas nas últimas décadas.
A disponibilidade de resíduos provenientes da indústria madeireira, carvoaria e do beneficiamento de produtos agrícolas, como o café (palha pergaminho) e arroz, é muito grande. Do total de resíduos gerados pelas atividades agrícolas e industriais, aproximadamente 65% vem da indústria madeireira (excluindo o uso direto da lenha para aquecimento). Somente na indústria madeireira, a produção de serragem pode alcançar 16% do total do volume da madeira original (Dutra e Nascimento 2006). No ano 2000, o Brasil produziu, segundo o IBPQ (2002), 26 milhões de metros cúbicos de madeira serrada.
Da produção do café, aproximadamente 21% são transformados em resíduos sólidos, ou seja, casca de café (casca integral e pergaminho puro), que possuem poder calorífico próximo de 17.500 kJ kg-1.
Na indústria de café solúvel, para cada tonelada do produto final produzido são geradas 4,5 t de borra, com teor de água de 80% b.u., que, após a secagem a 25% b.u., apresenta poder calorífico de 17.000 kJ kg-1. Esse montante poderia suprir entre 60
e 80% a demanda de combustível da empresa de café solúvel que lhe deu origem (CEPEL, 2000).
Apesar da grande quantidade de resíduos gerados no meio agrícola e agroindustrial, apenas uma pequena porcentagem é aproveitada, em razão do desconhecimento do potencial energético e da falta de equipamentos apropriados para sua utilização. Werther et al. (2000) destacam inúmeros outros problemas que afetam a utilização desses resíduos como fonte energética. Dentre os maiores problemas estão a dificuldade de transporte, os altos custos de investimentos em unidades geradoras, a disponibilidade de outros combustíveis a preço competitivo e a alta demanda de mão-de-obra.
Todos os problemas citados podem inviabilizar o aproveitamento dos resíduos tanto em pequenas como em grandes unidades geradoras. No caso particular da palha do café, o seu uso para recomposição da fertilidade do solo é econômica e ambientalmente mais importante do que o uso como fonte energética.
Outros pontos importantes que influenciam o projeto de equipamentos para alimentação e combustão dos resíduos são: a baixa densidade, a alta umidade, o teor de voláteis e o baixo ponto de fusão das cinzas, que dificultam o desenvolvimento de equipamentos eficientes.
Diante das dificuldades mencionadas, o aproveitamento de resíduos para o suprimento de energia térmica em atividades agrícolas e, ou, agroindústrias que deram origem ao resíduo ou que, pelo menos, estejam próximas a pontos fornecedores pode ser considerado uma boa opção, desde que o investimento em equipamentos, eficientes, atenda às condições econômicas e ambientais.
A combustão direta da biomassa é a forma mais antiga de produzir aquecimento e vem sendo usada desde os primórdios da civilização como principal fonte energética. Ainda hoje, 97% da produção da bioenergia produzida no mundo tem origem na combustão direta da biomassa. A pirólise e a gaseificação, apesar de intensamente pesquisadas, não são, certamente, as opções mais importantes no presente (DEMIRBAS, 2003).
Motivados pelas questões energéticas e ambientais, pesquisadores buscam, em várias partes do mundo, a melhoria dos processos de combustão e o desenvolvimento de equipamentos mais eficientes e de alternativas energéticas em substituição aos combustíveis fósseis atualmente em uso; nesse sentido, o conhecimento do processo de combustão é indispensável.
2. Fornalhas
Fornalhas são dispositivos projetados para assegurar, o mais eficientemente possível, a queima completa de determinado combustível. Preferencialmente, deve-se pensar em sistemas de alimentação contínua, operando em condições que permitam o controle e o aproveitamento da energia térmica liberada da combustão, com o maior rendimento térmico possível.
As fornalhas para queima de combustíveis sólidos possuem características semelhantes na sua construção, diferindo apenas na forma, no tamanho e localização da entrada do ar utilizado como comburente, no sistema de alimentação e na saída do produto da combustão. Podem ser classificadas como fluxos descendentes ou ascendentes. Comumente, as fornalhas destinadas à queima de combustíveis sólidos particulados devem possuir, além dos componentes essenciais a todas as fornalhas, depósito de combustível e sistema de alimentação e distribuição.
A queima em suspensão é a forma mais comum quando se trata de biomassa particulada. Contudo, para este sistema é necessário que a biomassa tenha dimensões reduzidas (< 2 mm) e baixo teor de água, inferior a 15% b.u.; para cascas, em geral, o diâmetro de até seis milímetros é suficiente para uma boa queima.
Segundo Lora e Happ (1997), a queima em suspensão total visa grandes unidades de produção. Ela apresenta custo elevado e é inviável em pequenas unidades, em razão da tecnologia empregada pelos sistemas de alimentação de ar e de combustível. Além disso, há necessidade de transformação da biomassa em fragmentos de pequenas dimensões. Assim, a queima em suspensão em pequenas unidades, para o aproveitamento de resíduos agrícolas e
alimentação e distribuição mais simples e que permitam trabalhar com biomassa na forma como ela é disponibilizada, ou seja, dimensões de partículas e teores de água acima dos recomendados. Para isso, as fornalhas devem possibilitar a queima em semi-suspensão, contendo, em sua estrutura, a grelha, pois apenas parte do material será queimado em suspensão e as partículas mais pesadas irão completar sua queima sobre a grelha.
A grelha, além da sustentação do combustível com dimensões acima do ideal para queima em suspensão, tem também a função de manter uma chama piloto sobre ela, para iniciar e dar continuidade ao processo de queima, mantendo a temperatura necessária para a queima dos combustíveis sólidos fragmentados. Para tal função, a lenha é o material mais indicado no meio rural, devido a sua disponibilidade e facilidade de aquisição ao longo do ano.
No caso do uso de resíduos agrícolas como fonte energética, deve-se considerar que sua produção pode não ser constante e suficiente para atender a determinada demanda. Dessa forma, é preferível o emprego de resíduos para complementação ou substituição parcial dos combustíveis convencionais. Por isso, os projetos de fornalhas devem ser pensados com a possibilidade para queimar biomassa com diferentes configurações.
Levando em consideração as vantagens e dificuldades, o uso de resíduos agrícolas ou industriais como fonte de energia térmica pode ser considerado uma boa opção, se uma fornalha confiável e de baixo custo estiver disponível. Assim, o leitor encontrará nas páginas seguintes, dois tipos de fornalhas especialmente desenhadas para situações em que a disponibilidade de combustíveis sólidos e fragmentados for suficiente para atender à finalidade de aquecimento de ar em determinada atividade no meio rural ou em pequenas indústrias.
3. Descrição das fornalhas
Como dito anteriormente, foram projetados, construídos e avaliados, nos laboratórios do Departamento de Engenharia Agrícola da Universidade Federal de Viçosa, dois modelos de fornalhas que deram origem aos trabalhos de pós-graduação de
Magalhães (2007) e Melo (2003). Apesar de as fornalhas apresentarem características semelhantes e apropriadas para o aquecimento de ar, elas queimam resíduos como serragem de madeira, pergaminho do café, moinha de carvão ou qualquer outra biomassa fragmentada. As fornalhas, aqui descritas podem ser operadas com a queima de lenha associada à biomassa fragmentada ou apenas com lenha.
Os protótipos testados foram dimensionados para elevar a temperatura de 80 m³ min-1 de ar ambiente em, aproximadamente, 30 ºC. Essa capacidade foi escolhida por ser suficiente para o fornecimento de ar quente para os secadores mais comuns encontrados na cafeicultura (7.000 a 15.000 litros de café), principalmente para os terreiros secadores (SILVA et al., 2003). As principais diferenças entre as fornalhas estão na forma da grelha, no sistema de alimentação e no trocador de calor. A fornalha (F1) estudada por Magalhães (2007) apresenta a alimentação da biomassa fragmentada por meio de transportador pneumático e troca de calor por fluxos contracorrentes (Figura 1). Já para a fornalha (F2), estudada por Melo (2003), o sistema de alimentação da biomassa é realizado por um transportador helicoidal e troca de calor em fluxos cruzados (Figura 2). As características principais das fornalhas são apresentadas a seguir:
• A base é a mesma para ambas as fornalhas. Construída com tijolos cerâmicos, apresenta formato cilíndrico, como mostrado na Figura 3a, onde pode ser vista a abertura (0,30 m x 0,15 m) para entrada do ar primário. Essa abertura serve também como acesso ao cinzeiro. O canal circular, ao redor da grelha, é usado para o encaixe da câmara de combustão e deve ser preenchido com areia, para evitar a contaminação do ar aquecido com os gases da combustão.
• As grelhas podem ser construídas em tubos de aço carbono de 25,4 mm de diâmetro e 2,5 mm de espessura, espaçados de 10 mm (Figura 3b). Podem também ser em ferro fundido, como encontrada comercialmente em firmas especializadas.
• A câmara de combustão, cuja superfície externa é usada como trocador de calor em ambas as fornalhas, é construída em chapa de aço carbono (3 mm). O volume da câmara, com 0,70 m de diâmetro, foi dimensionado para uma carga térmica volumétrica de 200 kJ s-1 m-³. A Figura 1 mostra os detalhes internos e externos da câmara de combustão/trocador de calor da fornalha (F1). A área externa do trocador de calor foi dimensionada de acordo com a metodologia sugerida por Incropera e DeWitt (1996). No interior da câmara de combustão (Figura 4) é possível visualizar o sistema de separação e distribuição das partículas de biomassa, quando usado sistema de alimentação pneumático.
• O sistema de alimentação para trabalhar com biomassa como a serragem seca ou moinha de carvão pode ser do tipo pneumático ou helicoidal. As Figuras 5a e 5b ilustram os sistemas de alimentação com pneumático e com helicóide, usados para as fornalhas F1 e F2, respectivamente. A Figura 5a mostra também o ciclone terminal, cuja função é a de distribuir, uniformemente, o combustível. A vantagem de usar sistema pneumático é a possibilidade de se construir a fornalha a qualquer distância do depósito de combustível. Esse fato é importante para os locais onde a higiene é indispensável e, sobretudo, para reduzir a possibilidade de acidentes. Para o alimentador helicoidal (Figura 5b), é recomendável o uso de um sistema de degraus inclinados (grelha inclinada) sobre a grelha plana, conforme apresentado na Figura 6. O uso do alimentador helicoidal ou por rosca transportadora não restringe a distância entre o depósito e a fornalha, porém o custo eleva-se consideravelmente com o aumento da distância.
Figura 1. Esquema da fornalha em fluxos contracorrentes estudada por Magalhães (2007).
Figura 2. Esquema da fornalha em fluxos cruzados estudada por Melo (2003).
(a)
(b)
(c)
Figura 3. (a) base em tijolos cerâmicos ; (b) grelha tubular plana; e (c) grelha montada sobre a base.
10
11
(a) (b)
Figura 6. Vista lateral de uma grelha com degraus inclinados. As fornalhas desenvolvidas para queima de biomassa fragmentada e seus detalhes são apresentados nas Figuras 7 a 10.
Figura 7. Vista interna da fornalha com sistema de alimentação pneumático.
Figura 8. Vista geral da fornalha com sistema de alimentação pneumático.
Componentes (Figura 7 e 8):
(1) moega para o combustível; (2) alimentador pneumático; (3) duto de alimentação; (4) base da fornalha; (5) cinzeiro e entrada do ar primário; (6) porta de alimentação da lenha; (7)/(8) câmara de combustão/trocador de calor; (9) ciclone; (10) entrada do ar ambiente; (11) saída do ar de exaustão (aquecimento direto); (12) chaminé; (13) entrada de ar para regular temperatura; e (14) ventilador.
Figura 9. Vista interna da fornalha com sistema de alimentação por helicóide.
Componentes:
(1) abertura do cinzeiro; (2) grelha plana; (3) degraus inclinados; (4) saída do helicóide; (5) câmara de combustão; (6) saída do ar aquecido; (7) saída dos gases de combustão (aquecimento direto do ar); (8) saída dos gases de combustão (aquecimento indireto do ar) e (9) parede de alvenaria.
Figura 10. Vista geral da fornalha com sistema de alimentação por rosca transportadora.
Componentes:
(10) depósito de biomassa; (11) helicóide; e (12) entradas de ar frio.
3.1. Configuração e dimensões gerais das fornalhas
• Grelha: a grelha apresenta diâmetro de 0,45 m, área total de 0,14 m² e área livre de 0,02 m².
• Câmara de Combustão: o diâmetro pode ser de 0,64 ou 0,70 m, dependendo das dimensões da chapa de aço: 1,0 x
2,0 m ou 1,0 x 2,2 m, respectivamente. Da mesma forma, a altura da câmara de combustão ficará com 2,0 ou 2,2 m. Como a câmara de combustão dá origem ao trocador de calor em ambas as fornalhas, durante o processo de aquecimento indireto, a área mínima de troca térmica calculada para atender a demanda de projeto (80 m3 min-1 e temperatura 30ºC acima da ambiente) seria de 3,7 m², e a altura calculada para a câmara/trocador de calor, de 1,7 m. Para evitar o desperdício de chapa, pode-se utilizar altura de 2,0 ou 2,2 m, gerando área superior à mínima necessária. • Sistemas de alimentação: o transportador pneumático
utiliza duto de 0,10 m de diâmetro e um pequeno ventilador, fornecendo uma vazão mínima de 5 m3 min-1. A dosagem do combustível é feita por um pequeno helicóide instalado no interior do depósito de biomassa. É preferido que esse helicóide seja comandado por um sistema de controle de rotação do motor (tipo Dimmer). A rotação do helicoidal dependerá do diâmetro da rosca e do consumo de combustível desejado. Como no transporte pneumático, aconselha-se que seja usado um sistema de controle de rotação do helicóide por engrenagens ou polias redutoras ou, ainda, controlador de rotação do motor.
3.2. Desempenho das fornalhas
Como dito anteriormente, as fornalhas aqui apresentadas podem operar com biomassa moída ou com lenha; seu desempenho dependerá dos combustíveis utilizados ou da associação entre eles. Para avaliar o desempenho das fornalhas, foram realizados alguns testes com aquecimento direto e indireto do ar.
3.2.1. Aquecimento usando lenha
Na Figura 11 podem ser verificadas as variações de temperatura do ar aquecido em função do tempo de funcionamento da fornalha para os testes com queima de 5, 10 e 15 kg h-1 de lenha no aquecimento indireto de ar. Verifica-se na Figura que, com o
decorrer do teste, a temperatura do ar aquecido na saída do ventilador apresenta tendência de estabilidade.
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 Tempo (h) V a ri a ç ã o d e t e m p e ra tu ra ( ºC ) 5 kg/h 10 kg/h 15 kg/h
Figura 11. Curvas de variação da temperatura em função do tempo de funcionamento das fornalhas.
As médias dos valores da variação de temperatura entre o ar aquecido e o ar ambiente foram de 12 ºC, 25 ºC e 41ºC, para os testes com 5, 10 e 15 kg de lenha por hora, respectivamente.
A variação de temperatura entre o ar aquecido e o ambiente em função do consumo de lenha pode ser descrito por meio do modelo linear apresentado pela Equação 1:
3843 , 3 9243 , 2 . − = ∆T mcb R2 = 0,998 (1) em que: ∆T - variação de temperatura, ºC; e cb m . - consumo de combustível, kg h-1.
Esse modelo é válido para as condições de trabalho da fornalha, ou seja, consumo de lenha entre 5 e 15 kg h-1, com poder calorífico superior do combustível próximo de 19.000 kJ kg-1 e teor médio de água próximo de 15,0 ± 1,0 % b.u.
A eficiência térmica média das fornalhas foi de aproximadamente 70%, indepedentemente da quantidade de lenha
quando comparado com resultados obtidos em fornalhas de fogo indireto para aquecimento de ar, encontrados na literatura.
A Tabela 1 fornece a quantidade de lenha a ser empregada para que o ar aquecido atinja determinada temperatura a um fluxo de ar de 80 m³ min- .
Tabela 1. Consumo previsto de lenha (eucalipto) em função da temperatura ambiente e do ar aquecido
Temperatura ambiente (ºC) -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 15 8,0 6,3 4,6 --- --- --- --- --- --- --- 20 9,7 8,0 6,3 4,6 --- --- --- --- --- --- 25 11,4 9,7 8,0 6,3 4,6 --- --- --- --- --- 30 13,1 11,4 9,7 8,0 6,3 4,6 --- --- --- --- 35 14,8 13,1 11,4 9,7 8,0 6,3 4,6 --- --- --- 40 16,5 14,8 13,1 11,4 9,7 8,0 6,3 4,6 --- --- 45 18,3 16,5 14,8 13,1 11,4 9,7 8,0 6,3 4,6 --- 50 20,0 18,3 16,5 14,8 13,1 11,4 9,7 8,0 6,3 4,6 55 --- 20,0 18,3 16,5 14,8 13,1 11,4 9,7 8,0 6,3 60 --- --- 20,0 18,3 16,5 14,8 13,1 11,4 9,7 8,0 65 --- --- --- 20,0 18,3 16,5 14,8 13,1 11,4 9,7 T em p er a tu ra d o a r a q u ec id o ( ºC ) 70 --- --- --- --- 20,0 18,3 16,5 14,8 13,1 11,4 Consumo de lenha (kg h-1)
A Tabela 1 pode ser útil para a operação da fornalha ou para estimar o consumo de lenha para determinada finalidade. Vale salientar que esses valores podem sofrer variações, uma vez que as condições de operação e a característica da lenha utilizada podem variar.
Para efeito comparativo entre os sistemas de aquecimento do ar, realizaram-se testes com aquecimento direto, obtendo-se rendimento médio de aproximadamente 90%. Esse valor é ligeiramente superior aos encontrados na literatura para fornalhas a lenha, conforme Melo (1987) e Gomes (1988), e bem próximo dos valores obtidos com a fornalha a carvão vegetal (LOPES, 2002). A alta eficiência é decorrente das pequenas perdas de calor (0,1 %
para combustão química incompleta e 3,4 % pelo arrefecimento da fornalha). As outras perdas não foram avaliadas.
3.2.2. Aquecimento usando serragem (fornalha F1)
Na Figura 12, pode ser observada a média das variações de temperatura em função do tempo de funcionamento da fornalha, para a mesma vazão de ar do teste com lenha. Como pode ser visto, muito antes de as temperaturas internas e externas da parede de tijolos atingirem o equilíbrio, a temperatura do ar na saída do ventilador já está no valor desejado, em menos de uma hora. A horizontalidade da curva de aquecimento indica que a fornalha trabalha em regime contínuo.
A variação média da temperatura do ar aquecido em relação à ambiente foi de 28 ºC, para um consumo horário de 11,5 kg de serragem de madeira.
A eficiência térmica média de 72% foi considerada muito boa se comparada com a de outras fornalhas projetadas para aquecimento indireto do ar de secagem para produtos agrícolas (VALARELLI, 1991; ELEPANÕ et al., 2000). Esse bom rendimento foi devido à boa combustão da serragem, uma vez que não foi notada a presença desta no cinzeiro, tampouco nas laterais da câmara de combustão. Também não foi observada fumaça na saída da chaminé, o que caracteriza uma boa combustão.
0 10 20 30 40 50 60 70 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 Tempo (h) T e m p e ra tu ra ( ºC ) Ar aquecido Pareda superficie interna Parede superfície externa Ambiente
Log. (Ar aquecido)
Com os sistemas de alimentação e distribuição pneumáticas, as partículas são lançadas na câmara de combustão (Figura 13a). A presença do calor gerado pela chama piloto (Figura 13b) faz com que essas partículas entrem em combustão ainda em suspensão. Esse princípio é característico da queima de combustíveis gasosos. O fluxo contínuo de serragem na saída do ciclone faz com que uma chama permanente seja gerada (Figura 13c, d). Já as partículas de maior peso iniciam o processo de queima ainda em suspensão, porém completam sua combustão sobre a grelha.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 13. (a) distribuição das partículas; (b) chama piloto; (c) partículas de serragem queimando em suspensão; e (d) combustão da serragem, de forma contínua, na saída do ciclone.
A combustão contínua da serragem depende de alguns fatores, como: teor de água adequado (inferior a 15%), fluxo contínuo e granulometria reduzida (menor que 6 mm). Quanto menor a granulometria das partículas, melhor a combustão. O ideal é que o combustível usado tenha dimensões variadas, ou seja, partículas muito pequenas, para queima em suspensão (menores que 2 mm) e partículas pouco maiores (3 a 6 mm) para queima sobre a grelha e conseqüente manutenção da chama piloto.
Quando se utilizam grelhas inclinadas, estas têm a função de manter o combustível em suspensão, proporcionando tempo suficiente para que as partículas completem sua combustão. Assim, partículas de maior peso serão sustentadas pelos degraus da grelha, onde a combustão será realizada. Esse sistema é mais aconselhado quando se utiliza palha de café ou biomassa de dimensões semelhantes e moinha de carvão. No entanto, não foram feitos testes com esse sistema de alimentação para o uso de serragem. 3.2.3. Palha de café
O uso de palha de café como combustível é aconselhado quando se utiliza apenas o pergaminho, visto que a casca integral do café possui alto teor de potássio em sua composição, tendo alto valor comercial como adubo e altamente favorável para incorporação de matéria orgânica ao solo.
Quanto ao uso de palha de café para geração de calor nas fornalhas em questão, é necessário associá-la à lenha, servindo de chama piloto (Figura 14).
Nos trabalhos de avaliação, para aquecimento indireto (para os dois sistemas de alimentação), foram obtidos rendimentos médios de 58% com a alimentação pneumática e 63% com alimentação por helicóide. Esses resultados foram obtidos usando a proporção de 1:1 (lenha e palha).
Além de proporcionar um rendimento melhor, o sistema de alimentação por helicóide é mais aconselhável, devido ao fato de as partículas maiores não completarem sua combustão, ainda, em suspensão. O uso de grelha com degraus inclinados auxilia na manutenção das partículas em suspensão por tempo suficiente para que a combustão seja completada.
Outro ponto importante são as perdas pela combustão incompleta (CO) e pelo calor dos gases de exaustão, que no sistema pneumático chegaram a 12 e 26%, respectivamente.
3.2.4. Aquecimento usando moinha de carvão
A moinha de carvão é um combustível de alto poder calorífico que, muitas vezes, é rejeitado pela indústria de carvão vegetal. Como no caso da palha de café, é aconselhado o uso do helicóide para alimentação da fornalha. Como ela possui granulometria variada, dificulta o dimensionamento e o desempenho do transporte pneumático. Para que seja queimada em suspensão e alimentada pneumaticamente, deve-se passá-la por um moinho a martelo com peneira fina.
Por outro lado, com o uso de helicóide e de grelha com degraus inclinados, o emprego da moinha pode ser uma boa opção para produção de ar quente. Além disso, quando bem operada, pode-se trabalhar com aquecimento direto do ar para a secagem de determinados tipos de grãos.
Nos testes em que foi utilizada a moinha de carvão associada à lenha, na proporção 2:1, ou seja, 10 kg h-1 de moinha para 5 kg h-1 de lenha, foram obtidos rendimentos de 80%, com incremento médio da temperatura em torno de 32ºC, para aquecimento direto do ar.
A associação da moinha de carvão com lenha é interessante, pois esta mantém uma chama piloto, que auxilia a ignição da moinha ao entrar na câmara de combustão, uma vez que a moinha
não proporciona chama de comprimento suficiente para iniciar a combustão das partículas na parte mais elevada da grelha com degraus inclinados.
4. Detalhes da construção das fornalhas
A construção das fornalhas, para atender aos secadores mais comuns na cafeicultura, pode ser feita com base nas dimensões apresentadas nas Figuras 15 a 23.
4.1. Fornalha com sistema de pneumático e troca de calor em fluxos contracorrentes
24
25
26
27
4.2. Fornalha com sistema de alimentação por helicóide e troca de calor em fluxos cruzados.
A base dessa fornalha pode possuir as mesmas dimensões da anterior, diferenciando na grelha (Figura 15). Já a câmara de combustão visualizada na Figura 21 possui diâmetro inferior ao apresentado na Figura 16, uma vez que foi projetada para utilizar em sua construção chapa de aço com dimensões de 1,0 x 2,0 m, enquanto que para construção da câmara apresentada na Figura 16 deve-se utilizar chapa de aço de 1,0 x 2,2 m.
Figura 20 - Base com dimensões da grelha plana em ferro fundido com degraus inclinados.
Figura 22. Corte da fornalha (F2), mostrando os detalhes da parede circular com entrada e saída de ar.
Figura 23. Corte com detalhes do helicóide alimentador da fornalha (F2).
5. Etapas da construção da fornalha 5.1. Base
A base da fornalha (Figura 24) deve ser construída em alvenaria, com tijolos maciços, seguindo as dimensões da base descritas na Figura 20. O traço, em volume, deve ser de 1:10:10:1 (cimento, areia, terra de barranco e açúcar).
(a) (b)
(c) (d)
Figura 24. (a) construção do cinzeiro; (b) posição da grelha; (c) construção do leito de areia para encaixe da câmara de combustão; (e) base pronta para receber a câmara.
Opcionalmente, a grelha apresentada na Figura 24b foi projetada com a configuração de um trocador de calor. Esse tipo de grelha utiliza tubos de aço carbono, onde o ventilador succiona o ar ambiente que passa pelo interior dos tubos, resfriando-os. Além de
servir como trocador de calor, esse tipo de grelha possui boa durabilidade. Entretanto, seu custo é elevado. É indicado o uso de grelha de ferro fundido, disponível no mercado (Figura 25).
Na região onde o combustível será queimado sobre a grelha é aconselhado o uso de tijolos refratários, e sobre a grelha plana pode ser instalada a grelha com degraus inclinados, quando o sistema de alimentação escolhido for o helicoidal (Figura 23).
Figura 25. Base da fornalha com grelha de ferro fundido e grelha com degraus inclinados.
5.2. Câmara de combustão/trocador de calor
Conforme especificado, a câmara de combustão/trocador de calor é construída em chapa de aço carbono, com diâmetro de 0,64 m ou 0,7 m e altura de 2,0 m. Já a espessura da chapa indicada é a maior possível de se trabalhar, uma vez que possui maior durabilidade. Entretanto, o custo é proporcional à espessura. Assim, cabe ao construtor ou ao comprador analisar a relação custo/benefício para a escolha do material a ser empregado. Isso vale também para o ciclone separador de partículas. Nas Figuras 26a e 27a,b visualiza-se uma câmara de combustão construída em chapa de aço com 3,0 mm de espessura e acoplada à base da fornalha (F1).
5.3. Posicionamento da câmara de combustão/trocador de calor
Para o posicionamento da câmara de combustão foi construído um leito de areia, servindo com o elemento de vedação para gases de combustão. A câmara de combustão deve então ser introduzida nesse leito de areia, deixando a região da grelha centralizada em seu interior, conforme visualizado na Figura 26a.
Como mencionado, a câmara de combustão e o trocador de calor são unificados, ou seja, o trocador de calor engloba a câmara de combustão no somatório das áreas de troca térmica. O sentido dos fluidos quente e frio pode ser cruzado ou contracorrente. Independentemente da escolha desse sentido, a parede de alvenaria pode ser usada para formar a região de troca térmica, deixando um espaçamento de 0,10 a 0,15 m do trocador de calor. Caso seja preferido, podem-se utilizar também paredes externas metálicas, porém a parede de alvenaria tem algumas vantagens, como o custo reduzido e o melhor isolamento térmico.
(a) (b)
Figura 26. (a) câmara de combustão sobre a base; e (b) região da grelha centralizada no interior da câmara.
No caso de trocador de calor em contracorrente é aconselhado o uso de aletas externas, para forçar o ar frio a passar ao longo de todo o comprimento do trocador (Figura 27a, b).
(a) (b) (c)
Figura 27. (a) e (b) construção da parede de alvenaria ao redor do trocador de calor; e (c) vista superior da fornalha e da entrada de ar frio (trocador em fluxos contracorrentes). Na Figura 27c verifica-se que, após o término da construção da parede de alvenaria, realiza-se o fechamento da fornalha, o que pode ser feito por uma tampa metálica ou por uma laje de concreto. Para trocadores de calor em fluxos contracorrentes, deve-se deixar a abertura para entrada de ar frio. Essa abertura deve possuir área livre superior à abertura de entrada de ar do ventilador.
No caso de trocador de calor de fluxo cruzado, dispensa-se o uso de aletas. Quanto à entrada de ar frio, devem-se construir aberturas no sentido longitudinal, uniformemente distribuídas na parede externa (Figura 28).
Figura 28. Aberturas para entrada de ar frio: trocador com fluxo cruzado.
Para trocadores de calor de fluxos cruzados, é recomendado posicionar a saída do ar aquecido na posição intermediária do trocador, enquanto para os de fluxos contracorrentes esta saída deve ser no extremo inferior do trocador, conforme indicado nas plantas da fornalha (Figura 19).
Na Figura 29 visualiza-se a fornalha (F1) desenvolvida e testada na Universidade Federal de Viçosa, com sistema de alimentação pneumático e trocador de calor em fluxos contracorrentes. Já na Figura 30, é mostrada a fornalha (F2) com sistema de alimentação por helicóide. Pode-se verificar que o sistema de controle da rotação da rosca é feito por meio mecânico, ou seja, polias e caixa de redução.
Figura 29. Fornalha com sistema de alimentação por transporte pneumático e trocador de calor contracorrente.
Figura 30. Fornalha com sistema de alimentação por rosca transportadora.
6. Materiais para construção da fornalha
Na Tabela 2 encontra-se a relação dos materiais para construção das fornalhas propostas.
Tabela 2. Quantificação dos materiais para montagem da fornalha
Relação de materiais Quantidade
Construção em chapas de aço
Câmara de combustão, área de troca térmica, tronco de cone redutor para chaminé (chapa n.º 11)
3 chapas Aletas laterais, chicana interna,
depósito de combustível (0,4 m3), chaminé (0,2 m de diâmetro)
5 chapas de 1,0 x 2,2m n.º 18
Grelha de tubos 4 barras
Alvenaria
Tijolo maciço 750 un.
Tijolo refratário 15 un.
Cimento 100 kg
Terra de barranco 0,2 m3
Areia (m3) 0,3 m3
Cal para pintura 1 sc
Quanto à relação de materiais em aço, foi feita apenas uma estimativa, uma vez que dependerá de quem construirá as partes da fornalha, devido às perdas nos cortes das peças. É aconselhado procurar empresa especializada para construção e montagem das partes metálicas. Já o trabalho em alvenaria é simples, e um bom pedreiro é suficiente para executá-la.
A relação de materiais do sistema de alimentação pneumático ou por rosca transportadora (helicóide) depende de fatores como: distância entre o depósito de combustível e a fornalha, tamanho do depósito, sistema de controle de rotação da rosca transportadora (caixa de redução, inversor de freqüência, entre outros), sistema de dosagem de biomassa no transporte pneumático, entre outros. Dessa forma, cabe ao comprador escolher
a melhor relação custo/benéfico na hora da decisão sobre o sistema de alimentação a ser empregado.
7. Considerações finais
O aproveitamento de resíduos agrícolas e agroindustriais para a geração de energia térmica pode ser uma boa alternativa para produtores rurais, uma vez que existe grande disponibilidade a custos, relativamente, baixos.
Comparados à lenha, os custos de geração de energia térmica por meio do uso de resíduos praticamente se equivalem. Contudo, o uso da lenha leva muitas vezes a desmatamentos, enquanto o uso de resíduos como combustível torna-se uma solução ambiental.
As fornalhas aqui descritas apresentam-se como alternativa interessante, uma vez que possuem alto rendimento térmico e são construídas com materiais de baixo custo. São fáceis de serem operadas e com possibilidade de controle da temperatura do ar aquecido, além de possuirem a alternativa do aquecimento direto e indireto do ar em um único equipamento
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