DCEENG – Departamento de Ciências Exatas e Engenharias
EDSON DIONI DIAS
METODOLOGIA DE CÁLCULO DA CAPACIDADE DE SECAGEM
DOS SECADORES DE COLUNA
Panambi 2015
METODOLOGIA DE CÁLCULO DA CAPACIDADE DE SECAGEM
DOS SECADORES DE COLUNA
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Mecânica apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
Orientador: Roger Schildt Hoffmann
Panambi 2015
METODOLOGIA DE CÁLCULO DA CAPACIDADE DE SECAGEM
DOS SECADORES DE COLUNA
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de BACHAREL EM ENGENHARIA MECÂNICA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelos membros da banca examinadora.
Panambi, 09 de novembro de 2015
Prof. Roger Schildt Hoffmann Mestre pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) - Orientador Prof. Patricia Carolina Pedrali Coordenadora do Curso de Engenharia Mecânica/UNIJUÍ BANCA EXAMINADORA Prof. Patricia Carolina Pedrali Mestre pela Universidade Federal do Paraná
À minha família por todo apoio oferecido, dedico-lhes esta conquista como gratidão.
À minha mãe Antônia, por todo apoio, compreensão, amor e por ter sido o meu alicerce nessa caminhada.
Ao meu pai José (in memoriam), por mesmo lá de cima ter me fortalecido e me abençoado.
Às minhas irmãs, por todo carinho, companheirismo e incentivo durante os momentos de dificuldade.
À Empresa Tromink Industrial Ltda., pela disponibilidade de informações para a elaboração e desenvolvimento deste relatório.
À Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul cujos conhecimentos lá 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
A produção de grãos é um dos principais segmentos do setor agrícola no Brasil e no mundo. O Brasil possui um imenso potencial para o aumento do cultivo de grãos, os números mostram um crescimento expressivo de produção. Aumento esse, justificado pelo domínio do produtor em relação ao plantio e a colheita. Mas além do esforço para aumentar a produtividade, há uma grande necessidade de minimizar as perdas, preservando a qualidade dos grãos durante o armazenamento. A secagem consiste na passagem forçada do ar ambiente pela massa de grãos e seu objetivo geral é reduzir seus teores de umidade até níveis que permitam a conservação segura de suas qualidades e seu vigor. Este trabalho busca desenvolver uma metodologia de cálculo da capacidade de secagem dos secadores de coluna baseando-se em bibliografias reconhecidas na área de excelência em armazenagem de grãos, visando auxiliar a Empresa Tromink Industrial Ltda nas definições de capacidades de secagem de seus secadores variando diversos parâmetros.
Grain production is one of the main segments of the agricultural sector in Brazil and in the world. Brazil has a huge potential for increasing grain crops, the figures show a significant increase of production. This increase, justified by the producer of the domain relative to planting and harvesting. Beyond the effort to increase productivity, there is a need to minimize the loss, while preserving the quality of the grain during storage. Drying is the forced passage of ambient air through the grain mass and their overall objective is to reduce its moisture content to levels that allow the safe storage of his qualities and his force. This paper seeks to develop a methodology for calculating the drying capacity of the column dryers based on bibliographies recognized in the area of excellence in grain storage, aiming to assist the Company Tromink Industrial Ltda in drying their dryers capabilities settings varying several parameters .
Figura 1 – Silos metálicos ... 18
Figura 2 – Silos de concreto ... 19
Figura 3 – Armazém granelero ... 19
Figura 4 – Corrente de convecção de baixo para cima ... 23
Figura 5 – Corrente de convecção de cima para baixo ... 23
Figura 6 – Ângulo de repouso ... 27
Figura 7 – Secagem natural ... 30
Figura 8 – Secadores de leito fixo ... 32
Figura 9 – Secadores em cascata ... 34
Figura 10 – Secadores de fluxos cruzados ... 36
Figura 11 – Secadores de fluxos concorrentes ... 37
Figura 12 – Secadores de fluxos contracorrentes ... 38
Figura 13 – Secadores intermitentes ... 39
Figura 14 – Perdas de Carga ... 41
Figura 15 – Trocador de calor de tubo duplo ... 51
Figura 16 - Trocador de calor de casca e tubo...54
Figura 17 – Trocador de calor de placas ... 53
Figura 18 – Secador SCOT ... 55
Figura 19 – Sistema de secagem ... 70
Figura 20 – Dados de entrada do simulador ... 73
Tabela 1 – Porosidade de alguns grãos ... 21
Tabela 2 – Equilíbrio higroscópico ... 26
Tabela 3 – Massa específica global de algumas espécies de grãos ... 27
Tabela 4 – Ângulo de repouso dos grãos ... 28
Tabela 5 – Características Secador SCOT ... 56
Tabela 6 – Dados comparativos do fabricante com os dados calculados ... 69
Tabela 7 – Variáveis do processo quanto aos grãos ... 71
Tabela 8 – Variáveis do processo quanto ao ar ... 71
Tabela 9 – Variáveis do processo quanto ao sistema de secagem ... 72
Água a ser evaporada %
Quilograma de lenha
Calor teórico para evaporar água livre /
′ Valor prático para evaporar água do grão /
Combustível sólido para fornalhas /³ℎ
Custo do combustível necessário $
Custo da lenha $
Custo por hora da energia consumida $
Poder calorífico do gás GLP /
Poder calorífico do gás natural /
ℎ Custo da hora de funcionamento dos ventiladores $
Capacidade calorífica da casca de arroz /
Custo a ser calculado $
Peso estéreo da lenha
Calor necessário
′ Calor prático /
Altura da câmara de combustão m
Potência do motor
′ Potência do motor com reaproveitamento de calor
Carga mecânica e ar forçado /²ℎ
Peso da água
Peso da casca de arroz
Poder calorífico inferior do combustível /
Peso do grão
Peso do gás (glp) necessário /ℎ
Peso do gás natural necessário /ℎ
" Vazão de ar necessária para secagem e resfriamento ³/ℎ
"′ Vazão de ar ³/
" Vazão de ar para secagem com reaproveitamento de calor ³/ℎ
# Área de grelha ²
! Tempo necessário ℎ
!$ Temperatura do ar ambiente °C
!% Temperatura do ar quente de secagem °C
&' Umidade final %
& Umidade inicial %
Volume da câmara de combustão ³
Volume de lenha ³
1 INTRODUÇÃO ... 15
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 16
2.1 Armazenagem de Grãos ... 16
2.2 Propriedades Físicas dos Grãos ... 20
2.3 Processo de Secagem de Grãos ... 29
2.4 Fornalhas ... 44
2.5 Trocador de Calor ... 49
3 ESTUDO DE CASO ... 54
3.1 Introdução ... 54
3.2 Secadores de colunas SCOT ... 54
3.3 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE SECAGEM PARA GRÃOS .. 55
4 COMPARATIVOS E RESULTADOS ... 69
4.1 Comparativo dos dados fornecidos e calculados do secador ... 69
4.2 Simulador de capacidade de secagem do secador SCOT ... 70
5 CONCLUSÃO ... 75
1 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 secagem bem projetado e adequadamente manejado.
A secagem consiste na passagem forçada do ar ambiente pela massa de grãos e seu objetivo geral é reduzir seus teores de umidade até níveis que permitam a conservação segura de suas qualidades e seu vigor.
A empresa Tromink Industrial Ltda., fornecedora de equipamentos para unidades armazenadoras de grãos é a fabricante do sistema de secagem que será a base de cálculos do presente trabalho. Através do projeto existente fornecido pelo fabricante, busca-se desenvolver uma metodologia de cálculo da capacidade de secagem dos secadores de coluna baseando-se em bibliografias reconhecidas na área de excelência em armazenagem de grãos, visando auxiliar a Empresa Tromink Industrial Ltda nas definições de capacidades de secagem de seus secadores variando diversos parâmetros.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo apresenta-se uma introdução sobre os assuntos pertinentes ao estudo em questão, trazendo algumas definições relevantes para o entendimento das atividades realizadas.
2.1 Armazenagem de Grãos
Segundo weber (2005), 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.
O processo produtivo compreende duas funções distintas, porém interdependentes: a produção e a comercialização, as quais são caracterizadas por diferentes segmentos sequenciais, iniciando com a intenção de produzir e concluindo com a distribuição do produto para o consumo final. Assim, o armazenamento posiciona-se entre as duas funções, como elo indissociável do processo integrado. Se não houver condições adequadas de processamento e estocagem do produto colhido, invariavelmente ocorrerão anomalias no segmento da comercialização, que por sua vez, face à debilidade dos resultados apurados, provocará desestímulos de produção, fechando a cadeia viciosa.
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, segundo 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, segundo (brooker, 1982).
A manutenção da qualidade do grão ao longo do período de armazenamento está estreitamente relacionada com o teor de umidade e a temperatura da massa de grãos. Os grãos tem natureza higroscópica, e de acordo com as condições de temperatura e de umidade relativa do ar do ambiente onde ele se encontra, pode ganhar ou perder umidade, segundo (centreinar, 1987).
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, segundo (blaszak, 2005).
Em virtude do crescimento das produções, principalmente de soja e trigo no Rio Grande do Sul, onde estas safras se sucedem a cada seis meses, exige-se maior rapidez no escoamento, a fim de evitar congestionamento dos meios de transporte. O uso da sacaria, além de oneroso, incluindo a necessidade de mão-de-obra, com a consequente perda de tempo para a movimentação e empilhamento, bem como pelo problema de obtenção dos meios de transporte disponíveis, é, em parte, responsável pela elevação do índice de deterioração dos produtos. Daí resulta que, modernamente, a tendência geral é dar-se preferência ao manuseio, transporte e armazenamento a granel.
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.
2.2 Propriedades Físicas dos Grãos
Os grãos constituem organismos biologicamente vivos e sua respiração não é interrompida pela colheita, prosseguindo durante o armazenamento. Portanto, os mesmos permanecem sujeitos a contínuas transformações ocasionadas pelo processo respiratório. Grãos e sementes possuem algumas propriedades físicas que interferem diretamente no dimensionamento do sistema de secagem e no processo de armazenagem. Tais propriedades devem ser levadas em consideração quando se busca a excelência em armazenagem de grãos.
Segundo centreinar (1984), em termos práticos, três fatores influenciam na intensidade respiratória: a umidade, que é o fator primordial na conservação de uma determinada massa de produtos, tendo em vista o correlacionamento com a atividade biológica do grão; a temperatura, que ativa a respiração dos grãos e, acima dos 30ºC, dependendo da espécie, os grãos começam ser afetados em sua vitalidade, podendo perdê-la quando a temperatura exceder aos 50ºC; e por fim, a presença de oxigênio, os conteúdos de oxigênio e bióxido de carbono na atmosfera que envolve os grãos influenciam na velocidade da respiração, consequentemente com reflexos nos gradientes de aquecimento da massa. A umidade e temperatura sendo elevadas, mesmo sem contato com oxigênio, pode ocorrer a respiração anaeróbica, resultando como produtos intermediários álcoois e ácidos prejudiciais à boa conservação da massa de grãos.
2.2.1 Natureza Porosa dos Grãos
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. Os grãos estocados, tanto a granel como em sacos, apresentam-se como uma massa porosa, constituída pelos grãos e espaços intersticiais também chamados intergranulares.
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 14,2 46,5
Milho 9,9 40,0
Sorgo 10,5 37,0
Soja 7,4 36,1
Trigo 10,9 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.
O fenômeno de difusão do ar através da massa de grãos deve-se à estrutura porosa que estes possuem. A difusão se faz muito lenta e por isto não é possível eliminar naturalmente o excesso de umidade ou de temperatura
Grãos úmidos possuem maior volume, portanto apresentam menor porosidade com maior dimensão dos poros em relação aos grãos secos.
2.2.2 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, segundo (park, 2007).
Segundo cesa (1974), os grãos quando armazenados em épocas de temperatura elevada, estão sujeitos ao seguinte fenômeno: à noite, há uma baixa natural na temperatura externa. O ar, junto às paredes da célula, também esfria e lentamente vão-se esfriando os grãos que estão junto à parede. À medida que o tempo passa, esfria-vão-se, por contato, toda a massa de grãos. O ar, por estar frio, tende a descer junto às paredes até o chão. Após, penetra e sobe pelo centro da massa de grãos onde está e, o ar acha os mais quentes (a temperatura está mais elevada). Forma-se, desta maneira, uma corrente de convecção que se desloca de baixo para cima (Figura 4).
Figura 4 – Corrente de convecção de baixo para cima
Fonte: CESA (1974)
Quando a armazenagem é feita em uma estação fria, ocorre o seguinte fenômeno: os raios solares, durante o dia, aquecem o ar na parte superior do depósito. O ar aquecido desce pelo centro da massa de grãos, levando consigo a umidade para a parte inferior do depósito, vindo, posteriormente, a subir junto às paredes. Forma-se, desta maneira, uma corrente de convecção que se desloca de cima para baixo (Figura 5) (cesa, 1974).
Figura 5 – Corrente de convecção de cima para baixo
2.2.3 Capacidade de Absorção de Água
Segundo cesa (1974), a presença de água na massa dos grãos implica na combinação desta com o material sólido e seco, os quais são variáveis dentro dos determinados limites. Toda a água contida no interior dos grãos apresenta-se sob quatro tipos:
O primeiro tipo de água é constituído por uma camada monomolecular de água ligada a certos grupamentos moleculares da matéria biológica.
O segundo tipo de água é representado por uma camada polimolecular fixa sobre a camada monomolecular precedente. Esses dois tipos de água correspondem a níveis de hidratação relativamente baixos (de 0 a 13,0% de teor de água para o milho a 15ºC).
O terceiro tipo é constituído de água líquida sob tensão osmótica. Trata-se de água solvente que retém diferentes substâncias dissolvidas nas células. Esta água corresponde aos níveis de hidratação que vão de 13 a 27% para milho a 15ºC.
O quarto tipo de água, além de 27% para milho a 15ºC, é constituído por água de impregnação, também conhecida como “água livre”. Sua presença no grão colhido a granel torna-o totalmente inapto para a conservação. É uma água bastante móvel e evapora-se facilmente por ocasião de secagem.
O conteúdo de água nos grãos é definido através da Equação 1:
)=
+ (-./-0) $22/-0 (1) H` = umidade do grão Hi = umidade inicial HF = umidade final Q = quantidade de grãosUm exemplo simples para se ter uma ideia da importância do conteúdo da água nos grãos é, considerar que se armazenam mil toneladas de milho com 10% de umidade, o volume d`’agua retida, resulta do seguinte
) =1000 (10 − 0)
100 − 0 = 100 !67 8
2.2.4 Equilíbrio Higroscópico
A higroscopicidade é a capacidade de que possuem os grãos de absorver ou ceder à umidade do ar. Significa um balanceamento entre a umidade do grão com a umidade relativa do ar. Este fator tem muita importância por estar diretamente relacionado com a secagem, o armazenamento e a conservação dos grãos. A perda ou absorção de água é uma consequência direta da umidade relativa e da temperatura a que estão expostos os grãos, (cesa, 1974).
Segundo cesa (1974), a umidade relativa de equilíbrio caracteriza-se pela relação entre a tensão do vapor de água existente no produto e a tensão máxima do vapor a determinada temperatura. Em qualquer temperatura há uma neutralidade de tensões, expressa em percentual de umidade do grão e de umidade relativa do ar, no momento em que o deslocamento da umidade se equivale, entrando em equilíbrio. Dá-se, então, o equilíbrio higroscópico, pois o grão não cede umidade e nem a retira do ar.
Considerando a Tabela 2, se um grão tiver 17% de umidade, para que este grão elimine parte da água a uma temperatura de 4,4ºC, a umidade relativa deverá ser inferior a 78%. Quando a umidade relativa está próxima do ponto de equilíbrio, a secagem ou absorção de umidade se processa muito lentamente (o que ocorre durante a armazenagem).
Tabela 2 – Equilíbrio higroscópico UMIDADE TEMPERATURA DOS GRÃOS 4,4°C 15,6°C 25°C % % UMIDADE RELATIVA 17 78 83 85 16 73 79 81 15 68 74 77 14 61 68 71 13 54 61 65 12 47 53 58 Fonte: CESA, (1974)
2.2.5 Massa Específica Global
A massa específica 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 grão 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 3 apresenta a massa específica de cada espécie de grão variando de acordo com o teor de umidade.
Tabela 3 – Massa específica global de algumas espécies de grãos
Espécie de Grãos Teor de Umidade Massa Específica Global (% base úmida) (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) 2.2.6 Ângulo de Repouso
Ângulo de repouso é o ângulo máximo (Figura 6) 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 6 – Ângulo de repouso
Fonte: DÜRKS (2011).
Existem dois tipos de ângulo de repouso: estático e dinâmico. O estático é o ângulo de fricção de material granular sólido quando desliza sobre si próprio. O ângulo dinâmico é aquele que aparece quando 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; Quanto maior teor de umidade, maior o ângulo;
As impurezas dos grãos 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 segundo ( silva, 2007). A mostra o ângulo de repouso de algumas espécies de grãos.
Tabela 4 – 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.
2.3 Processo de Secagem de Grãos
A secagem de grãos é uma das etapas do pré-processamento dos produtos agrícolas que tem por finalidade retirar parte da água neles contida. É definida como um processo simultâneo de transferência de calor e massa (umidade) entre o produto e o ar de secagem.
A remoção da umidade deve ser feita em tal nível que o produto fique em equilíbrio com o ar do ambiente onde será armazenado e, deve ser feita de modo a preservar a aparência, as qualidades nutritivas e, no caso de grãos, a viabilidade como semente. Segundo weber (2005), a secagem correta dos grãos até o rebaixamento a uma umidade adequada, ainda mais do que a limpeza, é responsável pela qualidade dos grãos armazenados.
2.3.1 Objetivos da Secagem
Reduzir a umidade dos grãos a níveis:
• Seguros para armazenagem;
• Ideais para o processamento/comercialização; Reduzir o crescimento de fungos e bactérias; Reduzir o peso a ser transportado;
Preservação de nutrientes e sabor;
Reduzir riscos decorrentes de fatores ambientais (clima); Permitir um período maior de comercialização.
2.3.2 Princípio Básico da Secagem
Água move do centro do grão para a superfície e evapora no ar; O ar:
• Fornece energia necessária para evaporar a água presente no grão; • Remove a água da superfície do grão para fora da massa de grãos.
2.3.3 Tipos de Secagem
O processo de secagem é dividido em dois tipos:
• Secagem natural: SOL + AR;
• Secagem artificial: SECADORES. . a. Secagem Natural
Segundo silva (2005), os grãos são dispostos em eiras ou em lonas e, para remover a umidade dos grãos, é empregado energia solar ou eólica (Figura 7), devendo-se ter o cuidado de que a umidade do grão será retirada uniformemente Método este que o grão é pouco afetado por danos mecânicos e térmicos, mas depende diretamente das condições psicrométricas do ar ambiente, o que geralmente não são muito adequadas para a secagem dos grãos.
Figura 7 – Secagem natural
Fonte: SILVA, (2005)
b. Secagem Artificial
Segundo silva (2005), a secagem artificial é caracterizada por forçar uma vazão de ar aquecido a passar por certo volume de grãos estáticos ou em movimento. Dentre os processos de secagem artificial, a secagem em altas temperaturas é o mais rápido e menos dependente das condições atmosféricas locais. É um processo mais seguro de remover o excesso de umidade dos grãos que a secagem natural. Esse processo é mais viável em virtude das elevadas temperaturas e dos elevados fluxos de ar empregados.
Secagem em altas temperaturas é aquela feita com o ar aquecido em dez ou mais graus Celsius. Naturalmente, este limite não é rígido, mas um valor que caracteriza o processo como não sendo mais em baixas temperaturas. Segundo centreinar (1987), o fluxo de ar recomendado para o processo de secagem em altas temperaturas é superior a 1,3 10/; metros cúbicos de ar por segundo e por quilograma de grãos (< /$ /$) .
Essa massa de ar tem seu potencial de retenção de água aumentado à medida que se eleva sua temperatura, aumentando, consequentemente, o potencial de secagem desse ar. Daí, a maior rapidez dos processos de secagem em altas temperaturas, em comparação com outros processos de secagem.
2.3.4 Classificação dos Secadores Quanto ao Fluxo de Produto
Os secadores de grãos podem ser classificados de acordo com diversos critérios. A escolha de um desses critérios depende do enfoque que se deseja dar ao assunto. No presente trabalho, os secadores serão classificados segundo o fluxo de produto. São eles:
Secadores de leito fixo ou de camada estacionária; Secadores com ar movimentado por convecção natural; Secadores em cascata ou de calhas;
Secadores de fluxos cruzados; Secadores de fluxos concorrentes; Secadores de fluxos contracorrentes; Secadores intermitentes.
a. Secadores de Leito Fixo ou de Camada Estacionária
Os secadores de leito fixo são constituídos de quatro elementos principais: sistema de aquecimento de ar, ventilador, câmara de distribuição de ar e câmara de secagem. Segundo centreinar (1987), o sistema de aquecimento pode ser de qualquer tipo, desde que seja dimensionado para aumentar a temperatura do ar até os limites recomendados para cada produto e que não haja contaminações do produto pelo ar
proveniente da fonte de aquecimento. O ventilador, geralmente, é do tipo centrífugo, devido à faixa de pressão estática requerida nesse sistema. A câmara de distribuição de ar é necessária para transformar a pressão dinâmica do ar em pressão estática, uniformizando a distribuição do fluxo de ar no secador. A câmara de secagem é um recipiente com fundo de chapa de metal perfurado, dimensionada para suportar o peso do produto úmido.
O produto permanece estático na câmara de secagem, enquanto o ar aquecido é forçado mecanicamente pelo ventilador a passar através da camada de produto, reduzindo o seu teor de umidade. Os secadores de camada fixa (Figura 8), para a maioria dos casos, são projetados para secar apenas um lote por dia. Após a secagem, o produto é resfriado no próprio secador, interrompendo-se o fornecimento de energia no sistema de aquecimento e deixando o ventilador ligado. As variáveis principais do sistema de secagem de lotes em camada estacionária são: espessura da camada, teor de umidade inicial, fluxo de ar, temperatura do ar e tempo de secagem, segundo (brooker et al, 1974).
Figura 8 – Secadores de leito fixo
b. Secadores com Ar Movimentado por Convecção Natural
A secagem artificial é uma alternativa que tem dado bons resultados, mas, em países subdesenvolvidos ou em desenvolvimento, o uso de secadores tem sido restrito às regiões de maior desenvolvimento agrícola. A secagem com ar natural ou aquecido, em muitos casos, não pode ser usada, visto que a relação investimento/produção é muito elevada, ou mesmo por falta de energia elétrica para acionar o ventilador.
Na maioria dos secadores, o ar é forçado a passar pela massa de grãos por meio de ventiladores. Entretanto, segundo centreinar (1987), existem secadores nos quais o ar é movimentado devido aos gradientes de pressão produzidos pela diferença de temperatura e umidade entre o ar de secagem e o ar ambiente. Esses secadores recebem a denominação de secadores com ar movimentado por convecção natural e, podem ser uma alternativa para a solução dos problemas de secagem a nível de pequeno produtor. Utilizam como combustível lenha ou subprodutos da propriedade rural, tais como “cana de milho”, sabugo, palha e outros resíduos agrícolas.
c. Secadores em Cascata ou de Calhas
Segundo centreinar (1987), os secadores em cascata são construídos por uma série de calhas invertidas, em forma de V, dispostas em linhas alternadas ou cruzadas dentro do corpo do secador. Os grãos movem-se para baixo, sob a ação da gravidade, e sobre as calhas invertidas. O ar de secagem entra numa linha de calhas e sai nas outras imediatamente adjacentes (superior e inferior). Com isso, ao descerem pelo secador, os grãos ora movem-se em sentido concorrente ao ar, ora em sentido contracorrente.
Os secadores em cascata (Figura 9) são considerados poluentes do meio ambiente devido à velocidade relativamente alta do ar na saída dos dutos. Consequências disso, impurezas mais leves presentes na massa de grãos são carregadas para o exterior do secador. Os secadores em cascata utilizam fluxos de ar menores que aqueles empregados em outros tipos de secadores contínuos. Fluxos de
ar mais elevados resultam em altas velocidades de ar na saída dos dutos, superiores à velocidade terminal da maioria dos grãos, segundo (centreinar, 1987).
Os secadores em cascata exigem alguns cuidados quanto ao fluxo de produto. Quando grãos limpos passam relativamente rápido pelo secador, obtém-se secagem uniforme, mas grãos com impurezas tem seus fluxos dificultados. Nesses casos, comuns nas unidades armazenadoras, a secagem será desuniforme. Da mesma forma, quando se reduz o fluxo de produto no secador, para a secagem de grãos mais úmidos em uma única passada, é comum obter-se secagem não-uniforme. Acredita-se que essa seja a base para se limitar a redução do teor de umidade de um produto em 5,0 pontos percentuais em uma única passada pelo secador, segundo (hawk et al,1978).
Figura 9 – Secadores em cascata
Fonte: SILVA, (2005)
d. Secadores de Fluxos Cruzados
Segundo centreinar (1987), os secadores de fluxo cruzados caracterizam-se pela passagem do ar perpendicular a uma camada de grãos, que se movem entre chapas perfuradas. Esses secadores podem ter diversas configurações e, a forma comercial mais comum é o secador tipo torre, fixado numa fundação permanente. A torre pode ser
circular, com a camada de grãos circundando o queimador e o ventilador, ou retangular, com colunas de grãos em dois ou nos quatro lados.
Nos secadores de fluxos cruzados convencionais (Figura 10), ar e grãos movem-se em direções perpendiculares. Grãos próximos da entrada de ar tendem a supermovem-secar e a superaquecer, enquanto próximos da saída, na coluna, tendem a permanecer úmidos. A otimização do desempenho de um secador de fluxos cruzados pode ser obtida mediante o manejo adequado dos parâmetros do secador: altura, profundidade e espessura, fluxo de massa, temperatura e velocidade do ar, segundo bauer et al (1977). A altura da coluna e o fluxo de produto determinam o tempo de residência dos grãos no secador. A profundidade do secador influi somente na sua capacidade total, uma vez que há simetria, quanto à temperatura e umidade dos grãos, nessa dimensão.
A simplicidade de construção e operação dos secadores de fluxos cruzados apresenta alguns inconvenientes:
Os custos de operação do ventilador e o consumo de combustível diminuem com a redução do fluxo de ar a uma temperatura constante, ou com o aumento da temperatura do ar a um fluxo de ar constante;
Os gradientes de temperatura e de umidade, no sentido da largura da coluna dos grãos, diminuem com o aumento do fluxo de ar a uma temperatura constante, ou com a redução da temperatura do ar e um fluxo constante.
Tem sido feitas algumas tentativas para reduzir os gradientes de temperatura e umidade sem, contudo, influenciar significativamente na capacidade e na eficiência do secador. Investigaram-se, inicialmente, os efeitos da reversão do sentido do fluxo de ar na metade da zona de secagem. Embora essa mudança no secador convencional tenha resultado num pequeno decréscimo na eficiência e na capacidade do secador, observou-se uma redução de 60 a 75 por cento no gradiente de umidade através da coluna, segundo (converse, 1972); (lerew et al, 1972); (paulsen e thompson, 1973); (morey e cloud, 1973).
Figura 10 – Secadores de fluxos cruzados
Fonte: SILVA, (2005)
e. Secadores de Fluxos Concorrentes
Segundo centreinar (1987), os secadores de fluxos concorrentes possuem ar e grãos, fluindo na mesma direção. Altas taxas de evaporação ocorrem na parte superior da camada de grãos, uma vez que o ar mais quente encontra o grão mais úmido. As trocas intensas e simultâneas de energia e massa na entrada do ar/grão, causam rápida redução na temperatura inicial do ar de secagem, assim como no teor de umidade dos grãos. Em razão disso, a temperatura do produto permanece consideravelmente abaixo da temperatura inicial do ar de secagem. Essas temperaturas atingem valores muito próximos, à medida que o ar e o produto movem-se para baixo no secador. Como consequência, o potencial de secagem diminui, em virtude da redução da temperatura do ar e do aumento da sua umidade relativa, com consequente aumento da umidade de equilíbrio do produto.
No secador de fluxos concorrentes (Figura 11), todos os grãos estão sujeitos ao mesmo tratamento de secagem. Como resultado, não há gradientes de umidade entre grãos, como ocorre nos secadores de fluxos cruzados. A redução contínua da
temperatura do ar até a parte inferior da câmara de secagem alivia a tensão imposta aos grãos durante a secagem e diminui a tendência a danos mecânicos durante o transporte subsequente. O secador de fluxos concorrentes básico é composto apenas por uma seção de secagem e uma seção de resfriamento, segundo (centreinar, 1987).
Tem sido desenvolvidos secadores de fluxos concorrentes de dois e três estágios. O aumento do número de estágios de secagem possibilita o uso de temperaturas mais elevadas do ar de secagem, bem como o aumento da velocidade do produto no secador. Para secadores de múltiplos estágios, os grãos devem ser submetidos a intervalos de tempo de repouso mais prolongado, à medida que passam pelas sucessivas câmaras de secagem, o que indica a necessidade de zonas de descanso de diferentes alturas, segundo (dalpasquale, 1981); (queiroz, 1984).
Figura 11 – Secadores de fluxos concorrentes
f. Secadores de Fluxos Contracorrentes
Segundo silva (2005), os princípios de secagem em fluxos contracorrentes são usados para dimensionar os resfriadores dos secadores de fluxos concorrentes. O resfriador de fluxos contracorrente é o método que evita choques térmicos indesejáveis aos grãos, uma vez que a diferença de temperatura entre o ar e o produto permanece praticamente constante em toda a câmara de resfriamento.
A secagem em silos pode ser considerada secagem em fluxos contracorrentes (Figura 12) quando se utiliza um parafuso sem fim, que gira lentamente sobre o fundo perfurado, removendo os grãos parcialmente secos, que, por sua vez, são transferidos para outro silo. A zona de secagem permanece praticamente estacionária e próxima da entrada de ar de secagem na massa de grãos. O posterior resfriamento dos grãos em outro silo completa a secagem, segundo (weber, 2005).
Figura 12 – Secadores de fluxos contracorrentes
g. Secadores Intermitentes
Segundo silva (2005), os secadores intermitentes são aqueles que não retiram a umidade desejada de um produto em uma única passagem, exigindo que o mesmo passe mais de uma vez pelo secador. Esse tipo de secador (Figura 13) apresenta uma câmara de repouso para os grãos na parte superior, os quais permanecem cerca de 90% do tempo total na câmara de repouso e somente 10% em contato com o ar de secagem. A finalidade de permanência maior na câmara de repouso é para que haja redistribuição de umidade nos grãos, o que facilita a secagem posterior. Entretanto, devido ao curto período de tempo que os grãos ficam sujeitos ao ar de secagem, a retirada de umidade dos grãos em cada passagem pela câmara é pequena, exigindo um número elevado de passagens.
Figura 13 – Secadores intermitentes
2.3.5 Dimensionamento do Secador
A capacidade do secador normalmente é dimensionada para cada produção máxima esperada. Tendo a quantidade de produto que necessita ser secado diariamente, dimensiona-se o secador requerido.
Segundo centreinar (1984), as dimensões ótimas de operação do secador de camada fixa podem ser determinadas, matematicamente, por meio de simulação de secagem, conhecendo-se dados como: tipo de produto e finalidade de uso, teores de umidade inicial e final e a quantidade de produto a ser secado. Entretanto, considerando a relativa complexidade desses cálculos, pode-se simplificar esse dimensionamento, conhecendo o valor de algumas variáveis do sistema. Desse modo, serão considerados conhecidos a espessura da camada e o fluxo de ar.
Logo, conhecendo a massa de produto a ser secada por lote (=), a massa específica global do produto (>=) e a espessura da camada de produto (H), calcula-se a área da câmara de secagem (A) pela Equação 2:
A =
?@A@ B
(2) A vazão do ar de secagem (Q) pode ser calculada em função do fluxo de ar ("C), dado em </$/%, e da área da câmara de secagem, através da Equação 3:
Q =
"
C(3) A pressão estática do ventilador pode ser obtida, somando-se as perdas de carga do sistema. Essas perdas são em virtude do atrito do ar ao passar nos dutos, expansões, curvas, válvulas e, principalmente, ao passar através da camada de produto. As perdas de carga referentes ao sistema de distribuição de ar podem ser calculadas com base em mecânica de fluidos. As perdas de carga em virtude da passagem do ar pelos grãos podem ser obtidas do gráfico da Figura 14, conhecendo-se a espessura da camada de produto e o fluxo de ar.
Figura 14 – Perdas de Carga
Fonte: SILVA, (2005)
Por exemplo, considerando um fluxo de ar igual a 0,17 </$/%, para arroz, tem-se uma pressão estática de 615,8 C /$. Assim, conhecendo a pressão estática do sistema e a vazão de ar necessária, pode-se calcular a potência útil requerida pelo ventilador. Para calcular a potência útil do ventilador, entretanto, é comum aumentar o valor da vazão de ar em cerca de 25%, por motivo de segurança.
a. Parâmetros de Secagem
Segundo centreinar (1987), os parâmetros que influenciam na taxa de secagem, quando se secam grãos com ar forçado, são a temperatura e a umidade relativa ambiente, a temperatura e o fluxo de ar de secagem, o teor de umidade inicial e de equilíbrio dos grãos, a temperatura e, quando for o caso, a velocidade desses grãos no secador. A variedade e a história do produto durante a fase de campo, às vezes, podem influenciar em sua taxa de secagem.
b. Condições do Ar Ambiente
A temperatura e a umidade relativa do ambiente, muitas vezes, não são consideradas de importância para a secagem em altas temperaturas. Esses parâmetros tem pouca influência sobre a taxa de secagem, mas determinam a quantidade de energia necessária para atingir a temperatura de secagem. Quanto menor for temperatura ambiente, maior será a quantidade de energia necessária para o aquecimento desse ar, o que resulta em maior custo de secagem, segundo (centreinar, 1984).
c. Temperatura de Secagem
A temperatura do ar de secagem é o parâmetro de maior flexibilidade num sistema de secagem em altas temperaturas. Seu monitoramento é utilizado nos sistemas de controle automático de secadores. A temperatura de secagem influencia significativamente na taxa e na eficiência de secagem e na qualidade do produto final. Um aumento dessa temperatura implica em menor consumo de energia por unidade de água evaporada e maior taxa de secagem. Em contrapartida, maiores temperaturas de secagem podem causar danos térmicos mais acentuados aos grãos, segundo (centreinar, 1984). A temperatura de secagem, em conjunto com os fluxos de ar e de grãos, determina a quantidade de água evaporada num secador.
d. Pressão Estática e Fluxo de Ar
A perda de carga de um fluxo de ar através de uma camada de grãos – geralmente conhecida como resistência ao fluxo de ar e referenciada como pressão estática – influencia esse fluxo e, consequentemente, a taxa de secagem. Para determinado tamanho de ventilador, quanto maior a espessura da camada de grãos e menor a quantidade de impurezas na camada, maiores serão os fluxos de ar e, também, a taxa de secagem. Isso porque menor espessura de camada e menor quantidade de impurezas significam menor resistência à passagem de ar pela camada em questão, segundo (centreinar, 1984).
e. Umidade Inicial do Produto
O teor de umidade inicial também influi diretamente na taxa de secagem. Quanto mais elevado for o teor de umidade de um produto, maior será a quantidade de água evaporada por unidade de energia. Com altos teores de umidade, as forças de adsorção da estrutura celular do material sobre as moléculas de água são menores que quando esse produto está com teor de umidade mais baixo. Em consequência, maior percentagem de energia disponível é utilizada para evaporar a umidade contida nos grãos mais secos, segundo (centreinar, 1984).
f. Fluxo de Produto no Secador
Segundo centreinar (1984), a velocidade com que o material passa no secador, na maioria das vezes denominada fluxo de massa ou tempo de residência do produto no secador, pode influenciar na taxa de secagem, na eficiência do processo e na qualidade final do produto. Se o fluxo de massa for aumentado, o produto final será, de modo geral, de melhor qualidade. Por outro lado, há um aumento no consumo de energia específica, ou seja, da energia requerida para evaporar uma unidade de massa de água e, a eficiência térmica de secagem diminui, porque grãos que passam pelo secador com maior velocidade perdem menos umidade, e a secagem pode ser insuficiente. O manejo adequado da velocidade do produto é de fundamental importância na secagem.
g. Histórico do Produto
Diferentes variedades de milho secam a taxas distintas, segundo keener e glenn (1978). É muito provável que outros grãos apresentem comportamento semelhante. Com base nessa hipótese, tem sido realizadas pesquisas para determinar as propriedades físicas de variedade de produtos cultivados em vários países. A obtenção de valores distintos de propriedades físicas daqueles da literatura poderá resultar em taxas de secagem também diferentes. Para milho, tentou-se definir um fator híbrido de secagem que levasse em conta as características de secagem de um lote. O fator híbrido é definido como sendo a razão entre a taxa de secagem para uma
condição-padrão e a taxa de secagem de um lote do produto para uma condição qualquer, segundo (bakker-arkema et al, 1978).
2.4 Fornalhas
De acordo com centreinar (1984), fornalha é o lugar onde o combustível em contato com uma quantidade mínima de ar em excesso é queimado, havendo uma pequena perda de calor ao ambiente. O volume da fornalha é um dos principais requisitos para o seu funcionamento, pois o calor liberado deve ser incorporado aos gases antes de atingir o secador. Não devem entrar fagulhas nem labaredas dentro do secador e todos os voláteis devem ser queimados antes de chegar a ele.
Segundo magalhães (2007), para assegurar a queima dos combustíveis que fornecerão calor ao ar e promover a secagem dos grãos, a fornalha basicamente deve ser constituída de:
• Câmara de combustão: espaço destinado ao processo da combustão propriamente dita, no qual todos os compostos combustíveis devem ser oxidados, liberando energia térmica.
• Grelha: estrutura que mantém o combustível sólido suspenso durante o processo de combustão, enquanto o ar comburente circula por sua superfície.
• Cinzeiro: depósito localizado abaixo da grelha, destinado ao armazenamento dos resíduos da combustão.
• Entradas de ar: são responsáveis pela passagem do ar comburente para o interior da fornalha.
• Saídas dos gases: as saídas dos gases devem ser localizadas em função da configuração da fornalha, ou seja, na forma de chaminé, exaurindo os gases da combustão no ambiente.
• Sistema de alimentação: normalmente em fornalhas a lenha, a alimentação é feita manualmente/ por meio de uma abertura na câmara de combustão, na qual o combustível é disposto sobre a grelha.
De acordo com magalhães (2007), as fornalhas devem ser dimensionadas para garantir a combustão completa dos combustíveis. Elas também são dimensionadas para permitir a alimentação contínua e uniforme do combustível, elas possuem aberturas reguláveis para a entrada de ar primário e secundário, para possuir a distribuição uniforme e turbulenta do ar na câmara de combustão, para assegurar a estabilidade da queima e a continuidade operacional do sistema, para permitir a remoção eficiente das cinzas e, para apresentar uma boa tiragem de produto da combustão.
O tamanho e a forma construtiva da dependem do tipo de combustível a ser usado para a queima e da quantidade de calor que deve ser liberado num dado intervalo de tempo. A construção de uma fornalha é baseada nos 3T da combustão: temperatura, turbulência e tempo. O volume da fornalha depende da taxa de liberação de calor. Esta taxa é em função do tipo de fornalha, do comprimento e temperatura da chama, da quantidade de excesso de ar e da turbulência. Quanto à natureza dos combustíveis, as fornalhas são classificadas em:
• Fornalhas para combustíveis sólidos;
• Fornalhas para combustíveis sólidos pulverizados;
• Fornalhas para combustíveis líquidos;
• Fornalhas para combustíveis gasosos.
Para secagem de grãos, a mais utilizada é a fornalha para combustíveis sólidos. 2.4.1 Fornalhas para Combustíveis Sólidos
a. Fornalha sem trocador de calor
A queima da lenha em toras apresenta baixa eficiência de combustão devido à dificuldade de contato íntimo entre o ar e a tora, pois a combustão é um fenômeno de superfície. Essa deficiência pode ser controlada cortando a lenha em pedaços, entretanto, o custo operacional aumenta. A taxa de combustão, ou seja, a quantidade de combustível queimado por unidade de tempo e por unidade de superfície da fornalha, varia entre 80 a 150 kg/h.m² (0,1 a 0,2 KW/m³).
Segundo magalhães (2007), uma fornalha não deve ter ar em demasia nem em falta. De maneira prática para saber se a quantidade de ar é suficiente procede-se do seguinte modo: verificar constantemente a chama e as cinzas; se junto às cinzas existir muito carvão, indica falta de ar devido à má queima; se a queima do combustível for muito rápida, indica grande excesso de ar. As fornalhas para combustíveis sólidos geralmente produzem fagulhas que são carregadas pelo ar e podem causar incêndios no secador. Para apagar essas fagulhas e tirá-las do ar, são construídos os misturadores tangenciais, ou ciclones.
b. Fornalha com trocador de calor
Nos secadores de fogo direto os gases de combustão se misturam ao ar de secagem e são lançados dentro da câmara de secagem. Nos secadores de fogo indireto o ar de secagem se aquece em contato com superfícies aquecidas pelos gases de combustão que são lançados na atmosfera.
O secador de fogo direto aproveita melhor a energia produzida pelo combustível. No secador de fogo indireto há muita energia perdida nos gases de combustão; a eficiência térmica deste secador é menor que no de fogo direto.
2.4.2 Aquecimento de ar
O estudo do uso de energia solar, inclusive o aproveitamento da energia renovável, tem recebido pouca atenção, uma vez que as soluções tecnológicas foram geradas quase sempre nos países evoluídos, situados em regiões onde a incidência da energia solar é pequena, em boa parte do ano. Segundo martins (15) a radiação solar recebida pela terra, cerca de 30% são refletidos na forma de ondas curtas; 47% são convertidos em calor que se perdem sob a forma de ondas longas; cerca de 23% são consumidos nos fenômenos de evaporação, precipitação, etc., que alimentam as usinas hidroelétricas. Outras pequenas parcelas, que somadas não chegam a 1%, se apresentam na forma de ventos e energia química armazenadas nas plantas.
1.4.2.1 Combustíveis
Em termos práticos, combustíveis são substâncias que podem queimar liberando calor. Eles podem ser classificados em sólidos, líquidos e gasosos e, cada um deles pode ser natural ou derivado. Naturais são aqueles usados nas mesmas condições em que extraídos da natureza. Exemplos: lenha, carvão de pedra, gás natural, resíduos agrícolas. Derivados são aqueles que resultam de algum processo de preparação.
i. Poder Calorífico
É a quantidade de energia despreendida na combustão completa de uma unidade em peso (ou volume) de determinado combustível. O poder calorífico depende das características químicas do combustível e não das condições onde é queimado, visto que se considera a combustão completa do mesmo. É dividido em superior e inferior. Segundo centreinar (1984), o poder calorífico superior (PCS) é medido pela bomba calorimétrica. É aquele que leva em conta o calor da condensação do vapor d`água dos produtos da combustão. O poder calorífico inferior (PCI) é aquele que não leva em conta o calor de condensação do vapor da água formado pelos produtos da combustão.
ii. Combustíveis Sólidos
Dentre os principais combustíveis sólidos se encontram: a lenha, o carvão mineral, o carvão vegetal, o coque, resíduos agrícolas e o coque do côco de babaçu.
a. Lenha
É a madeira picada ou desdobrada em pedaços adequados para serem queimados ou transformados em carvão. A análise química elementar mostra que a madeira é constituída aproximadamente de 50% de carbono, 6% de hidrogênio e 44% de oxigênio. Neste caso não se considera quantidades mínimas de nitrogênio e outros elementos. Esta composição se mantém mais ou menos constante, independentemente da espécie, diferenças genéticas ou idade, conforme (martins, 15).
A lenha é formada por matérias orgânicas que chegam a alcançar ¾ do peso, pequena quantidade de minerais (cinza), que após a combustão raramente ultrapassa
2% e quantidade variável de água. O teor de umidade da lenha recém-cortada varia de 40 a 55% base úmida e de 20 a 25% base úmida na lenha seca.
b. Carvão Mineral
É formado pela acumulação de matéria orgânica submetida a transformações físicas e químicas devido a processos geológicos. Conforme as transformações ocorridas há quatro tipos de carvões: turfa, linhito, hulha e antracito.
c. Carvão Vegetal
É um produto obtido pela pirólise da lenha. Pesa cerca de 40% do peso da lenha. O alcatrão liberado na produção do carvão tem PCI = 27211 KJ/kg quando desumidificado.
d. Coque
É o resíduo obtido da destilação da hulha. Nesta destilação eliminam-se parte dos materiais voláteis e parte das cinzas. O poder calorífico inferior do coque é de 31400 a 33500 KJ/kg.
e. Resíduos Agrícolas
São aqueles obtidos após a colheita de produtos agrícolas, tais como: bagaço de cana, casca de arroz, palha de arroz, palha de café, sabugo de milho, etc.
Segundo claar II (1980), para evitar a erosão e para manter a fertilidade do solo são necessários de 36 a 50% do total de resíduos agrícolas produzidos. Para a secagem seriam necessários por volta de 15% do total de sabugos produzidos ou 5% do total de resíduos produzidos em uma lavoura de milho com produtividade média de 7,22 t/há ou 2,4 t/há de sabugo.
f. Coque do Côco de Babaçu
O babaçu é uma palmeira nativa do nordeste brasileiro. O côco é formado por uma casca constituída de material fibroso de grande potencial energético. O coque de babçu tem o poder calorífico inferior de 31768 KJ/kg.
iii. Combustíveis Líquidos
Os principais combustíveis líquidos são os derivados de petróleo, o óleo de xisto e o álcool etílico.
a. Petróleo
É uma substância oleosa constituída pela mistura de compostos orgânicos (hidrocarbonetos). O petróleo como sai do poço, quase não tem utilização prática; por destilação separam-se seus diversos componentes, tais como: gasolina, querosene, óleo diesel, fuel oil, etc.
b. Óleo de Xisto
É um óleo semelhante ao petróleo, obtido de algumas rochas oleíferas chamadas xisto.
c. Álcool Etílico
É um produto extraído de várias plantas principalmente da cana e da mandioca. Ao contrário do petróleo, é um produto renovável.
iv. Combustíveis Gasosos
É o combustível formado por mistura de gases. O mais comum é o gás liquefeito de petróleo (GLP). O biogás utilizado em propriedades rurais é formado pela fermentação de resíduos orgânicos.
1.4.2.2 Combustão
Denomina-se combustão às reações químicas exotérmicas em que intervém o oxigênio, produzindo calor em forma aproveitável. Além do oxigênio e do combustível é necessário que este seja aquecido até a temperatura de ignição. A temperatura de ignição pode ser definida como a temperatura na qual o calor gerado na reação é maior do que o calor perdido para o ambiente e, assim, a combustão pode ser mantida.
2.5 Trocador de Calor
Trocador de calor é o equipamento onde ocorre troca térmica entre dois fluidos normalmente separados por uma parede. Entre as formas construtivas existentes, o mais usual industrialmente é o de feixe tubular.
2.5.1 Classificação dos Trocadores de Calor
Os trocadores de calor são classificados de acordo com a sua geometria, tais como:
• Tubo Duplo;
• Casco e tubo;
• Placas;
• Outros: trocadores compactos, resfriadores de ar, variações do casco e tubo, etc.
a. Trocador de calor de tubo duplo
Segundo magalhães (2007), trocador de calor de tubo duplo (Figura 15 – Trocador de calor de tubo duplo) é composto por dois tubos concêntricos, geralmente com trechos retos e com conexões apropriadas nas extremidades nas extremidades de cada tubo para dirigir os fluídos de uma seção reta para outra. Neste tipo de trocador, um fluído escoa pelo tubo interno e outro, pelo espaço anular. A troca de calor ocorre através da parede do tubo interno.
Suas principais vantagens são:
• Facilidade de construção e montagem;
Figura 15 – Trocador de calor de tubo duplo
Fonte: MAGALHÃES, (2007).
b. Trocador de calor de casco e tubo
Segundo victoria (2009), trocador de calor de casco e tubo (Figura 16) é composto por um casco cilíndrico, contendo um conjunto de tubos, colocados paralelamente ao eixo longitudinal do casco. Os tubos são presos em suas extremidades a placas perfuradas denominadas espelhos e a cada furo corresponde a um tubo de feixe. Os espelhos são presos de alguma forma ao casco. Os tubos que compõe o feixe atravessam várias placas perfuradas, as chicanas, que servem para direcionar o fluído que escoa por fora dos tubos e também para suportar os tubos. Um dos fluídos escoará pelo interior dos tubos e outro pelo lado externo dos tubos. A distribuição dos tubos é padronizada e o número de tubos que é possível ser distribuído em um determinado diâmetro, depende do diâmetro externo do tubo, da distância e arranjo dos tubos que compõe o feixe e, do número de passagens no lado do tubo.
Figura 16 – Trocador de calor de casca e tubo
Fonte: VICTORIA, (2009)
c. Trocador de calor de placas
Segundo victoria (2009), o trocador de calor de placas (Figura 17) consiste de um suporte, onde as placas independentes de metal, sustentadas por barras, são presas por compressão, entre uma extremidade móvel e outra fixa. Entre placas adjacentes formam-se canais por onde os fluidos escoam. As placas são feitas por prensagem e apresentam corrugações na superfície, as quais fornecem mais resistência à placa e causam maior turbulência aos fluidos em escoamento.
As vantagens destes equipamentos são:
• Facilidade de acesso à superfície de troca, substituição de placas e facilidade de limpeza;
• Flexibilidade de alteração da área de troca térmica;
• Fornece grandes áreas de troca ocupando pouco espaço;
• Pode operar com mais de dois fluidos;
• Apresenta elevados coeficientes de transferência de calor;
• Incrustação reduzida em função da turbulência, ocasionando menos paradas para limpeza;
• Baixo custo inicial;
• Não é necessário isolamento;
• Mesmo que a vedação falhe não ocorre à mistura das correntes;
• Possibilidade de respostas rápidas em função do pequeno volume de fluido retido no trocador.
Figura 17 – Trocador de calor de placas
Fonte: VICTORIA, (2009)
d. Trocador de calor compacto
Segundo magalhães (2007), trocador de calor compacto, são equipamentos que apresentam alta razão entre área de transferência de calor e volume do trocador. Exemplos deste tipo de trocador são os trocadores de placa e espiral, trocadores com tubos aletados, resfriadores a ar e variações do trocador de casco e tubo.
3 ESTUDO DE CASO
3.1 Introdução
A análise terá como base o secador de coluna SCOT-150, fabricado pela empresa Tromink Industrial Ltda, utilizado para remoção de umidade dos grãos ou sementes. Serão realizados todos os cálculos necessários para o dimensionamento da capacidade deste secador, a fim de utilizar essa metodologia na elaboração de uma planilha no Software Excel para auxiliar na simulação da capacidade de secagem de diversos modelos de equipamentos produzidos pela empresa.
3.2 Secadores de colunas SCOT
Esse modelo de secador (Figura 18) é constituído por uma estrutura de chapa de aço galvanizado, onde no centro, encontram-se colunas interligadas, formando uma massa de grãos. Essa massa de grãos, por gravidade, circula através de um sistema regulador de saída individual, chamadas de basculante e, estão interligadas entre si, homogeneizando o processo de secagem.
A entrada do produto se dá pela parte superior do secador, através do funil de carga, o qual é montado sobre a torre de secagem. A torre por sua vez, é montada sobre a descarga do secador, a qual está interligada com o conjunto de pilares, formando assim, uma estrutura rígida de produto.
Nas laterais do secador, existem duas câmaras; uma de ar quente e a outra do ar servido. A câmara de ar quente está ligada diretamente com o sistema de alimentação do secador, ou seja, com a fornalha, caldeira ou queimador a gás. Do outro lado da torre, está ligada a câmara de ar servido, na qual estão instalados os exautores. Estes por sua vez fazem a sucção do ar, os quais direcionam o ar quente pela massa de grãos, removendo a umidade dos mesmos. Esse ar servido retorna ao ambiente externo.
Na parte inferior do secador, existe um transportador para direcionar o grão, após a remoção de umidade desejada, para o armazenamento e comercialização.
Figura 18 – Secador SCOT
Fonte: Arquivo Tromink Industrial Ltda
3.3 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE SECAGEM PARA GRÃOS
O dimensionamento deste sistema pode ser calculado de diversas formas. Para o presente trabalho, será adotada a metodologia de weber (2005), o qual detalha as variáveis necessárias para o entendimento do processo de remoção de umidade do grão. Na Tabela 5 são descritas algumas informações fornecidas pelo fabricante em relação ao processo de secagem.
Tabela 5 – Características Secador SCOT
SECADOR SCOT - 150
Capacidade Capacidade
m³ ton estática (sacas)
136 102 2010
Redução de umidade 18% - 14%
Observações:
A capacidade de secagem, assim como a quantidade de energia necessária, está definida para as seguintes condições;
Produto: Grãos de soja (750 kg/m³)
Temperatura ambiente de 20°C
Temperatura de secagem de 110°C
Fonte: Tromink Industrial Ltda
3.3.1 Cálculo do percentual de água a ser evaporada.
Para calcular o percentual de água a ser evaporada, deve-se utilizar a Equação 4:
=
$22/ DED./DE100
(4) Onde:hi: Umidade inicial = 18% hf: Umidade final = 14% A: Água a ser evaporada
= 100 − 14 10018 − 14 = 4,65 %
3.3.2 Cálculo da massa de água a ser evaporada por hora.
Para calcular o peso da água a evaporar por hora do grão no secador, utiliza-se a Equação 5:
=
$22J (5) Onde:Pa: Massa da água (kg) Ps: Massa do grão (soja) (kg) A: Água a ser evaporada (%)
= 150.000 4,65100 = 4.651,16 /ℎ 3.3.3 Cálculo do calor necessário para evaporar a água.
Para calcular o calor necessário, deve-se utilizar a Equação 6:
=
LC M NO (6) Onde:H: Calor (kcal)
Pa: Massa da água (kg)
