5, v.1Energy analysis of tubular digesters using swine residuesAproveitamento da casca do cupuaçuzeiro para a produção de energia author indexsubject indexsearch form
Home Pagealphabetic event listing  





An. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004

 

Análise energética de secador de grãos a lenha

 

Energetic analysis of a wood fired grain drier

 

 

Alessandro Torres CamposI; Evandro de Castro MeloII; Juarez de Sousa e SilvaIII

IEng. Agrícola, Dr. - Prof. Adjunto - GPEA (Grupo de Pesquisas em Ambiência do Oeste do Paraná)/UNIOESTE - M. C. Rondon - atcampos3@yahoo.com.br
IIProf. Adjunto - DEA/UFV - Viçosa/MG
IIIProf. Aposentado - DEA/UFV - Viçosa/MG

 

 


RESUMO

Com o objetivo de atender a uma parcela de pequenos e médios produtores, foi projetado, construído e testado a eficiência energética de um de secador de camada fixa, composto por quatro câmaras de secagem, dotadas de um sistema de revolvimento mecânico. No teste do protótipo, utilizando-se café, procedeu-se ao revolvimento em duas câmaras de secagem, que foram conectadas ao plenum do secador em diferentes posições, em intervalos regulares de três horas, permanecendo duas câmaras estáticas. O secador foi operado com temperatura do ar de secagem de 43ºC e densidade de fluxo de ar de 21 m3 min-1 m-2, reduzindo-se o teor de umidade do produto de 43,1 para 12,7 % b.u., num período de 42 horas. Seu consumo específico de energia foi de 12.752 kJ por kg de água evaporada. Com os resultados obtidos, verificou-se que a câmara 1, a qual sofreu revolvimento, foi o que apresentou melhores condições de trabalho, devido à sua posição de acoplamento ao plenum do secador.

Palavras-chave: Secador de grãos, energia, eficiência energética, construções rurais, sustentabilidade.


ABSTRACT

Aiming at the attendance of a small and medium size group of producers a four chambers fixed-bed dryer prototype with a mechanical revolving system was designed, constructed and energy performance tested. During drying for the prototype test, using coffee the revolving operation proceeded in two chambers which were connected to the dryer plenum at different positions and at a regular three-hours intervals; the other chambers remained static. The dryer operated at a drying-air temperature of 43ºC and an air-flow of 21 m3 min-1 m-2. In the realized test the product moisture content was reduced from 43.1 to 12.7% w.b. over a 42-hours period. The specific energy consumption was 12.752 kJ per kilogram of evaporated water. The obtained results showed that chamber 1 which was submitted to the revolving operation presented the best work conditions due to your plenum connection position.


 

 

1. Introdução

Apesar de novas tecnologias de secagem e de vários tipos de secadores à disposição dos agricultores, a secagem em terreiros ainda é muito utilizada no Brasil, principalmente nas zonas agrícolas onde se concentra o produtor de baixa renda. Por outro lado, os equipamentos de secagem disponíveis no Brasil apresentam, em geral, custo mais elevado, incompatível com o poder aquisitivo do pequeno produtor rural. Além desses aspectos, deve-se levar em consideração o nível educacional desses produtores, que, apesar de serem responsáveis pela maior parte da produção brasileira de café, por exemplo, normalmente são resistentes a inovações tecnológicas (ROSSI e ROA 1980; SOARES et al., 1983).

Além de requerer um longo período de secagem, o método de terreiro apresenta outras desvantagens, como a necessidade de grandes áreas para a construção dos terreiros; muitas vezes, o produto fica exposto a condições climáticas adversas, o que favorece o desenvolvimento de fungos e o processo de fermentação, podendo depreciar a qualidade do produto (CORREA, 1982; VIEIRA e VILELA, 1995).

LACERDA FILHO (1986) afirma que, de modo geral, os secadores de leito fixo são os mais acessíveis aos produtores, em função principalmente de seu custo, apesar de apresentarem elevado consumo de energia. Outro problema destes secadores é a dificuldade de revolvimento, sendo esta operação realizada manualmente, utilizando-se uma pá.

A secagem em leito fixo é um método relativamente simples; além disso, o custo inicial de implantação está ao alcance de grande parte dos pequenos produtores. Outro aspecto interessante no secador de leito fixo é sua versatilidade, podendo-se secar café cereja, coco ou despolpado, grãos de modo geral, milho em espiga, feijão em rama, raspa de mandioca, cacau, entre outros (CASTRO, 1991; SILVA e LACERDA FILHO, 1993).

CASTRO (1991) estudou a utilização de três intervalos de revolvimento (uma, duas e três horas) na secagem de café despolpado em secador experimental de camada fixa. Como o autor não constatou influência significativa do intervalo de revolvimento da massa de grãos, recomendou-se utilizar o intervalo de três horas, em razão da maior facilidade em se realizar a operação de secagem.

Nos secadores com sistema de aquecimento direto, apesar de sua maior eficiência no uso de energia, os produtos da combustão permanecem no gás quente que, após diluído com o ar natural (temperatura ambiente), atravessa diretamente a camada de grãos. Nos secadores com sistema de aquecimento indireto, o calor é transferido do combustível queimado para o ar de secagem através de um trocador de calor (NELLIST e BRUCE, 1995). Dessa forma, os produtos da combustão não entram em contato com a massa de grãos. A escolha de um ou outro sistema dependerá da capacidade dos grãos a serem secos em absorver resíduos da combustão e do nível de exigência de qualidade do produto para a sua comercialização.

BAKKER-ARKEMA et al. (1978) propuseram uma metodologia para a avaliação do desempenho energético de secadores. Esta metodologia é baseada em um número reduzido de testes de campo, sob determinadas condições padronizadas. Vários autores têm se baseado nesta metodologia para a avaliação de protótipos de secadores (OSÓRIO, 1982; SABIONI, 1986; PINTO, 1993; PINTO FILHO, 1994).

Com relação ao tempo de secagem, BAKKER-ARKEMA et al. (1978) sugerem que, para os secadores de batelada, três testes devem ser conduzidos, ou o equivalente a 24 horas de secagem.

Em virtude dos problemas apresentados, o presente trabalho teve como objetivos: o projeto, a construção e a avaliação do desempenho energético de um secador de camada fixa com sistema de revolvimento mecânico acionado manualmente.

 

2. Metodologia

O trabalho foi realizado no Departamento de Engenharia Agrícola da UFV. Para a avaliação do secador, foi utilizado café (Coffea arabica L.), da variedade Catuaí, procedente de uma propriedade situada no Município de Teixeiras, MG. O produto, colhido pelo sistema de derriça ao chão, com aproximadamente 60% de teor de umidade (b.u.), foi submetido aos processos de despolpamento e pré-secagem em terreiro por cinco dias, até atingir 43,1% de teor de umidade, quando então foi transportado para o local do experimento, para a avaliação do desempenho energético de secagem.

O protótipo

O secador foi construído em alvenaria, sendo as câmaras de secagem confeccionadas usando chapas de aço-carbono com espessura de 2 mm, cuja vista geral é mostrada na Figura 1.

 

 

Basicamente, o secador é composto das seguintes partes:

a - câmaras de secagem - em número de quatro, construídas com chapas metálicas nº14. Podem ser divididas em três regiões, para melhor compreensão de seu funcionamento. A primeira região ("A" da Figura 2) é o local onde se situa a camada de grãos que é submetida ao fluxo de ar de secagem. Esta camada de grãos fica compreendida entre duas chapas com 25% de perfuração, sendo a área de cada uma igual a 1 m2 (1m x 1m). Uma destas chapas perfuradas fica em contato com o "plenum" e recebe o ar quente destinado a secagem. A outra chapa perfurada é disposta externamente à câmara e é por onde sai o ar com a umidade retirada do produto. A coluna de grãos, compreendida entre as chapas, tem uma espessura de 0,30 m, perfazendo, dessa forma, um volume de 0,30 m3. A segunda região ("B" da Figura 2) tem uma altura aproximada de 0,20 m, correspondendo a um volume de 0,08 m3. A altura da massa de grãos contida nessa região varia com o decorrer da secagem, devido ao adensamento e à redução do volume do produto, que ocorrem nesse período. Essa região funciona como uma câmara de descanso para o volume de café que ali se encontra. Outra finalidade desta camada de produto é servir como obstáculo, para que não se perca grande quantidade de ar de secagem. A terceira região ("C" da Figura 2) é o local destinado ao revolvimento dos grãos. Para possibilitar melhor mistura do café (Figura 3), esta região da câmara possui maior volume (0,4 m3). O volume total de cada câmara de secagem é de 0,775 m3. As câmaras são posicionadas verticalmente em relação ao "plenum" e os eixos de sustentação se apóiam em mancais, permitindo que estas câmaras possam ter um movimento giratório (Figura 3). Este movimento tem a finalidade de promover a movimentação e o revolvimento do café dentro das câmaras de secagem.

 

 

 

 

Foram construídas nas câmaras de secagem, em sua parte superior e inferior, respectivamente, portas para carregamento e descarga do produto (Figura 2).

b - câmara "plenum" - espaço vazio, com finalidade de distribuir o fluxo de ar quente para as quatro câmaras de secagem. Este "plenum" tem uma base retangular (1,80 x 3,00m) e sua seção vertical tem a forma de "M" (Figura 3). Seu volume interno é de 3,53 m3.

c - expansão - elemento de transição entre o ventilador e a câmara "plenum", que tem a finalidade de uniformizar o fluxo de ar no secador ("C" da Figura 4). O ângulo de abertura da expansão, em relação ao eixo de simetria do secador, deve ser superior a 15º e inferior a 45º (DALPASQUALE et al., 1991; SILVA e LACERDA FILHO, 1993). Utilizou-se um ângulo de 28º; dessa forma, o elemento de transição teve um comprimento de 1,40 m (Figura 4). A junção da expansão com a câmara "plenum" foi feita por meio de lajotas perfuradas, visando uma boa distribuição do fluxo de ar.

 

 

d - ventilador ("B" da Figura 4) - com uma potência de 3 cv e vazão de 82,5 m3 min-1, sua finalidade é succionar o ar quente da fornalha e forçar sua passagem através da massa de grãos nas quatro câmaras de secagem.

e - fornalha de fogo indireto ("A" da Figura 4) - esta fornalha é constituída de trocador de calor composto por 18 dutos, que promovem o aquecimento do ar de secagem em fluxos cruzados, ou seja, o ar aquecido, proveniente da câmara de combustão, escoa entre estes dutos, entrando em contato com sua parte exterior, promovendo seu aquecimento. Internamente aos dutos, escoa o ar de secagem, forçado pelo ventilador descrito anteriormente.

f - moega de descarga - na parte superior da câmara "plenum" foi construída uma moega de descarga ("E" da Figura 4). Suas paredes, construídas em concreto armado, formam um ângulo de 45º com a horizontal (Figura 3), para que houvesse facilidade de escoamento do produto. No fundo da moega foi instalado um transportador helicoidal ("F" da Figura 4), com a finalidade de recolher o produto seco das quatro câmaras e descarregá-lo ("G" da Figura 4).

g - sistema de içamento das câmaras de secagem - para proceder ao revolvimento dos grãos nas câmaras de secagem, foi instalado um sistema de içamento composto por duas roldanas e uma manivela ("G" e "F" da Figura 3). Girando a manivela, o cabo de aço é acionado, tracionando-se a câmara de seca-gem. Para promover o revolvimento dos grãos em uma câmara, acopla-se o cabo de aço a esta câmara através de um engate ("H" da Figura 3).

Avaliação do desempenho do secador

Para a avaliação do desempenho do secador, foi utilizada a metodologia proposta por BAKKER-ARKEMA et al. (1978).

Parâmetros relativos aos grãos

a - Teor de umidade: Os teores de umidade dos grãos foram obtidos pelo método-padrão de estufa, 105 ± 1ºC por 24 horas, com três repetições, sendo utilizadas amostras de aproximadamente 30 g, segundo as Regras para Análise de Sementes (BRASIL, 1992).

As amostras para a obtenção do teor de umidade inicial foram obtidas na operação de carregamento do secador. O teor de umidade final foi considerado como a média dos teores de umidade final das quatro câmaras.

b - Determinação da massa do produto: Durante a operação de carregamento do secador, procedeu-se à pesagem do produto ensacado, em uma balança de plataforma, com precisão de 0,1 kg. A massa final foi obtida calculando-se a quantidade de água evaporada do produto.

c - Temperaturas: As temperaturas dos grãos foram obtidas por meio de termopares de cobre-constantan, conectados a um sistema automático de aquisição de dados acoplado a um microcomputador. A posição dos termopares no secador pode ser observada na Figura 5.

 

 

Parâmetros relativos ao ar

Temperatura do ar de secagem: Foram registradas temperaturas do ar de secagem na saída da fornalha, em dois pontos do "plenum" e na exaustão de duas câmaras de secagem (Figura 5). A temperatura média do ar de secagem em cada câmara foi obtida das temperaturas registradas em intervalos consecutivos de 1 minuto. A temperatura e umidade relativa do ar foram registradas mediante o uso de psicrômetro com termopares localizados em local abrigado, distante 10 m do secador.

Consumo de energia

a - Ventilador: A energia consumida pelo motor do ventilador foi calculada pela equação:

em que

EM = energia consumida pelo motor, kJ;

PM = potência do motor, cv; e

tf = tempo de funcionamento do motor, h.

b - Combustível: Para aquecimento do ar de secagem, utilizou-se como combustível madeira de reflorestamento de eucalipto (Eucaliptus grandis). A lenha foi serrada, apresentando dimensões médias de 0,50 m de comprimento e diâmetro variado. Para a determinação do teor de umidade, retiraram-se amostras aleatórias dos lotes de lenha. O teor de umidade foi obtido pelo método de estufa, 103 ± 1ºC por 72 horas, com três repetições para cada amostra.

A energia proveniente do combustível utilizado para o aquecimento do ar de secagem foi determinada pela seguinte equação:

em que

EPC = energia proveniente do combustível, kJ;

QC = quantidade de combustível, kg; e

PCI = poder calorífico inferior do combustível, kJ.kg-1.

Para determinação do poder calorífico da lenha, utilizou-se a fórmula proposta por Tiliman, citado por OSÓRIO (1982):

em que

PCI = poder calorífico inferior do combustível, kJ.kg-1;

PCS = poder calorífico superior do combustível, kJ.kg-1 (17.974 kJ.kg-1 para a espécie "Eucaliptus grandis"); e

UC = teor de umidade do combustível, % b.u.

Especificações do secador

A densidade de fluxo de ar foi calculada pela equação:

em que

DFar = densidade de fluxo de ar, m3 min-1 m-2;

VZar = vazão do ar, m3 min-1; e

As = soma das áreas perfuradas das câmaras de secagem, m2.

A vazão do ar foi obtida pelo somatório da vazão de ar nos 18 dutos de entrada de ar do trocador de calor da fornalha.

em que

VZd = vazão do ar no duto de entrada de ar da fornalha, m3 .min-1;

VFar = velocidade do fluxo de ar, m.min-1; e

Ad = área do duto de entrada de ar da fornalha, m2.

A velocidade do fluxo de ar foi determinada através de um anemômetro digital de pás rotatórias com precisão de 0,01 m.s-1, conectado aos dutos de entrada de ar da fornalha.

Os tempos de carregamento, secagem e descarregamento foram cronometrados durante estas operações.

A capacidade de secagem foi calculada pela seguinte equação:

em que

Cs = capacidade de secagem de produto úmido, kg.h-1;

MP = massa de produto úmido, kg; e

ts = tempo total de operação do secador, h.

O tempo total de operação do secador foi obtido pela soma dos tempos de carregamento, secagem e descarregamento.

Eficiência energética de secagem

A eficiência energética de secagem, ou seja, a quantidade de energia necessária para evaporar uma unidade de massa de água do produto, foi obtida da seguinte forma:

em que

EEs = eficiência energética de secagem, kJ.kg-1 de água evaporada;

EC = energia consumida, kJ;

Mi = massa inicial do produto, kg; e

Mf = massa final do produto, kg.

A energia consumida representa a energia proveniente da queima do combustível mais a energia elétrica necessária para movimentar o motor do ventilador.

Operação do secador

O secador foi carregado com produto úmido até 50% da capacidade de suas câmaras. Procedeu-se ao revolvimento nas câmaras 1 e 2 (Figura 1), em intervalos de 3 horas (SILVA e LACERDA FILHO, 1993; CASTRO, 1991), sendo que as câmaras 3 e 4 permaneceram estáticas.

A alimentação de combustível (lenha) foi realizada de forma que a temperatura do produto se mantivesse aproximadamente constante, dentro de uma faixa menor que 45 ºC. Os valores de temperatura foram medidos em intervalos de um minuto. Para determinar o final da secagem, procedeu-se ao monitoramento do teor de umidade do produto, coletando-se amostras nas câmaras a cada duas horas, e a quantificação deste teor foi realizada pelo método de Evaporação Direta da Água em Banho de Óleo - EDABO (SABIONI et al., 1984).

 

3. Resultados e Discussão

Os resultados obtidos da avaliação do secador, como parâmetros dos grãos, do ar ambiente e do ar de secagem, especificações do secador e dados do desempenho, estão relacionados nas Tabelas 1, 2, 3 e 4, respectivamente.

 

 

 

 

 

 

 

 

Os valores médios das temperaturas ambiente, do ar de secagem e do ar de exaustão (câmaras 1 e 3), assim como a umidade relativa, encontram-se na Tabela 2.

A representação gráfica das temperaturas do ar ambiente, ar de secagem, ar na massa de grãos, ar de exaustão e ar no "plenum", em função do tempo de secagem, encontra-se nas Figuras 6, 7, 8 e 9.

 

 

 

 

 

 

 

 

A temperatura do ar na massa de grãos apresentou valores máximos de 44,9, 45,5, 46,1 e 46,3 ºC, para as câmaras de 1 a 4, respectivamente. À medida que progrediu a secagem, esta temperatura apresentou tendência a se equilibrar com a temperatura do ar no "plenum" (Figuras 6 a 9). As temperaturas do ar de exaustão, medidas nas câmaras 1 e 3, mostradas nas Figuras 6 e 8, respectivamente, aumentaram com o decorrer da secagem. As temperaturas medidas em dois pontos do "plenum" também apresentaram valores médios próximos (Tabela 2). Isto indica que houve uma distribuição uniforme da temperatura do ar de secagem em todo corpo do secador. A temperatura média do ar ambiente, na ocasião do teste, se apresentou relativamente baixa, provocando um alto consumo de combustível para o aquecimento do ar de secagem.

O teor de umidade dos grãos, chegando ao local do experimento, após a pré-secagem em terreiro, foi de 43,1 % b.u. O valor médio do teor de umidade final do lote foi de 12,6 ± 5,4 % b.u.

Uso da energia

Como a fornalha utilizada no experimento foi do tipo fogo indireto, com trocador de calor, o secador apresentou um consumo de energia relativamente alto, quando comparado com secadores de camada fixa, que utilizam fornalha com fogo direto.

A madeira de eucalipto utilizada, com teor de umidade médio de 14,4 % b.u., teve poder calorífico inferior, de 15.015 kJ.kg-1, determinado pela equação 1.

Durante todo o período de secagem, o motor do ventilador apresentou um consumo de energia de 333,2 MJ.

A eficiência energética de secagem, sem considerar a energia utilizada no motor do ventilador, foi de 12.752 kJ.kg-1 de água evaporada. Considerando a energia utilizada para movimentar o ventilador, a eficiência energética foi de 16.784 kJ.kg-1 de água evaporada. LACERDA FILHO (1986) obteve uma eficiência energética de 10.000 kJ.kg-1 em experimento em que secou café em coco num secador de camada fixa, com temperatura do ar de secagem de 55ºC. Neste experimento, o autor utilizou café de meia seca em terreiro, e, no secador, o teor de umidade foi reduzido de 32,4 para 13 % b.u; porém a fornalha utilizada neste secador era de fogo direto, que apresenta um rendimento energético maior.

Baseando-se nas recomendações da literatura (BIAGI et al., 1992; IBC, 1985; ANDRADE, 1997; CASTRO, 1991), utilizou-se temperatura de secagem abaixo de 45ºC (42,7 ºC), visando obter um produto de melhor qualidade. Dessa forma, o teste teve longa duração, tendo como conseqüência um elevado consumo de energia elétrica do motor que aciona o ventilador.

 

4. Conclusões

Com base nos resultados obtidos no teste de desempenho energético, pode-se concluir que:

 

5. Referências

ANDRADE, J.G. de Recomendações básicas para a produção de um café de qualidade. Guaxupé: COOXUPÉ, 1997. 17p. (Boletim Técnico).

BAKKER-ARKEMA, F.W., LEREW, L.E., BROOK, R.C., BROOKER, D.B. Energy and capacity performance evaluation of grain dryers. St. Joseph, Michigan, ASAE, 1978. 13p. (ASAE Paper, 78-3523).

BIAGI, J.D., VALENTINI, S.R.de T., QUEIROZ, D.M. de Secagem de produtos agrícolas. In: CORTEZ, L.A., MAGALHÃES, P.S.G. (coord.) Introdução à Engenharia Agrícola. Campinas, SP: Ed. UNICAMP, 1992. p.245-266.

BRASIL, Ministério da Agricultura e Reforma Agrária, Regras para análise de sementes (RAS), Brasília, 1992. 365p.

CASTRO, L.E. Efeito do despolpamento, em secador de leito fixo sob alta temperatura, no consumo de energia e na qualidade do café (Coffea arabica L.). Viçosa, Imprensa Universitária, UFV, 1991. 61p. (Tese MS).

CORREA, P.C. Simulação de secagem de café em camada espessa. Viçosa, MG, UFV, Imprensa Universitária, 1982. 47p. (Tese MS).

DALPASQUALE, V.A., PEREIRA, J.A.M., SINICIO, R., OLIVEIRA FILHO, D. Secado de granos a altas temperaturas. Santiago, Chile: Oficina Regional de la FAO para America Latina y el Caribe. 1991. 75p.

INSTITUTO BRASILEIRO DO CAFÉ - IBC. Cultura de café no Brasil: manual de recomendações. 5.ed. Rio de Janeiro, Gráfica IBC - GERCA, 1985. 580p.

LACERDA FILHO, A.F. de. Avaliação de diferentes sistemas de secagem e suas influências na qualidade do café (Coffea arabica L). Viçosa, MG, UFV, Imprensa Universitária, 1986. 136p. (Tese MS).

NELLIST, M.E., BRUCE, D.M. Heated-air grain drying. In: JAYAS, D.S., WHITE, N.D.G., MUIR, W.E. (ed.). Stored-grain ecosystems, Marcel Dekker, New York, p.609-659, 1995.

OSÓRIO, A.G.S. Projeto e construção de um secador intermitente de fluxo concorrente e sua avaliação na secagem de café. Viçosa, Universidade Federal de Viçosa. 1982. 57p. (Tese MS).

PINTO , F. A. D Projeto de um secador de fluxos contra-correntes e análise de seu desempenho na secagem de café (Coffea arabica L.). Viçosa, MG, UFV, Imprensa Universitária, 1993. 72p. (Tese MS).

PINTO FILHO, G. L. Desenvolvimento de um secador de fluxos cruzados com reversão do fluxo de ar de resfriamento, para a secagem de café (Coffea arabica L.). Viçosa, MG, UFV, Imprensa Universitária, 1994. 80p. (Tese MS).

ROSSI, S. J., ROA, G. Secagem e armazenamento de produtos agropecuários com uso de energia solar e ar natural. Secretaria da Indústria, Comércio, Ciência e Tecnologia. Academia de Ciências do Estado de São Paulo. Publicação ACIESP n 22, 1980. 295p.

SABIONI, P.M., FARIA, M.N., HARA, T. Determinador de umidade de grãos experimental - EDABO. In. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA, 14º, Fortaleza, 1984. Anais, 1984. 62p.

SABIONI, P.M. Projeto e avaliação de um secador de fluxos cruzados, intermitente e com reversão do fluxo de ar, na secagem de milho (Zea mays L.). Viçosa, MG, UFV, Imprensa Universitária, 1986. 101p. (Tese MS).

SILVA, J.S., LACERDA FILHO, A.F. Construção e operação de secador de grãos. Viçosa: Imprensa Universitária, 1993. 28p. (Boletim de Extensão, 34).

SOARES, A.G.O., SILVA, J.S., DALPASQUALE, V.A., OLIVEIRA, J.L. Secagem de café em secadores de fluxo concorrente. Informe agropecuário, Belo Horizonte, v.9, n.99. 1983. p.18-24.

VIEIRA, G., VILELA, E.R. Secagem intermitente de café (Coffea arabica L.) em secador experimental de camada fixa. Ciência e Prática, Lavras, v.19, n.3, p. 289-296, jul./set. 1995.