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How to cite this paperAn. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004
Estudo da eficiência energética de secagem de café com diferentes combinações de tempo de revolvimento
Study of the energy efficiency of coffee drying with different revolving combinations time
Marcelo GrecoI; Alessandro Torres CamposII; Roberto Natal Dal MolinIII; Marcos C. OliveiraIII; Roberto J. CâmaraIV; Roberto Siqueira FilhoV; Jeferson KleinIV
IMestrando em Agronomia - GPEA (Grupo de Pesquisas em Ambiência do Oeste do Paraná)/UNIOESTE - M. C. Rondon/PR - greco.b@bol.com.br
IIProf. Adjunto - GPEA/UNIOESTE - M. C. Rondon
IIIMestrando em Agronomia - CCA/UNIOESTE - M. C. Rondon/PR, Ext. EMATER
IVMestrando em Agronomia - CCA/UNIOESTE - M. C. Rondon/PR
VMestrando - CCA/UNIOESTE - M. C. Rondon, Ministério Agricultura
RESUMO
Este trabalho objetivou avaliar a eficiência energética na secagem de café (Coffea arábica L.) com diferentes combinações de tempo de revolvimento em secador de camada fixa. O experimento foi desenvolvido nos meses de junho e julho de 2003, em uma propriedade localizada no município de Jesuítas-PR. As avaliações de qualidade do produto foram realizadas na Cooperativa Agrícola Consolata Ltda (COPACOL). Os parâmetros relativos aos grãos foram avaliados em laboratório de Tecnologia de sementes da UNIOESTE Campus Marechal Candido Rondon. O secador utilizado foi o modelo de camada fixa, com câmara de secagem metálica, de formato cilíndrico, com um sistema de revolvimento de grãos adaptado, mantendo a temperatura do ar em 75ºC. Observou-se que a energia consumida pela queima do combustível (lenha de reflorestamento) superou a energia elétrica consumida pelos motores. A umidade relativa do ar e a temperatura ambiente exerceram influência no tempo de secagem. A combinação que proporcionou maior eficiência energética foi a secagem com ventilação contínua e revolvimento de 40 minutos a cada 2 horas.
Palavras-chave: Secador de grãos, energia, eficiência energética e café.
ABSTRACT
This work objectified to evaluate the energy efficiency in the coffee (Coffea arábica L.) drying with different combinations of revolving time in a fixed bed dryer. The experiment was developed the months of June and July of 2003, in a farm located in the municipal district of Jesuítuas-Paraná State, Brazil. The product quality evaluations were accomplished in the Consolata Agricultural Cooperative Ltda (COPACOL). The grains parameters were evaluated at the Seeds Technology Laboratory, at the UNIOESTE Campus Marechal Cândido Rondon. A fixed bed model dryer was used, with a metallic drying chamber, of cylindrical format, with an adapted grain revolving system, keeping the air temperature at 75ºC. It was observed that the energy consumed for burning the fuel (wood) overcame the electric energy consumed by the motors. The air relative humidity and temperature exercised influence in the drying time. The combination that provided larger energy efficiency was the continuous ventilation drying, with revolving times of 40 minutes each 2 hours.
1. Introdução
O café (Coffea arabica L.) é uma das principais plantas cultivadas no país, tanto sob o ponto de vista econômico, gerando divisas pela exportação, quanto pelo aspecto social.
Para obtenção de um café com boa qualidade é necessário o emprego de técnicas adequadas de produção, desde o plantio até a colheita, e a estas somar práticas de processamento que possam preservar a sua qualidade inicial. No processamento pós-colheita, a secagem é uma das etapas mais importantes, porque, se for conduzida indevidamente, poderá acarretar grandes prejuízos ao cafeicultor (PINTO FILHO, 1994).
Tendo em vista problemas existentes durante a secagem dos grãos em terreiro, a secagem artificial, em secadores mecânicos, tornou-se um procedimento de fundamental importância para o produtor (LACERDA FILHO, 1986).
Sendo VILELA (1997), a secagem de café apresenta algumas características que o distinguem de outros grãos tais como: a) alto teor de umidade inicial (cereja em torno de 60 a 70% b.u.); b) mistura heterogênea - grãos com diferentes teores de umidade (20 a 70%), cujas proporções variam durante a colheita; c) estrutura complexa do fruto - camadas de diferentes tecidos e teores de umidade, com polpa e mucilagem muito úmidas (em torno de 85%), e, logo após, um tecido celulósico duro (pergaminho) que encobre uma semente com 50% de umidade; d) redução de volume durante a secagem (30 a 40%) e e) tamanho desigual dos frutos.
Considerando a existência de numerosos modelos disponíveis, NELLIST & BRUCE (1992) observam que as principais razões para testar secadores são: auxiliar no desenvolvimento de protótipos, confirmar as especificações de desempenho e prover informações para a comercialização e orientação de operadores.
NELLIST & BRUCE (1995) afirmam que os progressos de secagem em um secador com ar aquecido é afetado pelas interações entre diversas variáveis, algumas das quais estão sujeitas a consideráveis variações, que são incontroláveis. Condições ambientais, por exemplo, sofrem mudanças continuamente e contribuem em parte para as flutuações na temperatura do ar aquecido.
Para a instrumentação, são necessários sensores para temperatura ambiente, umidade relativa, temperatura do ar no ponto de entrada dos grãos e consumo de energia (quando se usam combustíveis líquidos, gasosos ou eletricidade). As análises de teor de umidade e qualidade dos grãos são feitas sob condições de laboratório, através de amostras coletadas na entrada e saída de produto. Mas a temperatura deve ser medida através de sensores instalados na massa de grãos, ou em amostras coletadas em "containers" isolados termicamente (NELLIST & BRUCE, 1992).
BAKKER-ARKEMA et al. (1978) ressaltam que a avaliação experimental de secadores requer medidas precisas dos grãos, ar de secagem e parâmetros de secagem, e das fontes de energia, incluindo a energia usada nos ventiladores e sistemas de movimentação de grãos.
Para os secadores de fluxo contínuo, devem-se estabilizar as condições de secagem e mantê-las nessa forma durante o período de teste, coletando-se as amostras e efetuando as leituras. Para o caso de secadores de batelada, as leituras devem ser feitas durante um ciclo de secagem, e as amostragens realizadas no carregamento e na descarga do secador. A escolha dos pontos de amostragem, assim como o tratamento correto na divisão das amostras em sub-amostras para avaliação da qualidade dos grãos e determinação do teor de umidade, é vital para a precisão dos resultados (NELLIST & BRUCE, 1992).
A partir destas considerações, este trabalho objetivou avaliar a eficiência na secagem de café (Coffea arábica L.) com diferentes combinações de tempo de revolvimento em secador de camada fixa, em propriedade rural no município de Jesuítas.
2. Metodologia
O experimento foi desenvolvido nos meses de junho e julho de 2003, em uma propriedade localizada no município de Jesuítas-PR. As avaliações de qualidade do produto foram realizadas na Cooperativa Agrícola Consolata Ltda (COPACOL), entreposto de Jesuítas e as avaliações do teor de umidade no laboratório de Tecnologia de Sementes da UNIOESTE.
Foi utilizado um secador de café modelo Ortofen (patente nº UM-7902597-8), que constitui uma adaptação do secador de camada fixa, onde se instalou um sistema de revolvimento dos grãos.
Para os testes empregou-se café (Coffea arabica L.), variedade IAPAR 59, procedente de uma propriedade situada no Município de Jesuítas-PR., colhido nos meses de junho e julho de 2003, pelo sistema de derriça total no pano.
O Secador
O secador foi construído sobre base de alvenaria, com a câmara de secagem e fornalha confeccionadas em chapas de aço-carbono sendo composto pelas seguintes partes: a) câmara de secagem: constituída de um cilindro metálico com diâmetro de 2,35 m e altura de 0,76 m, com capacidade para 3,0 m3 de grãos, foi construída com chapas metálicas nº 14. Sua base possui uma chapa com 44% de perfuração, em contato com o "plenum" que recebe o ar aquecido destinado à secagem. Foram providas duas aberturas para bica de descarga. O revolvimento da camada de grãos na câmara de secagem é realizado por um sistema de revolvimento, dotado de movimento giratório horizontal, composto por quatro pás. O sistema é acionado por um motor elétrico de 2 cv. b) câmara "plenum": construída em alvenaria e chapa metálica, com a finalidade de distribuir o fluxo de ar aquecido na câmara de secagem. Sua base tem o mesmo diâmetro da câmara de secagem, com altura de 0,5 m. Seu volume interno é de 1,9 m3. c) Duto de ligação: elemento de transição entre a fornalha e o "plenum", com comprimento de 1,40 m, que tem a finalidade de conduzir o fluxo de ar aquecido ao secador de forma uniforme. d) Ventilador: com potência de 1,5 cv e vazão de 45,2 m3.min-1, succiona o ar ambiente forçando sua passagem através dos dutos da fornalha, onde é aquecido, para em seguida atingir a câmara de secagem. e) fornalha de fogo indireto: confeccionada em chapa de aço-carbono de 8 mm, possui trocador de calor composto por 21 dutos, que promovem o aquecimento do ar de secagem em fluxos cruzados. Possui também cinzeiro (coleta dos resíduos sólidos), e chaminé, que promove a tiragem dos resíduos gasosos (fumaça) para a atmosfera em um ponto distante da camada de grãos, evitando sua contaminação.
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 (BRASIL, 1992). A coleta de amostras, em cinco diferentes pontos da câmera de secagem, foi realizada a cada 3 horas durante o período de secagem, sendo a primeira tomada no carregamento do secador e a última na descarga. b) Determinação da massa do produto - Durante o 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 da mesma forma que a massa inicial. c) Temperatura - A temperatura do ar nos grãos foi obtida por meio dois termômetros digitais instalados com alturas de 0,16 e 0,43 m na câmara de secagem. d) Qualidades do produto - Para análise da qualidade final e testes de bebida, foram enviadas amostras de café de cada um dos cinco tratamentos ao Laboratório de Qualidade de Café.
Parâmetros relativos ao ar: a) Temperatura do ar de secagem - Foi obtida em dois pontos do "plenum", por meio de termômetros analógicos com leituras a cada 3 horas. b) Temperatura e umidade relativa do ar ambiente - Foram obtidas mediante o uso de termo-higrômetro digital instalado em abrigo meteorológico, distante 20 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 a madeira de eucalipto (Eucaliptus grandis), tendo o comprimento, em média, 0,50 m e diâmetro variado. O teor de umidade da lenha foi obtido pelo método de estufa, 105 ± 1 ºC por 72 horas, com três repetições para cada amostra. A energia proveniente deste combustível 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 TILLMAN (1978), 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 obtida a partir do quociente entre a vazão do ar no duto de entrada da fornalha e a área perfurada da câmara de secagem. Para a determinação da vazão na entrada da fornalha, multiplicou-se a velocidade do fluxo de ar, obtido por meio de anemômetro digital de pás rotativas, pela área de entrada de ar. b) Tempo de secagem - foi cronometrado durante as operações. c) Capacidade de secagem - a capacidade de secagem (em kg.h-1) foi determinada pelo quociente entre a massa de produto úmido e o tempo de secagem. d) Eficiência energética de secagem - 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 aquela proveniente da queima do combustível mais a elétrica necessária para movimentar os motores do ventilador e do sistema de revolvimento.
Sistemas de operação com o secador.
O secador foi carregado com produto úmido até 100% da capacidade da câmara secagem, procedendo-se ao revolvimento dos grãos, em intervalos, conforme os tratamentos: T1 (VCRC) - Secagem com ventilação e revolvimento contínuos. T2 (VCR2) - Secagem com ventilação contínua e revolvimento de 40 minutos a cada 2 horas. T3 (VCR3) - Secagem com ventilação contínua e revolvimento de 40 minutos a cada 3 horas. T4 (VR3I2) - Secagem com ventilação e revolvimento por 3 horas e intervalo de 2 horas sem nenhuma atividade. T5 (VR3I3) - Secagem com ventilação e revolvimento por 3 horas e intervalo de 3 horas sem nenhuma atividade. Para todos tratamentos houve um intervalo de dez horas, durante a noite.
A alimentação de combustível (lenha) foi realizada de forma que a temperatura do ar no "plenum" se mantivesse constante, em torno de 75ºC. Para determinar o final da secagem, procedeu-se ao monitoramento do teor de umidade do produto com auxílio de determinador micro computadorizado modelo PS12.
3. Resultados e Discussão
Os resultados obtidos da avaliação do secador, parâmetros de umidade e temperatura dos grãos, ar ambiente, ar de secagem e dados do desempenho, estão relacionados nas figuras 01, 02, 03, 04, 05, 06, 07 e 08 respectivamente e a qualidade do grão de café reproduzida na Tabela 1.
A densidade de fluxo de ar, determinada através de anemômetro digital nos dutos de entrada de ar na fornalha, foi de 45,2 m3.min-1m-2 no início da secagem, reduzindo para 41,2 m3 min-1 m-2 ao final.
Analisando o consumo de energia do motor do sistema de revolvimento isoladamente, observou-se que o sistema de atividade de fornalha e ventilação continua com revolvimento de 40 minutos a cada 3 horas é o que faz menor uso de energia. Entretanto quando os dois motores são analisados em conjunto, o consumo de energia desse sistema se iguala ao do sistema com atividade de fornalha, ventilação e revolvimento durante 3 horas e intervalo de 3 horas sem nenhuma atividade.
O consumo de energia pelo combustível, madeira de eucalipto (Eucalipitus grandis), é muito superior ao consumo de energia elétrica consumida pelos motores, o que torna desprezível a economia de energia elétrica dos motores. Este fator fez com que a eficiência energética entre os diferentes sistemas fosse praticamente idêntica.
O sistema que possui a maior capacidade de secagem de grão de café úmido é o sistema com atividade de fornalha, ventilação e revolvimento contínuo, isto se deve ao fato de todo o conjunto secador funcionar durante todo tempo em que ocorre a secagem, permitindo uma menor duração do processo. Entretanto esse sistema contínuo também é o sistema que mais consome energia elétrica.
Como foi observado antes nas Figuras 06 (a) 06 (c), há uma diferença de consumo de energia muito grande quando comparado a energia consumida pela queima do combustível com a energia necessária para movimentar os motores elétricos, fazendo com que os resultados da comparação entre sistemas, em termos de gastos energéticos, torne-se desprezíveis como pode ser observado na figura 07. A maior diferença na eficiência energética entre os sistemas se dá justamente no consumo de energia elétrica.
Como pode ser observado na Tabela 1, os diferentes sistemas de secagem utilizados não interferiram na qualidade dos grãos.
4. Conclusões
Entre os sistemas de secagem utilizados avaliados neste trabalho os sistemas que proporcionam uma maior economia no consumo de energia elétrica são: o sistema de atividade de fornalha e ventilação continua com revolvimento de 40 minutos a cada 3 horas e o sistema com atividade de fornalha, ventilação e revolvimento durante 3 horas e intervalo de 3 horas sem nenhuma atividade.
A energia consumida pela queima do combustível é muito grande em relação a energia elétrica consumida pelos motores fazendo com que a diferença de eficiência energética entre os sistemas estudados torne-se desprezível.
A umidade relativa do ar e a temperatura ambiente exercem uma influência muito grande sobre a secagem, pois no dia frio e de baixa temperatura o tempo de secagem aumentou em 6 horas.
Com relação a qualidade do café, o comportamento foi o mesmo nos diferentes sistemas de secagem.
5. Referências
BAKKER-ARKEMA, F.W.; LEREW, L.E.; BROKK, R.C. & BROOKER, D.B. Energy and capacity performance evaluation of grain dryers. St. Joseph, Michigan, ASAE, 1978. 13p. (ASAE Paper, 78-3523).
BRASIL. Ministério da Agricultura e Reforma Agrária. Regras para análise de sementes (RAS), Brasília, 1992. 365p.
LACERDA FILHO, A.F. Avaliação de diferentes sistemas de secagem e suas influências na qualidade do café (Coffea arabica L). 1986. 136 f. Tese (Mestrado em Engenharia Agrícola) - Departamento de Engenharia Agrícola, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa.
NELLIST, M.E. & BRUCE, D.M. Grain dryer testing-procedure, calculation and adjustment of results, and effect of errors. Journal of Agricultural Engineering Research, Silsoe Research Institute, v.52, n.1, p.35-51, 1992.
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, New York: Marcel Dekker, 1995. p.609-659.
OSÓRIO, A.G.S. Projeto e construção de um secador intermitente de fluxo concorrente e sua avaliação na secagem de café. 1982. 57 f. Tese (Mestrado em Engenharia Agrícola) - Departamento de Engenharia Agrícola, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa.
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.). 1994. 80 f. Tese (Mestrado em Engenharia Agrícola) - Departamento de Engenharia Agrícola, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa.
VILELA, E.R. Secagem e qualidade do café. Informe agropecuário, Belo Horizonte, v.18, n.187, p.55-67. 1997