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AERAÇÃO DE GRÃOS ARMAZENADOS CAPÍTULO 11 Viçosa ‐ MG
Capítulo 11
Aeração de Grãos Armazenados
Capítulo
11 AERAÇÃO DE GRÃOS ARMAZENADOS
Juarez de Sousa e Silva Adílio Flauzino de Lacerda Filho Ivano Alessandro Devilla Daniela de Carvalho Lopes
1. INTRODUÇÃO Os grãos, como materiais biológicos vivos, estão sujeitos a transformações de naturezas distintas, oriundas da tecnologia aplicada ao sistema de pré-processamento. A armazenagem tem por objetivo preservar as qualidades físicas, sanitárias e nutricionais dos grãos, depois de colhidos. Durante essa fase, os fatores que influenciam a boa conservação desses produtos são a temperatura e a umidade relativa do ar intergranular e a temperatura e o teor de água dos grãos. Além desses, as características estruturais e de higiene das instalações são fatores indispensáveis para a obtenção de boas práticas de armazenagem. Assim que a célula de armazenamento estiver sendo carregada, os grãos variarão, provavelmente, em temperatura e conteúdo de umidade, por causa de variações em maturidade, condições climáticas e variações na secagem. Porções de grãos quentes e deterioradas podem ser criadas dentro do silo, mesmo que a condição média da massa de grãos possa ser considerada adequada. Ainda hoje, em unidades armazenadoras antigas, os operadores, ao verificarem problema que possam comprometer a qualidade do produto, fazem movimentar a massa de grãos através do ar ambiente. A esse procedimento denomina-se "transilagem". Essa operação, apesar de resolver parcial ou totalmente os problemas, na prática, resulta em vários inconvenientes, como: a) Eleva o índice de danos mecânicos no produto durante a movimentação da massa de grãos; b) Necessita, na maioria das vezes, de mais tempo para a sua execução, considerando que com apenas uma circulação do produto pelo ar ambiente o problema pode não ser totalmente solucionado; c) Apresenta elevado custo de instalação, já que o processo exige uma célula de Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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estocagem vazia na unidade armazenadora; d) Tem custo operacional mais elevado, não só pela maior demanda de tempo, mas também por envolver maior número de equipamentos e consumo de energia; e e) Durante a movimentação, o atrito entre grãos e componentes do sistema de transporte e entre os próprios grãos, provoca o aparecimento de pó orgânico, que é potencialmente explosivo. Para solucionar alguns desses problemas, sugerem-se o uso da técnica de aeração, que consiste na passagem forçada do ar, com fluxo adequado, através da massa de grãos, com o objetivo de prevenir ou solucionar problemas de conservação. A aeração apresenta vantagens, como a possibilidade de supervisionar tanto o sistema quanto o produto durante a operação de aeração. Além disso, é utilizada para melhorar a preservação das qualidades dos grãos, em sistemas de armazenagem a granel, objetivando-se igualar a temperatura da massa, minimizar as atividades dos fungos, diminuir a taxa de respiração do produto armazenado e, quando possível, reduzir a temperatura dos grãos. É possível que sucessivas aplicações de aeração resultem na formação de blocos compactados de grãos e na concentração de finos em pontos localizados, dificultando a passagem do ar. Neste caso, deve-se corrigir o problema com uma movimentação ou transilagem do produto e, se possível, passá-lo pelo sistema de limpeza. Sabe-se que a armazenagem a granel torna-se difícil, sem o uso da aeração, se for realizada por longo período, mesmo sabendo que o produto encontra-se devidamente limpo e seco. 2. OBJETIVOS DA AERAÇÃO A aeração pode ter diferentes efeitos sobre a massa de grãos, dependendo das condições do ambiente e do próprio produto. Antes de colocar o sistema de aeração em funcionamento, é essencial fazer previsões sobre os possíveis resultados da operação. A utilização da técnica pode atender aos seguintes objetivos: a) Resfriar a massa de grãos. b) Uniformizar a temperatura da massa de grãos. c) Prevenir aquecimento e umedecimento de origens biológicas. d) Promover secagem, dentro de certos limites. e) Promover remoção de odores. 2.1. Resfriar a Massa de Grãos O resfriamento da massa de grãos armazenados constitui o principal objetivo e a principal utilidade da aeração. O microclima formado dentro da massa de grãos poderá trazer vários benefícios ao processo de conservação. Até há pouco tempo, esses benefícios estavam relacionados à supressão do desenvolvimento de insetos, ácaros e fungos. Entretanto, sabe-se que grãos armazenados em temperaturas elevadas, 25 a 40 °C, como ocorre em muitas regiões brasileiras, têm a atividade respiratória intensificada, o que propicia incremento na perda de matéria seca, aumenta a umidade relativa do ar intergranular e produz calor. Na Tabela 1, observa-se que milho armazenado em temperaturas variando entre 25 e 35 °C tiveram de 6 a 27 vezes mais perda de matéria seca, respectivamente, do que grãos refrigerados a 10 °C. 270
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Além disso, na faixa de temperatura de 25 a 40 °C a oxidação de lipídios pode ser intensificada, o que contribui para a degradação da qualidade dos grãos, visto que a mesma é acelerada pela ação do calor, luz, reações de ionização, dentre outros. Durante esse processo degradativo, várias reações de decomposição podem ocorrer, levando à produção de hidrocarbonetos, aldeídos, álcoois e cetonas. Entretanto, a produção de ácidos graxos livres, resultante da degradação de lipídios, contribui significativamente para o aumento do custo de produção de óleos vegetais, causando significativos prejuízos às indústrias. TABELA 1 - Perda de matéria seca em 1.000 t de milho armazenado durante 30 dias Condições ambientes Temperatura ambiente - média Temperatura ambiente - alta Grãos refrigerados
Temperatura (°C) 25 35 10
Perda de matéria seca Perda de 0,12% (= 1,2 t) Perda de 0,54% (= 5,4 t) Perda de 0,02% (= 0,2 t)
Fonte: Brunner, citado por LAZZARI, (2007).
2.2. Inibir a Atividade de Insetos-praga e Ácaros A maioria dos insetos-praga que infestam os grãos armazenados é de origem tropical e subtropical e a faixa de temperatura adequada para o seu desenvolvimento está entre 27 e 34 °C, sendo consideradas ideais as temperaturas entre 29 e 30 °C. Depois de alguns meses de armazenagem, ou em ambientes com temperaturas acima de 27 °C, a massa de grãos poderá ter elevado nível de infestação se ações preventivas não forem tomadas. Os insetos-praga são sensíveis a baixas e a altas temperaturas, reduzindo seus desenvolvimentos em temperaturas inferiores a 16 e superiores a 42 °C. Podem-se estabelecer manejos adequados para o controle dos insetos-praga quando a temperatura é mantida entre 17 e 22 °C, para aqueles cujo ciclo de vida é da ordem de três meses ou mais. Isto porque a oviposição e fecundação dos mesmos é restrita em baixa temperatura, com baixo crescimento da população, o que lava a danos menos significativos aos grãos. A umidade relativa crítica para o seu desenvolvimento é da ordem de 30%. Entretanto, são capazes de sobreviverem obtendo água metabólica, do ar ambiente ou do próprio grão. A Tabela 2 contém informações sobre o comportamento de algumas espécies de insetos-praga, de importância econômica para o processo de armazenagem, em relação ao ambiente. Os ácaros são pragas de grande importância econômica, principalmente nas em regiões de clima tropical e temperado. Podem danificar o gérmen dos cereais, casca de leguminosas, contaminarem os produtos com fezes e odores indesejáveis. O produto infestado por ácaros, se destinado para a alimentação animal, poderá causar problemas nutricionais aos mesmos e alergia aos operadores durante o manuseio. É importante ressaltar que a presença de ácaros está relacionada a fungos, uma fez que os mesmos, também, se alimentam desses microrganismos. Desenvolvem-se em ambientes cuja temperatura varia entre 7 e 30 °C e umidade relativa acima de 60%. O ambiente ideal para o seu desenvolvimento é estabelecido por temperaturas entre 20 e 25 °C e umidade relativa entre 80 e 90%. Portanto, para o seu controle deve-se estabelecer, principalmente, umidade relativa de equilíbrio inferior a Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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60%, o que se consegue por meio da redução do teor de água dos grãos, considerando-se determinada temperatura. Grãos com umidade superior a 14% (b.u.) devem ser mantidos em temperatura baixa (possível em climas temperados) ou por meio do resfriamento artificial do ar, evitando-se focos aquecidos na massa. Alguns pesquisadores consideram que, para infestações de pequena intensidade, o emprego dessa técnica poderá ser dispendioso. Na Tabela 3 contém informações sobre as temperaturas mínimas e ótimas para o desenvolvimento de algumas espécies de ácaros. TABELA 2 – Valores das temperaturas ótimas e favoráveis para o desenvolvimento de insetos-praga em 100 dias e das umidades relativas mínimas para o desenvolvimento de algumas espécies.
Espécies Trogoderma granarium Cryptolestes ferrugineus Oryzaephilus surinamensis Tribolium confusum Tribolium cataneum Rhyzopertha dominica Cryptolestes pusillus Sitophilus granarius Sitophilus oryzae
Tolerância ao frio
Tolerância à umidade relativa
Resistente
Tolerante a baixa UR
Moderado Susceptíve l Moderado Susceptíve l Resistente Moderado
33 - 37 32 - 35 31 - 34
22 20 19
Umidade relativa mínima (%) 1 10 10
30 - 33
21
1
32 - 35
22
1
32 - 35
21
30
UR elevada
28 - 33
19
60
UR elevada UR elevada
26 - 30 27 - 31
17 18
50 60
Tolerante à baixa UR Tolerante à baixa UR Moderado
Temperatura (°C) Ótima
(1)
Segura
Fonte: Navarro et al. (2002). (1) da oviposição.
Tabela 3 – Valores de temperaturas mínimas e ótimas para o desenvolvimento de algumas espécies de ácaros
Espécies Tyrophagus putrescentiae Glycyphagus deestructor Cheyletus eruditos Carpoglyphus lactis Aleuroglyphus ovatus Rhizoglyphus echinopus Caloglyphus berlesei Acarus siru
Temperaturas (°C) Mínimas Ótimas 9 - 10 23 – 28 10 - 15 15 – 25 12 25 – 27 15 25 - 28 22 23 – 25 6 - 10 23 – 27 16,5 22 - 30 7 23 - 30
Fonte: Navarro et al. (2002).
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2.3. Inibir o Desenvolvimento da Microflora O teor de água do produto e a temperatura dos grãos e a temperatura e umidade relativa do ar intergranular influenciam o desenvolvimento da microflora. Sabe-se que grãos com teor de água de até 15% (b.u.) podem ser armazenados durante mais tempo, se a temperatura for baixa (8 a 10 oC) e a umidade relativa do ar intergranular, não ultrapassar 70%. Em regiões de clima tropical e subtropical é difícil estabelecer estas condições por meio de aeração com ar natural. Segundo Lazzari (1999), apesar de existir grande número de espécies de fungos produtoras de micotoxinas, são poucos os que apresentam importância econômica, por infectarem os grãos. Na Tabela 4 estão relacionadas algumas das principais espécies produtoras de toxinas. TABELA 4 - Principais fungos toxicogênicos que infectam grãos e seus derivados, com as toxinas produzidas Espécies de fungos Aspergillus flavus
Toxinas Aflatoxinas B1, B2, G1 e G2
Grãos e produtos
Sementes de algodão, amendoim, arroz, aveia e cevada.
Aspergillus parasiticus Fusarium graminearum
Zearalenona e vomitoxina
Canola, milho, trigo e triticale.
Fusarium moliniforme
Fumonisinas
Sorgo, soja, farelos (soja,milho e trigo) e tortas (algodão e amendoim).
Fusarium roseum Fusarium tricinctum Penicillium viridicatum
Ocratoxina A
Fonte: Lazzari, (1999).
Navarro et a. (2002) informam que para remover a umidade dos grãos com ar natural é necessário mais ar do que para fazer resfriamento. Afirmaram que no processo de aeração normal é utilizado entre 0,22 e 0,33 m3 de ar. min-1.t-1 para aerar, temporariamente produtos úmidos, enquanto que com o resfriamento será necessário aproximadamente 0,11 m3 de ar . min-1. t-1 para resfriar ao ponto de inibir a atividade de fungos e ácaros. A Tabela 5 contém as indicações de temperaturas e umidades relativas mínimas ótimas e máximas para o desenvolvimento de algumas espécies fúngicas.
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TABELA 5. Valores de umidade relativa, umidade de equilíbrio e de temperatura mínima,ótima e máxima para que ocorra o desenvolvimento de fungos
Espécies de fungo Alternaria Aspergillus candidus(1) A. flavus(1) A. fumigatus(1) A. glaucus(1) A. restrictus(1) Cephalosporium acremonium Epicoccum Fusarium moniliforme F. graminearum Mucor Nigrospora oryzae Penicillium funiculosum P. oxalicum P. brevicompactum(1) P. ciclopium(1) P. viridicatum(1)
Umidade relativa mínima para germinação (%)a
Umidade de equilíbrio (% b.u.)b
91b 75 82 82 72 71-72 97 91 91 94 91 91 91 86 81 81 81
19 15 16-17 16-17 13,5-14,0 13,5 22 19 19 20,5 19 19 19 17 16 16 16
Temperatura de desenvolvimento (°C) Mínima Ótima Máxima -3 20 36-40 10 28 44 6-8 36-38 44-46 12 37-40 50 8 25 38 8 25 40 -3 25 28 4 28 36 4 25 32 -3 28 36 4 28 32 8 30 36 8 30 36 -2 23 30 -2 23 30 -2 23 36
Nota: (1) se desenvolvem em baixo a moderado teor de água, as demais espécies, em alto teor de água. a Umidades relativas em que 5% ou mais de esporos podem germinar. b Umidade de equilíbrio à, aproximadamente, 25,5 °C que estabelecem as mínimas umidades relativas de germinação de fungos, propiciando aumento no teor de água dos grãos, permitindo a competitividade dos fungos (valores médios para milho e trigo). Fonte: Lacey et al, citados por NAVARRO et al. (2002).
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2.4. Preservar a Qualidade dos Grãos A qualidade dos grãos armazenados pode ser definida em função de diferentes atributos, os quais devem atender a diferentes seguimentos de mercado, tais como, o sementeiro, o da indústria de concentrados para a alimentação humana e animal, e o da comercialização do produto “in natura”. Por isso, além da germinação, outros atributos são utilizados para avaliar a qualidade dos grãos armazenados, quais sejam o teor de água, o índices de impurezas, o envelhecimento acelerado, a condutividade elétrica, a infecção por microrganismos, a contaminação por toxinas, a acidez de óleos e a formação de peróxidos, índices de quebrados, trincados e danificados, infestação por insetos-praga, massa específica aparente. Grãos que possuem baixa viabilidade são mais vulneráveis à infecção por fungos e, portanto, susceptíveis ao processo de deterioração. As modificações químicas que ocorrem nos grãos, quando mantidos em baixa temperatura durante a armazenagem, são lentas e, às vezes, até insignificantes. A velocidade das reações químicas que ocorrem nos alimentos armazenados pode ser reduzida à metade quando a temperatura decresce em 10 o C. Grãos armazenados a granel formam um ecossistema característico, em estado quase latente, em que todas as atividades bióticas são imperceptíveis (Figura 1), desde que sejam estabelecidas condições favoráveis para o estabelecimento desse estado de latência. Esta condição de aparente inatividade deve ser mantida durante maior tempo possível, desde que o processo não resulte em perdas de qualidade do produto armazenado, o que é alcançado por meio da redução de temperatura, do teor de água e do índice de impurezas dos grãos, principalmente. Acréscimo na temperatura e, ou na umidade relativa do ar intergranular poderá propiciar desequilíbrios em quaisquer dos fatores do sistema biótico, resultado em perdas parciais ou totais da massa de grãos. A introdução de uma massa de ar com temperatura baixa é uma técnica benéfica à conservação dos grãos, em estado de repouso, por período de tempo mais prolongado.
Figura 1 – Composição do ecossistema da massa de grãos em um silo. 276
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A Tabela 6 contém informações sobre o período máximo de armazenagem de milho, considerando-se a perda de matéria seca de até 0,5%, em diferentes condições de temperatura e teor de água. TABELA 6 – Estimativa do tempo possível de armazenagem de milho, em dias, com diferentes teores de água Temperatura (ºC) 0 4 10 16 21 27b 32 38
15
16
c
c
c
c
491 275 154 86 48 27
265 148 83 47 26 15
Teor de água (% b.u.) 17b 19b 21 c 377 206 448 197 108 155 69 39 85 39 22 49 22 12 28 12 7 15 7 4 9 4 3
23 131 68 26 16 8 4 2 1
25 92 48 21 10 5 3 2 1
Notas: b aeração contínua, com fluxo de 30 a 60 m3 h-1 t-1, durante o período em que o milho foi mantido com 18% b.u. e, ou à temperatura de 27 ºC. c mais que dois anos. Fonte: Steele et al.; Thompson; Friday, citados por Noyes & Navarro (2002).
2.4. Uniformizar a Temperatura Outro importante objetivo da aeração, principalmente nas regiões onde existem grandes amplitudes térmicas durante o dia, esta técnica pode ser utilizada para prevenir ou evitar a migração de umidade. Neste caso, não se busca o resfriamento efetivo da massa de grãos, mas mantê-la sob temperatura uniforme. Pelo fato de serem maus condutores de calor, variações nas temperaturas da massa de grãos, inferiores a 4 °C, são consideradas uniformes. Gradientes elevados de temperatura poderão intensificar as correntes de convecções naturais do ar intergranular, resultando no fenômeno de migração de umidade, por propiciar a difusão de água. Por ocasião de tempo frio aparece uma corrente convectiva com o ar descendo pela camada de grãos mais frios, ao longo e próximos das paredes do silo, que sobe através das camadas de grãos, mais quente, no centro do silo. À medida que o ar sobe pelo centro, irá sendo aquecido e terá sua capacidade de absorver umidade aumentada, retirando água dos grãos. Entretanto, quando o ar estiver próximo da superfície superior e fria ele resfriará, perdendo capacidade de absorver umidade e transferindo a umidade adquirida anteriormente para a camada superior de grãos. Isto criará uma região de grãos úmidos no topo central do silo com grande potencial para deterioração (Figura 2 a). Por ocasião da estação mais quente, ocorrerá um fluxo de ar oposto (Figura 2b) por causa das temperaturas ambientais mais altas. A condensação com um potencial para deteriorarão acontecerá na região central no fundo do silo. Um dos maiores problemas decorrentes da migração de umidade, quando são Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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criadas condições favoráveis para o desenvolvimento de fungos e de insetos, consiste na mistura das camadas contaminadas com as descontaminadas, quando ocorrer a descarga parcial ou total do produto armazenado. Dentre os danos causados, o mais preocupante é a contaminação por micotoxinas. A intensidade da migração de umidade poderá ser influenciada pela espessura da camada de grãos e pela variação da temperatura em diferentes pontos da massa. Em camadas muito espessas, observa-se aumento na velocidade das correntes naturais de convecção e, consequentemente, incrementa-se o transporte de umidade e, a combinação entre camadas de alta espessura com elevada diferença de temperatura, também, intensifica a quantidade de umidade transportada.
(a) (b) Figura 2 – Pontos de possíveis danos à superfície da massa de grãos, em função do 278
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2.5. Prevenir o Aquecimento dos Grãos Esta vantagem aplica-se freqüentemente à armazenagem em silo pulmão, com grãos úmidos, recém colhidos. Deve-se lembrar que, nessas condições, o produto deve passar por uma operação de pré-limpeza. Neste caso, a aeração permite aumentar o fluxo de entrada de produto úmido na unidade armazenadora, reduzindo nos investimentos ou no super dimensionamento de secadores. Existem limites máximos para teores de água e temperaturas dos produtos úmidos, em relação ao tempo de espera para a secagem. A Tabela 6 contém esses referenciais para milho. O operador deve estar atento e consultar a tabela sobre o tempo permissível para a armazenagem de grão sob diferentes condições de umidade e temperatura. Nesse caso, o sistema de aeração deve ser projetado para fornecer grandes volumes de ar, a fim de manter a qualidade original do produto úmido até o início da operação de secagem. Para as regiões tropicais, subtropicais e temperadas, o fluxo de ar aplicado em produtos úmidos pode ser entre 10 e 15 vezes superior ao utilizado para fazer a aeração de equabilização ou de resfriamento. 2.6. Promover a Secagem Dentro de Certos Limites Em geral, não se entende a aeração como processo de secagem, porém, em condições favoráveis, grãos úmidos (abaixo de 20% b.u.) são secados (secagem com ar natural) em silos com altas vazões de ar em operação contínua, desde que a temperatura do ar não atinja valores próximos de 0 oC. O fluxo de ar mínimo recomendado para secagem, dependendo das condições ambientais e, como dito anteriormente, o fluxo é 15 a 25 vezes maior que o fluxo para a aeração de resfriamento. Por questões didáticas, a utilização da secagem em silos deve ser diferenciada da aeração de resfriamento. Remover os odores: em função da atividade biológica dos grãos e dos organismos que constituem o ecossistema da massa, odores não-desejáveis podem ocorrer. A aeração pode ser utilizada para remover, além desses odores, os gases resultantes do combate às pragas e devolver aos grãos o cheiro característico. 3. SISTEMA DE AERAÇÃO Consiste de um conjunto de equipamentos necessários à perfeita realização da aeração. Basicamente, é composto por: Ventilador com motor – devem fornecer a quantidade de ar necessária ao resfriamento do produto e ser capaz de vencer a resistência oferecida à passagem deste ar pela massa de grãos armazenada. Dutos - permitem a insuflação ou a sucção de ar através da massa de grãos. Silos - armazenam a massa de grãos. Dispositivos para monitoramento - indicam as condições do ambiente interno e externo da massa de grãos e, em alguns casos, podem acionar ou ligar o sistema de ventilação em função daquelas condições. Um sistema de aeração com ventilador fixo para cada unidade de armazenagem pode ser simples, versátil e eficiente sob o ponto de vista técnico. Entretanto, pode ser a Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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opção mais cara, por exigir vários motores e vários ventiladores para produzir a mesma quantidade de ar. A utilização de um único ventilador e duto de distribuição para mais de uma unidade de armazenagem é uma alternativa satisfatória para o suprimento de ar. Neste caso, faz-se a aeração em vários silos sucessivamente. A adoção de um ou mais sistemas de ventilação deve ser baseada em um criterioso estudo técnico e econômico. A Figura 3 ilustra um sistema de aeração em um silo. Algumas definições importantes sobre os componentes e a operação de um sistema de aeração são dadas a seguir: Dutos para distribuição de ar - podem ser divididos em duto principal ou de suprimento e duto secundário ou de aeração (Figura 4). O primeiro tem a finalidade de conectar o ventilador a um ou mais dutos secundários e, estes, a de distribuir, o mais uniformemente possível, o ar através da massa de grãos. A diferença básica está no fato de que o duto principal não possui perfurações.
Figura 3 – Componentes básicos de um sistema de aeração em silos. Os dutos podem ser circulares, semicirculares, retangulares, em forma de "U" ou de "V" invertidos. Silos com fundo falso, totalmente perfurado, são também utilizados. Nos dutos perfurados, a área de perfuração deve corresponder no mínimo a 15% da área total do duto, e cada furo deve ter dimensão e formas tais que não permitam a passagem de grãos.
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Figura 4 – Tipos de dutos de aeração. Clique para ver: vídeo 1 As principais dimensões de um sistema de dutos são: Tamanho - a seção transversal e a profundidade influenciarão a velocidade do ar dentro do duto e a uniformidade de distribuição do ar na massa de grãos. Área superficial - influenciará a pressão de saída de ar do duto para a massa de grãos. Espaçamento entre dutos - tem influência sobre a uniformidade de distribuição do ar na massa de grãos. Velocidade do ar dentro dos dutos - a velocidade admissível para o ar dentro do duto é 470 a 600 m.min-1, quando o seu comprimento é de no máximo 7,5 m, ou 300 a 470 m.min-1, quando o comprimento varia de 7,5 a 18 m. A velocidade do ar ao deixar os furos dos dutos para a entrada na massa de grãos não pode exceder a 10 m.min-1, em silos horizontais (predominância do diâmetro ou da largura sobre a altura), e 15 m.min-1, em silos verticais. Ventilador: é a máquina utilizada para movimentar o ar através da massa de grãos. Essa movimentação é feita por meio de um rotor centrífugo ou axial, acionado por uma unidade motora (veja Capítulo 10). O ventilador deve ser dimensionado para: a) Fluxo de ar: deve-se fornecer uma determinada quantidade de ar, medida em unidade de volume por unidade de tempo e de massa ou de volume de grãos (m3 de ar por minuto por m3 de grãos ou m3 de ar por minuto por tonelada de grãos). Adotam-se diferentes fluxos em função da variação na distribuição de ar, para diferentes tipos de armazéns. Para silos verticais, pode variar entre 0,05 e 0,1 m3 min-1. t-1 de grãos, e para estruturas horizontais, entre 0,1 e 0,20 m3 min-1. t-1 de grãos. Apesar da possibilidade de existirem variações devido a condições Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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atmosféricas, tipos de grãos, potência do motor, finalidade e tempo de aeração, a Tabela 7 fornece indicação de alguns fluxos de ar para aeração. b) Pressão estática: o ventilador deve vencer a resistência à passagem do fluxo de ar, isto é, ter pressão superior à pressão estática do sistema, que é medida em força por unidade de área e equivale à resistência que os grãos e o sistema de distribuição oferecem à passagem do ar. A pressão estática é um valor importante para o dimensionamento da potência do motor e o cálculo do ventilador. Normalmente este valor é dado em milímetros de coluna de água (mmca) ou Pascal (Pa). A pressão estática varia diretamente com a altura da camada de grãos e com a velocidade com que o ar atravessa esta camada. A Figura 6 mostra essa relação. Unidade armazenadora: é a estrutura para guardar os grãos. Esta estrutura pode ser vertical ou horizontal e depende das características técnicas e da relação entre a altura e o diâmetro ou altura e largura da estrutura.
Figura 6 – Variação entre a vazão do ar e a pressão estática, por metro de profundidade de coluna de grãos. TABELA 7- Recomendação de fluxos de ar para aeração Tipo de unidade/finalidade 282
Fluxo de ar (m3 min-1. t-1 de grãos)
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Capítulo 11 Horizontal / grão seco Vertical / grão seco Pulmão / grãos úmidos Seca-aeração
Aeração de Grãos Armazenados Região fria 0,05 a 0,10 0,02 a 0,05 0,30 a 0,60 0,50 a 1,00
Região quente 0,10 a 0,20 0,03 a 0,10 0,30 a 0,60 0,50 a 1,00
Clique ao lado para ver: vídeo 1 4. OPERAÇÃO DO SISTEMA DE AERAÇÃO Antes de optar pelo uso de um sistema de aeração, deve-se avaliar as condições climáticas, para atender aos objetivos propostos, principalmente quando se trata dos aspectos de conservação dos grãos durante a armazenagem. Um diagrama que relaciona temperatura e umidade de um lote de grãos é usado para previsão das características de conservação da massa, durante o armazenamento. Pelo diagrama, pode-se prever a natureza dos riscos a que o produto ficará sujeito durante a operação de aeração (Figura 6). Neste diagrama, a melhor condição para armazenar os grãos é estabelecida pela delimitação da área no espaço inferior à linha A e à esquerda da linha B. O diagrama apresentado na Figura 7 mostra outras variáveis que permitem uma análise técnica sobre o uso de aeração. Pelo diagrama, pode-se estabelecer as seguintes condições: a) Para umidade relativa superior a 90%, a aeração é recomendada somente no caso em que a diferença de temperatura entre os grãos e o ar for superior a 5 o C. b) Para umidade relativa inferior ou igual a 60%, a aeração só é recomendada e aplicável em grãos úmidos ou que estejam aquecidos a uma temperatura muito superior à do ar, necessitando, portanto, de resfriamento. Em outra situação, poderá haver supersecagem da massa. c) Resfriamento inferior a 3 oC torna a aeração desnecessária. d) Resfriamento entre 3 e 5 oC torna a aeração recomendável. e) Resfriamento com gradiente de temperatura superior a 7oC torna a aeração possível, porém pode provocar condensação do vapor d'água na superfície da massa e nas paredes do silo. 4.1. Como Resfriar ou Aquecer uma Massa de Grãos O conceito de frente de resfriamento, assim como se entende o conceito de frente de secagem, é importante para se entender a técnica da aeração. O funcionamento do sistema de ventilação por umas poucas horas não irá resfriar toda a massa de grãos, a não ser que o silo esteja carregado com uma camada pequena do produto. Num silo cheio ou com carga de alguns metros de espessura, os grãos próximos da entrada de ar serão resfriados à temperatura do ar, enquanto a temperatura dos grãos nas camadas superiores permanecerá praticamente nas condições iniciais, exceto em uma faixa onde está acontecendo o abaixamento de temperatura ou a frente de resfriamento (Figura 8). Assim, é necessário continuar a operação de aeração até que a frente de resfriamento Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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tenha se movido através da massa de grãos e até que a camada superior tenha sido resfriada e atingido valor igual à temperatura do ar. Se o operador interromper a aeração, com a frente de resfriamento no interior da massa de grãos, as diferenças de temperatura entre as camadas resfriadas, as camadas em processo de resfriamento e as camadas em condições iniciais podem ser suficientes para que ocorra migração de umidade, além de acelerar o processo de deterioração do produto. Como foi dito, um dos objetivos da aeração é manter a temperatura da massa de grãos o mais uniforme possível e próxima da condição ambiental. Além do visto anteriormente, deve-se fazer aeração para evitar migração de umidade e promover o resfriamento da massa de grãos. Nesses casos, deve-se operar o ventilador sempre que a temperatura externa for 7oC inferior à temperatura dos grãos, levando-se em consideração a umidade relativa média do ar de resfriamento, que deve ser igual ou um pouco inferior à umidade relativa de equilíbrio do produto armazenado. Entretanto, a flutuação diária da umidade relativa permitirá, de modo geral, operar o sistema de aeração quando os valores de umidade relativa do ar estiverem 10% acima dos valores da umidade relativa de equilíbrio.
Figura 6 - Diagrama indicativo de aeração.
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Fiigura 7 – Diagrama dee conservaçção de grão os.
Figu ura 8 - Detaalhe das cam madas de grãos g duran nte pequeno período d de resfriam mento 5. SU UCÇÃO OU U INSUFLA AÇÃO DO O AR A form ma de passsar o fluxoo pela maassa de grrãos pode gerar alg gumas m imporrtantes paraa o sistema de d aeração. Quando o m movimento de ar caraccterísticas muito é asccendente e o ventiladorr encontra-sse instalado na base do silo, o sisteema é conh hecido comoo insuflaçãoo ou ventilaação positivva. Em senttido contrárrio, a ventillação é chaamada S Secagem e Armazenage A em de Produutos Agrícolas
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de sucção ou negativa (Figura 9). Em ambos os casos, tem havido controvérsia quanto às vantagens da utilização de uma ou outra forma de ventilação. Para se decidir sobre o uso de uma das opções, o operador da unidade armazenadora deve considerar alguns pontos importantes. Um deles é que a insuflação irá adicionar calor ao ar devido à ineficiência dos ventiladores. Em geral, os ventiladores e o próprio sistema de distribuição produzem acréscimos superiores a 3oC na temperatura do ar. Dessa forma, a escolha da insuflação poderá ser uma alternativa correta, se a umidade da massa de grãos estiver acima da ideal de comercialização. A adição de calor abaixará a umidade relativa do ar e poderá provocar secagem do produto, caso a umidade do grão esteja acima da umidade de equilíbrio com a nova umidade relativa do ar. Em se considerando o controle de pó, devido principalmente a problemas ambientais e de segurança, o uso da sucção ou ventilação negativa é a opção correta. Outro fator que pode ser considerado na adoção de ventilação positiva ou negativa é a posição do foco de aquecimento. Se o ventilador estiver instalado na base do silo e o foco quente estiver na parte superior da camada de grãos, a ventilação deve ser ascendente, e, caso o foco esteja nas camadas inferiores, o fluxo deve ser descendente. De modo geral, o operador deve considerar as seguintes vantagens: 5.1. Ventilação Positiva a) facilita a avaliação da temperatura da massa de grão, em caso da inexistência do sistema de termometria; b) o calor gerado pela radiação solar no teto da unidade armazenadora não é incorporado à massa de grãos e sim eliminado imediatamente; e c) o ar ambiente pode ter sua umidade relativa reduzida pela elevação da temperatura, em sua passagem pelo sistema de aeração antes de entrar na massa de grãos, sem perigo de aumentar o teor de umidade do produto. 5.2. Ventilação Negativa a) existe menor probabilidade de que ocorra condensação na superfície da massa de grãos e no teto da unidade armazenadora; b) os odores característicos que indicam a deterioração podem ser facilmente detectados na saída do ventilador; c) o calor proveniente do ventilador e do sistema de distribuição de ar não é transferido para a massa de grãos e, neste caso, não afeta de maneira pronunciada a umidade do produto, quando a umidade relativa do ambiente estiver próxima à de equilíbrio com a umidade da massa de grãos; e d) no caso de usar ventiladores axiais acionados por motores trifásicos, basta usar uma chave de reversão para mudar o sentido do fluxo de ar.
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(a)
(b)
Figura 9 - Fluxo de ar sendo impulsionado para cima (a) e succionado através da massa de grãos (b)
6. ACONDICIONAMENTO DO PRODUTO Material fino, sementes de erva daninha e outros materiais estranhos irão afetar negativamente a aeração, especialmente, se estes materiais estiverem concentrados em um determinado local que, de modo geral, ficam localizados nas projeções centrais do silo. Considerando que para aeração é usado pequenos fluxos de ar, qualquer aumento na resistência ao fluxo terá grandes efeitos na trajetória do fluxo. Além disso, o segmento cônico da carga, causado pelo ângulo de repouso do produto, quando espalhadores não são utilizados, faz com que as trajetórias do ar próximo às paredes, fiquem maiores do que nas regiões centrais do silo. Como resultado, será necessário mais tempo deslocar a frente de aeração pelas regiões onde houver a concentração de finos ou maior altura de grãos (Figura 10). Para evitar os problemas, um ou mais dos seguintes procedimentos podem ser considerados pelo operador: a) Fazer uma limpeza correta do silo e do produto antes de carregá-lo; b) Evitar, ao máximo, que o produto caia com alta velocidade, produzindo grandes quantidades de quebrados e finos; c) Na impossibilidade de boa limpeza, distribuir, uniformemente, o produto (inclusive os materiais estranhos e finos) ao longo da altura do silo. A distribuição uniforme da "resistência" causará uma densidade global mais alta no silo. Entretanto, uniformiza a distribuição do fluxo de ar; d) Após o carregamento, tentar remover um pouco do produto do centro do silo. Esse procedimento ajudaria a eliminar parte do material "resistente" acumulado no centro do silo. O material central removido será, Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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connseqüentem mente, substituído por um u produto mais limpoo; e e) Ceertificar-se de d que a freente de aeraação tenha percorrido toda a masssa de grããos. Ou sejaa: ventilar por p tempo mais m prolonggado.
Figgura 10 - C Caminhos, intensidad de de fluxo e formas da frente de aeração o; (a) insuflação (b) sucçãoo.
7. SIISTEMA DE TERMO OMETRIA m Um fluxxo contínuoo de elétronns é estabelecido atravvés de doiss fios de metais mopar) quando as suuas junções são expoostas a duuas temperaaturas diferentes (term diferentes, comoo é mostradoo na Figura 11. Quando se aquece a junção 1 e se resfriaa a junção 2 (junção d de referênccia), a f no senttido de 2 paara 1, até a junção j quennte. Esta corrrente correente elétricaa começa a fluir geradda é chamadda de corrente termeléttrica e, devido à difereença de tem mperatura, a força eletroomotriz exiistente entree as duas juunções é ch hamada de termo-forçaa eletromotrriz. A f.e.m m. gerada noos termoparres é dada em mV e depende daa temperatuura da junçãão de trabaalho, da resisstência e doo tipo do term mopar emprregado.
Figu ura 11 – Cirrcuito termelétrico de diferentes metais. m I do Sistemaa de Termoometria 7.1. Instalação Na escollha do term mopar deve-sse levar em m consideraçção o custo, a finalidad de ou 288
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faixa de temperatura a ser medida, a condição ambiental, o esforço físico a que será submetido e a precisão da medida. Na prática, o termopar “cobre-constantan” é o mais utilizado para monitorar temperaturas nos sistemas de aeração. A instalação do sistema é feita com fixação dos cabos em pontos estratégicos na massa de grãos. O espaçamento entre os cabos e entre os pontos é determinado por critérios técnicos e econômicos, estabelecendo-se uma distância máxima de 6,0 m entre cabos e 2,0 a 2,5 m entre os pontos de cada cabo (Figura 12). Além dos fios condutores, o sistema é composto por cabos de aço com capacidade para suportar esforços de tração provenientes do escoamento dos grãos durante a descarga (Figura 13). O sistema de leitura pode ser feito por instrumentos (potenciômetros) portáteis, próprios para pequenas instalações, ou mesas computadorizadas, próprias para grandes unidades armazenadoras, cujos pontos de medição são identificados em quadros sinópticos (Figura 14). Nestas mesas, as temperaturas dos pontos são determinadas por meio de cabos termelétricos que possuem uma série de fios de cobre em volta de um fio de constantan, suportado por um cabo de aço (Figura 13). 7.2. Monitoramento do Produto Armazenado Para manejar corretamente o produto, o operador deve estar apto a determinar as temperaturas da massa de grãos em vários pontos do silo, obedecendo corretamente os manuais dos fabricantes dos equipamentos e as normas da unidade armazenadora. Especial atenção deve ser dada na obtenção das temperaturas das últimas partes a serem atingidas pela frente de aeração. Em silos pequenos, pode-se trabalhar, razoavelmente, com sondas simples, porém, em silos com grandes dimensões, um sistema de termometria eficiente é altamente recomendado. Caso seja necessária a entrada do operador no silo, para o monitoramento das condições do produto, devem ser usadas medidas de segurança adequadas como: a) nunca entrar no silo durante a descarga; b) se parte do produto já foi retirada da célula, fique atento. Uma camada de grãos compactada pode esconder uma cavidade que pode desmoronar facilmente, com sérios danos para a célula ou para o operador. c) escadas especiais devem ser instaladas nas paredes do silo para permitir acesso fácil e seguro. Uma corda de segurança, bem ajustada, deve ser usada se houver necessidade sair da escada de liberar uma das mãos; e d) mesmo usando equipamentos de segurança e com iluminação adequada, nunca entre em um silo sem estar acompanhado de um auxiliar.
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Figu ura 12 – Possicionamen nto dos cabos termom métricos
ura 13 – Seggmento de um u cabo dee termometria. Figu
ura 14 – Sisttema para controle c dee temperatu ura em siloss Figu Cliqu ue ao lado para p ver: vídeo v 1 8. CÁ ÁLCULO DE D UM SIS STEMA DE E AERAÇÃ ÃO O exempplo a seguirr fornece o memorial de d cálculos para o dimeensionamen nto de um sistema de aeeração e parra o tempo provável p de resfriamentto da massa de grãos. Exemploo: dimensioonar um sisttema de aerração por duutos, para uum silo de fundo f planoo com 10,0 m de diâmeetro e 12,0 m de coluna de grãos. 290
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Dados: - massa específica do produto: 750 kg.m-3; - silo localizado em uma região quente; e - eficiência do sistema de ventilação (n): 60%. O dimensionamento de um sistema de aeração consiste em calcular a vazão de ar e pressão estática do ventilador, a potência do motor, a área de perfurações, o número de dutos, o espaçamento entre os dutos e o tempo provável de resfriamento da massa de grãos. Para maior facilidade, o problema será equacionado obedecendo-se à solução passo a passo. Primeiro passo - cálculo da capacidade do silo (Ca): Ca = A . H. Me
eq.1
em que A - área da base do silo, m2; H - espessura da camada de grãos, m; e Me - massa específica do produto, kg.m-3. Ca = 78,5 x 12,0 x 750 = 706.500 kg ou 942,0 m3 Segundo passo - cálculo de vazão de ar (Q, em m3.min-1): Da Tabela 7 obtém-se o fluxo de ar (F), indicado para unidades verticais, em regiões quentes. O valor 0,05 m3/min.t é o mais indicado. Q = F . Ca
eq. 2
Q = 0,05 . 706,5 = 35,3 m3 de ar . min-1 Terceiro passo: cálculo da pressão estática (Pe, em cmca): A Figura 5 fornece a variação entre a vazão específica de ar e a pressão estática, por metro de camada de grãos, para diferentes produtos. Para efeito de cálculo, sugere-se a utilização de valores obtidos na curva do produto que oferecer a maior resistência à passagem do ar. Neste caso, faz-se a opção pelo trigo. A vazão de ar (Q) por metro quadrado de piso é 35,3 / 78,5 = 0,45 m3 de ar. min-1. m-2 de piso Da Figura 5 obtém-se a pressão estática (Pe): Pe = 0,25 cmca . m-1 de camada de grãos. A pressão estática total será obtida somando-se a pressão equivalente à altura total da camada de grãos, a perda de carga devido a tubulações, válvulas, registros, curvas, etc., que é estimada em 20% da resistência oferecida pelos grãos. Considera-se, ainda, um fator de compactação da massa de grãos igual a 60% em relação à pressão na camada de grãos. A pressão estática total (Pet) será: Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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Pet = (Pe + (Pe . 0,2) + (Pe . 0,6))H Pet = 12(0,25 + (25.0,2) + (0,25. 0,6) = 5,4 cmca. Quarto passo - potência necessária ao sistema (Pot): Pot (CV) = Q x Pet / 450 . n
eq. 3
Pot = (35,3 . 5,4) / (450 . 0,6) Pot = 0.71 ⇒1,0 CV Quinto passo - cálculo da superfície perfurada (SP): No cálculo da superfície perfurada, toma-se como referência a velocidade do ar admissível na saída dos dutos para a massa. Neste exemplo, considera-se a velocidade máxima do ar igual a 10 m/min, o que implicará menor queda de pressão. SP = Q (m3./min-1) / V (m.min-1)
eq. 4
SP= 35,3 /10 SP = 3,5 m2 Sexto passo - cálculo da seção transversal do duto principal (ST): A área da seção transversal do duto principal é função da máxima velocidade do ar admitida. Este exemplo considera a máxima velocidade do ar igual a 350 m/min: ST=Q(m3.min-1) / V (m.min-1)
eq. 5
ST =35,3 / 350= 0,10 m2
Sétimo passo: cálculo da largura (l) e da altura (h) do duto principal: Extraindo a raiz quadrada do valor de ST calculado, podem-se obter os lados do duto principal, admitindo uma seção quadrada. Entretanto, se for admitida uma seção retangular, pode-se chegar a valores, para cada um dos seus lados (l), iguais a: l = 0,30 m e h = 0,35 m Estas dimensões devem ser preferidas, considerando-se os aspectos de construção. Oitavo passo - cálculo do comprimento dos dutos perfurados (c): Considerando que a altura dos dutos com área perfurada será igual à altura (h) do duto principal, o comprimento do duto perfurado será: C=SP / h
C=3,5 / 0,35 = 10 m de dutos Nono passo: espaçamento dos dutos: 292
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eq. 6
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Na maiooria dos casoos, não é possível ter um u duto únnico no siloo para suprirr o ar necesssário à maassa de grãoos. Portantoo, torna-se necessário n d dividir o duuto perfurad do em várioos segmentoos, que sejam m adequadaamente posiicionados noo fundo doss silos, paraa uma perfeeita distribuuição do ar.. Após o estabelecimeento do possicionamentto dos duto os e a definnição do poosicionamennto (Figuraa 4), deve--se dimensiionar o esppaçamento. Este espaççamento é definido d a paartir da relaação entre a maior distâância (L) e a menor disttância (H) que q o ar irá percorrer p attravés da maassa de grão os (Figura 155). A relação ideal de L/H L é 1,5. No N entanto, variações v enntre 1,2 e 1,,7 são toleraadas. L=H+X em que q X é o afaastamento do d duto, em m. Assim: L / H = 1,5 (H + X) / H = 1,55 X = 6,0 6 m O valor de 1,5 não é uma relaação desejáv vel para doiis dutos. O resultado sugere uma relação de menor m valorr, por exempplo, 1,2. L / H = 1,2 (H + X) / H = 1,22 X = 2,4m 2 O valor de X = 2,4 pode serr aproximad do para 2,5 m, o que coloca os dutos eqüiddistantes do centro do silo, s sem preejudicar a op peração de descarga d (Fiigura 16). Outra maaneira que pode p ser usaada para localização de dutos em uum silo retan ngular é usaando o diagrrama mostraado na Figurra 17, adaptado de Hilbborn (1976)
Figu ura 15 – Rellação de disstâncias parra a distrib buição dos dutos. d Décimo passo - cálculo da largura l (l) dos d dutos peerfurados: Foi definnido anterioormente (séétimo e oittavo passoss) que as aalturas dos dutos princcipais e perffurados terãoo o mesmo valor. v h dois duttos perfurad dos e que os o dois receeberão a mesma m Considerrando que há S Secagem e Armazenage A em de Produutos Agrícolas
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quanntidade (Qi) de ar, tem--se: Qi = Q/2 em que Q = vazão de Qi d ar na saídda em cada duto d perfuraado, em m3.m min-1. No oitavvo passo fooi definido um comprrimento tottal de 10,0 m para o duto perfuurado. Nestaas condiçõess, cada dutoo deverá ter compriment c to (C1) iguaal a 5,0 m. Com basse nessas infformações, obtém-se o a largura l (l) do d duto perfu furado. A área total t da seçção perfuradda (SP) é igual a 3,5 m2. Para cada duto, a área perfuurada (SP1) será: SP1 = SP P / 2 = 3,5 / 2 = 1,75 m2 L1 = SP11 / C = 1,8 / 5 = 0,36 = 0,40 m
Figu ura 16 – Loccalização doos dutos em m relação ao o centro doo fundo do ssilo Décimo primeirro passo. d resfriameento: cálcuulo do tempoo provável de O tempoo provável para p o resfriiamento de uma massa de grãos em m um silo, como nestee exemplo, pode p ser detterminado pela equação o 7: t = (16,6 mg Cg) / Qt Da Ca
eq. 7
em que t: tem mpo, horas; mg : massa m total de grãos, t; Cg : calor c especíífico do grão o, kJ.kg-1 oC-1; 3 Qt : fluxo f de ar tootal, m .min n-1.; Da : densidade d doo ar, kg.m-3; e -1o -1 Ca : calor c específfico do ar, kJ.kg k C . Considerrando a denssidade do arr como 1,15 5 kg/m3 e o calor c especíífico do grão o e do -1oo -1 ar coomo 1,67 e 1,00 1 kJ.kg C , respecttivamente, tem-se: t t = (16,6 x 706,5 x 1,16) 1 / (35,33 x 1,15 x 1,00) 294
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t = 482 horas
Figura 17 – Espaçamento entre dutos para silos retangulares. Adaptado de Hilborn (1976) Clique ao lado para acessar: Aplicativo 1 9. LITERATURA CONSULTADA 1.
ARAÚJO, J.M.A. Oxidação de lipídios em alimentos. In: ARAÚJO, J.M.A. Química de alimentos: teoria e prática. Viçosa, MG: Editora UFV, 2004. p.167
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4.
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5.
KEPLER, WEBER S.A. Aeração, Seca-Aeração, Termometria, Grafosul, Porto Alegre, R.S., 1973. 34p. Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
em:
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LASSERAN, J.C. Aeração de Grãos, Série CENTREINAR, Nº 2, Artes Gráficas Formato S.A., Belo Horizonte, M.G., 1981. 131p.
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MAIZTEGUI, A.P. & SABATO, J.A. Física, Vol. 2, Editora Globo, Porto Alegre, R.S. 1973. 557p.
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