SECAGEM EM SECADORES CAPÍTULO 5 Viçosa ‐ MG
Capítulo 5
Secagem e Secadores
Capítulo
5 SECAGEM E SECADORES
Juarez de Sousa e Silva Adriano Divino Lima Afonso Sérgio Maurício Lopes Donzelles Roberta Martins Nogueira
1. DEFINIÇÃO E IMPORTÂNCIA A secagem 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 um nível tal que o produto fique em equilíbrio com o ar do ambiente onde será armazenado e deve ser feita de modo a preservar a aparência, a qualidade nutritiva, no caso de grãos, e a viabilidade, como semente. Para entender adequadamente os fundamentos da secagem de grãos e o controle das técnicas, o leitor deve, primeiramente, ter conhecimento dos princípios de psicrometria (capítulo 3 - Princípios Básicos de Psicrometria), teor de umidade e umidade de equilíbrio (capítulo 4 - Indicadores da Qualidade dos Grãos) e, em seguida, noções sobre quantidade e movimentação do ar (Capítulos 10 e 11). A importância da secagem de produtos agrícolas aumenta à medida que cresce a produção, devido às seguintes vantagens: - permite antecipar a colheita, disponibilizando a área para novos cultivos; - minimiza a perda do produto no campo; - permite armazenagem por períodos mais longos, sem o perigo de deterioração do produto; - o poder germinativo é mantido por longos períodos; e - impede o desenvolvimento de microrganismos e insetos. 2. PRINCÍPIOS GERAIS DA SECAGEM Durante a secagem, a retirada da umidade é obtida pela movimentação da água, decorrente de uma diferença de pressão de vapor d'água entre a superfície do produto a Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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ser secado e o ar que o envolve (Figura 1). A condição para que um produto seja submetido ao processo de secagem é que a pressão de vapor sobre a superfície do produto (pg) seja maior do que a pressão do vapor d'água no ar de secagem (par). As seguintes observações podem ser feitas: 1 - se pg > par: ocorrerá secagem do produto; se pg < par: ocorrerá umedecimento do produto; e se pg = par: ocorrerá o equilíbrio higroscópico. 2 - A velocidade de secagem de um produto depende, além do sistema de secagem utilizado, das características de secagem do grão individualmente. Em geral, para os grãos pequenos, a velocidade de secagem é maior que para grãos de grandes dimensões. Grãos desprovidos das camadas protetoras (sementes nuas) secam mais rapidamente do que aqueles que apresentam a estrutura integral. Os grãos de milho, por serem maiores que os de arroz e trigo, secam mais lentamente. Por outro lado, apesar de apresentarem tamanho comparável, os grãos de arroz em casca secam mais lentamente que os de trigo. Da mesma maneira, pode-se fazer comparações com os grãos de café. Se não forem convenientemente separados por estado de maturação, tamanho e condição física semelhantes, dificilmente se terá um produto final (café beneficiado) que apresente secagem homogênea e mesmo ponto de torra. Para efeito de comparação, apresentam-se, na Figura 2, as velocidades relativas de secagem de dois tipos de grãos, submetidos à determinada condição de secagem. Grãos de mesma características, com menores dimensões e com menor conteúdo de umidade possuem menores velocidades relativas de secagem. Outro fenômeno verificado nos produtos agrícolas é a velocidade da absorção de água pelo grão, que é muito mais lenta do que na dessorção.
Vel. relativa de secagem
Figura 1- Representação da movimentação da água durante a secagem. 215 165 milho
115 trigo
65 15 14
19 Umidade %
Figura 2 - Velocidades relativas de secagem para milho e trigo. 110
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Existem várias hipóteses para a movimentação da água durante a secagem, e a mais aceita é a do movimento capilar (gargalo). Segundo esta, o processo de secagem que ocorre no interior do produto pode ser dividido em dois períodos, um denominado período de razão constante e outro de período de razão decrescente que, por sua vez, pode ser caracterizado por mais períodos, como apresentado a seguir: a) Período de razão constante: quando o produto se encontra completamente úmido, no início da secagem, a água escoa, na fase líquida, sob um gradiente hidráulico (Figura 3) e, em condições naturais, à temperatura do produto se iguala à temperatura de bulbo molhado de um psicrômetro, instalado bem próximo do produto. Com a secagem ou a retirada da umidade, ocorre decréscimo no diâmetro dos poros e capilares e, conseqüentemente, decréscimo no volume do produto, aproximadamente, igual ao volume da água evaporada. A energia utilizada para a secagem nesse período é praticamente igual à necessária para evaporação da água em uma superfície livre. Com exceção dos cafés (cerejas e verdes) recém-saídos do lavador, este período não é observável em produtos agrícolas, como grãos, porque, ao serem colhidos, este período já ocorreu no campo, estando, portanto, a secagem no período de razão decrescente.
Figura 3 – Representação da movimentação da água de um produto no período de razão constante. b) Primeiro período de razão decrescente: à medida que a secagem prossegue e tenha passado pelo ponto de umidade crítica, estagio físico em que a água contida no produto deixa de comportar-se como água livre, o teor de água decresce e a água na fase líquida faz a ligação entre as partículas sólidas (produto), formando a de pontes líquidas. Apesar de poder ocorrer escoamento de água na fase de vapor, o escoamento é predominantemente capilar (Figura 4). A temperatura do produto atinge valores superiores à temperatura de bulbo molhado. Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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Figura 4 - Movimentação da água durante o primeiro período de razão decrescente. c) Segundo período de razão decrescente: a água existente nos gargalos dos poros pode migrar, arrastando-se ao longo das paredes capilares ou evaporando e condensando, sucessivamente, entre as pontes líquidas (Figura 5). A pressão parcial de vapor decresce e a contração de volume do produto continua, porém em menor intensidade.
Figura 5 - Movimentação da água durante o segundo período de razão decrescente. d) Terceiro período de razão decrescente: a secagem ocorre no interior do produto. A umidade de equilíbrio do grão é atingida quando a quantidade de água evaporada se iguala à quantidade condensada (Figura 6).
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Figura 6 - Movimentação da água durante o terceiro período de razão decrescente ou durante o equilíbrio higroscópico. 3. SISTEMAS DE SECAGEM Devido à inexistência de uma classificação oficial e apenas por questões didáticas, os métodos de secagem serão classificados e estudados segundo a seqüência a seguir: Natural – no campo, na própria planta Terreiros e paióis Ventilação Secagem Solar Natural Outros Ar Natural Camada fixa Cruzados Concorrentes Quanto Contra-correntes Sistemas Altas aos fluxos Cascata de Temperaturas Rotativo secagem Artificial Ventilação Fluidizado Forçada Solar híbrido Quanto à Intermitentes operação Contínuos Baixas Temperaturas Sistemas Combinados Seca-aeração Convecção
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A secagem natural é caracterizada pela secagem do produto no campo, na própria planta, sem a interferência do homem. A secagem artificial é caracterizada pela utilização de processos manuais ou mecânicos tanto no manejo do produto quanto na passagem do ar através da massa de grãos. No caso do terreiro e do paiol, a secagem ocorre pela ventilação natural (ação dos ventos), mas na maioria dos casos o ar é forçado por meio de ventiladores. Em alguns secadores o ar de secagem é movimentado por meio de correntes convectivas. Na secagem com ventilação forçada, podem-se empregar baixa temperatura, alta temperatura, secagem combinada e outros. Secagem em baixas temperaturas é um método artificial de secagem em que se utiliza ar natural ou ar levemente aquecido (até 10 oC acima da temperatura ambiente). A secagem com alta temperatura é aquela em que o ar de secagem é aquecido a uma temperatura superior a 10oC acima da temperatura ambiente. Este limite não é rígido, mas esta é a diferença que caracteriza o processo como não sendo mais de baixa temperatura. A secagem combinada consiste em utilizar secadores em altas temperaturas na fase em que o produto apresenta-se com umidade elevada. A partir de uma umidade preestabelecida, que é função das condições ambientais, o produto é transferido, ainda quente, para um sistema de baixa temperatura, onde a secagem será completada. Na secagem por convecção natural, o secador é alimentado por um sistema que utiliza alta temperatura, sendo necessários trocadores de calor entre o ar de combustão e o ar de secagem. Nos secadores por convecção não são usados ventiladores. O ar atravessa a massa de grãos por diferença de densidade (ver Secagem de Cacau). 4. SECAGEM NATURAL A secagem natural é um método amplamente utilizado em regiões tropicais subdesenvolvidas e/ou em desenvolvimento. Várias razões justificam essa utilização, como o desconhecimento de técnicas mais modernas pela maioria dos agricultores. Normalmente, as condições climáticas nestas regiões permitem a secagem natural; além disso, os investimentos para realizá-la são mínimos. O início do processo de secagem ocorre logo após a maturação fisiológica do produto, quando este apresenta elevado teor de umidade. A movimentação do ar é feita pela ação do vento e a energia para evaporação de umidade provém do potencial de secagem do ar e da incidência direta da energia solar. Embora, com o passar do tempo, alcance um teor de umidade adequado para armazenagem, o produto fica sujeito ao ataque de pragas, ao tombamento de plantas e às intempéries, que contribuem para acarretar grandes perdas e qualidade do produto. Uma grande desvantagem da secagem natural no campo é que ele fica ocupado por muito tempo, retardando as operações de preparo do solo para novo cultivo. No caso de culturas perenes como o café, o retardamento da colheita provoca um ciclo bianual de produtividade. Além de facilitar o desenvolvimento e ataque de pragas, o trabalho de colheita fica dificultado, e, no caso de colheita mecânica, o baixo teor de umidade do produto faz com que, durante a colheita e a debulha, apareçam grandes quantidades de danos mecânicos e perdas no campo. 114
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Como não é técnica aconselhável e pouco utilizada na produção comercial da maioria dos grãos, não será objeto de estudo neste livro. 5. SECAGEM ARTIFICIAL Na secagem artificial existe a interferência do homem, acelerando e melhorando o processo. Ela pode ser feita com ventilação natural, ventilação forçada e convecção natural. 5.1. Ventilação Natural A secagem em terreiro: difere da secagem natural simplesmente pelo fato de o produto ser retirado da planta e espalhado em camadas de espessura, geralmente, inferior a 5 cm em um pátio previamente preparado, que pode ser de concreto, asfalto, alvenaria ou de terra batida, denominado terreiro (Figura 7). A energia utilizada para a remoção da umidade é proveniente da radiação solar e da entalpia do ar. No Brasil, além do café, o produto de maior expressão que utiliza esse método de secagem é o cacau. Maiores detalhes sobre a secagem em terreiros e suas variações serão vistos nos capítulos 7 e 17 (Secagem de Grãos com Energia Solar e Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas, respectivamente). A secagem em terreiros apresenta a desvantagem da dependência dos fatores climáticos, que, se forem desfavoráveis, retardam o processo e propiciam a infecção do produto por microrganismos que causam a deterioração e depreciam o produto.
Figura 7 – Vista geral de um terreiro de concreto para secagem de café. 5.2. Ventilação Forçada A secagem de grãos em silos com ventilação forçada utilizando apenas ar natural ou com baixa temperatura é um processo lento. A baixa velocidade de secagem é devida ao pequeno fluxo de ar insuflado na massa de grãos e à dependência da capacidade de secagem do ar em estado natural. Por ser realizada em silo, é também entendida como secagem durante o armazenamento, pois, após a secagem, o produto pode permanecer armazenado no mesmo silo. Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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O silo secador-armazenador (Figura 8a, b) apresenta algumas características especiais que não são exigidas para os silos empregados apenas para a armazenagem: o piso deve ser todo de chapas metálicas perfuradas, com no mínimo 15% de área perfurada, para promover a distribuição uniforme do ar; e o ventilador deve fornecer quantidade de ar suficiente para realizar a secagem de toda a massa de grãos sem que ocorra a deterioração. As dimensões do silo (diâmetro e altura) e o produto a ser armazenado determinam a potência do ventilador a ser usado. Como a pequena quantidade de ar por unidade de massa de grão torna o processo lento e baixas temperaturas do ar diminuem a capacidade de evaporar a água do produto, o processo é dificultado em regiões de alta umidade relativa. Algumas vezes utilizam-se fontes suplementares de aquecimento (resistência elétrica, fornalha, energia solar, entre outras) para contornar este problema, que pode, no entanto, provocar uma supersecagem que resulta em prejuízo para o usuário. Este problema pode ser solucionado pela adaptação de um umidistato e de um termostato ao plenum, para controlar o funcionamento da fonte de aquecimento. Normalmente, na secagem com ar natural, o potencial de secagem do ar ambiente e o pequeno aquecimento provocado pelo ventilador (2 a 3 oC) são suficientes para propiciar a obtenção do teor de umidade final recomendado para um armazenamento seguro. Sistemas de secagem com ar natural e em baixas temperaturas devidamente projetados e manejados são métodos econômicos e tecnicamente eficientes. A secagem com ar natural ou com baixa temperatura inicia-se na camada inferior do silo e vai progredindo até atingir a última camada, na parte superior. Durante este período distinguem-se três camadas ou faixas de umidade (Figura 8). A primeira faixa ou subcamada é formada por grãos secos. Nessa faixa, o produto já atingiu o equilíbrio com o ar de secagem e todos os grãos apresentam o mesmo teor de umidade, que é conhecido como teor de umidade de equilíbrio. Só ocorrerá secagem adicional, nessa subcamada, se a umidade relativa do ar abaixar muito em relação à média desejável (60% para o café) por tempo prolongado. Valores abaixo de 60% são muito freqüentes em regiões de cerrado, por ocasião da colheita do café, as soluções para evitar supersecagem do produto será fornecida mais adiante. Na segunda faixa, denominada frente de secagem, ainda ocorre a transferência de umidade do produto para o ar. A espessura dessa faixa varia, geralmente, entre 30 e 60 cm e depende das condições estabelecidas para o projeto (fluxo de ar, condições ambientais e do produto). A terceira faixa é formada pelos grãos que ainda não passaram pelo processo de secagem, ou seja, toda a terceira faixa tem o teor de umidade equivalente ao da umidade inicial, pois, ao passar por essa camada, o ar está com sua capacidade de secagem esgotada. A temperatura, nesta camada, é inferior à temperatura do ar no plenum (ar de secagem), uma vez que o ar é resfriado devido à troca de calor com o produto na frente de secagem. O cálculo da vazão do ar de secagem e a escolha dos equipamentos devem ser feitos com muito cuidado. A vazão deve ser tal que permita à frente de secagem alcançar as camadas superiores sem ocorrência de deterioração. As Figuras 9 mostra o 116
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tempo permissível armazenamento (TPA) para que os produtos, com diferentes teores de umidade, permaneçam no processo de secagem à baixa temperatura sem que ocorra durante o tempo de secagem.
a b Figura 8 – Silo para secagem com ar natural: (a) detalhes dos componentes e (b) mostrando a frente de secagem (FS).
Figura 9 – Diagrama de Steele e Saul, para conservação do milho.
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5.3. Manejo e Recomendações para Ventilação em Silos Secadores a) Utilizar um ventilador com fluxo de ar de acordo com o teor de umidade inicial dos grãos, conforme Tabela 1. b) Para o carregamento adequado de um silo com milho ou café despolpado com teor de umidade de 18% ou 20% b.u. oriente-se pela Tabela 2. TABELA 1 - Fluxo de ar em função da umidade inicial do produto Produto Milho, feijão e arroz Café coco Café despolpado
Umidade Inicial (%, base úmida) 18 - 20 20 -22 20 - 22
Fluxo (m3 de ar.min-1m-3 de grão) 1,5 2,5 1,5
TABELA 2 - Formas de carregamento do silo para secagem com ar natural e com baixa temperatura Diâmetro e Capacidade do Silo por metro de carga (m3/m) D=4,5 m 16,2 m3/m D=5,5 m 23,1 m3/m
D=6,5 m 33,0 m3/m
Umidade Inicial vs Fluxo de Ar 18% b.u. vs. 0,7 m3/min.m3 20% b.u. vs. 1,5 m3/min.m3 Carga Tempo Potência Carga Tempo Potência* (m) Secagem * (m) Secagem (c.v.) ** (dias) (c.v.) (dias) 4 19 0,5 3 12 1,5 5 19 1,0 4 12 4,0 6 19 2,0 5 12 7,0 5 20 2,0 3 13 1,5 6 20 3,0 4 13 5,0 7 20 5,0 5 13 10,0 4 20 1,0 2 13 0,5 5 20 2,0 3 13 2,0 6 20 4,0 4 13 6,0 7 20 6,0
* Para potências superiores a 3 c.v., recomenda-se a utilização de ventiladores centrífugos. ** Recomenda-se atingir a altura estabelecida em, no máximo, três dias.
5.4. Formas de Carregamento do Silo O carregamento do silo, durante a secagem com ar natural ou com baixa temperatura, pode ser conduzido de três modos, conforme a disponibilidade do sistema operacional implantado: a) Enchimento em uma etapa: consiste em carregar o silo em até cinco dias, tempo relativamente curto, uma vez que, dependendo das condições atmosféricas, este método demanda períodos superiores a 25 dias para o término da secagem.
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Vantagens: - pouca exposição aos danos próprios da manipulação (danos mecânicos), devido à pouca movimentação do produto; - custos operacionais reduzidos em regiões de baixa umidade relativa; - demanda de pouca mão-de-obra; e - o recebimento do produto não fica condicionado ao andamento da secagem do material existente no silo. Desvantagens: - devido ao longo período de secagem, as camadas superiores correm o risco de deterioração quando mantidas com altos teores de umidade (Tabela 3), podendo, em alguns casos, ocorrer condensação de água, agravando ainda mais o problema; - risco de supersecagem nas camadas inferiores, quando utilizada fonte suplementar de aquecimento sem um controle adequado; e exige acompanhamento constante durante a secagem. TABELA 3 - Números de dias permitidos para secagem sem deterioração do milho Temperatura ( oC ) 10 15 20 25
16 150 70 40 30
18 75 40 25 20
Umidade do produto (% b.u.) 20 22 24 26 50 30 20 15 25 15 10 7 15 10 7 4 12 8 5 3
28 10 4 2 2
30 7 2 1 1
b) Enchimento por camadas: O processo está condicionado ao teor de umidade final do produto. Uma nova camada só é adicionada se a última já estiver, praticamente, em equilíbrio com o ar de secagem ou já seca. Procede-se dessa maneira até atingir a altura-limite estabelecida pela capacidade do silo e pelo fluxo do ar de secagem (Tabelas 1 e 2). Assim, as primeiras camadas colocadas na célula podem apresentar maior teor de umidade inicial, devido ao fato de receberem maiores fluxos de ar de secagem. Inversamente, as últimas camadas adicionadas deverão apresentar menores teores de umidade inicial. A quantidade de produto a ser colocada de cada vez dependerá da velocidade de deslocamento da frente de secagem, do teor de umidade inicial dos grãos e da temperatura do ar que entra da zona de secagem. Este método exige mais de um silo secador para o bom andamento da colheita. Mais adiante, será descrito o método dos sete silos para a secagem do café. Vantagens: - secagem mais rápida, quando comparada ao método de enchimento em uma etapa; - menor risco de deterioração; e - o fluxo mínimo necessário é inferior ao do método de enchimento em uma etapa. Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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Desvantagem: - requer maior atenção no controle do processo de secagem. c) Camada única: consiste em carregar o silo com camada única de até 1,0 m de espessura e realizar a secagem. Esse processo é bastante parecido com o de secadores de camada fixa para café sem aquecimento do ar e revolvimento do produto. A diferença entre este e o método anterior de carregamento é que, no método de camada única, retira-se a camada seca para depois realizar o novo carregamento. Este método é mais utilizado para produtos de elevado valor comercial ou para aqueles que não suportam a pressão devido ao peso da camada. Vantagens: - secagem rápida de cada uma das camadas; - menores riscos de deterioração durante a operação de secagem; e - maiores fluxos de ar por tonelada de produto do que os métodos anteriores. Desvantagens: - equipamentos menos eficientes; e - maior demanda de mão-de-obra. 5.5. Movimentação do Produto no Silo Conforme a movimentação do produto, pode-se dividir o processo de secagem com baixas temperaturas com camada estática ou com revolvimento da camada: a) Processo estático: nesta operação, o produto não é movimentado durante o processo e observam-se as três regiões distintas na massa de grãos, conforme visto na Figura 8. b) Revolvimento do produto esta operação geralmente é associada à secagem em regiões de umidade relativa média inferior a 60% ou onde há necessidade de aquecer o ar de secagem para acelerar o processo. Nessas condições, os gradientes de umidade e temperatura estabelecidos na massa de grãos são maiores, podendo ocorrer supersecagem da massa de grãos. Para solucionar o problema, a frente de secagem deve ser destruída por meio de helicóides nus, que fazem o revolvimento do produto no interior do silo, homogeneizando e elevando as camadas inferiores secas para a parte superior. O esquema de um equipamento revolvedor (stirring device) é apresentado na Figura 10. O equipamento misturador é formado por uma ou mais roscas verticais, que se movimentam radialmente do centro para a parede do silo e vice-versa, misturando o produto verticalmente. Além de possuir custo elevado e de perder parte da capacidade estática do silo para a adaptação do sistema, esse equipamento pode causar o indesejável descascamento do café despolpado.
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Figura 10 - Silo com equipamento para revolvimento do produto. Vantagens: - maior rendimento para o mesmo volume de produto e maior fluxo de ar do que o método de enchimento em uma etapa; - menor risco de deterioração do que os métodos anteriores; e - eliminação do gradiente de umidade quando se usa temperatura elevada. Desvantagens: - maior manipulação do produto do que em todos os métodos estáticos, o que pode provocar maior índice de produto com danos mecânicos; - maior investimento inicial e maior custo operacional do que no método estático; - sobrecarga do equipamento sobre as paredes e o piso do silo; e - acúmulo de materiais finos no centro do silo. Outra maneira de se obter o revolvimento do produto consiste no uso de recirculadores de grãos (Figura 11). Esses equipamentos removem os grãos das camadas próximas ao piso e os colocam no topo da massa. O teor de umidade da camada a ser removida é função de sua temperatura. A camada de grãos é removida à medida que a frente de secagem é parcialmente formada. Assim, a frente de secagem não se estabelece completamente junto à sua superfície inferior, e o grão não atinge o equilíbrio com o ar de secagem. A zona de secagem permanece estacionária, com os grãos úmidos movimentando-se para baixo. Este sistema será melhor detalhado, quando for tratado dos sistemas de secagem a altas temperaturas. Vantagens: - maior rendimento para o mesmo volume de produto e fluxo de ar do que o método de enchimento em uma etapa; - menor risco de deterioração do que os métodos anteriores; e - eliminação do gradiente de umidade. Desvantagens: - maior manipulação do produto do que em todos os métodos estáticos, o Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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Secagem e Secadores que pode provocar maior índice de produto com danos mecânicos; maior investimento inicial e maior custo operacional do que no método estático; sobrecarga do equipamento sobre as paredes e o piso do silo; e acúmulo de materiais finos no centro do silo.
Figura 11 – Silo equipado com recirculador de grãos. 5.6. Operação e Monitoramento da Secagem O tempo de funcionamento do ventilador durante o processo de secagem depende do teor de umidade do produto no silo e do clima da região. É recomendável manter o ventilador ligado continuamente quando o produto estiver com teor de umidade inicial superior a 16%, mesmo à noite. Embora a umidade relativa seja alta, o fato de a temperatura ser baixa promove o resfriamento da massa de grãos. O ar, ao retirar calor dos grãos, eleva sua temperatura e diminui a umidade relativa, e, dependendo desta, pode promover a secagem dos grãos mais úmidos. Caso a umidade dos grãos seja inferior a 16%, o ventilador deverá permanecer ligado até o final da secagem, desde que a umidade relativa média seja inferior a 75%. No caso de regiões mais úmidas (UR>75%), o ventilador deverá permanecer ligado somente durante as horas em que a umidade relativa for baixa (período diurno). O monitoramento do processo de secagem consiste na inspeção diária da temperatura e umidade da massa de grãos, para verificar se o produto está seco e/ou em processo de deterioração. No caso da secagem com ar levemente aquecido (secagem com baixas temperaturas), deve-se, ao final do processo, insuflar ar natural para obter o resfriamento da massa de grãos. 5.7. Duração da Secagem O tempo de secagem, dependendo do sistema, pode ser reduzido elevando-se a temperatura do ar de secagem ou sua vazão. Na secagem em silo, com ar natural, o aquecimento do ar praticamente não altera a velocidade de deslocamento da frente de secagem, podendo, ainda, gerar dois problemas: supersecagem nas camadas inferiores e aceleração do processo de deterioração nas camadas superiores (condensação). Em 122
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geral, o aquecimento do ar só é recomendado para regiões onde o potencial de secagem do ar natural é insuficiente para atingir o teor de umidade final desejado. Em análise mais detalhada da Tabela 2, pode-se verificar que o aumento da vazão do ar exerce maior influência sobre o tempo de secagem. Sabe-se que a velocidade de deslocamento da frente de secagem é diretamente proporcional à vazão específica. Entretanto, em locais com alta umidade relativa, o aumento da vazão não é suficiente para o sucesso da secagem, pois essa variável não tem influência sobre o potencial de secagem do ar. Por exemplo, uma região com umidade relativa média de 70% deixará o café em condições seguras; contudo, a umidade final estará acima da desejada para comercialização. Dessa forma, a fim de comercializar o produto, ele deverá passar por um sistema de secagem que possa reduzir a umidade de armazenamento até a umidade de comercialização. 5.8. Considerações Como será visto mais adiante, um sistema de secagem em silo, com ar natural, devidamente projetado, é econômico, eficiente e apresenta alta aplicabilidade na secagem do café cereja descascado. Quando construído com recursos locais, o sistema de secagem em silos apresenta menor investimento inicial, quando comparado aos sistemas de terreiros ou secadores convencionais de altas temperaturas. Em secagem de sementes, os métodos que usam baixas temperaturas são empregados em substituição àqueles com altas temperaturas, por resultarem em melhor qualidade final do produto. A Figura 12 ilustra um secador para sementes com modificação do sistema de distribuição do ar de secagem. Esse sistema foi, no passado, utilizado por alguns cafeicultores para armazenagem do café sob aeração. Neste sistema, o ar é insuflado radialmente através da massa de grãos. As principais limitações dos métodos de secagem com ar natural (fluxo vertical ou radial) são o teor de umidade inicial do produto e as condições climáticas locais. Altos teores de umidade inicial do produto aumentariam a susceptibilidade à deterioração, enquanto condições atmosféricas desfavoráveis implicariam a utilização de ventiladores e aquecedores mais potentes, inviabilizando economicamente o método.
Figura 12 – Silo-secador para sementes, mostrando a distribuição radial do fluxo de ar. Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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6. SECAGEM COM ALTAS TEMPERATURAS A secagem por este processo baseia-se na propriedade pela qual, aumentando-se a temperatura do ar úmido, a umidade relativa diminui e, conseqüentemente, a capacidade do ar em absorver umidade aumenta (veja Capítulo 3, Princípios básicos de psicrometria). Geralmente, o ar é forçado a passar através da massa de grãos ou do produto a secar, por meio de um ventilador. Depois de entrar em contato com o produto, o ar deixa o secador com uma temperatura mais baixa e uma umidade relativa mais elevada. A teoria sobre secagem pode ser vista mais adiante (Capítulo 6, Estudo da Secagem em Camada Espessa). A secagem artificial com altas temperaturas é uma técnica muito utilizada em fazendas, indústrias de transformação, unidades armazenadoras-coletoras e intermediárias do mundo inteiro. Entretanto, o uso de secadores mecânicos a altas temperaturas tem ficado restrito às regiões de maior desenvolvimento agrícola, visto que o investimento inicial em alguns desses equipamentos foi, até recentemente, proibitivo para pequenos produtores. Maia adiante, ainda neste capítulo, será mostrado alguns tipos de secadores que foram projetados, especialmente, para atender a pequena agricultura. Dentre os métodos de secagem artificial, a secagem com altas temperaturas é a mais rápida e independente das condições climáticas locais. Normalmente, o fluxo de ar utilizado depende do tipo de secador, sendo geralmente superior a 10 m3.Min. -1t-1. Como em outros sistemas de secagem, os seguintes parâmetros podem influenciar a taxa de secagem: - temperatura e umidade relativa do ar ambiente; - temperatura e fluxo de ar de secagem; - umidade inicial do produto; - fluxo do produto no secador e outros. Estes parâmetros influenciam diretamente a velocidade de secagem, como um conjunto de fatores interdependentes, e o bom manejo, permitem dimensionar e gerenciar as condições específicas de secagem. 6.1. Classificação dos Secadores com Altas Temperaturas Nos sistemas de secagem com alta temperatura, os secadores podem ser classificados de acordo com a relação entre os movimentos do produto e do ar de secagem, em: a) Secador de Camada Fixa Horizontal: na secagem em camada fixa, o produto permanece num compartimento de fundo perfurado, por onde passa o ar de secagem, insuflado por um ventilador. Normalmente a secagem em leito fixo é feita em silos, independentemente da forma ou do material de construção, providos de piso perfurado, semelhantes aos usados na secagem com baixas temperaturas. Na secagem em camada fixa, a temperatura do ar de secagem é muito superior à temperatura do ambiente (acima de 10 oC) e a camada de produto é geralmente inferior a 1,0 m. Um ventilador, devidamente dimensionado, acoplado a uma fonte de aquecimento, faz parte deste sistema. 124
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Com o objetivo de diminuir o custo de implantação de um sistema de secagem em camada fixa, os componentes metálicos podem ser substituídos por uma construção em alvenaria (Figura 13), permitindo que a tecnologia fique acessível a um grande número de pequenos e médios agricultores. Outro aspecto interessante desse secador é sua versatilidade. Além de ser usado para secar grãos e sementes em geral, milho em espiga, café (de todas as formas), feijão em rama, raspa de mandioca etc. O secador é, também, usado para a produção de feno e desidratação de cana-de-açúcar picada. Dependendo do tipo e forma do material, a altura da camada de produto pode variar. Para grãos em geral, a altura da camada deve se inferior 0,6 m. Altura acima desta faixa poderá acarretar problemas, como o alto gradiente de umidade que se forma entre as camadas inferiores e superiores do produto. O secador em camada fixa, modelo UFV, é de operação simples e a massa de grãos ou sementes deve ser revolvida, manualmente, com auxílio de pás, em intervalos regulares de até três horas, para maior uniformidade na secagem (Tabela 4). Como o secador tem capacidade estática para sete toneladas e que uma batelada de gãos pode ser preparada em sete horas (para café saído do lavador, o tempo de secagem é de, aproximadamente, cinqüenta horas), o secador em pauta pode, também, ser usado para secagem comercial de grãos dos pequenos produtores de sementes (milho, arroz, feijão e soja). Por exemplo, uma bateria de três secadores pode secar facilmente 40 toneladas de semente de soja por dia em dois turnos de trabalho. Quando trabalhando com sementes de feijão ou de soja, o operador deve ter o cuidado para que a temperatura do ar de secagem nunca ultrapasse 40oC e que umidade relativa ar não seja inferior a 40%. Vantagens: - menor custo operacional; - baixo investimento inicial; - o armazenamento poder ser feito no próprio silo secador, quando se utiliza o silo convencional adaptado como secador de camada fixa; e - fácil construção. Desvantagens - alto gradiente de umidade ao longo da camada de grãos; e - baixa capacidade de processamento devido ao fato de a espessura da camada ser inferior a 0,6 m.
Figura 13 - Vista geral de um secador de camada fixa (modelo UFV). Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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Capítulo 5
Secagem e Secadores
TABELA 4 - Parâmetros de secagem para o secador de camada fixa modelo UFV ou silo secador com baixa temperatura. PRODUTO
Milho
Feijão Arroz Soja Café
FINS
TEMP.
Semente Consumo Semente Semente Consumo Semente Consumo Semente Consumo Consumo Consumo
(oC) 40 60 45 40 45 40 45 40 45 50 50
FORMA
Espiga Granel Rama Granel Granel Granel Granel Granel Granel Cereja Coco
CAMADA REVOLVIMENTO*
(cm) 100 40 60 40 40 40 40 50 60 50 40
não há 120 30 60 120 60 120 60 120 180 180
* intervalo entre revolvimentos (min)
Clique para ver: vídeo 1 b) Secador em Camada Fixa Vertical (Coluna) e Secador de Fluxos Cruzados: nestes secadores, o produto permanece em colunas verticais construídas em chapas perfuradas e são submetidos a um fluxo de ar que é perpendicular à camada do produto. Quando os grãos estão em movimento, o secador é chamado de fluxos cruzados. A Figura 14 mostra o esquema de funcionamento dos secadores de fluxos cruzados (a) e o desenho de um modelo que pode trabalhar também de forma contínua (b). Já a Figura 14 representa o corte de um secador de fluxos cruzados mostrando os seus detalhes e Figura 16 mostra um conjunto de secadores de fluxos cruzados com recirculação do produto, muito utilizado para café. A parte do secador acima do telhado (Figura 16) constitui a câmara de repouso. Vantagens: - alta capacidade de secagem; - facilidade de manuseio e operação; e - baixo custo inicial. Desvantagens: - maior risco de superaquecimento do produto; - alto consumo de energia; - desuniformidade de secagem quando trabalhando de forma contínua ou em camada fixa; e - baixa eficiência de secagem.
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Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
Capíítulo 5
Secagem e Secadores
Figu ura 14 – Essquemas de d funcionaamento de um secadoor de fluxoos cruzadoss que pode operar de d forma contínua.
Figu ura 15 - Coorte de um secador dee fluxos cru uzados mosstrando os seus detalh hes.
Figu ura 16 – C Conjunto de d secadorres de fluxos cruzad dos com rrecirculaçã ão do produto. Clique para verr: vídeo 2 S Secagem e Armazenage A em de Produutos Agrícolas
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Capítulo 5
Secagem e Secadores
c) Secador de Fluxos Contracorrentes: a secagem em fluxos contracorrentes foi, primeiramente, realizada em silos secadores (Figuras 11 e 17) em que grãos e ar de secagem movimentam-se em sentido contrário. Neste secador, a frente de secagem permanece sempre próxima ao fundo perfurado do silo. À medida que ocorre a secagem, o produto seco é conduzido para o centro por um transportador helicoidal que varre toda a seção transversal do silo. Uma segunda rosca retira o produto, conduzindoo para a parte superior ou então para um silo armazenador, passando a funcionar de forma contínua. Assim, a massa de produto tem sentido descendente, enquanto o ar é insuflado em sentido ascendente. A ativação do sistema de movimentação do produto é coordenada por um termostato colocado a, aproximadamente, 0,5 m acima da chapa perfurada. A escolha da temperatura de acionamento do termostato é função da umidade final desejada. Nos silos secadores de fluxos contracorrentes, à medida que a massa de produto vai descendo, sua temperatura é aumentada, atingindo valores muito próximos aos da temperatura do ar de secagem. Para evitar danos ao produto, a temperatura de secagem não deve ultrapassar 70oC. O secador em fluxos contracorrentes, em torre, utiliza o sistema de aquecimento e ventilação abaixo dos tubos de exaustão do ar de secagem (Figura 18). Este sistema foi desenvolvido na UFV e pode, como outros tipos de secadores, ser construído com o máximo de recursos encontrados no mercado local. Como é de desenho bastante simplificado, o sistema de torre pode ser construído em chapas metálicas, alvenaria ou madeira. A utilização de madeira apara o corpo do secador, fica limitada á temperatura máxima de secagem. Vantagens: - alta eficiência energética; - menor tempo de exposição ao ar de secagem; e - menor susceptibilidade a danos mecânicos. Desvantagem: - maior custo de manutenção, quando se utiliza um sistema com silosecador.
Figura 17 – Sistema de armazenagem com silo-secador em fluxos contracorrentes. 128
Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
Capítulo 5
Secagem e Secadores
Figura 18 – Secador de fluxos contracorrentes modelo UFV. d) Secador de Fluxos Concorrentes: nos secadores de fluxos concorrentes o ar aquecido encontra o grão frio e úmido e fluem ambos na mesma direção e sentido, através da câmara de secagem. Nesse tipo de secador, como no anterior, todos os grãos componentes da massa a ser secada são submetidos ao mesmo tratamento. Um secador de fluxos concorrentes é caracterizado pelo alto fluxo de ar com pressão estática relativamente baixa. Devido à ausência de paredes perfuradas e ser construídos com poucas partes móveis e de modo semelhante ao secador de fluxos contracorrentes (modelo UFV), o secador em pauta (Figura 19), exige, apenas, limpezas periódicas e reparos eventuais.
Figura 19 – Secador de fluxos concorrentes modelo UFV. Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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Capítulo 5
Secagem e Secadores
As trocas intensas e simultâneas de calor e massa entre o ar de secagem e o produto, na entrada de ar quente do secador, causam rápida redução da temperatura inicial do ar, assim como no teor de umidade do produto. No final da câmara de secagem, onde ocorre à exaustão do ar, o produto está mais seco e a uma temperatura inferior à temperatura inicial do ar de secagem. Em razão disso, é possível usar o ar de secagem com temperaturas relativamente altas sem causar danos ao produto como acontece com outros tipos de secadores. O fato de a secagem ocorrer em um ambiente com umidade relativa moderada, favorece a redução da quantidade de produto com o endosperma trincado (Figura 20) que, ao serem manuseados, podem produzir um grande número de quebrados.
Figura 29 – Semente com endosperma seriamente trincado A temperatura máxima do ar quente em secadores de fluxos concorrentes depende, em primeiro lugar, do fluxo de grãos através do secador e, em menor grau, do tipo de grãos e do teor de água inicial (BAKKER-ARKEMA et al., 1984). Se o fluxo de massa aumenta em um secador, o produto final será, em geral, de melhor qualidade. Por outro lado, haverá aumento no consumo específico de energia e diminuição da eficiência de secagem, porque os grãos que passam pelo secador, com maior velocidade, perdem menor quantidade de água por unidade de tempo (DALPASQUALE et al., 1991). A redução gradual da temperatura do grão devido ao fluxo de ar úmido contribui para a excelente qualidade dos grãos obtidos em secadores de fluxo concorrente. Observa-se, assim, elevada eficiência térmica de secagem e maior uniformidade da qualidade final do produto nesse tipo de secador, quando comparado com os secadores convencionais de fluxo cruzado, tornando crescente o interesse por secadores de fluxos concorrentes, principalmente nos Estados Unidos da América. A Figura 21 demonstra as características do processo de secagem em fluxo concorrente em que, a temperatura do grão e a temperatura do ar de secagem são plotadas em função da profundidade da camada de grãos no estádio de secagem. 130
Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
Capítulo 5
Secagem e Secadores
Figuras 21 - Curvas das temperaturas do ar do produto em um estádio do secador de fluxos concorrentes Os secadores de fluxos concorrentes apresentam a vantagem de se pode utilizar altas temperaturas do ar de secagem, que originam altas velocidades de secagem sem aquecer excessivamente os grãos. Neste tipo de secagem, o consumo específico de energia pode ser tão baixo como 4.000 kJ kg-1 de água evaporada. Vantagens: - melhor qualidade final do produto; - maior capacidade de secagem; - alta eficiência energética; e - baixo custo de instalação e manutenção, quando é utilizado apenas um estádio. Desvantagens: - alto custo de construção, quando se opera com mais de um estádio; e - maior risco de incêndio devido à utilização de altas temperaturas. Uma variação muito interessante e, recentemente, desenvolvido nos laboratórios da UFV, em parceria com a EMBRAPA–Café, foi o secador de fluxos concorrentes com um sistema pneumático para carga, revolvimento e transporte do produto. O modelo mostrado na Figura 22, tem capacidade para 2.500 L de café cereja descascado e foi construído em módulos para compor um “kit” de fácil transporte e montagem pelo usuário.
Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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Capítulo 5
Secagem e Secadores
Figura 22 - Secador de Fluxos Concorrentes (UFV/CBP&D –Café) Fazem parte do “kit”: moega de homogeneização ou principal (módulo 1), conjunto de moegas (módulo 2), câmara de descanso/secagem (módulo 3a) e câmara de secagem (módulo 3b), coifa (módulo 4), duto de transporte pneumático (módulo 5), moega de recepção de grãos (módulo 6) e ventilador. Além do baixo custo de construção/montagem e da alta eficiência energética, uma das grandes vantagens do secador em pauta é a sua capacidade de trabalhar com qualquer quantidade de grão, ou seja, carga máxima ou com uns poucos sacos de grãos. Clique para ver: vídeo 3 e) Secador em fluxos (concorrentes/contracorrentes): incluindo os dois sistemas, anteriormente descritos, o projeto foi desenvolvido por PINTO (1994) e modificado por SILVA et al. (2001), teve como finalidades a redução do consumo de energia na secagem de café e a possibilidade da utilização de dois sistemas de secagem em um único secador (Figuras 23a / 23b). O secador modificado foi avaliado na secagem café despolpado, com pré-secagem em terreiro. Os resultados (simulados) para café cereja mostraram que, para a redução do teor de umidade de 30 para 12% b.u., os consumos específicos de energia foram de 6.068; 5.657; e 5.685 kJ, por kg de água evaporada, capacidades de secagem de 200, 287 e 358 kg de café úmido por hora e tempos de secagem de 22,5; 15,7; e 12,6 h, para as temperaturas de secagem de 80, 100 e 120 oC, respectivamente. Considerando-se que as diferenças entre os consumos específicos de energia foram pequenas, optou-se por avaliar o secador na secagem do café cereja descascado sob temperatura de 75 oC, com o ar sendo aquecido por fornalha com aquecimento indireto. O consumo específico de energia foi de 10,3MJ.kg-1 de água evaporada para secando o produto de 32 para 13% b.u. 132
Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
Capíítulo 5
Secagem e Secadores
b a Figu ura 23 - Dettalhes (a) e vista gerall (b) de um secador dee fluxos conccorrrentes//contracorrrentes. f) Secad dor em Casscata ou dee Fluxos Mistos: M é coonstituído ppor uma sérrie de V dispostass em linhaas alternaddas paralella ou calhaas invertidas em forrma de V, transsversalmente, dentro daa estrutura do secador (Figura 244). Neste seccador, o pro oduto moviimenta-se para p baixo e entre as callhas, sob açção da graviidade. O ar de secagem entra e numa linha de calhas c e saii nas outras imediatam mente adjaccentes, supeeriores ou inferiores. Com isso, ao descer pelo secaddor, o prod duto é subm metido à açãão do movim mento do arr de secagem m em sentiddo contracorrrente, cruzzado e concorrente. Muito M difunddido no Brasil, estess secadoress, quando bbem projettados, a em mpregados em e secadorres contínuo os de utilizzam fluxos de ar mennores que aqueles fluxoos cruzados. Em um outro o modello de secadoor de fluxoss mistos, as calhas, quee podem serr retas ou ciirculares, sãão abertas e dispostas uma u sobre as a outras. Esse E tipo de secador é muito m usado para secaggem de arrooz. Neste caaso, o produ uto passa poor dentro das calhas (Fiiguras mo no caso anterior, o produto esstará sob a ação a do fluxxo de ar naas três 25a e 25b). Com form mas, isto é, cruzado, conncorrente e contracorre c nte. Vantageens: - alta eficiênncia energétiica; e - alta capaciddade. Desvanttagens: - alto custo c iniciaal; e - podeem poluir o meio ambieente.
S Secagem e Armazenage A em de Produutos Agrícolas
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Capítulo 5
Secagem e Secadores
Figura 24 - Secador de fluxos mistos ou em cascata com calhas alternas.
Figura 25 a – Detalhes de um secador em cascata com calhas circulares.
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Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
Capítulo 5
Secagem e Secadores
Figura 25 b – Secador comercial, tipo cascata, com calhas circulares. g) Secador Rotativo: este secador é formado por um cilindro tubular horizontal ou ligeiramente inclinado que gira em torno de seu eixo longitudinal a uma velocidade compreendida entre 1 e 15 rpm. No caso de um secador contínuo, o produto úmido chega à parte mais elevada do tambor através de um transportador e sai na parte mais baixa por gravidade. O ar de secagem é introduzido no tambor no mesmo sentido ou no sentido contrário à trajetória do produto, em caso de secadores inclinados. Um tipo muito comum e utilizado como pré-secador ou secador para café constitui-se de um tambor horizontal não-inclinado, com o ar de secagem sendo injetado numa câmara situada no centro deste tambor, o qual atravessa a massa do produto em sentido perpendicular ao eixo do secador (Figuras 26 e 27). Vantagens: - para alguns produtos como, o café em coco, favorece a limpeza do produto; - uniformidade de secagem. Desvantagens: - baixa eficiência energética; - alto custo de investimento; e - o produto fica sujeito a danos na camada protetora. Considerando que os secadores rotativos tradicionais são amplamente difundidos para a secagem de café no Brasil, foi proposta e desenvolvida uma adaptação para o projeto do secador rotativo que pudesse eliminar algumas das desvantagens do modelo tradicional e que permitisse: Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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Capítulo 5
Secagem e Secadores
- usar o secador com material recém-saído do lavador sem a necessidade de passar pelo terreiro, ou seja, usar o secador rotativo como pré-secador/secador sem os problemas de entupimento das chapas perfuradas; - usar o secador rotativo com menor quantidade de grãos que a recomendada ou com carga parcial. No projeto tradicional, a utilização de carga menor que a recomendada, acarreta grande perda de energia e aumenta o tempo de secagem; - reduzir o custo de energia elétrica sem a necessidade de movimentar constantemente o cilindro secador; - manter a secagem homogênea, como no secador tradicional, e facilitar a secagem por meio de uma câmara de descanso; e - para o café pergaminho, reduzir o número de grãos descascados por impactos dentro do secador (grãos beneficiados ou parcialmente descascados secam mais rapidamente do que o grão com pergaminho intacto). O protótipo do secador rotativo idealizado (Figuras 28, 29, 30 e 31), além de permitir a solução dos problemas citados, tem o seu projeto básico facilmente adaptado aos secadores rotativos tradicionais, já em funcionamento. Baseado no esquema apresentado na Figura 28 e em função de um convênio celebrado entre a Pinhalense e a UFV, SANTOS et al (2006) modificou e comparou o desempenho de um secador original com o de um secador modificado (Figura 32) e trabalhando sob as mesmas condições, verificou-se que, além de ter atendido aos objetivos da modificação, o segundo produziu o mesmo tipo de café e apresentou redução significativa no consumo total de energia (elétrica e térmica). As modificações técnicas realizadas foram propostas para reduzir as perdas de energia, através do maior fluxo de ar no terço superior do secador, causado pela crescente redução de volume dos grãos durante a secagem. Além do fechamento da metade superior da chapa perfurada, a carambola interna ou sistema difusor de ar quente, sofreu as modificações como mostrado na Figura 33.
Figura 26 – Secador rotativo com tambor horizontal, para secagem em lotes. 136
Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
Capítulo 5
Secagem e Secadores
Figura 27 – Secador rotativo da Pinhalense Máquinas Agrícolas
Figura 28 – Protótipo do secador rotativo com giro intermitente.
Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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Capítulo 5
Secagem e Secadores
Figura 29 – Esquema básico do protótipo do secador rotativo intermitente
Figura 30 – Detalhes internos do protótipo mostrando a distribuição de ar
(a) (b) Figura 31 – Vistas internas: superior (a) e inferior (b) do protótipo sem a chapa perfurada externa
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Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
Capíítulo 5
Secagem e Secadores
Figu ura 32 - Seccador rotatiivo comerccial modificcado .
(aa) (b) Figu ura 33 – Dettalhe da caarambola difusora d anttes (a) e apóós modificcação (b)rrealizada poor Santos et e al (2006) Clique para verr: vídeo 4 h) Secaador por Convecção C Natural: o ar, movim mentando-see por conveecção queno naturral, é uma alternativaa para soluucionar os problemass de secageem do peq produutor que nãão dispõe dee energia elétrica, pois este tipo dee secador ddispensa o uso u de ventiiladores e pode p ser connstruído com m materiaiss facilmentee encontraddos em merccados locaiis e mão-dee-obra poucoo especializzada para a sua construução. A Figgura 34 mosstra o esquema básicoo de um seccador por coonvecção natural. n Estee tipo de secador utilizza um trocaador de callor para traansferir o calor c recebiido dos gaases de com mbustão de uma fornaalha para o ar de secaagem que enntra lateralm mente, por meio de abberturas na parte inferrior das pareedes do secaador. O movvimento do ar que atravvessa a masssa de produ uto se deve à diferençça de presssão produziida pela differença de temperaturra entre o ar de secaggem e o ar ambiennte. O secaador por convecção c natural tem m as segu uintes caraccterísticas: • Dispensa o uso de d ventiladoores. • Baixo custo iniccial de implaantação. S Secagem e Armazenage A em de Produutos Agrícolas
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Capítulo 5
Secagem e Secadores
• • •
Mão-de-obra pouco especializada para construção. Eficiência térmica inferior à dos secadores com ventilação forçada. Projeto inadequado da câmara pode provocar desuniformidade de temperatura e do fluxo de ar. • Riscos de contaminação do produto pela fumaça, caso haja perfurações ou vazamentos no trocador de calor. No entanto, quando bem dimensionados e construídos, os problemas são minimizados.
Figura 34 – Corte longitudinal de um secador por convecção natural. . i) Secador de Leito Fluidizado: neste secador, o ar de secagem atravessa uma placa perfurada, provocando turbulência no produto que se encontra sobre ela. Quando o produto começa e continua a flutuar sobre a placa ou atinge a velocidade terminal, aproximadamente, o conjunto passa a ser denominado leito fluidizado. A intensidade do fluxo de ar deve ser tal que supere a velocidade terminal do produto, provocando turbulência e carreando o produto. Não é um secador comumente utilizado na secagem de produtos agrícolas, devido à baixa capacidade de secagem e à elevada potência exigida, para que o ventilador provoque a turbulência e transporte o produto. 6.2. Classificação Quanto à Operação a) Secadores Contínuos: nesta categoria de secadores, o grão fica constantemente sob a ação do calor, até que seu teor de umidade atinja um valor desejado. Dessa forma, há um fluxo constante de produto no interior do secador e, simultaneamente, há grãos úmidos entrando, grãos em fase de secagem e grãos secos e frios sendo descarregados (Figura 14 b). A secagem ocorre, geralmente, em duas etapas 140
Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
Capítulo 5
Secagem e Secadores
bem definidas. Na primeira etapa, a massa de grãos é atravessada por um fluxo de ar quente, que tem por finalidade a secagem propriamente dita, e, na segunda, o produto é atravessado por um fluxo de ar com temperatura ambiente, que tem como finalidade resfriá-lo. O produto passa por um mecanismo de regulagem de fluxo que determinará o tempo de exposição ao ar de secagem, também denominado tempo de residência. A secagem contínua é indicada para grande quantidade de produto e tem como vantagem a redução do tempo total de secagem, devido à eliminação da operação de carga e descarga do secador. Por outro lado, durante a secagem em fluxo contínuo, ocorre uma diferença entre a umidade localizada na superfície e aquela no interior do grão. A superfície que está em contato direto com o ar seca mais do que a parte central. Para o arroz, por exemplo, se essa diferença for muito grande, poderá provocar trincas no grão e resultar em grande número de grãos quebrados. No caso da secagem de sementes em geral, torna-se difícil operar os secadores contínuos, uma vez que a temperatura do ar de secagem deve ser menor do que aquela utilizada para grãos. b) Secadores Intermitentes: nestes, o produto passa várias vezes pelo interior do secador antes de completar a secagem. Assim, o grão sofre a ação do calor durante pequenos intervalos de tempo, intercalados por períodos de repouso, ou seja, a massa de grãos não entra em contato com o ar aquecido durante esse período. Nestes secadores, a quantidade de água removida por unidade de tempo de secagem é consideravelmente maior do que na secagem é contínua. O rendimento da secagem aumenta porque o ar quente encontra a periferia dos grãos com teor de umidade mais elevado, em virtude da migração desta do centro para a periferia, durante o descanso do produto. Esta redistribuição de umidade, além de facilitar a secagem, diminui a possibilidade de ocorrência de trincas devido à diminuição das tensões internas no grão. Quando o número de passagens do produto pelo secador é muito grande, a capacidade nominal do secador diminui proporcionalmente. Entretanto, esta capacidade pode ser aumentada quando o secador é carregado com outro lote de grãos, durante o período de descanso. Geralmente, estes secadores são constituídos por duas colunas de secagem e por um depósito colocado acima destas colunas. A altura da coluna e o fluxo de grãos não permitem a secagem do produto se este passar apenas uma vez pelo secador. O depósito possibilita que o produto fique em repouso antes de cada passagem pela coluna de secagem. Os secadores de fluxos representados pelas (Figuras 18,19,22,23 e 25) projetados na são classificados como secadores intermitentes. Podem, entretanto, trabalhar de forma contínua quando o teor de umidade inicial for suficientemente baixo para secar em uma única passagem pela câmara de secagem. 6.3. Classificação Quanto à Utilização a) Secagem Combinada: esta técnica consiste em utilizar secadores em altas temperaturas enquanto o produto apresenta teor de umidade mais elevado e, a partir desse ponto, transferir o produto, ainda quente, para um sistema de baixa temperatura, Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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Capítulo 5
Secagem e Secadores
onde a secagem será completada. Além da redução substancial de energia requerida para a secagem, o sistema em combinação pode dobrar a capacidade dinâmica dos secadores e aumentar a eficiência térmica de secagem. As principais razões para este aumento de eficiência são: - os secadores operam com produtos numa faixa de umidade em que a retirada de água dos grãos é mais fácil; e - os resfriadores geralmente não são utilizados porque o produto chega ao sistema de secagem à baixa temperatura ainda quente. Nesta técnica, as câmaras de resfriamento dos secadores geralmente são convertidas em câmaras de secagem, o que aumenta a capacidade dos secadores de altas temperaturas. O processo de secagem em combinação reduz em até 50% a energia total requerida pelos métodos convencionais de secagem e podem, facilmente, dobrar a capacidade dinâmica dos secadores de altas temperaturas. O processo de secagem combinada será melhor entendido no Capítulo 17 (Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas). b) Seca-aeração: é uma modificação do sistema convencional de secagem em alta temperatura, com a finalidade de reduzir o consumo de energia, aumentar a capacidade de secagem e reduzir os danos térmicos causados pela exposição do produto, por longos períodos de tempo, a altas temperaturas. No processo de seca-aeração, ilustrado na Figura 35, o produto é secado até 2,5 pontos percentuais acima do teor de umidade recomendado para o armazenamento. Não utilizando a câmara de resfriamento, o produto ainda quente, é transferido para um silo auxiliar (silo têmpera), onde permanece em descanso para que o calor residual redistribua a umidade em todo o interior do grão, facilitando a retirada da umidade em excesso quando, após o período de repouso, o produto, no silo têmpera é ventilado com baixos fluxos de ar. O sucesso deste sistema dependerá muito do período de tempo em que o produto for deixado em repouso e da temperatura deste, durante o período em que permanecer nessa condição. Um repouso de seis a oito horas é recomendado para uma temperatura do produto superior a 50oC. Como dito anteriormente, o resfriamento da massa de grãos é feito por aeração após o período de repouso, só terminando quando todo o produto atingir a temperatura do ar ambiente, antes de ser transferido para o armazenamento. Este método de secagem tem a desvantagem de requerer maior investimento inicial quando se utiliza o silo têmpera e maior manuseio do produto. Para sistemas de secagem e armazenamento em fazendas, o silo convencional poderá ser adaptado para seca-aeração, não sendo necessário utilizar um silo têmpera. Num sistema de seca-aeração corretamente projetado para milho, a redução de 25% para 15% (b.u.) no teor de umidade deve resultar em um aumento em torno de 50% na capacidade dos secadores comerciais e, conseqüentemente, numa redução de 20 a 30% do combustível gasto por tonelada de produto seco.
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Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
Capítulo 5
Secagem e Secadores
Figura 35 – Sistema de seca-aeração. 6.4. Modificações e Recomendações na Operação e no Manejo a) Secagem em Silo com Sistema Contracorrente: neste equipamento ocorre menor consumo de energia, pois não se permite que o produto atinja o teor de umidade de equilíbrio nem a temperatura do ar de secagem. Muito utilizado nos Estados Unidos da América, o sistema Shivvers (Figura 17) é constituído por um silo secador, no qual é adaptado um sistema de rosca horizontal, que varre os grãos secos localizados imediatamente acima da chapa perfurada e os entrega a uma outra rosca vertical ou horizontal que, por sua vez, leva o produto até o silo de armazenagem onde pode ser processada a seca-aeração. Devido à possibilidade de ocorrência de condensação nas camadas superiores, este secador não é recomendado para a secagem de produtos como feijão e soja, principalmente se a secagem for feita em camada superior a um metro. A limpeza da massa do produto e o nivelamento da carga, visando à distribuição uniforme do fluxo de ar, propiciarão uma secagem uniforme. b) Sistema com Recirculação do Ar de Secagem: geralmente os secadores de fluxo cruzado apresentam gradiente de temperatura e umidade ao longo da espessura da massa de produto, ou seja, ocorre uma supersecagem do produto situado na parede por onde o ar entra na câmara de secagem. Para minimizar este problema, é necessário empregar alto fluxo de ar ou uma camada menos profunda de produto. Entretanto, estes procedimentos acarretam baixa eficiência energética, pois o ar sai do secador com alta capacidade de secagem. Para melhorar a eficiência térmica e a qualidade final do produto saído destes secadores, algumas modificações nos modelos originais têm sido propostas. Uma destas modificações consiste na recirculação de parte do ar de exaustão, promovendo préaquecimento e pré-secagem do produto mais úmido. A reversão do fluxo de ar dentro do secador, operando de modo intermitente, também aumenta a eficiência da secagem. O secador mostrado na Figura 36 é Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
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Capítulo 5
Secagem e Secadores
constituído por duas câmaras de secagem e duas câmaras "plenum". O ar insuflado pelo ventilador atravessa as câmaras em fluxo cruzado, em sentido inverso, em cada uma das câmaras de secagem. O ar é insuflado para a câmara "plenum" inferior, atravessando inicialmente em fluxo cruzado a câmara de secagem inferior, indo posteriormente para a câmara "plenum" superior. Em seguida, o ar passa em fluxos cruzados através da câmara de secagem superior, em sentido inverso, saindo para o exterior do secador.
Figura 35 – Secador de fluxos cruzados com reversão do fluxo de ar. c) Eliminação de Impurezas nos Produtos: antes da secagem, o material vindo do campo deve passar por uma pré-limpeza. Um produto contendo muitas impurezas aumentará a resistência à passagem do ar, aumentando o tempo de secagem e, conseqüentemente, a energia consumida no processo. Além disso, favorece o desenvolvimento de fungos, principalmente em secagem com baixa temperatura, em que o tempo de secagem é mais prolongado. d) Secagem com Revolvimento do Produto: os equipamentos necessários a esse processo constam, basicamente, de uma ou mais roscas-sem-fim, que giram no interior do silo em movimentos de rotação e translação (Figura 9). Os revolvedores em movimento promovem a mistura do produto, eliminando a frente de secagem e possibilitando melhor distribuição do fluxo de ar, uma vez que as zonas de concentração de materiais finos e a compactação do produto são eliminadas. Como conseqüência, o fluxo de ar através da massa aumenta em até 10%. 144
Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas
Capítulo 5
Secagem e Secadores
7. ANÁLISE DO CONSUMO ENERGÉTICO Eficiência energética é a razão entre a energia requerida para evaporar a água do produto e a quantidade de energia fornecida ao processo de secagem. A quantidade de energia fornecida inclui a energia para aquecimento do ar, além da potência elétrica utilizada no sistema (veja capítulo 8 – Energia no Pré-Processamento de Produtos Agrícolas). Estudos realizados no início da década de 80 estabeleceram que o custo do combustível usado na operação de secagem não onerava significativamente o custo total da secagem, mesmo considerando os problemas de energia da época. No entanto, os preços e a disponibilidade dos vários combustíveis vêm-se alterando tão rapidamente que qualquer previsão a respeito destes custos é altamente inconsistente. No caso do Brasil, que não possui uma política energética definida, torna-se difícil optar por uma fonte de energia confiável para alimentação dos secadores. É necessário mencionar também que, por determinação do Conselho Nacional do Petróleo, em 1980 foi proibida a utilização de qualquer derivado do petróleo na secagem de cereais, madeira e fumo, forçando os setores de armazenamento e secagem de produtos agrícolas a encontrar alternativas energéticas que substituíssem os combustíveis fósseis. A utilização indiscriminada de áreas florestais nativas, causando grande prejuízo ao ecossistema florestal, é uma das conseqüências desta medida, e o suprimento de madeira para as fornalhas deve vir de áreas reflorestadas para este fim, ou seja, de florestas energéticas. Considerando que a secagem em temperaturas elevadas pode consumir 60% ou mais do total de energia usada na produção dos produtos agrícolas, é necessário procurar soluções que aumentem a eficiência energética dos secadores.
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