AIRE - PROGRAMA COMPUTACIONAL PARA O DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS DE AERAÇÃO RESUMO

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1 NOTA TÉCNICA AIRE - PROGRAMA COMPUTACIONAL PARA O DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS DE AERAÇÃO Daniela de Carvalho Lopes 1 ; Evandro de Castro Melo 2 ; Adílio Flauzino Lacerda Filho 3 ; Daniel Marçal de Queiroz 4 RESUMO O dimensionamento adequado de sistemas de aeração é essencial para que resultados satisfatórios sejam obtidos com a aplicação desta tecnologia. Os procedimentos e regras utilizados no dimensionamento de sistemas de aeração envolvem métodos iterativos e grande quantidade de cálculos, tornando este processo cansativo e demorado. Portanto, existe a necessidade da disponibilização de um programa computacional que possibilite a realização deste dimensionamento e auxilie o profissional da área de armazenamento nesta tarefa. Utilizando-se o programa computacional AIRE é possível realizar o dimensionamento de sistemas de aeração por insuflação em armazéns graneleiros com fundo plano, silos com fundo plano e silos com fundo cônico. O AIRE foi desenvolvido utilizando-se o ambiente C++ Builder, versão 5.0, sendo compatível com processadores Pentium ou superiores. De acordo com testes realizados, pode-se concluir que o programa AIRE apresenta resultados satisfatórios, recomendando-se sua utilização como ferramenta de apoio a professores, estudantes, engenheiros e consultores da área de armazenagem. Uma versão gratuita e restrita do programa AIRE está disponível para download em Nesta versão do programa não é possível alterar dados de projeto, nem cadastrar novas estruturas armazenadoras e espécies de grãos. Também, as dimensões das estruturas devem estar entre 5 e 10 m. A versão completa do programa pode ser obtida entrando em contato com os seus autores. Palavras chave: aeração de grãos, dimensionamento, armazenamento. ABSTRACT AIRE - Software for aeration system design The aeration system design is essential for the success of this operation. Procedures and rules used in aeration system design require iterative methods and many calculations, therefore taking much time to perform the task. Thus, a software for designing aeration systems may become an useful tool for professionals working in the grain storage area. Then a software, called AIRE was developed for grain aeration design for flat storages, flat-bottom bins and cone-bottom bins. AIRE was developed, by using C++ Builder 5.0 and requires a Pentium PC or higher. According to the simulation results, it may be concluded that AIRE can be reliably used for designing aeration systems and is recommended as tool for teachers, students, engineers and consultants working with stored grains. A free and restricted version of AIRE is available for download in In this version of the software impossible to modify project data, neither registering new storage units nor new types of grains. Also, storage unit dimensions should be from 5 to 10 m. The complete version can be obtained getting in touch with its authors. Keywords: grain aeration, sizing, storage. 1 Doutoranda M.S. - Universidade Federal de Viçosa (UFV), Departamento de Engenharia Agrícola (DEA), Av. P.H. Rolfs, s/n, Campus Universitário, CEP: daniclopes@bol.com.br Professor Adjunto D.S. UFV/DEA, evandro@ufv.br Professor Adjunto - D.S. UFV/ DEA alacerda@ufv.br Professor Adjunto Ph.D UFV/DEA queiroz@ufv.br Engenharia na Agricultura, Viçosa, MG, v.13, n.3, , Jul./Set. 2005

2 INTRODUÇÃO O dimensionamento de sistemas de aeração consiste na determinação da capacidade da estrutura de armazenagem, na seleção de ventiladores mais apropriados (tipo, potência, vazão total de ar requerida e eficiência), no dimensionamento e localização dos dutos e no dimensionamento das saídas para exaustão do ar na estrutura de armazenagem (Navarro e Noyes, 2001). Para a determinação destes, é necessário conhecer a espécie de grão que será armazenada e suas propriedades (massa específica e ângulo de repouso), o tipo de estrutura a ser utilizada (silo com fundo plano, armazém graneleiro com fundo plano, ou silo com fundo cônico), se a superfície da massa de grãos será nivelada ou não, as dimensões da estrutura armazenadora e a vazão específica de ar requerida. Estes dados de entrada influenciam, diretamente, os resultados do dimensionamento e a variação de quaisquer deles pode modificar, significativamente, a configuração do sistema de aeração projetado. As etapas mais importantes, durante o dimensionamento de sistemas de aeração, são a seleção dos ventiladores e o dimensionamento dos dutos. A determinação destes dados requer a utilização de métodos iterativos, tornando os procedimentos demorados e cansativos. Surge, então, a necessidade de um programa computacional com o qual se possa realizar estes cálculos e que venha a facilitar o trabalho do profissional na área de armazenamento de grãos. Esse trabalho foi desenvolvido com o objetivo de implementar um programa computacional para o projeto de sistemas de aeração de grãos, para diferentes tipos de estruturas de armazenagem. MÉTODO O dimensionamento de sistemas de aeração foi dividido em várias etapas, cuja execução depende de cálculos específicos e da observação de algumas regras. As primeiras etapas são simples, consistindo nos cálculos da área da base e do volume da estrutura de armazenagem. A capacidade de armazenamento total do silo ou graneleiro variará com seu volume e com a massa específica do produto, o que pode ser estimado com a utilização da Equação 1. C = V S (1) 1000 em que, C S = capacidade da estrutura de armazenagem, t; V = volume da estrutura de armazenagem, m 3 ; e ífica do produto, kg m -3. A vazão total de ar requerida para o sistema de aeração, expressa em m 3 min -1, está diretamente relacionada com a vazão específica de ar, fornecida como dado de entrada. Assim, a vazão total de ar requerida será igual ao resultado do produto da vazão específica de ar e a capacidade ou o volume da estrutura de armazenagem, dependendo da unidade em que a vazão específica do ar for expressa, ou seja, m 3 min -1 t -1 ou m 3 m in -1 m -3. A velocidade do ar nas aberturas, localizadas na parte superior da instalação, é aspecto muito importante no projeto de sistemas de aeração, sendo outra etapa no dimensionamento. As áreas das saídas de ar devem ser projetadas de forma a minimizarem as perdas de pressão na saída do ar. O sistema pode requerer várias saídas, para evitar que o ar úmido se localize na parte superior da unidade armazenadora. Com a utilização do AIRE, pode-se indicar a área total da seção transversal dessas saídas (Equação 2), que é projetada para permitir uma velocidade média do ar igual a 300 m min -1, conforme recomendações apresentadas por Holman (1960) e Navarro e Noyes (2001). Engenharia na Agricultura, Viçosa, MG, v.13, n.3, , Jul./Set.,

3 Qt A E = (2) 300 em que, A E = área de escape para o ar no teto da estrutura, m 2 ; e Q t = vazão de ar total requerida, m 3 min -1. A seleção do ventilador depende, principalmente, da vazão de ar requerida e da resistência oferecida pelo produto ao fluxo de ar. Esta resistência é denominada pressão estática, sendo o fator mais significante em um sistema típico de aeração. Para estimar a pressão estática, o AIRE utiliza a equação apresentada por Hukill e Ives (1955), baseada nos dados obtidos por Shedd (1953) e adotada, como padrão, pela American Society of Agricultural Engineers (ASAE). Como são vários os fatores que podem afetar a pressão estática, o AIRE compensa este problema utilizando, nos cálculos, um fator de compactação (packing factor), citado por Loewer et al (1994). Este fator pode ser alterado pelo usuário do programa, como acontece com outros dados de projeto. O valor-padrão fornecido é 1,5 (assumindo-se acréscimo de 50% na resistência ao fluxo de ar para dada quantidade de grãos). Como a altitude da região, onde o sistema será implantado, influencia a seleção do ventilador, no AIRE, é utilizada a Equação 3, apresentada por Alé (2001), para corrigir o ponto de operação dos ventiladores cadastrados e avaliar, para determinada curva característica, como seria o comportamento do ventilador para condição diferente da condição padrão (102,325 kpa e 25ºC). PE , ( T + 273) PE c 0 = (3) 294 Patm em que, PE 0 = pressão estática para as condições padrão, mmca; PE c = pressão estática para as condições de operação, mmca; T = temperatura para as condições de operação do ventilador, ºC; e P atm = pressão atmosférica para as condições de operação, kpa. Com os resultados da pressão estática e da vazão de ar requerida, o ventilador será selecionado para o sistema de aeração, com base em curvas características de rendimento e velocidade de alguns ventiladores disponíveis no mercado. Isto é feito, verificando-se, dentre os ventiladores cadastrados na base de dados do programa AIRE, aquele que apresenta melhor rendimento para o ponto de operação (pressão estática versus vazão de ar) do sistema projetado. O banco de dados dos ventiladores foi montado, digitalizando-se suas curvas características e gerando equações, relacionando pressão estática e volume de ar, para certos valores de rendimento e velocidade angular. Assim, a partir do ponto de estado do sistema de aeração dimensionado, é possível, por meio de interpolação, se obter estimativa desses parâmetros para os vários ventiladores cadastrados e decidir qual o mais apropriado. No processo de digitalização, utilizou-se o programa SACRID, desenvolvido na UFV (Santos & Ramos, 2001), para obtenção das coordenadas das curvas. As equações foram geradas, utilizando-se planilha eletrônica e ajustando os dados por meio de regressão polinomial. Ainda na etapa de seleção dos ventiladores, a potência elétrica requerida pelo motor do ventilador é estimada, aplicando-se a Equação 4 (Brooker et al, 1992). Qt PE P = 4500 em que, P = potência do motor do ventilador, cv; PE = pressão estática, mmca; e η = rendimento do ventilador, decimal. (4) Durante a aeração, o risco de perdas quantitativas e qualitativas de produto armazenado gera a necessidade de um monitoramento do movimento e da uniformidade de deslocamento da frente de 204 Engenharia na Agricultura, Viçosa, MG, v.13, n.3, , Jul./Set. 2005

4 resfriamento na massa de grãos (Navarro e Noyes, 2001). Por isso, esta é a principal preocupação durante a etapa do dimensionamento do sistema de dutos. O primeiro dado determinado, nesta etapa, é a área requerida para as chapas perfuradas, obtida por meio da divisão da vazão total de ar requerida pela velocidade do ar através do fundo perfurado. Holman (1960) sugere que esta velocidade seja de 6 e 9 m min -1, para cereais. A localização dos dutos perfurados é muito importante, pois, tem efeito direto na uniformidade de distribuição do ar. O comprimento e posicionamento dos dutos devem ser tais que resultem numa velocidade do ar, suficientemente, uniforme e que atenda a área requerida para as chapas perfuradas. Os cálculos envolvidos nesta etapa do processo de dimensionamento variam de acordo com o tipo de instalação utilizada. As possibilidades de configurações indicadas pelo AIRE estão apresentadas nas Figuras 1, 2 e 3 para armazéns graneleiros com fundo plano, silos com fundo plano e silos com fundo cônico, respectivamente. Em geral, os comprimentos dos dutos, as distâncias entre dutos perfurados e paredes do silo e entre dutos perfurados são calculados de acordo com regras da geometria como, por exemplo, a lei dos triângulos retângulos. Segundo Navarro e Noyes (2001), a distância entre dutos não deve ser maior que a altura da massa de grãos, enquanto a distância da parede ao duto próximo a ela não deve exceder metade da altura da massa de grãos. O número de dutos é determinado de maneira iterativa, buscando-se uma combinação entre largura e comprimento total de dutos perfurados, que gere uma área maior ou igual à área requerida para chapa perfurada e cuja razão entre os caminhos mais longo e mais curto percorridos pelo ar seja menor ou igual a 1,5 (Holman, 1960). As larguras máxima e mínima consideradas podem ser alteradas pelo usuário do programa, assim como o incremento utilizado na determinação das larguras intermediárias. Os dados fornecidos como padrão são larguras variando de 0,45 a 0,85 m, com incrementos de 0,05 m. Portanto, quando a utilização de mais de um duto for recomendada, na primeira tentativa de dimensionamento de dutos perfurados considera-se o sistema com dois dutos. Então, o número de dutos é aumentado até que a configuração atenda às exigências de projeto, apresentadas anteriormente. As profundidades dos dutos perfurados também são calculadas, sendo proporcionais à quantidade de ar que passa pelos dutos e à sua velocidade. Com a utilização do programa AIRE, pode-se realizar estes cálculos, considerando uma velocidade máxima na saída dos dutos perfurados igual a 450 m min -1, recomendada por Holman (1960) para sistemas de aeração por insuflação, e vazões de ar proporcionais ao comprimento de cada duto (Navarro & Noyes, 2001). Da mesma forma, são dimensionados os dutos de alimentação (não perfurados), que fornecem ar aos dutos perfurados. Seguindo-se as recomendações apresentadas por Holman (1960), a velocidade máxima do ar nestes dutos, também, é igual a 450 m min -1. Engenharia na Agricultura, Viçosa, MG, v.13, n.3, , Jul./Set.,

5 Figura 1. Configurações utilizadas pelo AIRE para localização de dutos em armazéns graneleiros com fundo plano Figura 2. Configurações utilizadas pelo AIRE para localização de dutos em silos com fundo plano 206 Engenharia na Agricultura, Viçosa, MG, v.13, n.3, , Jul./Set. 2005

6 Figura 3. Configurações utilizadas pelo AIRE para localização de dutos em silos com fundo cônico RESULTADOS E DISCUSSÃO Na Figura 4 está apresentada a tela de entrada de dados do programa computacional desenvolvido. Observa-se que, além dos dados fornecidos nesta etapa, o usuário do programa pode acessar a tela Dados de projeto e alterar os valores do fator de compactação, velocidade do ar máxima permitida na saída e ao longo dos dutos, larguras máxima e mínima permitidas para os dutos e o incremento utilizado na avaliação destas larguras. Existe, também, a possibilidade de cadastrar ou excluir espécies de grãos e estruturas de armazenagem com dimensões específicas. Os dados de entrada do AIRE são previamente avaliados, garantindo-se que os resultados apresentados respeitem as regras estabelecidas para o correto dimensionamento de sistemas de aeração. Em caso de informação indevida pelo usuário, o AIRE exibirá mensagem de alerta, pedindo ao mesmo que corrija o valor fornecido, além de informar os limites recomendados. Na Figura 5, mostra-se o relatório final, contendo os resultados do dimensionamento executado com a utilização do AIRE. Este relatório pode ser gravado em arquivo com extensão.doc ou impresso. Acessando a tela Ventiladores, é possível visualizar todos os ventiladores cadastrados na base de dados do AIRE. Na Figura 6, exibe-se, o esquema do dimensionamento, que pode ser gravado em arquivo com o formato.jpg e representa planta baixa do fundo da estrutura de armazenagem. Nesta tela, é possível visualizar, com mais facilidade, como os dutos serão dispostos, seguindo-se o dimensionamento proposto. Figura 4. Tela para entrada de dados do programa computacional AIRE Engenharia na Agricultura, Viçosa, MG, v.13, n.3, , Jul./Set.,

7 Figura 5. Tela contendo o relatório exibido pelo AIRE Figura 6. Tela do AIRE em que o esquema do dimensionamento está exibido O programa computacional AIRE foi utilizado por professores e estudantes do Departamento de Engenharia Agrícola da Universidade Federal de Viçosa e do Departamento de Ingeniería Agrícola da Universidad de Valladolid (Espanha). Os resultados, obtidos com a utilização do programa computacional, foram comparados aos obtidos por cálculos manuais, verificando-se que, com a utilização do AIRE, foi possível realizar, satisfatória e confiavelmente, o dimensionamento de sistemas de aeração para armazéns graneleiros com fundo plano, silos com fundo plano e silos com fundo cônico. A intenção dos autores do programa computacional AIRE é a de atualizá-lo constantemente. Futuramente, pretende-se incluir no programa a possibilidade de dimensionamento de sistemas de aeração para armazéns graneleiros com fundo inclinado, o cadastro de novos ventiladores na sua base de dados e a possibilidade de outras configurações para o sistema de 208 Engenharia na Agricultura, Viçosa, MG, v.13, n.3, , Jul./Set. 2005

8 dutos. Também, à medida que o AIRE for sendo utilizado, novas sugestões e críticas deverão ser apresentadas, incrementando o processo de atualização e adequação do programa. Uma versão gratuita e restrita do programa AIRE está disponível para download no endereço eletrônico Nesta versão do programa, não é possível alterar dados de projeto nem cadastrar novas estruturas armazenadoras e espécies de grãos. Também, as dimensões das estruturas devem estar entre 5 e 10 m. A versão completa do AIRE pode ser obtida, entrando em contato com os autores do programa. CONCLUSÃO Com a utilização do AIRE, verificou-se a otimização do tempo requerido para execução e obtenção de resultados confiáveis no dimensionamento de sistemas de aeração para armazéns graneleiros com fundo plano, silos com fundo plano e silos com fundo cônico. O programa computacional AIRE pode ser, portanto, recomendado como ferramenta de apoio a professores, estudantes, consultores e demais profissionais da área de armazenamento de grãos. Agricultural Markenting Service, U.S., Department of Agriculture, Washington, D.C., 1960, 74p. HUKILL, W.V.; IVES, N.C. Radial airflow resistance of grain. Agric. Eng., v.36, p , LOWER, O.J.; BRIDGES, T.C.; BUCKLIN, R.A. On-farm drying and storage systems. ASAE, USA, 1994, 539 p. NAVARRO, S.; NOYES, R.T. The mechanics and physics grain aeration management. CRC Press, USA, 647p., SANTOS, W.L.; RAMOS, M.M. SACRID Software para aquisição de coordenadas reais de imagens digitais. Universidade Federal de Viçosa (UFV). Disponível via URL: Consulta realizada em SHEED, C.K. Resistance of grains and seeds to airflow. Agric. Eng., v.34, p , SILVA, J.S.; LACERDA FILHO, A.F. e DEVILLA, I.A. Aeração de grãos armazenados. In: Secagem e armazenagem de produtos agrícolas. SILVA, J.S. (editor). Editora Aprenda Fácil, Viçosa, MG, 2000, 502p. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALÉ, J.F. Sistemas de ventilação industrial - Ventiladores. Departamento de Engenharia Mecânica e Mecatrônica, LSFM, PUCRS. Abril de 2001, 403p. BROOKER, D.B.; BARKER-ARKEMA, F.W.; HALL, C.W. Drying and storage of grains and oilseeds. AVIBook, New York, 1992, 440p. HOLMAN, L.E. Aeration of grain in comercial storages. Guia técnico, n o 178, Engenharia na Agricultura, Viçosa, MG, v.13, n.3, , Jul./Set.,