PROPRIEDADES FÍSICAS E AERODINÂMICAS APLICADAS AO PROJETO DE MÁQUINAS DE LIMPEZA PARA GRÃOS DE MILHO

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1 PROPRIEDADES FÍSICAS E AERODINÂMICAS APLICADAS AO PROJETO DE MÁQUINAS DE LIMPEZA PARA GRÃOS DE MILHO Mauri Martins Teixeira 1, Peter John Martyn 2, Tetuo Hara 3, João Paulo A. Rodrigues da Cunha 4 RESUMO O conhecimento das propriedades físicas e aerodinâmicas dos grãos é essencial ao projeto, construção e operação dos equipamentos de limpeza, secagem e armazenagem dos produtos agrícolas. Desta forma, diante da escassa disponibilidade de trabalhos sobre o assunto para os grãos de milho, este trabalho teve como objetivo determinar o tamanho, a esfericidade, a velocidade terminal, o coeficiente de arraste, a massa específica aparente e o volume de grãos de milho. Foram utilizadas duas variedades de grãos de milho (Zea mays L.), HMD7479 e AG409 colhidos manualmente e debulhados mecanicamente. A partir dos resultados obtidos, pode-se concluir que: a metodologia utilizada mostrou-se adequada para a determinação das propriedades físicas dos grãos de milho; a rotação dos grãos interfere no processo experimental de medição da velocidade terminal; os resultados apresentados permitem o dimensionamento e o projeto de máquinas de limpeza a ar e peneira, para grãos de milho; e as variedades de milho apresentaram valores diferenciados para as propriedades físicas e aerodinâmicas. Palavras-chave: milho, beneficiamento, velocidade terminal ABSTRACT Physical and Aerodynamic Properties Applied for Designing a Corn Grain Cleaner The knowledge of physical and aerodynamic properties of grains is essential for designing, manufacturing and operating equipments for cleaning, drying and storage agricultural products. Due to the scarce number of publications related to this subject, the objective of this work was to determine the size, sphericity, terminal velocity, drag coefficient, bulk density and volume of corn grains. Two corn (Zea mays L.) varieties were used, HMD7479 and AG49. They were harvested by hand and mechanically shelled. The results showed that: the methodology used for determining the physical properties of corn grains was adequate; the rotational movement of the corn grains interfered on the experimental measurements, while determining the corn grains terminal velocity; the data obtained from this research can be used to design a corn grains cleaning machine using sieves and pneumatic systems; different physical and aerodynamic properties values were obtained for the two corn varieties used. Keywords: corn grain, cleaning, terminal velocity 1 Prof. Adjunto da Universidade Federal de Viçosa. Departamento de Engenharia Agrícola. Campus da UFV; CEP Viçosa, MG. Brasil. mauri@mail.ufv.br 2 Prof. Titular da Universidade Federal de Viçosa. Departamento de Engenharia Agrícola. Campus da UFV; CEP Viçosa, MG. Brasil. 3 Prof. Titular da Universidade Federal de Viçosa. Departamento de Engenharia Agrícola. Campus da UFV; CEP Viçosa, MG. Brasil. 4 Doutorando em Engenharia Agrícola. Departamento de Engenharia Agrícola. Campus da UFV; CEP Viçosa, MG. Brasil. 52 Engenharia na Agricultura, Viçosa, v.11, n.1-4, Jan./Dez., 2003

2 INTRODUÇÃO Os grãos procedentes das lavouras de milho não apresentam condições adequadas ao imediato armazenamento. O produto, tal como recebido do campo, possui, em sua grande maioria, elevado teor de impurezas, o que o torna inadequado para o armazenamento e fora dos padrões de comercialização (WEBER, 1998). As impurezas dificultam a passagem dos grãos pelos transportadores, reduzem a capacidade das máquinas de classificação e impossibilitam uma secagem satisfatória e um armazenamento seguro. Portanto, a limpeza é necessária ao melhoramento das características de um lote de grãos. A remoção de impurezas e materiais indesejáveis exige que a massa passe por uma ou mais máquinas. Essas máquinas fazem a separação com base na diferença de alguma característica física entre os grãos e as impurezas. Quando essas características são similares, a separação torna-se difícil. Neste caso, sempre que possível, a separação deve basear-se na propriedade cuja diferença seja mais pronunciada (TEIXEIRA, 1993). Ressalta-se, portanto, a importância do conhecimento das propriedades físicas e aerodinâmicas dos grãos. O conhecimento das propriedades físicas dos grãos é essencial ao projeto, à construção e operação dos equipamentos de limpeza, secagem e armazenagem dos produtos agrícolas (SILVA & LUCENA, 1995; AFONSO JÚNIOR et al., 2000). Dentre as propriedades físicas mais relevantes ao projeto de máquinas de limpeza, destacam-se: forma e tamanho dos grãos, velocidade terminal e massa específica aparente (SRIVASTAVA et al., 1993). As máquinas de limpeza e pré-limpeza operam, normalmente, baseadas no sistema de separação, utilizando fluxo de ar e conjunto de peneiras. Para o desenvolvimento de máquinas, que utilizam fluxo de ar para separar os grãos das impurezas, é essencial o conhecimento da velocidade terminal de todas as partículas que compõem a mistura de produto e impureza (MOHSENIN, 1970). Esta propriedade determina a velocidade a ser imposta ao ar, para que este não arraste os grãos durante sua passagem. Para o desenvolvimento de mecanismos de limpeza baseados em peneiras, é importante o conhecimento da forma e tamanho dos grãos, visando à determinação do tamanho e da forma dos furos. Entende-se, por tamanho dos grãos, as dimensões de largura, espessura e comprimento dos grãos. As propriedades físicas são úteis, também, quando se trata de problemas relacionados aos fenômenos de transferência de calor e de massa, durante a secagem e o armazenamento de produtos agrícolas (FRANCESCHINI et al., 1996). Considerando a importância da determinação das propriedades físicas dos grãos para o desenvolvimento de máquinas de limpeza eficientes bem como a escassa disponibilidade de trabalhos sobre o assunto relacionados aos grãos de milho, o presente estudo objetivou determinar o tamanho, a esfericidade, a velocidade terminal, o coeficiente de arraste, a massa específica aparente e o volume de grãos de milho dos cultivares HMD 7479 e AG 401. MATERIAL E MÉTODOS O presente trabalho foi realizado no Laboratório de Análises de Grãos do Centro Nacional de Treinamento em Armazenagem (Centreinar), no campus da Universidade Federal de Viçosa. Foram utilizadas duas variedades de grãos de milho (Zea mays L.), colhidos manualmente e debulhados mecanicamente. A primeira, variedade AG401, é proveniente do município de Coimbra, MG, sendo seu teor de umidade de 12,1% (b.u.); enquanto a segunda, variedade HMD7479, é proveniente do município de Teixeiras, MG, sendo seu teor de umidade de 9,1% (b.u.). Tamanho dos grãos O tamanho dos grãos de milho foi determinado medindo-se as dimensões do comprimento, da largura e da espessura de cada grão. Com o auxílio de um paquímetro, com resolução de 0,01 mm, mediram-se as Engenharia na Agricultura, Viçosa, v.11, n.1-4, Jan./Dez.,

3 três dimensões de uma amostra, contendo 200 grãos de milho, para cada variedade. A partir da média de cada dimensão, determinou-se o intervalo de previsão (IP= X ± t.s), baseado em Piza e Curi (1986). Este intervalo permite determinar que a probabilidade de uma determinada dimensão do grão está compreendida entre os valores apresentados no intervalo obtido. Massa específica aparente e volume dos grãos A determinação da massa específica aparente dos grãos de milho foi feita, utilizando-se a metodologia da complementação do volume. Foram utilizados balões volumétricos (10,00 ± 0,04 ml) e uma balança analítica (precisão de 0,0001 g). Como líquido complementar de volume, usou-se o óleo de soja. Durante as determinações, foram utilizadas cinco amostras para cada variedade de milho, contendo, cada uma, trinta grãos, de acordo com Moreira et al. (1985). A massa específica do líquido complementador (óleo de soja) foi obtida pela relação entre a massa do líquido e o volume do balão. Deste modo, pesou-se o balão volumétrico vazio e, em seguida, pesou-se novamente o balão com óleo até à marca de 10,00 ml. Determinou-se a massa específica aparente dos grãos de milho, sendo conhecida a massa específica do líquido complementador, colocando-se cada amostra no interior de um recipiente de massa e volume conhecidos. Em seguida, o volume do frasco foi completado com óleo de soja até à marca correspondente ao volume de 35,10 ml, pesando-se novamente. Conhecendo a massa do líquido, utilizado na complementação de volume (obtido por subtração), e sua massa específica, calculou-se o volume ocupado pelos grãos. A massa específica aparente dos grãos foi determinada pela relação entre a massa do grão e seu volume. ventilador acoplado a um tubo de PVC com 200 mm de diâmetro e mm de comprimento (Figura 1). Essas dimensões foram utilizadas, a fim de obter uma maior uniformidade de distribuição da velocidade do ar na secção transversal do duto. À distância de 90 mm de sua extremidade superior, fixou-se uma tela para sustentação das amostras. Na entrada do ventilador foi fixado um diafragma para regulagem da velocidade do fluxo de ar (PINHEIRO, 1975). Utilizaram-se 30 amostras, contendo apenas um grão de milho sadio, sendo a velocidade do fluxo de ar medida no ponto localizado a 100 mm abaixo da tela de sustentação, utilizando-se um velômetro com precisão de ± 2%. A medição da velocidade do ar correspondente à velocidade terminal foi realizada, no início da flutuação da amostra, de forma a evitar seu movimento de rotação. Ventilador centrífugo Tela Tubo PVC Entrada de ar Figura 1. Esquema do dispositivo utilizado para determinação da velocidade terminal. Velocidade terminal calculada Para verificar a viabilidade do cálculo da velocidade terminal, determinou-se o seu valor baseado em fórmula empírica, o que possibilitou um estudo comparativo com os resultados experimentais. Para o cálculo da velocidade terminal utilizou-se a equação proposta por Hawk et al. (1966): Velocidade terminal experimental A velocidade terminal foi determinada, utilizando-se um dispositivo formado por um 2. W.( ρp ρf ) Vt =... C ρp ρf Ap 1 2 (1) 54 Engenharia na Agricultura, Viçosa, v.11, n.1-4, Jan./Dez., 2003

4 em que: Vt = velocidade terminal, m.s -1 ; W = peso das partículas, N; ρp = massa específica da partícula, kg.m -3 ; ρf = massa específica do fluido, kg.m -3 ; C = coeficiente de arrasto, adimensional; e Ap = área projetada das partículas, normal ao seu movimento em relação ao fluído, m². Para o cálculo da área projetada do grão estimada, utilizou-se a equação (2), desenvolvida por Agrawall, citado por Soares (1986). Ap = π. A. B (2) em que: Ap = área projetada, m²; A = semi-eixo maior, m; e B = semi-eixo menor, m. Esfericidade Mohsenin (1970) definiu a esfericidade como sendo a razão do diâmetro de uma esfera, com o mesmo volume do objeto, pelo diâmetro da menor esfera circunscrita. Assim, a esfericidade foi calculada, baseando-se na média geométrica dos três eixos perpendiculares ao corpo em relação ao maior eixo, conforme a equação (3). (. b. c) 1 a 3 φ = (3) a em que: φ = esfericidade, adimensional; a = eixo maior, m; b = eixo médio, m; e c = eixo menor, m. Coeficiente de arrasto O coeficiente de arrasto foi calculado, baseando-se na equação de Wadell, citado por West (1970), que estabeleceu uma família de curvas de coeficiente de arrasto versus número de Reynolds (Re), para diferentes esfericidades. O resultado foi uma equação empírica para valores de Re, compreendidos entre e , em função da esfericidade. C = 5,31 4,88 φ (4) em que: C = coeficiente de arrasto, adimensional; e φ = esfericidade, adimensional. RESULTADOS E DISCUSSÃO No Quadro 1 são apresentados os valores médios obtidos para o tamanho, esfericidade, coeficiente de arraste, volume de grãos, massa de grãos, massa específica aparente, área projetada e velocidade terminal experimental e calculada de grãos de milho das variedades AG401 e HMD7479. Os resultados, obtidos na determinação do tamanho de grãos, possibilitam a escolha das dimensões dos furos de peneiras para máquinas de limpeza, baseada na média do intervalo de previsão (95%) da dimensão do comprimento. Considerando que, em peneiras de furos redondos, o grão de milho é separado em função de sua largura, deve-se adotar essa dimensão como referência. Neste caso, a média do intervalo de previsão (95%) do comprimento, a ser adotado, não pode ser menor que a dimensão média da largura. Quanto à massa específica aparente, a análise de variância mostrou que houve diferença significativa entre os valores obtidos, para as duas variedades, ao nível de 5% de probabilidade, aplicando-se o teste F. A variação pode ser explicada pelas diferenças dos tratos culturais e insumos agrícolas aplicados, durante o cultivo das duas variedades. Desta forma, utilizaram-se os valores médios de 1,2666 g.cm -3 e 1,3079 g.cm -3 como valores da massa específica aparente do milho, para as variedades AG401 e HMD7479, respectivamente, para o cálculo da velocidade terminal. Esta foi determinada a fim de obter a velocidade do ar máxima nas colunas pneumática de máquinas de limpeza, sem que ocorra transporte de grãos juntamente com as impurezas. Engenharia na Agricultura, Viçosa, v.11, n.1-4, Jan./Dez.,

5 Quadro 1. Propriedades físicas e aerodinâmicas dos grãos de milho Tamanho Propriedade Física Variedade de Milho AG401 HMD7479 Comprimento (mm) 11,05 10,24 (8,90-13,19)* (8,50-11,99) Largura (mm) 8,54 8,29 (6,87-10,20) (6,95-9,63) Espessura (mm) 4,48 4,15 (2,81-6,15) (2,95-5,35) Esfericidade 0,68 0,69 Coeficiente de arrasto 1,99 1,95 Umidade (%), b.u. 12,1 9,1 Massa do grão (g) 0,2789 0,2387 Volume do grão (cm 3 ) 0,2202 0,1825 Massa específica aparente (kg.m -3 ) 1.266, ,90 Área projetada (m ) 38,88 33,54 Velocidade Terminal Experimental (m.s -1 ) 8,25 8,92 Calculada (m.s -1 ) 7,83 8,89 * Valores entre parênteses são referentes a IP(95%) Os valores médios das velocidades terminais, obtidos experimentalmente, foram maiores que os calculados para as duas variedades de milho. Isto ocorreu, principalmente, devido ao método empregado em sua determinação, pois, em razão da forma irregular dos grãos, sempre há uma tendência à rotação das partículas, acarretando a obtenção de valores superestimados. Com base nos valores de velocidade terminal, obtidos experimentalmente, podese ajustar a rotação do ventilador das máquinas de limpeza até obter uma velocidade do ar, na coluna pneumática, próxima a este valor, de forma a garantir máxima eficiência de separação. CONCLUSÕES A partir dos resultados obtidos conclui-se: A metodologia utilizada neste trabalho mostrou-se adequada à determinação das propriedades físicas dos grãos de milho. A rotação dos grãos de milho interfere no processo experimental de medição da velocidade terminal. Os resultados apresentados permitem o dimensionamento e o projeto de máquinas de limpeza de ar e peneira, para grãos de milho das variedades AG401 e HMD7479. As variedades de milho apresentaram valores diferenciados para as propriedades físicas e aerodinâmicas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AFONSO JÚNIOR, P.C.; CORRÊA, P.C.; ANDRADE, E.T. Análise da variação das propriedades físicas e contração volumétrica dos grãos de milheto durante a dessorção. Rev. Bras. de Armaz., Viçosa, MG, v. 25, n. 1, p , FRANCESCHINI, A.S.; CORRÊA, P.C.; RAMOS, M.G. Determinação de algumas propriedades físicas do milho, híbrido BR Rev. Bras. de Armaz., Viçosa, MG, v. 21, n. 1, p , HAWK, A.L.; BROOKER, D.B.; CASSIDY, J.J. Aerodynamic characteristics of selected farm grains. Transactions of the ASAE, St. Joseph, Michigan, v. 9, n. 1, p , Engenharia na Agricultura, Viçosa, v.11, n.1-4, Jan./Dez., 2003

6 MOHSENIN, N.N. Physical properties of plant and animal materials. New York: Gordon and Breach Science Publishers, p. MOREIRA, S.M.C.; CHAVES, M.A.; OLIVEIRA, L.M. Avaliação da massa específica aparente de grãos agrícolas pelo método de complementação de volume utilizando diferentes líquidos. In: ENCONTRO NACIONAL DE SECAGEM, 5., 1985, Lavras. Anais... Lavras: ESAL, PINHEIRO, M.C. Propriedades físicas de grãos de soja UFV f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG. PIZA, J.T.; CURI, P.R. Relação entre as formas de café (Coffea arábica) em coco e beneficiado. Engenharia Agrícola, Jaboticabal, v. 10, n. 1, p. 3-13, SILVA, J.S.; LUCENA, E.M.P. Estrutura, composição e propriedades das sementes. In: SILVA, J.S. (Ed.). Pré-processamento de produtos agrícolas. Juiz de Fora, MG: Instituto Maria, p SOARES, J.B. Curvas de secagem em camada fina e propriedades físicas de soja (Glycine max L.) f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG. SRIVASTAVA, K.A.; GOERING, E.C.; ROHRBACH, P.R. Engineering principles of agricultural machines. St. Joseph, Michigan: ASAE, p. TEIXEIRA, M.M. Limpieza de los granos. In: ARIAS, C. (Ed.). Manual de manejo poscosecha de granos a nivel rural. Santiago, Chile: FAO, p WEBER, E.A. Armazenagem agrícola. Porto Alegre: Keepler Weber Industrial, p. WEST, N.L. Aerodynamic force predictions. St. Joseph, Michigan: ASAE, p. (ASAE Paper, ). Engenharia na Agricultura, Viçosa, v.11, n.1-4, Jan./Dez.,