Sistema automatizado de aquecimento solar para controle de fitopatógenos da água de irrigação

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1 Grupo: João Guilherme, O garanhão. Integrantes: Ana Paula, Amanda, João Guilherme, Maíra e Natália Sistema automatizado de aquecimento solar para controle de fitopatógenos da água de irrigação Resumo O estudo teve como finalidade eliminar fitopatógenos presentes na água com fins de irrigação. O sistema utilizado no processo foi a partir do aquecimento solar, empregando-se um circuito fechado e automatizado por coletores planos. No sistema também utilizou técnicas de transmissão de calor, como as convecções natural e forçada. A automatização do processo se deu através de monitores termostáticos diferenciais, que com temperaturas programadas entre 35 e 60ºC, ocasionou a eliminação da maioria dos microorganismos presentes na água. Os resultados mostraram rendimentos térmicos superiores aos modelos convencionais e comprovou-se que o método é promissor no tratamento das águas para irrigação, visto que as temperaturas atingidas pelo sistema foram letais para a maioria dos fitopatógenos. O método também se mostrou eficiente em relação ao baixo custo de implantação em pequenas ou médias plantações agrícolas e derivados. Introdução A energia solar, hoje em dia bastante conhecida, quase não possuía adeptos antes dos anos 70, quando veio a primeira crise mundial do petróleo. A partir dessa década as pesquisas se intensificaram, melhorando o funcionamento das células fotovoltaicas (unidade fundamental do processo de conversão), tornando-as cada vez mais acessíveis. Especialistas nessa tecnologia prevêm a queda de até 6 vezes no preço do quilowatt obtido a partir da energia solar até 2015 (2). Essa energia proveniente do sol é limpa e abundante, além de gratuita por natureza. No Brasil estima-se que diariamente incidam de 2,5 a 7,5 Kw/h, dependendo do local e da época do ano (2). O grande problema é que seus conversores para outras energias (térmica e elétrica) ainda são caros, inviabilizando sua utilização para a maioria da população brasileira, e segundo o Ministério de Minas e Energia (MME) a estimativa para o ano 2000 dentro do território brasileiro era de 0,1% do consumo total da energia primária. No Brasil, já foram desenvolvidas algumas tecnologias para a utilização da energia solar, antes aplicada somente em indústrias, comércio e residências, e agora sendo transportadas para o ambiente rural, para o aquecimento de águas da agroindústria, estufas, viveiros, secagem de produtos, tratamento térmico de solos e outros (Bezerra, 1979; Roa, 1979; Macedo 1981; Armond et al., 1990). Neste estudo foi utilizado o coletor solar plano, ou coletor de placa plana (CPP), no qual o componente básico é uma placa de metal fina e plana que absorve a radiação solar. A água da tubulação entra em contato com a placa absorvedora e é posta em circulação por uma bomba para levar embora o calor. A placa pode ser pintada de preto para aumentar sua capacidade de absorção e geralmente é coberta de uma ou duas placas de plástico ou vidro transparentes, que evitam que a radiação transformada em calor pela placa se dissipe por convecção (3). Temperaturas de até 80 podem ser atingidas, mas os coletores costumam ser operados a temperaturas mais baixas (50 a 60 C), nas quais eles possuem rendimento de cerca de 50%, sob intensa radiação solar.(lunde, 1980; Palz, 1981).

2 Grande parte dos microorganismos fitopatogênicos presentes na água morrem numa faixa de temperatura que vai desde 35 até 60 C (Wolf & Wolf, 1947; Cochrane, 1958, Deveral, 1965), isso quer dizer que as temperaturas atingidas pela água no sistema de aquecimento CPP são suficientemente altas para matá-los. Numa rede de irrigação, esses fitopatógenos, que geralmente são fungos, podem ser transportados pela água, chegando até os viveiros e culturas. Nesse contexto, e considerando que o Brasil possui como atividade econômica mais importante a agropecuária, este trabalho objetivou a desinfestação da água de irrigação, através de um modelo de sistema de aquecimento solar automatizado, com capacidade de elevar suficientemente a temperatura da água para matar os microorganismos fitopatogênicos. Revisão Bibliográfica A tecnologia de controle térmico em desenvolvimento no âmbito espacial vem atualmente sendo adaptada também para aplicações terrestres. Nesta linha, destaca-se o desenvolvimento de fornos de cocção e de trocadores de calor de grande porte para refinarias de petróleo que utilizam a tecnologia de termossifões bifásicos. (4) O Laboratório de Energia Solar, da Universidade Federal da Paraíba (LES-UFPB), acumulou experiência na tecnologia de refrigeração por sorção e nos sistemas de aproveitamento da energia solar. Essa experiência motivou o desenvolvimento de uma instalação de ar condicionado central de 20 kw de potência frigorífica, baseado em processos de adsorção sólida e no uso de energia térmica de origem solar e da combustão de gás natural. (5) Desenvolveu-se a construção de um secador simplificado, utilizando preferencialmente a energia solar, para a redução do conteúdo úmido de fatias de frutas, associando o processo a um pré-tratamento osmótico. (6) Com o interesse crescente na redução dos impactos negativos da agricultura ao meio ambiente são utilizados vários processos físicos para reduzir o inóculo ou o desenvolvimento das doenças. Os principais são a termoterapia, tratamento térmico e solarização para desinfestação do solo, refrigeração, radiação, atmosfera controlada ou modificada. (7) Com a eliminação de produtos químicos altamente tóxicos, a solarização tem sido adotada intensamente pelos agricultores. A energia solar, elevando a temperatura do solo, promove uma alteração na composição da microbiota. Melhora as características físicas e biológicas do solo; promove um maior crescimento de plantas e aumenta a produtividade; porém há problemas como limitações climáticas e a necessidade do solo permanecer sem cultivo durante o tratamento. (8) A solarização é uma técnica usada para o controle de plantas daninhas e doenças de plantas em regiões de alta radiação solar. O estudo mostra o efeito da solarização sobre a população de plantas daninhas e como conclusão pode-se dizer que a solarização foi eficiente para o controle de mais da metade das espécies de plantas daninhas no campo. (9) Discussão O sistema baseou-se em um processo de aquecimento solar da água, em circuito térmico fechado através de coletores planos, empregando-se dois princípios integrados de transmissão de calor: convecção natural e convecção forçada. Ambos atuam como

3 mecanismos de transferência de energia térmica gerada nos coletores à massa de água, neles circulando, até que esta atingisse a temperatura final programada de processamento. O sistema foi avaliado por meio de um equipamento básico a fim de se comprovar seu rendimento térmico como fonte de calor para o tratamento térmico da água, usando-se o método de ensaio IPT(1981). Este método se baseou em testes normativos, conduzidos em função das temperaturas operacionais programadas de 50, 55 e 60 o C, as quais contemplaram a faixa referencial de temperatura de 35 a 60 o C que, durante o tempo de 10 minutos, é letal para a maioria dos microrganismos fitopatogênicos. A realização dos testes normativos com o equipamento básico envolveu quatro fases operacionais automatizadas. A primeira fase envolve a transferência da massa de água do reservatório de alimentação para os coletores solares; a segunda fase se encarrega do préaquecimento da massa de água nos coletores solares, por processo de convecção natural, a partir da sua temperatura inicial (T i ) no reservatório de alimentação até a temperatura intermediária (Tint) de acionamento da moto-bomba; a terceira fase complementa a dinâmica de aquecimento da massa de água, por processo de convecção forçada, em circuito fechado, através dos coletores solares e induzida pela moto-bomba a partir da temperatura intermediária (Tint), até a temperatura final de operação (T f ) de processamento; ficando a quarta fase com a descarga e carga simultâneas da massa de água, respectivamente, já processada (quente) dos coletores a um reservatório de coleta e a processar (fria), do reservatório de alimentação para coletores. Todas as operações são comandadas pelo monitor termostático que também monitoriza as válvulas controladoras de fluxo de água no equipamento. O cálculo do rendimento térmico horário do sistema foi determinado pela Eq. (1) (Bezerra, 1979): Eq. (1) ηh - rendimento térmico horário, % qu - energia útil coletada pelo sistema, KJ m -2 h -1 HR - radiação solar incidente no plano do coletor, KJ m -2 h -1 A energia útil (qu) disponível foi calculada usando-se a Eq. (2) (Bezerra, 1979): qu = m h c (T f - T i ) Eq. (2) m h - massa de água processada, kg m -2 h -1 c - calor específico da água, 4,19 KJ kg -1 o C -1 T f - temperatura final média de processamento da água, o C T i - temperatura inicial na seção de entrada do coletor, o C Com base na Eq. (2) determinou-se o tempo de exposição (T exp) da massa de água no coletor solar, nas faixas de temperatura programada, parâmetro fundamental com vistas ao controle de fitopatógenos presentes na água de irrigação, usando-se a Eq. (3): Eq. (3)

4 Texp - tempo de exposição ao calor, nas faixas de temperatura programada da massa de água de (1,5 kg m -2 ) correspondente à capacidade de carga do coletor solar plano. m min - massa de água processada no coletor solar em (kg m -2 min -1 ). CC - Capacidade por carga da massa de água contida no coletor solar plano, igual a 1,5 kg m -2. O equipamento foi testado quanto à eficiência na eliminação de fungos patogênicos ao morangueiro, ao quiabeiro, à alface e ao feijoeiro. O inóculo desses fungos foi introduzido no sistema e submetido às temperaturas programadas de 40 a 70 o C, em intervalos de 5 o C. Alíquotas foram tomadas e levadas ao laboratório de Fitopatologia para verificar a sobrevivência dos patógenos após exposição a cada temperatura, sendo colocados em cultura e incubados a 28 o C. Foram considerados eficientes os tratamentos em que não houve nenhum crescimento do fungo após 7 a 10 dias de incubação. Os valores obtidos são superiores ao rendimento térmico (η) de 45% (média dos sistemas convencionais, operando nas mesmas condições de temperatura), sendo no ano estudado a média de 54,92 o C. Obtiveram-se parâmetros de tempo de exposição da massa de água ao calor nos limites de tempo de 10 min., durante o qual a permanência em cada uma das temperaturas acima mencionadas é considerada letal pelos citados autores. Esses gradientes são causados pelas correntes de convecção natural e criam zonas menos quentes nas seções inferiores dos coletores. Para a finalidade de desinfestação térmica da água, a utilização desses sistemas convencionais não seria eficiente, pois sem a equalização da temperatura essas zonas menos quentes poderiam permitir a sobrevivência de propágulos de fitopatógenos, que não seriam inativados. Em termos de produção média diária de água processada (quantidade) em kg m -2 d -1 por coletor solar o sistema testado apresentou rendimento bem superior à média de 50 kg m -2 d -1 dos sistemas convencionais atualmente usados no Brasil, destinados principalmente à área doméstica. Os testes realizados com os diversos fitopatógenos indicaram controle eficiente de todos eles. Á exceção de dois fungos, todos os outros não sobreviveram além de 40 a 45 o C, com tempo médio de exposição de 2,5 min, evidenciando-se a viabilidade prática da sua utilização. Conclusão Os resultados obtidos com o equipamento utilizado e com a energia solar como fonte de calor no aquecimento automatizado de água mostraram que o sistema é eficiente, podendo ser muito utilizado em tarefas de desinfestação da água de irrigação, visando ao controle de fitopatógenos. Ficou comprovada a eficiência do sistema na eliminação do inóculo de fitopatógenos de importância econômica, como microrganismos causadores da podridão de alguns frutos, murcha verticilar, tombamento de plântulas, entre outros males. Referências Bibliográficas (1) Artigo disponível em: < acessado em 09/11/06. (Em anexo) (2) < Bueno

5 Pereira(divisão de geofisica espacial, instituo nacional de pesquisas espacias) e Sérgio Colle (Laboratório de Energia Solar, UFSC)>, acessado em 13/11/2006 (3) HINRICHS R. A. e KLEINBACH M., Energia e Meio Ambiente, Editora Thomson, São Paulo, 2003 (4) < NCTS_PT.pdf>, acessado em 14/11/2006 (5) < acessado em 14/11/2006 (6) < acessado em 14/11/2006 (7) < acessado em 14/11/2006 (8) < acessado em 14/11/2006 (9) < ument>, acessado em 14/11/2006.