DANIELA DE CARVALHO LOPES SIMULAÇÃO E CONTROLE EM TEMPO REAL PARA SISTEMAS DE AERAÇÃO DE GRÃOS

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1 DANIELA DE CARVALHO LOPES SIMULAÇÃO E CONTROLE EM TEMPO REAL PARA SISTEMAS DE AERAÇÃO DE GRÃOS Tese apresentada à Universidade Federal de Viçosa, como parte das exigências do Programa de Pós- Graduação em Engenharia Agrícola, para obtenção do título de Doctor Scientiae. VIÇOSA MINAS GERAIS BRASIL

2 Ficha catalográfica preparada pela Seção de Catalogação e Classificação da Biblioteca Central da UFV T Lopes, Daniela de Carvalho, L864s Simulação e controle em tempo real para sistemas de 2006 aeração de grãos / Daniela de Carvalho Lopes. Viçosa : UFV, viii, 140f. : il. ; 29cm. Inclui apêndice. Orientador: José Helvécio Martins. Tese (doutorado) - Universidade Federal de Viçosa. Referências bibliográficas: f Grãos - Aeração - Simulação por computador. 2. Grãos - Armazenamento. 3. Sistemas de controle inteligente. I. Universidade Federal de Viçosa. II.Título. CDD 22.ed

3 DANIELA DE CARVALHO LOPES SIMULAÇÃO E CONTROLE EM TEMPO REAL PARA SISTEMAS DE AERAÇÃO DE GRÃOS Tese apresentada à Universidade Federal de Viçosa, como parte das exigências do Programa de Pós- Graduação em Engenharia Agrícola, para obtenção do título de Doctor Scientiae. Aprovada em 20 de fevereiro de 2006 Prof. Paulo Marcos de B. Monteiro (Conselheiro) Prof. Delly Oliveira Filho Prof. Adílio Flauzino de L. Filho Prof. Sávio Augusto L. da Silva Prof. José Helvecio Martins (Orientador) 3

4 A DEUS AOS MEUS PAIS, ESTER E JOSÉ EUSTÁQUIO AO MEU MARIDO, ANTONIO Por quantas dimensões a vida precisa passar? Por quantas estradas o homem precisa caminhar buscando o grande segredo da existência? A tarefa é difícil, gigantesca, muitas vezes impossível! Mas, nenhum destes argumentos é capaz de nos impedir de seguir adiante. Não podemos saber o que aconteceu no passado e que levou as coisas a serem como são... Não podemos saber o que nos espera adiante... Em determinado momento Deus nos chamou para tomarmos parte na caravana da vida e agora estamos cheios de dúvidas. Devemos tentar ir o mais longe possível. Mesmo no meio do deserto é importante descobrir as maravilhas enterradas na areia. J. Eisley ii

5 AGRADECIMENTOS A Deus pelas coisas que aprendi, pelos obstáculos que venci e por ter conseguido chegar até aqui. Aos meus pais, Ester e José Eustáquio pela dedicação, motivação e carinho constantes. Ao meu marido, Antonio, pelo apoio, pela compreensão e pelo amor em todos os momentos. À Universidade Federal de Viçosa pela acolhida e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Tecnológico pelo suporte financeiro. Ao professor José Helvecio Martins pela valiosa orientação e pela confiança. Ao professor e amigo Paulo Marcos de Barros Monteiro pelos auxílios, atenção e incentivos. Aos professores Evandro de Castro Melo, Daniel Marçal de Queiroz e Adílio Flauzino Lacerda Filho pelas sugestões imprescindíveis. Aos professores e amigos José Eduardo Carvalho do Monte e Paulo Raimundo Pinto pela dedicação e apoio tão importantes para o desenvolvimento deste trabalho. A todos os amigos da área de Energia na Agricultura pelo companherismo e cooperação. Aos funcionários do Departamento de Engenharia Agrícola, especialmente Joel Gomide e José Galinari Sobrinho, por todas as essenciais colaborações. A todos que fizeram parte deste trabalho tornando possível a sua realização. iii

6 BIOGRAFIA Daniela de Carvalho Lopes, filha de José Eustáquio Vieira Lopes e Ester de Carvalho Lopes, nasceu em Belo Horizonte, Estado de Minas Gerais, em 01 de junho de Em 1993 iniciou o curso técnico em Informática Industrial na Escola Técnica Federal de Ouro Preto, hoje CEFET-OP, concluindo-o em Em 1997 iniciou o curso de Ciência da Computação na Universidade Federal de Ouro Preto, diplomando-se em Em março deste mesmo ano iniciou o Mestrado em Engenharia Agrícola na Universidade Federal de Viçosa, concentrando seus estudos na área de Energia na Agricultura e defendendo a dissertação em agosto de Em setembro de 2002 iniciou o curso de Doutorado em Engenharia Agrícola, na área de Energia na Agricultura, defendendo tese em fevereiro de iv

7 ÍNDICE RESUMO... vii ABSTRACT... viii 1. INTRODUÇÃO PROCESSO DE AERAÇÃO Objetivos da aeração A aeração utilizada para o resfriamento da massa de grãos A aeração utilizada para uniformizar a temperatura Outras possibilidades para a utilização da aeração A aeração e o ecossistema dos grãos armazenados Os grãos armazenados Propriedades dos grãos Umidade relativa de equilíbrio Deterioração dos grãos Insetos e microflora dos grãos armazenados Micotoxinas em grãos armazenados Fatores abióticos do ecossistema dos grãos armazenados Psicrometria do processo de aeração de grãos Propriedades psicrométricas utilizadas em sistemas de aeração Processos relacionados com a aeração em grãos Modelagem do ecossistema dos grãos armazenados Transferência de calor no ambiente de armazenamento Transferência de umidade no ambiente de armazenamento Modelos iterativos de transferência de calor e massa Comportamento dos grãos armazenados durante a aeração Manejo de sistemas de aeração Estratégias baseadas em condições pré-estabelecidas Estratégia de controle CWBT Outras estratégias para o manejo da aeração Equipamentos de controle para aeração v

8 3. TECNOLOGIA 1-WIRE TM Transmissão de dados em redes 1-Wire TM Alimentação das redes 1-Wire TM Topologias das redes 1-Wire TM Principais fatores que influenciam na comunicação em redes 1-Wire TM Considerações sobre a linguagem JAVA aplicada em redes 1-Wire TM MATERIAL E MÉTODOS Tecnologia 1-Wire TM aplicada ao controle de sistemas de aeração Programa computacional desenvolvido AERO Módulo para configuração do programa Módulo para geração de relatórios Módulo para visualização dos dados Módulo para aquisição de dados Módulo para controle do processo de aeração Módulo para simulação do processo de aeração RESULTADOS E DISCUSSÃO Sistema 1-Wire TM aplicado à aeração de grãos armazenados Programa computacional desenvolvido AERO Simulação do processo de aeração Estratégia de controle RESUMO E CONCLUSÕES SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS LITERATURA CITADA APÊNDICE 01: Parâmetros utilizados nas equações de Chung-Pfost, de Henderson modificada e para o cálculo do calor específico dos grãos APÊNDICE 02 :Nomeclatura APÊNDICE 03: Dados observados e simulados durante os testes realizados vi

9 RESUMO LOPES, Daniela de Carvalho, D. S., Universidade Federal de Viçosa, fevereiro de Simulação e controle em tempo real para sistemas de aeração de grãos. Orientador: José Helvecio Martins. Conselheiros: Paulo Marcos de Barros Monteiro, Evandro de Castro Melo e Daniel Marçal de Queiroz. Neste trabalho, um sistema de controle para aeração de grãos armazenados com base em dados obtidos em tempo real e na simulação do processo foi desenvolvido. Assim, um programa computacional foi escrito utilizando-se a plataforma de programação Java, sendo responsável pelo gerenciamento da transmissão de dados e pelas ações relacionadas à estratégia de controle do sistema de aeração. Esse programa, denominado AERO, é capaz também de realizar simulações do processo de aeração para análises dos comportamentos de outros sistemas de aeração. A estratégia de controle utilizada para o manejo da aeração relacionou quatro condições que dependem dos dados obtidos em tempo real e dos dados estimados pelo modelo unidimensional de simulação, sendo executada com o objetivo de manter a homogeneidade de temperatura dentro da estrutura de armazenagem e resfriar a massa de grãos sempre que possível. A aquisição de dados foi realizada por um sistema de transmissão de dados com base na tecnologia 1-Wire TM. A utilização deste tipo de rede de transmissão de dados se mostrou adequada ao monitoramento dos grãos armazenados e no controle do sistema de aeração, com potencial para ser empregada em outros processos agrícolas. Os dados observados na massa de grãos e os simulados não apresentaram diferenças significativas, confirmando a eficiência do modelo implementado no estabelecimento de estratégias de controle preditivas para aeração de grãos e, também, na estimativa dos parâmetros do processo. A estratégia de controle utilizada também apresentou resultados satisfatórios, alcançando os objetivos pretendidos com a aplicação da aeração. Utilizando-se um programa computacional adequado esta estratégia pode ser adaptada com facilidade a outros sistemas de aquisição de dados e de controle, assim como a sistemas de aeração utilizando a tecnologia 1-wire TM para gerenciamento de várias estruturas de armazenagem ou estruturas maiores. vii

10 ABSTRACT LOPES, Daniela de Carvalho, D. S., Universidade Federal de Viçosa, February of Simulation and real time control for grains aeration systems. Advisor: José Helvecio Martins. Committee Members: Paulo Marcos de Barros Monteiro, Evandro de Castro Melo and Daniel Marçal de Queiroz. In this work, an aeration system for stored grains aeration control was developed based on real time data acquisition and on the process simulation. Thus, a software was written by using the Java programming platform, being able to manage the data transmission and to execute actions related to the aeration control strategy. This software, called AERO, is also capable to simulate the aeration process for the behavior analysis of other aeration systems. Four conditions were related in the control strategy used for the aeration process management. These conditions were dependent on real data and on data estimated by a one-dimensional simulation model. The aeration was applied with the objectives to homogenize the temperature inside the bin and to cool the grain mass whenever was possible. The data acquisition was accomplished by a data transmission system based on the 1- Wire TM technology. This kind of data transmission net was adequate to stored grain monitoring and aeration systems control, with potential to be employed in other agricultural processes. The observed data agreed well with the simulated ones, confirming the efficiency of the implemented model in predictive control strategies and for simulation of actual characteristics of the aeration process. The control strategy used in this work also presented satisfactory results, reaching the intended aeration objectives. With an adequate software, this strategy could be easily adapted to other data acquisition and control systems, such as aeration systems which use the 1- Wire TM technology for management of several storage structures or large size facilities. viii

11 1. INTRODUÇÃO Nas últimas décadas, tem-se discutido a utilização de processos e métodos que garantam a qualidade dos produtos armazenados e não prejudiquem a saúde dos consumidores. Além da preocupação com os danos visíveis aos grãos, tem-se trabalhado no sentido de implementar medidas que garantam a sua qualidade, evitando-se a degradação nutricional e a contaminação do produto armazenado. O armazenamento de grãos em países de clima tropical e em pequenas propriedades rurais também tem sido bastante estudado. A adaptação das tecnologias existentes, relações custobenefício envolvidas, disponibilidade de informações sobre a região e aceitação por parte dos produtores são alguns pontos analisados. Muitas pesquisas têm sido realizadas visando métodos que não utilizem produtos químicos para o controle de pragas, visando uma armazenagem segura (ARTHUR et al., 2003, BENHALIMA et al., 2004; DONAHAYE, 2000; FLEURAT-LESSARD, 2001, FLINN e HAGSTRUM, 1990; MURDOCK et al. 2003; THORPE e ELDER, 1980; THORPE e ELDER, 1982). Nestes estudos, dados experimentais têm mostrado que os insetos podem desenvolver resistência aos produtos químicos, comprovando a necessidade e a viabilidade da utilização de procedimentos que minimizem a aplicação desses produtos. Dentre as opções de controle das condições de armazenagem que não incluem produtos químicos e que podem se adaptar às regiões tropicais e pequenas propriedades rurais, a aeração é a tecnologia mais difundida. Na aeração, o ar ambiente ou condicionado é forçado a circular através da massa de grãos armazenados com a finalidade principal de estabelecer e manter a homogeneidade de temperatura dentro do ambiente de armazenamento e, caso seja possível, resfriar o produto armazenado (HARA e CORRÊA, 1981). Uma das limitações da aeração é o fato desta tecnologia não eliminar os insetos e microorganismos nocivos ao ambiente de armazenamento imediatamente e, sim, impedir sua proliferação. Outra limitação é a 1

12 necessidade de um planejamento específico para cada situação em que esta tecnologia é aplicada. É necessário que a estratégia de controle utilizada para o acionamento e desligamento do sistema de aeração seja implementada corretamente para que os seus objetivos sejam alcançados com sucesso (PEREIRA e PEREIRA, 1982). A principal vantagem da aeração é a possibilidade de não utilizar produtos químicos. Além disso, esta tecnologia é mais simples, segura e econômica no controle do ambiente de armazenamento quando comparada à remoção física de insetos, à utilização de atmosfera controlada ou à utilização de irradiação, dentre outras (NAVARRO e NOYES, 2001). Os benefícios da aeração nas regiões tropicais e subtropicais ainda não foram totalmente investigados. Verifica-se a necessidade de otimização das estratégias de controle para o manejo da aeração nestas regiões. Estas estratégias devem considerar o comportamento da massa de grãos aerados e as demais variáveis ambientais envolvidas neste processo. Conseqüentemente, torna-se essencial a utilização de equipamentos confiáveis e de baixo custo operacional, capazes de possibilitar a execução satisfatória da estratégia de controle e do acionamento automático de sistemas de aeração. Uma possibilidade interessante é o desenvolvimento de uma estratégia de controle que combine os resultados da simulação do processo de aeração aos dados monitorados em tempo real. Os modelos matemáticos têm sido desenvolvidos para predizer o comportamento dos fatores que influenciam as transferências de calor e massa em toda a massa de grãos, sendo que estas estimativas podem ser utilizadas na estratégia de controle e na otimização dos procedimentos de monitoramento do ambiente de armazenamento, estimando a variação nos teores de água e na deterioração do produto armazenado. As vantagens da implementação de um programa computacional capaz de simular o processo de aeração incluem, ainda, a possibilidade de se utilizar os resultados obtidos isoladamente para estudar os efeitos dos diversos parâmetros bióticos e abióticos nos grãos armazenados, agilizando pesquisas, reduzindo seus custos e possibilitando a predição das condições de armazenamento de forma rápida e satisfatória para diferentes locais do mundo e sob as mais diferentes condições 2

13 climáticas. Para ser validado, o modelo matemático empregado na simulação deve ser testado utilizando-se dados reais. Dentre as tecnologias que podem ser empregadas no monitoramento do ecossistema dos grãos armazenados, a tecnologia 1-Wire TM é uma opção promissora, relativamente simples e viável economicamente. Apesar de pouco difundida no Brasil, esta tecnologia apresenta muitas vantagens, incluindo a sua flexibilidade e confiabilidade. Outra motivação para a sua utilização é fato de o fabricante disponibilizar grande quantidade de material bibliográfico sobre o seu funcionamento. fazendo com que a implementação e adaptação de redes 1-Wire TM para diferentes aplicações seja facilitada, assim como a manutenção de sistemas gerenciados por este tipo de rede. Com base no exposto, o presente trabalho foi realizado com os seguintes objetivos: (i) Desenvolver um sistema de controle para aeração de grãos armazenados com base em dados obtidos em tempo real e na simulação do processo. (ii) Desenvolver um programa computacional para executar as ações de controle e de manejo da aeração que combine os dados simulados por meio de um modelo matemático unidimensional com dados obtidos em tempo real, utilizando-se o sistema 1-Wire TM. 3

14 2. PROCESSO DE AERAÇÃO 2.1. Objetivos da aeração Quando a aeração for utilizada, é importante que o seu objetivo específico seja bem definido e as condições do processo sejam bem conhecidas para que o efeito produzido seja o esperado. O dimensionamento do sistema de aeração, a estratégia de controle e os equipamentos utilizados para a execução dessa estratégia devem ser adequados. Deve-se empregar uma vazão mínima de ar necessária para que a massa de grãos alcance a temperatura desejada em um intervalo de tempo conveniente. Se a aeração demorar muito, os seus objetivos podem não ser alcançados e se o processo for muito rápido será requerida uma vazão de ar muito alta, que poderá secar ou umedecer os grãos, sendo também economicamente inviável. A vazão específica mínima de ar requerida depende da espécie de grão armazenado, da espessura da massa de grãos, do tipo de instalação e do número de estruturas de armazenagem existentes no sistema. Grãos maiores exigem vazões maiores para se alcançar um mesmo nível de resfriamento ou homogeneização de temperaturas (NAVARRO e NOYES, 2001). Geralmente, em climas temperados e estruturas verticais, as vazões específicas características para sistemas de aeração variam entre 0,05 e 0,1 m 3 min -1 t -1. Nas estruturas horizontais estas vazões variam entre 0,1 e 0,2 m 3 min -1 t -1. Nas regiões quentes as vazões específicas variam entre 0,1 e 0,2 m 3 min -1 t -1 para estruturas horizontais que armazenam grãos secos e entre 0,03 e 0,1 m 3 min -1 t -1 para estruturas verticais (SILVA et. al., 2000a) A aeração utilizada para o resfriamento da massa de grãos Em regiões com clima temperado ou frio, o resfriamento dos grãos é o objetivo mais comumente relacionado à aeração. Se a umidade relativa do ar frio está adequada, ele é introduzido no ambiente de armazenamento, diminuindo gradualmente a temperatura da massa de grãos e criando um microclima impróprio para a proliferação de insetos e microorganismos. Entretanto, é difícil atingir temperaturas e teores de água baixos utilizando a 4

15 aeração em países com climas tropicais e subtropicais, como o Brasil. Nessas regiões, recomenda-se que os grãos sejam armazenados secos (entre 11 e 13% b. u.) e que a aeração seja utilizada com o objetivo principal de manter a homogeneidade da temperatura na massa de grãos (LACERDA FILHO e AFONSO, 1992). A utilização da aeração para o resfriamento do produto armazenado tem se mostrado vantajosa em climas tropicais e subtropicais que apresentam noites e invernos frios. Pesquisas realizadas no Canadá e no nordeste dos Estados Unidos têm mostrado que massas de grãos resfriadas durante o inverno se mantêm com baixa temperatura durante a primavera e o verão (CASADA e ALGHANNAM, 1999; CASADA et al., 2002 e JAYAS e WHITE, 2003). LUKOV et al. (1995), SOPONRONNARIT et al. (1998), SOROUR e UCHINO (2003) e WILLCOCK e MAGAN (2001) demonstraram que os níveis de deterioração devido à oxidação, perdas de vitaminas e matéria seca em grãos e sementes com baixos teores de água e aerados com baixas temperaturas foram menores e o tempo de armazenamento destes produtos foi maior A aeração utilizada para homogeneizar a temperatura A utilização da aeração com o objetivo de manter um baixo gradiente de temperatura no ambiente de armazenamento possibilita a prevenção da migração de umidade, os focos de aquecimento e a condensação de água nos grãos armazenados (NAVARRO e NOYES, 2001). O perfil da migração de umidade varia de acordo com os períodos do ano. Segundo MUIR e JAYAS (2003), durante os períodos de inverno e outono, os grãos localizados próximos às paredes do silo e no topo da massa de grãos são resfriados com mais facilidade do que aqueles localizados na parte inferior e no centro do silo. Depois de alguns dias, devido ao gradiente de temperatura na massa de grãos, são geradas correntes convectivas. Ou seja, o ar intergranular frio e denso localizado próximo às paredes do silo é puxado para baixo, fluindo pelo centro do silo e puxando para cima o ar quente e menos denso localizado inicialmente nesta região (Figura 2.1). 5

16 Figura 2.1 Perfil da migração de umidade nos períodos frios. De acordo com MUIR e JAYAS (2003), na primavera e no verão, as temperaturas dos grãos próximos às paredes do silo aumentam e os grãos localizados no centro da instalação se mantêm resfriados. Nestes períodos as correntes convectivas mudam sua direção. O ar frio e mais denso, localizado no centro do silo, flui para baixo, resultando em um movimento das correntes convectivas a partir do centro do silo em direção às suas laterais (Figura 2.2). Figura 2.2 Perfil da migração de umidade nos períodos quentes. 6

17 Segundo FRIESEN e HUMINICKI (1987), a condensação de água nos grãos armazenados é um processo natural diferente da migração de umidade. Este processo ocorre com mais freqüência em climas muito quentes. Geralmente, a água que se condensa e goteja sobre o produto armazenado contém a umidade do ar que se acumula no espaço entre a superfície da massa de grãos e o teto do silo. Isto ocorre porque o teto do silo, aquecido durante o dia, é resfriado durante a noite e o espaço entre a superfície da massa de grãos e o teto do silo alcança a temperatura de ponto de orvalho. Em climas subtropicais e temperados, se os grãos são armazenados com altas temperaturas e não são resfriados adequadamente antes da estação fria, a umidade pode condensar também na parte inferior do silo. De acordo com LACERDA FILHO e AFONSO (1992), a condensação pode ser observada também em áreas da massa de grãos cujas temperaturas são inferiores à temperatura de ponto de orvalho do ar insuflado. Os focos de calor ocorrem devido à respiração dos grãos e ao metabolismo dos insetos e microorganismos que geram o aquecimento e o conseqüente aumento de umidade em áreas localizadas da estrutura de armazenagem (THORUWA et. al, 1998 e BUSCHERMOHLE et. al, 2005) Outras possibilidades para a utilização da aeração Apesar de não ser projetada para alcançar este objetivo, a aeração pode ser aplicada para promover a secagem dentro de certos limites. Neste caso, as vazões empregadas são de 15 a 25 vezes maiores do que aquelas aplicadas para a aeração de resfriamento (SILVA et. al, 2000a). Estas altas vazões de ar são, algumas vezes, inviáveis economicamente. Por isso, quando a aeração é aplicada com este objetivo deve-se ter cuidado e observar as condições do clima, do produto e do próprio sistema de aeração. Fumigantes gasosos podem ser distribuídos através da massa de grãos, gerando concentração uniforme e resíduos dentro dos limites aceitáveis no ambiente de armazenamento (BOND, 1984). Mas, de acordo com NAVARRO e NOYES (2001), a circulação dos fumigantes utilizando sistemas de aeração requer conhecimentos avançados sobre os efeitos e tempos necessários de contato do fumigante com os grãos. São necessárias 7

18 vazões específicas de ar adequadas para este procedimento, assim como outras adaptações estruturais. A existência de um sistema de aeração em um silo facilita a incorporação de um sistema de recirculação. A vazão de ar em sistemas de recirculação é usualmente de 5 a 10% da capacidade requerida para a aeração A aeração e o ecossistema dos grãos armazenados A modificação das condições do ambiente de armazenamento pode produzir diferentes efeitos, dependendo das características do ar de aeração e das características dos grãos armazenados. Estes efeitos são entendidos com mais facilidade quando o ambiente de armazenamento é considerado como um ecossistema com fatores bióticos e abióticos Os grãos armazenados O principal fator biótico deste ecossistema é o grão, pois todas as ações envolvidas no gerenciamento de um sistema de armazenamento são executadas visando a sua preservação (FLEURAT-LESSARD, 2001). O grão é considerado um organismo vivo com atividade fisiológica reduzida, podendo permanecer assim por longos períodos. Este baixo nível de atividade biológica dos grãos se deve aos baixos teores de água necessários para se obter uma armazenagem segura. Altos valores de umidade no ambiente de armazenamento combinados a valores de temperatura inadequados podem causar a germinação dos grãos, resultando em perda do seu valor nutritivo e impedindo o armazenamento seguro (NAVARRO e NOYES, 2001). Os efeitos benéficos da aeração no ambiente de armazenamento são possíveis principalmente por causa da porosidade e da característica isolante da massa de grãos, mas outras propriedades também influenciam este processo Propriedades dos grãos A porosidade pode ser definida como a relação entre o volume ocupado pelo ar existente na massa granular e o volume total ocupado por esta massa, tendo grande influência sobre a pressão de um fluxo de ar que 8

19 atravessa a massa de grãos (SILVA e CORRÊA, 2000). A porosidade do milho é igual a 40%. Geralmente, o volume de ar intergranular dos cereais varia de 35 a 55 % do volume de produto, sendo possível, assim, que o ar forçado no ambiente de armazenamento entre em contato com a grande maioria dos grãos armazenados (BROOKER et al., 1992). A condutividade térmica da massa de grãos é a taxa de calor que flui por condução normal a uma superfície por unidade de tempo, quando é estabelecido um gradiente de temperatura entre esta superfície e outra paralela. O valor desta propriedade varia de acordo com a espécie de grão, o seu teor de água e a temperatura, sendo sempre bastante baixo e possibilitando que o microclima modificado seja mantido por um período considerável depois que o processo de aeração ocorre. A condutividade térmica do milho é aproximadamente igual a 0,159 W m -1 K -1 para teores de água entre 12 e 16% b.u. (SILVA e CORRÊA, 2000). A difusividade térmica é uma propriedade diretamente relacionada ao processo de transferência de massa durante a aeração e pode ser definida como a variação de temperatura produzida em um volume unitário de determinada substância pela quantidade de energia fluindo entre duas faces na unidade de tempo, expressa em m 2 h -1. Apesar de aumentar com o teor de água dos grãos, a difusividade térmica do milho varia de 3,12 a 3,67 x 10-4 m 2 h -1 (SILVA e CORRÊA, 2000). O ângulo de repouso é também uma propriedade importante, pois a existência ou não de picos na massa de grãos interfere na uniformidade da distribuição de ar dentro da estrutura de armazenagem durante o processo de aeração. Esta propriedade é definida como o ângulo máximo do talude formado pelos grãos em relação à horizontal, sendo influenciado pelo teor de água, pelo tamanho, pela forma e pela constituição externa do grão. O ângulo de repouso do milho é igual a 35 para teores de água entre 12 e 16% b.u. (BROOKER et al., 1992). A massa especifica dos grãos determina o volume requerido para armazenar uma determinada quantidade de produto. Esta propriedade influencia diretamente a vazão de ar requerida para a aeração e os processos de transferência de calor e de massa no ambiente de 9

20 armazenamento. A massa específica do milho com teor de água entre 12 e 16% b.u. está entre 745 e 800 kg m -3 (BROOKER et al., 1992). O calor específico representa a quantidade de energia térmica requerida, expressa em kj, para aumentar a temperatura de 1 kg de produto em 1 ºC. Como a variação de 1 K é exatamente igual à variação de 1 ºC, o calor específico pode ser expresso tanto em kj ºC kg -1 quanto em kj K kg- 1. Esta propriedade também influencia os processos de transferência de calor e de massa durante a aeração. (NAVARRO e NOYES, 2001). As entalpias diferenciais de sorção e de umedecimento, assim como o calor latente de vaporização, são propriedades importantes, consideradas na simulação do processo de aeração, pois interferem nas transferências de calor de massa dentro do ambiente de armazenamento. A entalpia diferencial de sorção é a energia total requerida para remover da unidade de massa de água de uma massa de grãos. Este valor é igual à diferença entre o calor latente de vaporização e a entalpia diferencial de umedecimento (NAVARRO e NOYES, 2001). De acordo com SILVA e CORRÊA (2000), o calor latente de vaporização é o calor aplicado à água que causa a sua mudança de estado líquido para vapor e a entalpia diferencial de umedecimento é a redução de energia que ocorre quando 1 kg de água pode ser adicionado uniformemente à massa de grãos de maneira que seu teor de água não seja alterado significantemente Umidade relativa de equilíbrio De acordo com BROOKER et. al (1992), o teor de água dos grãos representa a quantidade de água por unidade de massa de matéria seca que compõe o produto, geralmente expressa em porcentagem de base seca ou base úmida. O teor de água na base úmida expressa a razão entre a massa de água e a massa total de produto e na base seca a razão entre a massa de água e a massa de matéria seca do produto. Diferentes espécies de grãos necessitam de diferentes teores de água considerados seguros para a armazenagem que, de acordo com NAVARRO e NOYES (2001), devem ser 1% menor que o teor de água crítico, acima do qual as condições do ecossistema dos grãos armazenados tornam-se favoráveis ao desenvolvimento da microflora. Como a umidade do ar 10

21 intergranular tende a entrar em equilíbrio com o teor de água dos grãos, quando a atividade da microflora e a preservação da qualidade dos grãos são discutidas, é mais significativo considerar a umidade relativa de equilíbrio que corresponde a um teor de água particular. A umidade relativa de equilíbrio e a atividade de água são numericamente equivalentes, mas a umidade relativa de equilíbrio é expressa em porcentagem. A atividade de água é a relação entre a pressão de vapor de água no produto e a pressão de vapor da água pura, sob mesma temperatura (NAVARRO e NOYES, 2001). Este parâmetro é bastante utilizado, refletindo a disponibilidade de água no produto para realização de processos metabólicos. De acordo com LACEY et al. (1980), a atividade de água depende do tipo de produto e do seu teor de água. Dois produtos diferentes podem possuir mesma atividade de água, mas teores de umidade diferentes. Para o mesmo teor de água, as espécies oleaginosas possuem atividade de água maior, a um determinado teor de água, que sementes de cereais como o milho e o trigo. Segundo BROOKER et. al (1992), existe uma grande variedade de modelos matemáticos empregados na estimativa da umidade relativa de equilíbrio. Dentre estes modelos, os mais utilizados são as equações de Chung-Pfost (equação 2.1) e de Henderson modificada (equação 2.2). A URE = 100 exp exp( BU) (2.1) θ + C N ( 1 exp( K( θ G)(100U) ) URE = (2.2) em que URE - Umidade relativa de equilíbrio, %; A,B,C,K,G,N - Parâmetros que dependem do produto (Apêndice 1); U - Teor de água dos grãos, b. s.; θ - Temperatura dos grãos, C. 11

22 Deterioração dos grãos A deterioração dos grãos é o principal fator que influencia no tempo para o armazenamento seguro e no tempo de secagem. O limite aceitável para a perda de matéria seca em grãos armazenados é de 0,5%, sendo que atualmente alguns o valor de 0,3% vem sendo indicado por alguns autores (FLEURAT-LESSARD, 2001). A perda de matéria seca pode ser estimada por meio de modelos obtidos ajustando-se relações matemáticas a dados experimentais. O modelo mais utilizado é o apresentado por THOMPSON (1972) e, mais recentemente, por LACEY (1994). Neste modelo considera-se que a perda de matéria seca depende do tempo, como mostra a equação 2.3, desenvolvida para o milho com temperatura igual a 15,5 C, teor de água igual a 25% b.u. e com 30% de danificação. m s 4 6 t 9 t = 8,83 10 exp 1, , MMM (2.3) T MMMT em que m s - Perda de matéria seca, %; t - Tempo, s; Os termos M M e M T são parâmetros utilizados para ajustar o tempo de aeração de acordo com o teor de água e a temperatura dos grãos. Assim, quando a temperatura dos grãos for menor ou igual a 15,5 ºC ou o teor de água for menor ou igual a 19%b.u., a equação 2.4 deve ser utilizada para calcular M T. M T = 32,2exp( 0,1044 θ 1,856) (2.4) No caso de a temperatura dos grãos ser maior que 15,5 ºC e o teor de água estar entre 19%b.u e 28%b.u., o valor de M T deverá ser calculado utilizando-se a equação

23 MT U 19 32,2exp( 0,1044 1,856) P = θ + exp(0,0183 θ 0,2847) (2.5) 100 em que U P - Teor de umidade dos grãos, %bu; Se a temperatura dos grãos for maior que 15,5 ºC e o teor de água for maior que 28%b.u. deve-se aplicar a equação 2.6 no cálculo de M T. M T = 32,2 exp( 0,1044 θ 1,856) + 0,09 exp(0,0183 θ 0,2847) (2.6) O valor de M M é obtido aplicando-se a equação M + M = 0,103 exp 0,845 U 1, 558 (2.7) 1,53 (100U) Insetos e microflora dos grãos armazenados Todos os fatores vivos relacionados ao ecossistema dos grãos armazenados são considerados fatores bióticos. Assim, ácaros, roedores, insetos, fungos e bactérias influenciam diretamente o comportamento da massa de grãos. Os roedores podem causar problemas sérios quando o produto é ensacado ou mantido em instalações inadequadas. Mas, as estruturas modernas de armazenagem são projetadas de maneira que eles não conseguem entrar ou sobreviver lá dentro e, portanto, não causam muitos danos aos grãos. Os ácaros são organismos que merecem atenção especial no ecossistema dos grãos armazenados, particularmente em regiões próximas ao mar, com climas úmidos e frios. Os ácaros podem perfurar os grãos e sementes, contaminando o produto e causando problemas nutricionais, como a intoxicação, se os grãos forem ingeridos ou manipulados (NAVARRO e NOYES, 2001). Diferente dos insetos, a principal variável que influencia no desenvolvimento dos ácaros é a umidade relativa. Segundo 13

24 CUNNINGTON (1984), ambientes de armazenamento com umidades relativas de equilíbrio inferiores a 65% são seguros com relação ao desenvolvimento e proliferação de ácaros. Na maioria dos casos, os insetos e a microflora são os fatores bióticos mais preocupantes no ecossistema dos grãos armazenados. Eles se desenvolvem devido às interações entre diversos fatores, como a atividade de água do produto, a temperatura e a umidade do ar intergranular, o período de armazenamento, a aeração e a presença de materiais estranhos (ANDRADE, 2001). Quando insetos e microorganismos agem no ambiente de armazenamento, seu metabolismo produz água e calor, podendo aumentar a temperatura e a atividade de água da massa de grãos, favorecendo o seu desenvolvimento. De acordo com NAVARRO e NOYES (2001), as perdas financeiras causadas nestes casos podem variar de 1 a 50%, e algumas vezes, podem comprometer toda a massa de grãos armazenada. Existem aproximadamente 250 espécies de insetos característicos do ecossistema dos grãos armazenados, sendo algumas delas consideradas de grande importância econômica na área de armazenamento. Os besouros da ordem dos Coleópteros são comuns em regiões tropicais e subtropicais, sendo os insetos mais importantes em países quentes, pois são capazes de se desenvolverem em altas temperaturas e baixas umidades relativas. A espécie Rhyzoperytha dominica (F.), da família Bostrichidae, é um exemplo desta ordem de inseto. Também fazem parte da ordem dos Coleópteros a família Curculionidae que incluem os Sitophilus oryzae (L.), os Sitophilus zeamais e os Sitophilus granarius (L.) que se desenvolvem em ambientes úmidos, infestanto principalmente grãos de milho ainda no campo. As espécies Tribolium castaneum e Tribolium confusum da família Tenebrionidae é outra espécie da ordem dos Coleópteros que podem desenvolver grandes populações causando o aquecimento da massa de grãos e a migração de umidade, além de danificar o produto armazenado. Ainda na ordem dos Coleópteros, a espécie Oryzaephilus surinamensis da família Silvanidae causam o aquecimento dos grãos, principalmente o arroz, sendo bastante sensível a baixas temperaturas. Na ordem dos Lepidópteros, as espécies Ephestia cautella e Plodia interpunctella, da família Phycitidae, 14

25 merecem atenção pois conseguem sobreviver em temperaturas moderadas, apesar de terem um ciclo de vida curto. Os insetos são caracterizados por suas pequenas dimensões e alguns deles atacam o produto ainda no campo, entrando no ecossistema dos grãos armazenados no momento do armazenamento. Os insetos são os principais fatores bióticos causadores de perdas no peso e qualidade dos grãos. De acordo com FLEURAT-LESSARD (2001), as taxas de desenvolvimento dos insetos e o aumento em suas populações são afetados pela temperatura da massa de grãos. Geralmente, os insetos encontrados nos ambientes de armazenamento têm origem tropical e subtropical, requerendo temperaturas razoavelmente altas para se desenvolverem (27 a 34 ºC). Em ambientes com temperaturas menores que 20 ºC e maiores que 42 ºC, o desenvolvimento dos insetos é reduzido. Os microorganismos característicos do ambiente de armazenamento são os fungos e bactérias, presentes neste ecossistema, mas inativos quando a umidade relativa de equilíbrio do ambiente de armazenamento é menor que 65% (JAYAS e WHITE, 2003). Quando o valor desse parâmetro ultrapassa 75% a deterioração causada pelos fungos aumenta a uma taxa exponencial, podendo causar perdas qualitativas e quantitativas nos grãos (JAYAS e WHITE, 2003). Por isso, umidades relativas de equilíbrio de até 70% são aceitáveis em estratégias de controle. Ressalta-se ainda que a disponibilidade de água no produto armazenado é um fator determinante para se caracterizar o tipo de bactérias ou fungos capazes de se desenvolverem na massa de grãos. Além das condições ambientais, outros fatores contribuem para o desenvolvimento e atividade dos insetos e microorganismos característicos de ambientes de armazenamento. Cada espécie de inseto ou fungo requer diferentes nutrientes para se desenvolver e competir com outras espécies. Conseqüentemente, cada tipo de produto pode ser contaminado por espécies características de insetos e fungos capazes de se desenvolver nos ambientes em que estão armazenados. Raramente os produtos armazenados são infestados por uma única espécie de insetos. Os efeitos dos vários fatores que influenciam o desenvolvimento das populações de insetos são complexos. Para que a relação entre a infestação de insetos e as perdas 15

26 causadas nos grãos sejam estimadas, a interação entre os requerimentos de nutrientes, temperatura, umidade, competição entre espécies, relação com predadores e outros fatores precisam ser avaliadas (DESMARCHELIER, 1988; FLINN e HAGSTRUM, 1990 e FLINN et. al, 2004) Micotoxinas em grãos armazenados Os grãos danificados por fungos apresentam descoloração, além de aparência e odor desagradáveis. Os danos qualitativos incluem alterações químicas comprometendo a textura, o paladar e o aroma dos alimentos produzidos com estes grãos. Certos tipos de fungos, sob condições ambientais específicas, podem produzir substâncias tóxicas para animais e humanos, chamadas micotoxinas (JAYAS e WHITE, 2003). As principais micotoxinas encontradas nos grãos são as aflatoxinas, as fumosinas, os tricotecenos, as zearalenonas, as patulinas e as ocratoxinas. As aflatoxinas e as ocratoxinas constituem grupos de toxinas produzidas por fungos Aspergillus, sendo que as ocratoxinas podem ser produzidas também por fungos Penicillium. As, fumosinas, as zearalenonas e os tricotecenos são produzidas p or fungos Fusarium. As patulinas podem ser produzidas por fungos Penicillium, Aspergillus ou Byssochlamys (BOUHET e OSWALD, 2005). As micotoxinas são cancerígenas, podendo causar a destruição das células do fígado, hemorragias e alterações das funções nervosas. Em humanos o processo de intoxicação pode dar-se de forma gradual e os seus efeitos podem demorar a se manifestar (BOUDRA e MORGAVY, 2005). Devido ao perigo que estas propriedades tóxicas representam, é imprescindível manter a umidade relativa de equilbrio abaixo de 70% e o gradiente de temperatura o menor possível dentro do ambiente de armazenamento, para que o desenvolvimento de fungos seja controlado (BROOKER et al., 1992) Fatores abióticos do ecossistema dos grãos armazenados A estrutura de armazenagem é um fator abiótico do ecossistema dos grãos armazenados, assim como a temperatura e umidade relativa do ar ambiente, a temperatura dos grãos, o teor de água dos grãos, a atmosfera do 16

27 ambiente de armazenamento e os materiais estranhos existentes na massa de grãos (ANDRADE, 2001). As interações entre estes fatores e a maneira como elas afetam os grãos variam conforme as condições internas e externas ao ecossistema. A estrutura de armazenagem forma os limites do ecossistema dos grãos armazenados. O seu material de construção, a sua localização e o seu formato são importantes na determinação da maneira como os outros fatores podem afetar o produto armazenado. A estrutura deve ser projetada para proteger os grãos dos fatores externos como chuva ou calor excessivo, minimizando a sua influência e servindo, também, como uma barreira para a infestação dos grãos por insetos, roedores e outros animais (NAVARRO e NOYES, 2001). O ar corresponde a aproximadamente 50% do volume do ambiente de armazenamento, porque está presente em todos os espaços existentes entre os grãos e no espaço livre existente entre a superfície da massa de grãos e o teto do silo. Quando existem trocas livres de ar no ecossistema dos grãos armazenados, a composição da atmosfera interna ao ambiente de armazenamento contém aproximadamente 21% de oxigênio e 0,03% de dióxido de carbono. Entretanto se a estrutura de armazenagem apresentar aberturas restritas ou for completamente fechada, o metabolismo dos fatores bióticos podem alterar a composição da atmosfera, reduzindo a concentração de oxigênio e aumentando a concentração de dióxido de carbono (NAVARRO e NOYES, 2001). A temperatura do ambiente de armazenamento não influencia diretamente o produto armazenado por causa da baixa condutividade térmica dos grãos, mas exerce grande influência sobre outros fatores bióticos como os fungos e os insetos. NAVARRO e NOYES (2001) afirmam que a umidade do ar intersticial é afetada pela umidade do ar externo apenas se existirem trocas livres entre o ar do ambiente de armazenamento e o ar externo, por exemplo, quando o os grãos forem armazenados em estruturas com grandes aberturas ou quando a aeração for aplicada. As matérias finas encontradas no ecossistema dos grãos armazenados incluem poeira, areia, pequenas pedras, pó de cereal produzido por insetos e por escarificação celular, além de outros materiais. 17

28 Este fator abiótico pode causar vários efeitos no ambiente de armazenamento. Grãos sujos tendem a adsorver umidade mais rapidamente. Também, pequenas partículas de matéria fina podem bloquear os espaços intersticiais, criando maior resistência ao fluxo de ar através da massa de grãos (BROOKER et. al, 1992) Psicrometria do processo de aeração No processo de aeração de grãos armazenados, as relações psicrométricas são de grande utilidade nas avaliações sobre as condições do ar ambiente e de aeração Propriedades psicrométricas utilizadas em sistemas de aeração Pressão parcial de vapor é a pressão exercida pelas moléculas de vapor de água existente na atmosfera. Quando o ar contém o máximo de vapor de água permissível diz-se que ele se encontra saturado e a pressão de vapor é denominada pressão de saturação. Ressalta-se que a quantidade de vapor que pode existir em uma determinada atmosfera depende da sua temperatura (LOPES et al., 2000). A pressão parcial de vapor e a pressão de saturação são utilizadas na maioria dos cálculos necessários ao manejo da aeração, incluindo as determinações do teor de água da massa de grãos, da umidade relativa do ar de aeração e da umidade relativa de equilíbrio. A pressão de saturação pode ser estimada utilizando-se a equação 2.8 ou 2.9, propostas por WILHELM (1976) dependendo da faixa de temperatura considerada. A equação 2.8 é aplicada para a faixa de temperatura entre -40 C e 0 C e a equação 2.9 é aplicada para a faixa de temperatura entre 0 C e 120 C. 6238,64 ln( P VS ) = exp 24,2779 0, ln(t) (2.8) T 7511, ln(pvs ) = exp + 89, , T 1, T T (2.9) , T + 2, T 12, ln(t)) 18

29 em que P VS - Pressão de vapor de saturação, kpa; T - Temperatura, K. As equações 2.10, proposta por HUNTER (1987), e 2.11, apresentada por ZOLNIER (1994) e LOPES et al. (2000) também podem ser utilizadas nos cálculos da pressão de vapor de saturação PVS = exp (2.10) T T P { [7,5 (T 273,15)]/ [237,3+(T 275,15) ] } VS 0, = (2.11) Para temperaturas entre 0 e 374 ºC, JOHANNSEN (1981) sugeriu a aplicação da equação 2.12 para o cálculo da pressão de vapor de saturação. Esta equação foi apresentada, também, por BROOKER et.al. (1992). 0,01 8 i 1 PVS = 22087,837 exp (100,976 T) F i(0,65 0,01(T 273,16 )) T i= 1 (2.12) em que F1,F2,..., F8 - Parâmetros: F1 = -741,9294; F2 = -29,7210; F3 = -11,552860; F4 = -0, ; F5 = 0, ; F6 = 0, ; F7 = 0, ; F8 = 0, ; A pressão parcial de vapor pode ser calculada conhecendo-se a razão de mistura do ar, por meio da equação 2.13 (NAVARRO e NOYES, 2001; WILHELM, 1976). Outra possibilidade é a equação 2.14, apresentada por ZOLNIER (1994), que se baseia nas temperaturas de bulbo seco e bulbo molhado. PV Patm R = (2.13) 0,622 + R PV = PVU Z Patm (TBS TBM ) (2.14) 19

30 em que P V - Pressão parcial de vapor, kpa; P atm - Pressão atmosférica, kpa; R - Razão de mistura, g vapor de água g -1 ar seco. P VU - Pressão de saturação à temperatura de bulbo molhado, kpa; Z - Constante do psicrômetro, igual a 6,7 x 10-4 para psicrômetros aspirados e 8,0 x 10-4 para psicrômetros não aspirados, ºC -1 ; T BS - Temperatura de bulbo seco, ºC; T BM - Temperatura de bulbo molhado, ºC. A razão de mistura é a razão entre a massa de vapor de água e a massa de ar seco em um dado volume de mistura (LOPES et al., 2000). Este parâmetro é utilizado nas modelagens do comportamento da massa de grãos durante o processo de aeração, possibilitando a estimativa do teor de água do produto armazenado e auxiliando na previsão dos efeitos da aeração no ambiente de armazenamento. Segundo NAVARRO e NOYES (2001), uma característica de países com climas tropicais é que a razão de mistura da atmosfera varia pouco de dia para dia. Quando as temperaturas de bulbo seco e bulbo molhado são conhecidas, a razão de mistura pode ser calculada por meio da equação 2.15 (WILHELM, 1976) ou por meio da equação 2.16 (NAVARRO e NOYES, 2001). (2501 2,41 TBM ) RS 1,006 (TBS TBM ) R = (2.15) ,775 T 4,186 T BS BM R = R S (4, , R S )(T BS T BM ) (2.16) em que R S - Razão de mistura à pressão de saturação, g g -1. Como a quantidade de vapor de água presente no ar é bem menor que a quantidade de ar seco, costuma se multiplicar os valores da razão de 20

31 mistura por 1000, exibindo o resultado em gramas de vapor de água / quilograma de ar seco (ZOLNIER, 1994). O volume específico é definido como o volume ocupado pela massa de ar seco mais vapor d água por unidade de massa de ar seco, sendo expresso em m 3 kg -1 de ar seco. Esta propriedade é utilizada em alguns modelos de simulação do processo de aeração, podendo ser calculada por meio da equação 2.17, proposta por NAVARRO e NOYES (2001) e WILHELM (1976), ou utilizando-se a equação 2.18, apresentada por ZOLNIER (1994). V 0,28705 T = (1 1,6078 R) (2.17) P E + atm T VE = 100 (2.18) 348,37(P atm PV ) em que V E - Volume específico do ar, m 3 kg -1. A umidade relativa do ar é a relação entre a quantidade de vapor de água presente no ambiente e aquela que prevaleceria em condições saturadas, à mesma temperatura, sendo expressa em porcentagem. Ou seja, a umidade relativa é a razão entre a pressão parcial de vapor exercida pelas moléculas de água presentes no ar e a pressão de saturação, na mesma temperatura, como mostra a equação 2.19 (LOPES et al., 2000; NAVARRO e NOYES, 2001; ZOLNIER, 1994). Portanto, a umidade relativa indica o quão próxima a mistura ar seco e vapor de água está da saturação. Quanto menor a umidade relativa maior será a capacidade do ar em absorver água. P U V R = 100 (2.19) PVS em que U R - Umidade relativa do ar ambiente, %. De acordo com NAVARRO e NOYES (2001), em países tropicais, a umidade relativa do ar é geralmente alta, particularmente nas estações chuvosas, alcançando valores da ordem de 70% ou mais durante o dia. Em desertos e em algumas regiões do Brasil a umidade relativa é geralmente 21

32 baixa e, durante o dia, são comuns valores da ordem de 20% ou menos. Quando a umidade relativa do ar para uma determinada temperatura é 100%, o ar estará saturado com vapor de água e sua umidade não poderá aumentar. Em sistemas de aeração sem sensores de umidade relativa, a combinação das medidas de temperatura de bulbo seco e de temperatura de bulbo molhado é utilizada na determinação da umidade relativa do ar ambiente aplicando-se o algoritmo apresentado na Figura 2.3. Figura 2.3. Fluxograma para o cálculo da umidade relativa a partir das temperaturas de bulbo seco e bulbo molhado. De acordo com LOPES et al. (2000) e ZOLNIER (1994), a entalpia de uma mistura de ar seco e vapor de água é a energia contida no ar úmido, por unidade de massa de ar seco, para temperaturas superiores a uma temperatura de referência. Na prática, considera-se que o conteúdo de energia do ar seco a 0 ºC é zero. Esta propriedade é utilizada em modelos de simulação do processo de aeração em grãos armazenados, no 22

33 dimensionamento de aquecedores, sistemas de secagem e composição do custo operacional de diferentes sistemas. WILHELM (1976) propôs a utilização da equação 2.20 e ZOLNIER (1994) a utilização da equação 2.21 para calcular a entalpia específica do ar. h = 1,006 (T 273,15) + R [ ,775 (T 273,15)] (2.20) 6 R(2, T ) 1007 T 1876 R(T T ) h BS + BS + BS PO + = RT + PO 1000 em que h - Entalpia específica do ar, kj kg -1. (2.21) T PO - Temperatura de ponto de orvalho, ºC. LOPES et al. (2000) e ZOLNIER (1994) afirmaram que a temperatura de ponto do orvalho é aquela na qual o vapor de água começa a se condensar por um processo de resfriamento, mantendo-se constantes a pressão parcial de vapor e a razão de mistura. Esta propriedade deve ser avaliada durante o manejo da aeração por ser responsável pelo processo de condensação nos ambientes de armazenamento. WILHELM (1976) propôs a utilização de três equações para o cálculo da temperatura de ponto de orvalho, dependendo da faixa de temperatura do ar considerada. Para T 0 ºC o autor recomendou a utilização da equação 2.22, para 0 ºC < T 50 ºC, a equação 2.23 e para 50 ºC < T 110 ºC, a equação T T T 2 = 5, ,41ln (P ) 0,427 ln (P ) (2.22) PO V + 2 V = 6, ,38 ln (P ) 1,079 ln (P ) (2.23) PO V + 2 V = 13,8 + 9,478 ln (P ) 1,991 ln (P ) (2.24) PO V + V ZOLNIER (1994) propôs a utilização da equação 2.25 para calcular a temperatura de ponto de orvalho. 23

34 T PO 186, ,3 log10 (10 PV) = (2.25) log (10 PV) 8, NAVARRO e NOYES (2001) propuseram uma solução iterativa (Figura 2.4), utilizando-se o método numérico Newton-Raphson, para obtenção da temperatura do ponto de orvalho. As equações utilizadas neste método relacionam a razão de mistura, pressão atmosférica, pressão parcial de vapor e temperatura de bulbo seco do ar. Figura 2.4. Fluxograma para o cálculo da temperatura de ponto de orvalho com base no método numérico Newton-Raphson. 24

35 Processos relacionados com a aeração em grãos Quando ocorre o aquecimento do ar sem a umidificação, as temperaturas de bulbo seco e de bulbo molhado aumentam mas, a razão de mistura, a pressão parcial de vapor e a temperatura de ponto de orvalho permanecem constantes porque não há variação na quantidade de vapor de água presente. Este processo é observado quando o ar ambiente passa pelo ventilador conectado ao sistema de aeração. Geralmente, a temperatura do ar de aeração é ligeiramente maior que a temperatura do ar ambiente. Também, durante as transferências de calor dentro do ambiente de armazenamento é possível observar o processo de aquecimento do ar intergranular. Quando o ar é resfriado, mantendo-se constante o valor da razão de mistura, observa-se o decréscimo da pressão de vapor de saturação e o aumento da umidade relativa com conseqüente diminuição do volume específico e da entalpia. Quando o resfriamento ocorre e a umidade relativa igual a 100% é atingida, tem-se o ponto de orvalho e se o processo continuar o ponto de estado se moverá sobre a linha de saturação, indicando que o vapor d água está condensado. Neste caso, a razão de mistura, a temperatura de ponto de orvalho e a pressão de vapor diminuirão e as temperaturas de bulbo seco e bulbo molhado serão iguais à temperatura de ponto de orvalho (LOPES et al., 2000). Durante o processo de aeração poderá ser observada a secagem ou o umedecimento dos grãos localizados próximos à entrada de ar. Esses processos consistem na retirada e na adição de umidade do ar, respectivamente, mantendo-se constante a entalpia específica do ar. Quando é adicionada umidade ao ar, ocorre o aumento da quantidade de vapor de água existente neste ar, resultando no acréscimo da umidade relativa, da razão de mistura, da pressão parcial de vapor e da temperatura de ponto de orvalho. Consequentemente, a temperatura de bulbo seco e o volume específico decrescem, mas a temperatura de bulbo molhado não se altera. Quando a umidade é retirada do ar o resultado observado é o inverso do umedecimento. Ou seja, ocorre o decréscimo da quantidade de vapor de água existente neste ar, resultando na diminuição da umidade relativa, da razão de mistura, da pressão parcial de vapor e da temperatura de ponto de 25

36 orvalho. A temperatura de bulbo seco e o volume específico aumentam mas, a temperatura de bulbo molhado não se altera (NAVARRO e NOYES, 2001) Modelagem do ecossistema dos grãos armazenados A ação dos vários agentes bióticos e abióticos característicos do ecossistema dos grãos armazenados combinada à utilização da aeração causa gradientes de temperatura, gradientes de umidade e alterações nas concentrações dos gases no interior da massa de grãos. A existência destes gradientes gera um processo de transferência de calor e de massa no ecossistema (ANDRADE, 2001). O comportamento destas transferências de calor e de massa depende do tipo de produto armazenado, da estrutura de armazenamento e das condições climáticas Transferência de calor no ambiente de armazenamento A transferência de calor dentro do silo e entre o silo e o ambiente que o cerca ocorre por convecção, por radiação e por condução. A velocidade do vento, a temperatura do ar ambiente, a radiação solar, as construções próximas ao silo, a característica da vegetação, a ocorrência de neve, as condições do solo e os parâmetros estruturais afetam a taxa de transferência de calor, tornando-a um problema não linear e requerendo soluções iterativas (MUIR e JAYAS, 2003). A quantidade de radiação solar incidente na superfície da estrutura de armazenagem depende da latitude, altitude, tempo solar, nebulosidade, poluição do ar, sombreamento, inclinação da superfície e orientação da instalação (CANCHUN et. al., 2001). A quantidade de radiação solar absorvida pela superfície do silo depende da absortividade térmica e da emissividade do seu material (ANDRADE, 2001). Para ajudar a manter os grãos resfriados ou com temperaturas homogêneas, reduzindo os efeitos da radiação incidente no silo, a área de suas paredes voltada para o sol deve ser a menor possível. Este fator deve ser observado durante o planejamento do sistema, antes da construção da instalação (MUIR e JAYAS, 2003). As flutuações diárias na temperatura ambiente afetam a temperatura dos grãos localizados a até 15 cm das paredes do silo. À medida que o 26

37 diâmetro da estrutura de armazenagem aumenta, os efeitos da radiação solar sobre as temperaturas nas regiões centrais da massa de grãos diminuem. Por este motivo, e pelo fato de as relações entre os vários fatores que influenciam a transferência de calor entre a instalação e o ambiente por meio da radiação serem complexas, os modelos matemáticos, geralmente, não a consideram em suas estimativas (MUIR e JAYAS, 2003). A convecção também não é utilizada com freqüência nos modelos matemáticos. Os gradientes de temperatura dentro do silo causam correntes convectivas e isto influencia o movimento de calor na massa de grãos mas, esta influência não afeta significantemente a temperatura do produto armazenado (SMITH e SOKHANSANJ, 1990). Essa afirmativa já havia sido confirmada por MUIR et. al (1980), mostrando que modelos em que as correntes convectivas são consideradas não resultam em previsões mais exatas de temperatura e requerem tempo computacional bem maior que os modelos simplificados. Alguns pesquisadores (ALAGUSUNDARAN et. al, 1990; MUIR et. al, 1980; WHITE, 1988) modelaram a transferência de calor em grãos armazenados considerando apenas o processo condutivo com as condições de contorno apropriadas, conseguindo prever satisfatoriamente as variações de temperatura na massa de grãos. A transferência de calor por condução na massa de grãos é afetada pelas propriedades térmicas e físicas do produto armazenado, pela respiração dos grãos, insetos e pelos microorganismos existentes no ecossistema (ANDRADE, 2001). A maioria dos modelos que descrevem as transferências de calor e de massa em ecossistemas de grãos armazenados assumem que a geração interna de calor pode ser negligenciada e que as propriedades térmicas e físicas dos componentes do ecossistema são constantes. Estas suposições são válidas para massas de grãos secos e limpos, com teor de água uniforme e sem infestações de insetos ou fungos (WHITE, 1988). No entanto, para estimativas mais precisas, a geração interna de calor e as propriedades térmicas e físicas dos componentes do ecossistema devem variar ao longo da massa de grãos e ao longo do tempo. Esta variação pode ocorrer devido a diferentes teores de água ao longo da massa de grãos ou devido à migração de umidade. 27

38 Apesar de a transferência de calor em ecossistemas de grãos armazenados ser um problema tridimensional, a maioria dos modelos implementados e validados são bidimensionais ou unidimensionais devido à complexidade da relação entre as variáveis envolvidas Transferência de umidade no ambiente de armazenamento O movimento de umidade em massas de grãos armazenados pode ocorrer por difusão, por causa da entrada de água por meio das aberturas do silo, por causa de trocas entre o vapor de água do ar ambiente e a superfície da massa de grãos, por causa da difusão da umidade devido a gradientes de vapor no ambiente, por causa do deslocamento de umidade devido a correntes convectivas ou por causa de condensação de água dentro do silo (ANDRADE, 2001). NAVARRO e NOYES (2001) afirmaram que a transferência de umidade por difusão é muito lenta. Os autores ressaltam que, se a estrutura de armazenamento estiver bem projetada e construída, a entrada de água no silo pode ser desconsiderada no modelo matemático, assim como as trocas entre o vapor de água do ar ambiente e a superfície da massa de grãos. Já a migração de umidade, causada por gradientes de temperatura, é o fator mais significante que acelera a transferência de umidade no ambiente de armazenamento e domina o seu movimento. Fatores externos, como a velocidade do vento, a pressão atmosférica e os parâmetros estruturais, afetam diretamente o processo de transferência de umidade na massa de grãos. Entretanto, esta influência é bem menor que a observada na transferência de calor (NAVARRO e NOYES, 2001). Outro fator que influencia a transferência de umidade na massa de grãos é a produção de umidade por causa do metabolismo de outros organismos vivos existentes no ambiente de armazenamento. Modelos matemáticos que descrevem o movimento de umidade em massas de grãos geralmente são utilizados para predizer o tempo requerido para uniformizar os teores de água dos grãos em uma instalação. Mas, como os efeitos da difusão de umidade através do espaço intergranular da massa de grãos atingem uma área muito pequena da massa de grãos quando comparada à área afetada pelo processo de transferência de calor, existem 28

39 poucos trabalhos sobre este assunto. Dentre eles podem ser citados os de THORPE (1981), THORPE et al. (1991a) e THORPE et al. (1991b) Modelos iterativos de transferência de calor e massa Existem muitos trabalhos que abordam as transferências simultâneas de calor e de massa no ambiente de armazenamento, considerando ou não os sistemas de aeração (ANDRADE, 2001, CANCHUN et. al, 2001; e DEVILLA, 2002; SINÍCIO et al., 1997; THORPE, 1997). De acordo com NAVARRO e NOYES (2001), as técnicas mais freqüentemente utilizadas na resolução destes modelos são os métodos numéricos por diferenças ou elementos finitos. A estrutura de armazenamento funciona como o ponto de ligação entre os grãos armazenados e o ambiente externo. Assim, as condições de contorno geralmente correspondem à superfície da massa de grãos, às paredes e ao piso da estrutura. Na elaboração desses modelos geralmente são utilizados balanços de massa e de energia, incluindo relações entre os fatores climáticos no interior da massa de grãos, os fatores biológicos do ecossistema, as propriedades físicas e as propriedades térmicas da massa de grãos e do ar ambiente. Em alguns casos, simula-se também a variação da velocidade do ar e da pressão através da massa de grãos. Os modelos matemáticos que combinam transferências de calor e de massa nos grãos armazenados apresentam resultados mais próximos da realidade, sendo mais confiáveis na estimativa do comportamento do ecossistema dos grãos armazenados quando comparados aos modelos que realizam apenas a simulação da transferência de calor ou a de massa Comportamento dos grãos armazenados durante a aeração Quando o ar é forçado através da massa de grãos podem ser formadas três áreas, cada uma com diferentes temperaturas e teores de água. Estas áreas são separadas por frentes que se movem na mesma direção do fluxo de ar, como representado na Figura 2.5. Os grãos localizados na área A tendem a entrar em equilíbrio com a temperatura e umidade do ar de aeração, pois já foram afetados pela passagem das 29

40 frentes. Os grãos na área C ainda não afetados pelo processo de aeração, manterão as características iniciais de temperatura e teor de água. Os grãos localizados na área B apresentarão valores intermediários de temperatura e teor de água, pois estão sendo afetados pela passagem das frentes. Figura 2.5 Áreas geradas em uma massa de grãos durante a aeração. O sistema de aeração deve operar até que a frente de temperatura tenha se movido completamente através da massa de grãos, garantindo que a camada superior de produto tenha sido resfriada ou homogeneizada (SILVA et. al, 2000a). Caso seja necessário, a aeração poderá ser interrompida por algumas horas com a frente de temperatura no interior da massa de grãos, mas assim que os valores de temperatura e umidade relativa do ar ambiente satisfizerem as condições da estratégia de controle, o processo de aeração deverá ser retomado (NAVARRO e NOYES, 20001). A frente de umidade se move muito lentamente, geralmente afetando apenas os grãos localizados próximos à entrada de ar. De acordo com NAVARRO e NOYES (2001), as velocidades das frentes temperatura e umidade variam de acordo com a vazão de ar utilizada na aeração, com a temperatura e o com teor de água dos grãos. Dependendo das condições do ar de aeração as espessuras destas frentes também pode variar. A diferença de tempo para que o início e o final da frente de temperatura alcancem a 30

41 última camada de grãos, para o mesmo produto, depende das condições do ar de aeração. A partir do momento em que o início da frente de temperatura atinge a camada superior de produto, as condições dos grãos localizados nesta área se alteram, influenciando no tempo necessário para que o final da frente de temperatura atinja a superfície da massa de grãos. Geralmente, estando a umidade relativa do ar de aeração próxima à umidade relativa de equilíbrio, quanto maior a diferença de temperatura entre o ar de aeração e os grãos, maior será a espessura da frente de resfriamento ou homogeneização, pois o produto afetado pelo início desta frente apresentará um decréscimo mais acentuado de temperatura e a velocidade do final da frente também decrescerá Manejo de sistemas de aeração Sistemas para o manejo da aeração devem ser implementados a partir de estudos abrangentes sobre os dispositivos que serão utilizados, a estrutura de armazenagem, as condições climáticas locais e as características do sistema de aeração. Essencialmente, o manejo da aeração está diretamente relacionado a uma estratégia de controle pois, consistirá no acionamento de ventiladores com base nas condições de temperatura e de umidade dos grãos e do ar e nas relações entre estas variáveis. As estratégias de controle para sistemas de aeração empregadas atualmente e discutidas a seguir são bastante limitadas, apresentando a possibilidade de conflitos entre as condições utilizadas na sua elaboração. Por isso, neste trabalho uma estratégia baseada na simulação do processo de aeração e nas condições do ecossistema dos grãos armazenados foi proposta Estratégias baseadas em condições pré-estabelecidas Neste tipo de estratégia de controle, o processo de aeração é iniciado ou finalizado de acordo com condições pré-estabelecidas (SINÍCIO e MUIR, 1995). Uma possibilidade é acionar os ventiladores quando a temperatura do ar ambiente ou a temperatura dos grãos atingir um limite superior e desligálos quando um limite inferior for alcançado. Neste caso, os limites de 31

42 temperatura são determinados de acordo com valores considerados inadequados ao desenvolvimento de insetos e fungos. Uma desvantagem deste tipo de estratégia de controle é que a umidade relativa do ar ambiente, a umidade relativa do ar intergranular e a relação entre as temperaturas dos grãos e do ar ambiente não são consideradas, fazendo com que, algumas vezes, o sistema seja acionado ou desligado em momentos impróprios (NAVARRO e NOYES, 2001). Em regiões subtropicais, onde as noites tendem a ser mais frias e úmidas, é comum acionar o sistema de aeração durante a noite, mas neste caso, corre-se o risco de aumento no teor de água dos grãos. Para reduzir este risco, é comum a configuração da estratégia de manejo de acordo com um diferencial de temperatura (entre 6 e 8 ºC) entre a massa de grãos e o ar ambiente. Ainda assim, a umidade relativa do ar ambiente e a umidade relativa do ar intergranular não são consideradas (SINÍCIO e MUIR, 1995). Estratégias de controle que levam em consideração a umidade relativa do ar de aeração previnem o fornecimento de ar muito úmido ou muito seco aos grãos, garantindo que o seu teor de água não seja alterado significantemente durante o período de armazenamento. Nos casos em que um único limite é estabelecido, os ventiladores geralmente são acionados quando a umidade relativa do ar é menor que 75%, garantindo-se assim a estabilidade do teor de água dos grãos. Quando são configurados limites de umidade inferior e superior, geralmente os valores configurados são 5 pontos percentuais abaixo e 5 pontos percentuais acima da umidade relativa de equilíbrio do produto armazenado (NAVARRO e NOYES, 2001). Quando limites de temperatura e umidade são utilizados em conjunto, deve-se tomar cuidado no momento da configuração dos valores, para que não ocorram conflitos. Sistemas de aeração podem, também, ser controlados utilizando-se temporizadores que acionam e desligam os ventiladores de acordo com períodos pré-estabelecidos do dia. Este tipo de estratégia é raramente utilizado porque a configuração do período de acionamento do sistema dependerá das condições de temperatura e umidade observadas na região e, dependendo da estação ou condições atípicas, o sistema deverá ser configurado novamente. 32

43 LASSERAN (1981) apresentou um gráfico em que a aplicação da aeração é considerada sem interesse, possível, recomendada ou possível com riscos de secagem excessiva ou condensação (Figura 2.6). Este gráfico pode ser utilizado como estratégia de controle em sistemas de aeração, apresentando a vantagem de combinar a umidade relativa do ar externo com a diferença entre as temperaturas do ar ambiente e dos grãos. Figura Diagrama de aplicação da aeração, apresentado por LASSERAN (1981), combinando a umidade relativa do ar externo com a diferença entre as temperaturas do ar ambiente e dos grãos. As condições estabelecidas para o início e término do processo de aeração (set points) podem ser alteradas durante o processo de aeração dependendo das condições climáticas. As estratégias baseadas em múltiplas configurações, geralmente geram um acréscimo no tempo de operação do sistema de 15 a 25% mas, são eficientes na supressão de populações de insetos e na redução da migração de umidade. 33

44 Estratégia de controle CWBT Outra possibilidade de estratégia para o manejo da aeração, ainda em fase de estudos, se baseia na temperatura de bulbo molhado da massa de grãos, sendo chamada de CWBT (commodity wet-bulb temperature). Esta estratégia foi desenvolvida por WILSON e DESMARCHELIER (1994) e é indicada para regiões onde o tempo necessário para a aeração é maior (3 a 6 semanas após a colheita) ou onde a diferença entre as temperaturas do ambiente e da massa de grãos se mantém menor que 5 ºC. Nestes casos, a avaliação da temperatura de bulbo molhado indicará com maior precisão a capacidade de resfriamento do ar ambiente. Inicialmente este método foi utilizado para controlar populações de insetos com base na temperatura de bulbo molhado das sementes, mas a sua aplicação tem se mostrado eficiente também na aeração de grãos. O principal motivo que favorece a utilização da temperatura de bulbo molhado no controle da aeração é o fato desta temperatura ser a melhor maneira para se verificar a capacidade de resfriamento do ar. Assim, o controle do processo de aeração com base na temperatura de bulbo molhado tende a apresentar resultados mais satisfatórios no controle de sistemas de aeração porque considera os efeitos da umidade relativa do ar na temperatura alcançada pelos grãos. Como a manutenção de um psicrômetro dentro da massa de grãos é inviável e como as temperaturas do ar de aeração e dos grãos variam constantemente durante o processo de aeração, na maioria das aplicações a CWBT é calculada. Mas, este cálculo não é simples e, por isso, este tipo de estratégia não tem sido muito utilizado comercialmente. Especificamente para o Brasil, existem poucos dados que possam ser relacionados para a aplicação do controle CWBT. Os valores tabelados, apresentados por WILSON e DESMARCHELIER (1994) foram obtidos com base nas condições de armazenamento da Austrália e a grande maioria deles se refere ao trigo. Também, a aplicação desta estratégia está diretamente relacionada ao resfriamento dos grãos, quando no Brasil o principal objetivo da aplicação da aeração deve ser a homogeneização da temperatura no ambiente de armazenamento. 34

45 Outras estratégias para o manejo da aeração Estratégias de controle mais elaboradas, envolvendo a simulação do processo ou a combinação de várias condições de controle têm sido utilizadas e incentivadas com o avanço nas tecnologias para o monitoramento e controle dos sistemas de aeração de grãos. MAIER e MONTROSS (1997) comentaram sobre uma estratégia baseada na umidade relativa de equilíbrio dos grãos (URE). Neste caso, torna-se necessária a utilização de um microprocessador ou computador para o cálculo da URE e para a análise das condições necessárias para o acionamento do ventilador. O objetivo desta estratégia é manter um teor específico de água como referência para o acionamento e desligamento do ventilador de acordo com a combinação entre a temperatura do ar de aeração, a umidade relativa do ar de aeração e a URE. Esta estratégia pode ainda ser adaptada, permitindo a possibilidade de configuração do tempo de operação desejado a cada dia ou a cada mês, da variação permitida no teor de água e da temperatura desejada na massa de grãos. Outra estratégia em expansão é o controle de tempo proporcional desenvolvida pela CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization), citada por NAVARRO e NOYES (2001). Nesta estratégia, o ventilador é acionado por um número pré-determinado de horas por dia ou por semana de acordo com condições pré-estabelecidas de temperatura e umidade relativa. Estas condições variam, sendo que as faixas de valores aumentam quando o ventilador está desligado e diminuem quando o sistema está em operação. Em estudos conduzidos na Austrália, o limite de temperatura abaixo do qual o sistema de aeração deveria ser ligado, aumentou em 1,7 C por semana quando o ventilador estava desligado e diminui em 2,8 C por semana quando o sistema de aeração estava em operação. De acordo com NAVARRO e NOYES (2001) esta estratégia tem sido utilizada com sucesso em várias regiões subtropicais, reduzindo-se o tempo de operação do sistema de aeração e as temperaturas da massa de grãos. Mas, as condições estabelecidas devem ser bem estudadas para que não se corra o risco de alcançar limites muito altos de temperatura e umidade relativa, ligando o sistema em situações que possam prejudicar o armazenamento seguro. 35

46 2.6. Equipamentos para o controle da aeração As opções utilizadas no controle dos sistemas de aeração são o manual e o automático. O controle manual tende a se tornar raro, pois neste tipo de controle existe a dependência de operadores que devem estar atentos aos horários e condições de operação do sistema, existem maiores riscos de erros nos acionamentos e geralmente são verificados altos custos com energia elétrica (NAVARRO e NOYES, 2001). No controle automático o sistema de aeração é acionado ou desligado por meio dispositivos elétricos de acordo com os dados do monitoramento automático do ecossistema dos grãos armazenados (SINÍCIO e MUIR, 1995). Desde que bem projetada, esta é a opção mais segura de controle e, para as regiões tropicais e subtropicais é, também, a opção mais simples. Estratégias baseadas em condições pré-determinadas geralmente são aplicadas por meio de termostatos e umidostatos. Assim, as condições estabelecidas para o início e término do processo de aeração são configuradas diretamente nestes equipamentos que acionam os ventiladores por meio de relés e contactores. Para estratégias mais complexas, geralmente são utilizados controladores eletromecânicos baseados em sensores e outros dispositivos eletrônicos, além de computadores ou microprocessadores. NAVARRO e NOYES (2001) discutiram exemplos deste tipo de equipamento como o controlador por diferença de temperatura, o controlador de bulbo molhado (produzido pela WRC technology) e o controlador de tempo proporcional (produzido pela CSIRO). A utilização de computadores e microprocessadores tem possibilitado grandes avanços no monitoramento, na aquisição de dados e nos sistemas de controle devido a sua capacidade em executar manejos sofisticados. Atualmente é possível armazenar, substituir e analisar dados com mais facilidade, ajustando os dispositivos de entrada e saída de dados e atendendo melhor às necessidades operacionais dos sistemas. Os controladores automáticos também minimizam a aeração excessiva, podendo resultar em menores perdas de matéria seca e danos aos grãos, melhor qualidade do produto e economia de energia elétrica. Na maioria dos casos, o capital investido nos controladores automáticos é recuperado em 36

47 aproximadamente um ano. Outras vantagens são a possibilidade de acesso remoto e a velocidade de operação. Alguns dos sistemas de controle para aeração de grãos gerenciados por programas computacionais são o GEMAS, o OPI 2000, o Air Master e o Air Control Draw. O GEMAS realiza a aquisição de dados de temperatura em tempo real utilizando dispositivos eletrônicos endereçáveis. Com base nos dados obtidos por sensores de temperatura, o programa computacional realiza os cálculos necessários, relacionando as condições psicrométricas do ar, as condições da massa de grãos e a estratégia de controle. Em seguida o programa decide o momento adequado para ligar ou desligar o ventilador de acordo com o diferencial de temperatura entre o ar ambiente e a massa de grãos (MONTEIRO, 2002). O sistema de acionamento elétrico utilizado em conjunto com o GEMAS se baseia em uma placa de entrada e saída digital (I/O), instalada no interior do computador. Quando o sistema de aquisição de dados detecta a necessidade de acionamento do ventilador, o próprio programa computacional aciona a placa I/O, aplicando uma tensão na base de um transistor NPN que inicialmente está em corte. Assim, o transistor passa a conduzir, energizando relés e contactores e possibilitando o acionamento do ventilador. O OPI 2000 também é um sistema que integra o monitoramento da temperatura dos grãos com o controle da aeração. Neste sistema, dispositivos eletrônicos, como termopares, sensores de nível, relés, diodos e outros, são utilizados no monitoramento e controle de sistemas de aeração. Todo o sistema é gerenciado por um programa computacional, denominado OPIGIMAC, capaz de manipular dados de até 50 estruturas com 32 termopares cada uma. As estratégias de controle implementadas no OPIGIMAC se baseiam nos dados de temperatura coletados na massa de grãos, nos dados climáticos do ambiente, na demanda de energia elétrica e no teor de água de equilíbrio do produto armazenado (NAVARRO e NOYES, 2001). O Air Master é um sistema para monitoramento e controle de temperatura em massas de grãos composto por um programa computacional que gerencia o sistema, uma estação meteorológica e termopares. 37

48 Utilizando-se o Air Master é possível monitorar e controlar de maneira independente várias estruturas de armazenagem. As estratégias para o manejo da aeração implementadas se baseiam no equilíbrio higroscópico dos grãos, nos dados de temperatura obtidos por meio dos termopares e no histórico do clima obtido por meio da estação meteorológica. As estratégias para o acionamento do sistema de aeração incluem a limitação do consumo, a prioridade de acionamento dos motores, a programação da potência instalada, a definição das cargas permitidas em horário normal e de ponta e a partida seqüencial dos motores (FOCKINK, 2005). O Air Control Draw é um sistema para o controle da aeração gerenciado por um programa computacional que aciona os ventiladores de acordo com as condições climáticas. Este programa gera relatórios coloridos informando as condições climáticas dos últimos 3 dias e incluindo informações importantes como as temperaturas, o tempo de aeração e o tipo de produto (WIDITEC, 2005). De acordo com NAVARRO e NOYES (2001), os dispositivos empregados no monitoramento de ambientes de armazenamento devem passar por constantes processos de manutenção. Por causa da poeira característica destes locais e por causa dos procedimentos de carga e descarga dos silos, os instrumentos utilizados para o monitoramento dos ambientes de armazenagem precisam ser periodicamente calibrados e ajustados. Também, recomenda-se uma avaliação sobre as condições climáticas do local onde o sistema será implantado, visando a escolha da estratégia de manejo mais apropriada para o controle da aeração. Esses autores recomendaram a análise de, no mínimo, 10 anos de dados climáticos antes de se escolher a estratégia para manejo da aeração. 38

49 3. TECNOLOGIA 1-WIRE TM O sistema 1-Wire TM, desenvolvido pela Dallas Semiconductor, é uma rede de transmissão de dados de baixo custo, também conhecida como MicroLAN, que possibilita a comunicação digital entre um computador, atuando como mestre, e dispositivos da série 1-Wire TM, tais como sensores, adaptadores, dentre outros, atuando como escravos. O computador ou microprocessador é denominado mestre por ser o elemento capaz de gerenciar a transmissão de dados e controlar os demais dispositivos conectados à rede. O sistema 1-Wire TM é constituído por três elementos: um computador com um programa de controle e gerenciamento das atividades que seguem um protocolo específico de comunicação, dois ou três condutores (meio físico de comunicação) e dispositivos remotos da série 1-Wire TM (AWTREY, 2001). Todos os dispositivos da série 1-Wire TM possuem um código de identificação único, gravado a laser no processo de fabricação, em um chip de memória ROM (Read Only Memory) existente no interior de cada dispositivo. O código de identificação é constituído por 64 bits seqüenciais, sendo que os 8 primeiros bits representam a família à qual o dispositivo pertence (sensor, adaptador, chave eletrônica, etc), os 48 bits seguintes correspondem ao número serial único e individual que endereça o dispositivo e os últimos 8 bits se referem a um código de verificação de redundância cíclica relacionado aos 56 bits iniciais, indicando a existência ou não de erros (MONTEIRO, 2001). Estes códigos de identificação podem ser obtidos por meio do programa computacional de domínio público (WINDIAG), disponibilizado pela Dallas Semiconductor via Internet, ou por meio de comandos específicos inseridos no programa computacional desenvolvido para gerenciar a transmissão de dados. 39

50 3.1. Transmissão de dados em redes 1-Wire TM O protocolo de comunicação do sistema 1-Wire TM utiliza níveis lógicos convencionais CMOS/TTL (Complementary Metal Oxide Silicon / Transistor Transistor Logic), no qual o nível lógico zero é representado por uma tensão máxima de 0,8 V e o nível lógico um por uma tensão mínima de 2,2 V, como mostra a Figura 3.1 (DALLAS SEMICONDUCTOR, 2001). Tanto o mestre quanto os escravos são configurados como transceptores (transmissoresreceptores) permitindo que os dados fluam, de maneira seqüencial, em ambas as direções, porém em apenas uma direção a cada vez (half-duplex). Figura Níveis lógicos convencionais CMOS/TTL. Na transmissão de dados do sistema 1-Wire TM os pulsos digitais que compõem o protocolo de comunicação são transmitidos na forma binária, caracterizados por intervalos de tempo distintos. Esta transmissão sincronizada de dados é possível devido à existência de circuitos temporizadores internos aos dispositivos 1-Wire TM, capazes de gerar pulsos digitais predefinidos no protocolo de comunicação. De acordo com MONTEIRO (2001), existem dois tipos de pulsos de intervalo de tempo: o pulso de reinicialização (reset) e o pulso de transferência de dados (data). O pulso de reinicialização tem duração de, pelo menos, 480 µs e um tempo de resposta inferior a 300 µs. De acordo com a DALLAS SEMICONDUCTOR (2002a), a duração dos pulsos de dados não são superiores a 120 µs. Para escrever o um lógico em um dispositivo 1-Wire TM, o mestre leva a linha de dados para baixo e a mantém por um período de tempo de 15 µs ou menos. Já para escrever o zero lógico, o mestre repete o mesmo procedimento, porém mantém a linha de dados em baixa por, no mínimo, 60 µs. O sistema 1-Wire TM utiliza um circuito equivalente a um resistor de 1500 Ω (resistor de polarização) para controlar a corrente na linha de dados 40

51 e, desta maneira, elevar a tensão a fim de promover a transição do nível lógico baixo para o nível lógico alto. Além deste, outro circuito com um transistor de polarização MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), comandado pelo mestre, é responsável pela transição do nível lógico um para o nível lógico zero. As sinalizações de diversos tipos, características do protocolo específico utilizado na comunicação entre o mestre e os dispositivos 1-Wire TM, garantem a integridade dos dados transmitidos. Segundo a DALLAS SEMICONDUCTOR (2001), o protocolo de comunicação nas redes 1-Wire TM consta dos seguintes comandos: Inicialização; Comandos relacionados à memória ROM (Read ROM, Match ROM, Skip ROM, Search ROM ou Alarm Search); Comandos relacionados à memória volátil (Write Scratchpad, Read Scratchpad, Copy Scratchpad ou Read Power Supply); Transferência de dados. Todos estes sinais, com exceção do pulso de presença, são executados pelo mestre. O processo de inicialização ocorre no momento em que tem início uma seqüência de comunicação. Neste processo o mestre leva a linha de dados para o nível lógico baixo mantendo-a assim por um período de 480µs ou mais. Todos os dispositivos 1-Wire TM presentes na rede reconhecem esta operação, respondendo ao mestre emitindo pulsos de presença. Em seguida, o mestre acessa o código de identificação de um determinado escravo (comandos relacionados à ROM), envia comandos específicos de memória (comandos relacionados à memória volátil) e executa a transferência de dados, examinando a resposta do escravo (DALLAS SEMICONDUCTOR, 2002b). Na Figura 3.2 são apresentados os pulsos digitais característicos de uma seqüência de comunicação típica em um sistema 1-Wire TM. 41

52 Figura Seqüência de comunicação típica no sistema 1-Wire TM. Os comandos relacionados à memória ROM são o Read ROM, o Match ROM, o Skip ROM, o Search ROM e o Alarm Search. Estes comandos são executados com o objetivo de identificar o número de escravos existentes na rede 1-Wire TM e acessar os dados obtidos por eles com base no código de identificação de 64 bits de cada dispositivo específico (DALLAS SEMICONDUCTOR, 2003b). O comando Search ROM é utilizado para determinar a quantidade e identificar os códigos dos escravos conectados à rede. Os comandos Read ROM e Skip ROM são utilizados quando há um único dispositivo escravo ligado ao barramento, sendo que o Read ROM serve para identificar o dispositivo e o Skip ROM é utilizado para diminuir o tempo de operação da rede pois, permite que o mestre acesse as funções de memória sem a necessidade de fornecer o código de 64 bits que identifica o escravo. Quando vários escravos estão ligados à rede, o comando Match ROM é executado para acessar um dispositivo específico. Ou seja, somente o escravo cujo código se identifique perfeitamente com a seqüência de 64 bits especificada no comando será acessado pelo mestre. Os outros dispositivos deverão esperar por um novo pulso de inicialização para operarem (DALLAS SEMICONDUCTOR, 2003b). O comando Alarm Search é executado apenas quando um dos sensores medir uma temperatura fora da faixa permitida. Neste caso, a condição de alarme permanecerá ativada enquanto o sensor estiver energizado ou até que outra medida de temperatura indique um valor dentro da faixa (MONTEIRO, 2001). 42

53 Os comandos relacionados à memória volátil dos dispositivos são o Write Scratchpad, o Read Scratchpad, o Copy Scratchpad, o ConvertT ou ConvertV, o Recall E 2 e o Read Power Supply. A memória volátil (scratchpad memory) está localizada no interior dos escravos e tem capacidade limitada. É nessa memória que os dados medidos pelos escravos são armazenados e acessados pelo mestre (DALLAS SEMICONDUCTOR, 2003b). Os comandos Write Scratchpad e Read Scratchpad permitem escrever e ler na memória volátil do dispositivo escravo a informação que deverá ser executada ou transmitida na etapa seguinte da comunicação (MONTEIRO, 2001). O comando Copy Scratchpad copia o conteúdo da memória volátil em uma memória não volátil (EEPROM) do dispositivo e os comandos ConvertT e ConverV executam as conversões dos valores de temperatura e tensão medidas na forma analógica para a forma digital. Os limites inferior e superior para as medições são armazenados na memória não volátil, por meio do comando Recall E 2, sempre que o escravo for energizado. O comando Read Power Supply solicita ao dispositivo escravo que informe qual o seu tipo de alimentação (parasita ou externa) Alimentação das redes 1-Wire TM Por definição, redes baseadas no sistema 1-Wire TM utilizam alimentação parasita, possuindo um único condutor no qual são conectados todos os dispositivos da série 1-Wire TM e um condutor de referência ou aterramento que, por convenção, não é considerado. Mas, em algumas situações torna-se necessário utilizar a alimentação externa. Nestes casos, um condutor adicional é empregado para fornecer energia aos dispositivos escravos. Na alimentação parasita a fonte de energia responsável por alimentar os escravos durante os intervalos de tempo em que a linha de dados estiver em nível lógico baixo é a carga armazenada em um capacitor, existente no circuito de alimentação parasita, localizado nos escravos (Figura 3.3). 43

54 Figura Circuito de alimentação parasita do sistema 1-Wire TM. Neste tipo de alimentação, sempre que a linha de dados é levada para o nível lógico alto pelo resistor de polarização comandado pelo mestre, um diodo retificador de meia onda é polarizado diretamente, carregando um capacitor de 800pF, ambos existentes no interior de cada escravo 1-Wire TM. Quando a linha de dados cai a um nível de tensão inferior à do capacitor, o diodo retificador de meia onda é inversamente polarizado, isolando a carga no capacitor e alimentando os dispositivos 1-Wire TM (DALLAS SEMICONDUCTOR, 2001). A quantidade de carga consumida durante estes intervalos de tempo é proporcional ao tempo em que a linha de dados permanece em baixa (STEIDLE NETO, 2003). O capacitor é recarregado quando a linha de dados retorna ao nível lógico um, no instante em que a tensão atinge o limiar de 2,8 V, capaz de polarizar diretamente o diodo retificador de meia onda. Problemas de interrupção na transmissão de dados podem ocorrer em redes 1-Wire TM com extensos comprimentos, com muitos dispositivos escravos conectados ou quando a corrente fornecida pelo mestre não for suficiente para manter a tensão de operação dos escravos. Este problema pode ser agravado quando uma longa seqüência de bits zero é gerada pelo mestre, fazendo com que a linha de dados permaneça por um longo período de tempo em nível lógico zero, não sendo possível recarregar os escravos. À medida que a tensão de operação interna dos escravos diminui, sua capacidade de responder ao mestre também se torna reduzida. Assim, quando a tensão de operação interna dos escravos atinge um nível crítico, a comunicação na rede 1-Wire TM é interrompida (STEIDLE NETO, 2003). Para evitar este tipo de problema recomenda-se a utilização da alimentação 44

55 externa. Neste tipo de alimentação, os dispositivos escravos obtêm energia para operar a partir de uma fonte de alimentação externa regulada de 5 Vcc que pode ser posicionada de maneira remota em relação ao mestre e mais próxima dos escravos (MONTEIRO, 2001). Este tipo de alimentação exige um condutor específico para alimentar os dispositivos, além de uma fonte de alimentação externa Topologias das redes 1-Wire TM Nas redes 1-Wire TM um único mestre pode ser conectado a múltiplos escravos em diversos tipos de topologias. Esta arquitetura confere ao sistema de aquisição de dados versatilidade, simplicidade e um controle rígido, porque nenhum dispositivo 1-Wire TM conectado à rede pode estabelecer comunicação se não houver uma requisição do mestre, e nenhuma comunicação é permitida entre os escravos (DALLAS SEMICONDUCTOR, 2001). Segundo a DALLAS SEMICONDUCTOR (2002b) existem três tipos básicos de topologias para as redes 1-Wire TM : linear, ramificada e estrela. Esta classificação se baseia na distribuição dos escravos ao longo do comprimento dos condutores. A topologia linear abrange as redes 1-Wire TM estruturadas em uma única linha que tem início no mestre e se estende até o último escravo conectado à rede (Figura 3.4). Nesta topologia são admitidas ramificações de comprimentos inferiores a 3 metros. Figura Topologia linear da rede 1-Wire TM. Na topologia ramificada, as redes 1-Wire TM são constituídas de uma linha principal iniciada no mestre que se estende até o último escravo conectado à rede. Os demais dispositivos 1-Wire TM são conectados à linha principal por meio de ramificações de comprimentos superiores a 3 metros (Figura 3.5). Deve-se observar que cada ramificação conectada na linha principal da rede 1-Wire TM gera uma impedância no ponto de conexão, 45

56 podendo causar problemas nos outros dispositivos 1-Wire TM conectados à rede. Figura Topologia ramificada da rede 1-Wire TM. Na topologia estrela, as redes 1-Wire TM são divididas bem próximo à conexão com o mestre e se estendem por meio de ramificações múltiplas de diversos comprimentos contendo escravos ao longo ou ao final destas (Figura 3.6). A confiabilidade das redes 1-Wire TM estruturadas conforme a topologia estrela é baixa. A junção de várias ramificações representa para o mestre um valor de impedância bem mais alto que o real, podendo causar problemas devido a reflexões. A solução é a utilização de dispositivos de chaveamento eletrônicos, comandados pelo mestre, fazendo com que cada ramificação seja ativada de maneira independente. Segundo STEIDLE NETO (2003), a topologia estrela aplicada em redes 1-Wire TM não chaveadas não é recomendada. Figura Topologia estrela da rede 1-Wire TM. É importante destacar que quando diferentes topologias são combinadas, torna-se mais difícil determinar as limitações efetivas na implementação de redes 1-Wire TM. 46

57 3.4. Principais fatores que influenciam na comunicação em redes 1-Wire TM Teoricamente, nenhuma rede 1-Wire TM deve ter comprimento maior que 750 m. Para distâncias iguais ou maiores que este valor o protocolo de comunicação poderá falhar devido, principalmente, ao tempo de resposta dos condutores. Na prática, outros fatores podem afetar o desempenho de sistemas que utilizem redes 1-Wire TM, limitando seu comprimento em valores bem menores que 750 m (DALLAS SEMICONDUCTOR, 2002b). Os condutores que interligam o computador e os dispositivos 1-Wire TM são os principais responsáveis pelo decréscimo no desempenho do sistema. Para redes pequenas, com distâncias menores que 30 m e com número de dispositivos reduzido, a seleção dos condutores é bastante simples. Porém, para distâncias maiores, os efeitos relacionados às propriedades físicas e elétricas dos condutores se acentuam, tornando-se necessário uma seleção mais criteriosa (DALLAS SEMICONDUCTOR, 2002a). Dentre as características elétricas, a capacitância é a que causa os maiores problemas na transmissão de dados nos sistemas 1-Wire TM (STEIDLE NETO, 2003), A capacitância nas redes 1-Wire TM aumenta com o acréscimo de dispositivos conectados ao barramento e com a capacitância dos condutores. Esta última propriedade pode variar de 30 pf/m até 100 pf/m, crescendo com o aumento dos comprimentos dos condutores. O incremento da capacitância na rede 1- Wire TM faz com que o tempo de transição do nível lógico baixo para o nível lógico alto aumente e, em alguns casos, a comunicação pode ser interrompida. Também, segundo a DALLAS SEMICONDUCTOR (2001), cada dispositivo 1-Wire TM apresenta características inerentes relacionadas à capacitância de entrada, à corrente de descarga, ao circuito de alimentação parasita e à corrente de operação. A capacitância de entrada de cada dispositivo 1-Wire TM (aproximadamente 30 pf) contribui para o acréscimo da carga capacitiva na rede. Ressalta-se que os 800 pf de capacitância da alimentação parasita apenas existem em níveis de tensão acima de 2,8 V e, portanto, este valor de capacitância pode ser desconsiderado, já que a rede está operando no limiar dos 2,2 V para o nível lógico alto. Assim, a implementação de redes 1-Wire TM confiáveis dependerá da seleção adequada do tipo de condutor, do tipo de dispositivos necessários à 47

58 aplicação e da topologia empregada na sua implementação. A Figura 3.7 apresenta um circuito equivalente ao sistema 1-Wire TM com um dispositivo escravo conectado ao mestre (computador) por meio de dois condutores. Figura 3.7 Circuito equivalente ao sistema 1-Wire TM com um dispositivo 1-Wire TM conectado ao mestre (computador) por meio de dois condutores. Originalmente, o protocolo da tecnologia 1-Wire TM para transmissão de dados foi desenvolvido para a comunicação entre dispositivos localizados próximos uns dos outros em redes de comprimento reduzido. Depois de um breve período do lançamento desta tecnologia no mercado, os usuários de sistemas utilizando redes 1-Wire TM começaram a empregá-los em aplicações que exigiam redes de grandes comprimentos, com um número de dispositivos cada vez maior e com dispositivos mais distantes do mestre. Assim, de acordo com DALLAS SEMICONDUCTOR (2002b), novos dispositivos foram desenvolvidos a fim de atender às exigências de diversos tipos de aplicações e tamanhos de redes. Atualmente, são comercializados dispositivos passíveis de serem conectados em grandes números e em uma única rede, possibilitando transferências de dados mais seguras. 48

59 3.5. Considerações sobre a linguagem Java aplicada em redes 1-Wire TM Existe um programa computacional gratuito, chamado TMEX, capaz de controlar e monitorar a atividade de redes 1-Wire TM. Mas, na maioria dos casos, é necessária a implementação de um programa computacional que atenda aos requerimentos específicos da aplicação. Por exemplo, para o monitoramento e controle de sistemas de aeração, o programa computacional deve ser capaz de executar cálculos relacionados às condições do ar e do produto armazenado, tomar decisões sobre o melhor momento para acionar ou desligar o ventilador e gerenciar a transmissão de dados. Nestes casos existe uma ampla documentação disponível gratuitamente pelo fabricante na Internet ( contendo exemplos e sugestões para programação para os sistemas operacionais Windows, Solaris, Linux e Mac em linguagens Java, Delphi, Visual Basic e C. A utilização das bibliotecas disponíveis em linguagem Java facilita bastante a programação para redes 1-Wire TM. A linguagem de programação Java é uma linguagem orientada a objetos de alto nível que apresenta características bastante interessantes como simplicidade, arquitetura neutra, portabilidade, alto desempenho, robustez, dinamismo e segurança. Os códigos-fonte escritos em Java são interpretados e compilados podendo ser utilizados em aplicações de sistemas distribuídos e Internet. Uma vez compilado, o programa escrito em Java pode ser executado em diferentes sistemas operacionais (Windows, Linux, Solaris ou Mac). A plataforma Java possui dois componentes: a máquina virtual Java (Java VM ou Java Virtual Machine) e o programa computacional de aplicação utilizado para gerar os programas em Java (Java API). A máquina virtual vem incluída no J2SEJRE (Java 2 Standard Edition Java Runtime Environment) e no J2SESDK (Java 2 Standard Edition System Development Kit). Estes dois aplicativos são distribuídos gratuitamente pela empresa SUN, criadora da tecnologia Java ( O JRE inclui basicamente bibliotecas e algumas outras ferramentas destinadas ao usuário final, sendo utilizado apenas para possibilitar a execução dos programas escritos em Java. Em computadores mais modernos este aplicativo geralmente vem instalado junto com o sistema operacional. O SDK inclui o JRE, bibliotecas e ferramentas para a criação de 49

60 programas em Java. Para a criação de interfaces gráficas é recomendada a associação do SDK a aplicativos mais avançados, como o NetBeans, o JBuilder, o Eclipse ou o Dr. Java. Estes aplicativos já possuem implementados componentes visuais como janelas e botões, além de apresentarem mais facilidades para compilar, executar e manipular os arquivos dos programas escritos em Java. A linguagem Java apresenta mais vantagens que desvantagens, podendo ser facilmente aprendida, principalmente por pessoas acostumadas a programar em C++ e Delphi. Geralmente, os programas gerados em Java apresentam menos linhas de código e podem ser reutilizados com mais facilidade. No caso do gerenciamento da transmissão de dados em redes 1- Wire TM utilizando-se Java, a Dallas Semiconductor disponibiliza a 1-WireAPI que consiste em alguns exemplos de programas, arquivos de ajuda e bibliotecas contendo funções e procedimentos necessários para a execução do protocolo de comunicação das redes 1-Wire TM. Em aplicações para a plataforma Windows, duas destas bibliotecas (OneWireAPI.jar e RxtxComn.jar) são indispensáveis aos programas para gerenciamento de redes 1-Wire TM. Estas bibliotecas devem ser importadas no código do programa e inseridas no diretório lib/ext da máquina virtual do computador onde o programa será executado. A biblioteca OneWireAPI.jar contém funções pré-implementadas para a realização de todo o protocolo de comunicação das redes 1-Wire TM, incluindo as etapas de inicialização, comandos relacionados a ROM, comandos relacionados à memória volátil e comandos relacionados à transmissão de dados, para os vários tipos de dispositivos 1-Wire TM. Por meio das funções pré-implementadas na biblioteca RxTxComn.jar é possível realizar a comunicação na rede 1-Wire TM, por meio da porta serial, de forma simples e otimizada. Para que a execução do programa seja bem sucedida é necessário, também, inserir o arquivo rxtx.dll no diretório system da pasta Windows. 50

61 4. MATERIAL E MÉTODOS 4.1. Tecnologia 1-Wire TM aplicada ao controle de sistemas de aeração Um sistema para o monitoramento dos grãos armazenados e para o controle da aeração com base na tecnologia 1-Wire TM foi desenvolvido no Departamento de Engenharia Agrícola da Universidade Federal de Viçosa, utilizando-se um silo metálico com fundo perfurado, diâmetro igual a 3,6 m e altura do cilindro igual a 2,0 m. Para a realização deste trabalho, o silo foi carregado com milho com teor de água de 13,5%bu. A vazão de ar empregada durante os testes foi igual a 0,07 m 3 min -1 m 3. As medidas de temperatura no interior do silo foram realizadas utilizando-se 15 sensores de temperatura DS1820 da série 1-Wire TM. Estes sensores foram acondicionados em dutos de polietileno, reforçados com cabos de aço, próprios para serem utilizadas em estruturas de armazenamento com sistemas de termometria por terem capacidade para suportar esforços de tração provenientes do escoamento de grãos durante a carga e descarga do silo (Figura 4.1). No plano horizontal, localizou-se um cabo no centro do silo e outros quatro cabos defasados entre si de 90º e distantes do cabo central de 0,9 m. Na direção vertical, os sensores foram dispostos nas alturas de 0,5 m, 1,0 m e 1,5 m, a partir da base do silo. Outro sensor DS1820 foi instalado próximo à saída de ar do ventilador, no plenum do silo, com o objetivo de medir a temperatura do ar de aeração. A temperatura e a umidade relativa do ar ambiente foram medidas por meio de um circuito contendo resistores, capacitores, diodos e um sensor de umidade relativa HIH3610 endereçado por um dispositivo DS2438 da série 1-Wire TM. A comunicação digital entre o computador e os dispositivos eletrônicos existentes na rede foi realizada conectando-se um adaptador DS9097U-009, também da série 1-Wire TM, à porta serial RS232 do computador. O sistema de aeração foi acionado por meio de uma chave eletrônica da série 1-Wire TM, identificada como DS2406. A Figura 4.2 apresenta o esquema do experimento. 51

62 Figura 4.1 Estrutura de sustentação e proteção dos sensores no interior da massa de grãos. Figura 4.2 Esquema da rede 1-Wire TM utilizada no monitoramento e controle de um sistema de aeração para grãos armazenados no silo com 2,6 m de diâmetro e 2,0 m de altura. 52

63 Neste trabalho utilizou-se alimentação externa para que interrupções na comunicação fossem evitadas, pois foram observadas constantes oscilações na rede elétrica local. Também, empregou-se a topologia ramificada para a montagem da rede 1-Wire TM. O barramento principal foi conectado ao computador, sendo que a partir dele foram montadas uma ramificação de 1 metro contendo a chave eletrônica DS2406, uma ramificação de 2 metros contendo o circuito para medição de umidade relativa do ar ambiente (HIH3610 e DS2438), uma ramificação de 2 metros contendo o sensor de temperatura DS1820 localizado próximo à saída de ar do ventilador e mais cinco ramificações de 2,5 metros contendo, cada uma, três sensores de temperatura DS1820, localizadas na massa de grãos. Os sensores de temperatura DS1820 fornecem valores digitais de 9 bits para cada dado medido com tempo de conversão da temperatura na forma digital aproximadamente igual a 750 ms. A faixa de medição desses sensores varia de 55ºC a +125ºC com resolução de 0,1ºC e exatidão de ± 0,5ºC para temperaturas compreendidas entre -10ºC e 85ºC. Existem outros tipos de sensores de temperatura da série 1-Wire TM muito semelhantes ao DS1820, como, por exemplo, o DS1920 e o DS1820S (DALLAS SEMICONDUCTOR, 2003b). O adaptador universal DS9097U-009 apresenta uma entrada DB-9 para conexão na porta serial do computador e uma entrada RJ-11 para os condutores da rede 1-Wire TM. No interior deste dispositivo está localizado um circuito integrado DS2480B que é responsável por realizar a conversão da porta serial do computador para a rede 1-Wire TM. Este circuito integrado foi projetado para operar de maneira eficiente em redes 1-Wire TM com grandes comprimentos ( maiores que 750 metros ) a um custo equivalente ao de redes 1-Wire TM médias e pequenas, gerando sinais que possibilitem um desempenho máximo. Além do DS2480B, este adaptador contém também o chip DS2502 onde se encontra gravado o seu código de identificação (DALLAS SEMICONDUCTOR, 2002). A taxa de transferência de dados padrão suportada pelo DS9097U-009 é de bits/s (STEIDLE NETO, 2003). Esta taxa de transferência foi utilizada no sistema desenvolvido. Entretanto, caso seja necessário em outras aplicações, sob o controle de um programa computacional de gerenciamento do sistema 1-Wire TM, taxas de 53

64 transferência superiores podem ser utilizadas (19.200, e bits/s). O DS2438 foi projetado para o monitoramento de carga em baterias, contendo conversores A/D (analógico-digital) para temperatura e tensão, necessários na obtenção da umidade relativa. O DS2438 possui 40 bytes de memória não volátil que são utilizados para armazenagem de informações sobre calibração e localização do sensor (DALLAS SEMICONDUCTOR, 2003c). Para a realização das medidas de umidade relativa apenas um conversor A/D foi conectado ao sensor HIH3610. O DS2438 também realiza medidas de temperatura, fornecendo valores digitais de 13 bits para cada dado medido. O tempo de conversão da temperatura na forma digital é de, aproximadamente, 10 ms, sendo que a faixa de medição do dispositivo varia de 55 ºC a +125 ºC com resolução de 0,03125 ºC e exatidão de ±2 ºC para temperaturas compreendidas entre 40 e 85 ºC (DALLAS SEMICONDUCTOR, 2003c). O HIH3610 opera na faixa entre 4 e 5,8 V DC (calibrado em 5 V DC ), sendo que sua tensão de saída varia de 0,8 a 3,9 V DC, de acordo com a variação de umidade relativa (0 a 100%, sem condensação). A sua exatidão é de ±2% e a sua resolução é de 0,04% para valores de umidade relativa na faixa de 5 a 95% e temperaturas na faixa de 0 a 50ºC. Para a temperatura de 25 ºC e baixa velocidade do ar, o tempo de resposta do HIH3610 é de 15 s. A corrente elétrica de operação deste dispositivo é igual a 200 µa, sendo possível utilizá-lo com segurança em redes 1-Wire TM (NEUROLOGIC RESEARCH, 2003; HONEYWELL, 2003). Como o sensor HIH3610 é fotossensível, tomou-se o cuidado de protegê-lo contra a luz quando estava em operação. A Figura 4.3 apresenta o esquema do circuito utilizado para a realização das medidas de temperatura e umidade relativa do ar ambiente. Neste circuito um capacitor de 0,1 µf (C1) e um diodo (D2) formaram um retificador de meia onda que alimenta o sensor de umidade e o dispositivo DS2438, caso a alimentação parasita for utilizada. Outro diodo (D1) foi localizado entre a linha de dados e o referencial, protegendo o circuito contra oscilações no sinal que ultrapassem os limites mínimos e máximos de tensão. Um resistor de 100 KΩ (R1) e um capacitor de 0,01 µf (C1) 54

65 constituíram um filtro passa baixa, responsável por proteger a transmissão da tensão de saída do sensor de umidade ao DS2438. Essa tensão é proporcional à tensão de alimentação, sendo que a conversão dos dados medidos para valores de umidade relativa foi realizada por meio da equação 4.1. (Vs / Va ) (0,16 / 0,0062) UR = 1,0546 0,00216 Ts (4.1) em que UR - Umidade relativa, %; V s - Tensão de saída do HIH3610, V; V a - Tensão de alimentação, V; T s - Temperatura medida pelo DS2438, C. Figura 4.3 Esquema do circuito utilizado para medir a temperatura e a umidade relativa do ar externo ao silo. A Figura 4.4 apresenta o esquema do circuito utilizado para o acionamento automático do sistema de aeração por meio da chave eletrônica DS2406. Neste circuito um fotoaclopador (MOC3010) foi empregado para proteger a chave eletrônica e as placas do computador de descargas de tensão da rede de alimentação, isolando-o eletricamente. O MOC3010 é formado basicamente por um LED e um fototransistor dentro de um CI com a função de possibilitar a conexão elétrica entre dois circuitos por meio da luz. 55

66 Assim, quando uma tensão é aplicada nos pinos do LED, este acende e a luz polariza a base do fototransístor interno que conduz fazendo a corrente circular por outro circuito isolado eletricamente. Um componente TRIAC (TIC226D) foi empregado para chavear a corrente alternada, possibilitando o acionamento do ventilador por meio do sinal emitido pela chave eletrônica (DS2406). Esse componente equivale a dois retificadores controlados de silício (SCR) ligados em paralelo, um ao contrário do outro. Ele possui três terminais: MT1 e MT2 (anodos) e G (gatilho ou gate). O gatilho pode ser disparado com tensão positiva ou negativa. Após o disparo, o TRIAC conduz até a corrente alternada mudar de sentido. Quando isto ocorre, é necessário outro pulso no gatilho. Figura Esquema do circuito utilizado para o acionamento automático do sistema de aeração por meio da chave eletrônica DS2406. A aquisição de dados foi realizada a cada 20 segundos e as médias das medidas foram calculadas em intervalos de 15 minutos, quando a estratégia de controle era executada Programa computacional desenvolvido - AERO O gerenciamento da aquisição de dados e as ações relacionadas à estratégia de controle foram realizados por meio de um programa computacional, desenvolvido especialmente para esta aplicação. Este programa foi escrito em Java, sendo também capaz de estimar parâmetros importantes para a avaliação das condições do ambiente de armazenamento, 56

67 como a umidade relativa de equilíbrio dos grãos, a umidade relativa do ar de aeração e o teor de água dos grãos. O programa computacional desenvolvido, chamado AERO, foi dividido em seis módulos: configuração do programa, aquisição de dados, visualização dos dados, controle do processo de aeração, simulação do processo de aeração e geração de relatórios. Estes módulos foram implementados em funções distintas visando otimizar o fluxo de dados durante a execução do programa, facilitar a sua manutenção e simplificar a sua estrutura Módulo para configuração do programa Neste módulo o usuário do AERO pode escolher se deseja utilizar o sistema 1-Wire TM para realizar o controle do sistema de aeração em tempo real ou se deseja apenas simular o processo de aeração. Alguns dados devem ser fornecidos em ambas as configurações. Esses dados são as dimensões do silo, a espécie de grão armazenado, o teor inicial de água e o teor indicado de água para o produto armazenado, o nível de deterioração inicial do produto, a pressão atmosférica da região, a vazão específica de ar utilizada e o número de horas gravadas por relatório. É possível, também ao usuário selecionar quais objetivos da aeração deseja alcançar (resfriar a massa de grãos, manter a uniformidade de temperatura na massa de grãos ou ambas). No caso de o programa computacional ser configurado para aquisição de dados utilizando-se o sistema 1-Wire TM nenhum dado de entrada adicional precisa ser fornecido pois, os dados medidos serão automaticamente repassados para os módulos de simulação e de controle do processo. No caso de o AERO ser configurado para simulação da aeração será necessário informar também a temperatura inicial dos grãos, o incremento de temperatura do ar produzido pelo ventilador, a espessura das camadas a serem consideradas e os dados de temperatura e umidade relativa do ar ambiente. Caso existam diferenças nas temperaturas das camadas de grãos, o usuário deverá informar qual é o arquivo texto que contem o perfil de temperatura da massa de grãos ao invés de fornecer a temperatura inicial do produto. A partir destes dados de entrada, a simulação é executada para 57

68 intervalos de 1 hora, de acordo com a estratégia de controle proposta. Ressalta-se que os dados de temperatura e umidade relativa do ar ambiente podem ser constantes ou variáveis. Os dados variáveis devem ser fornecidos em um arquivo texto contendo, em cada linha, a temperatura e a umidade relativa do ar ambiente separados por espaço. Quando esta possibilidade é utilizada, o usuário deve informar o intervalo de tempo em que os dados contidos no arquivo texto foram coletados Módulo para geração de relatórios O módulo para gerar relatórios é executado depois de cada ação de controle da aeração, sendo responsável por criar ou atualizar planilhas eletrônicas contendo os dados medidos e os simulados. Quando o sistema 1-Wire TM é utilizado os valores medidos pelos sensores de temperatura e umidade, os valores calculados para umidade relativa do ar de aeração e para umidade relativa de equilíbrio, os dados simulados de temperatura e teor de água dos grãos, a condição operacional do ventilador (ligado ou desligado) e os valores máximos, mínimos e médios de temperatura medidos são armazenados em um arquivo. Em ambas as possibilidades de configuração do programa, um outro arquivo é gerado, registrando-se os resultados detalhados da simulação para temperatura, teor de água e deterioração dos grãos. O número de horas de aquisição de dados armazenado em cada planilha é fornecido como dado de entrada Módulo para visualização dos dados Este módulo é responsável por atualizar a tela principal do programa AERO, exibindo, em tempo real, as temperaturas dentro do silo, a temperatura e umidade relativa do ar ambiente, a temperatura e umidade relativa no plenum, a temperatura média dos grãos, o gradiente de temperatura dentro do silo, a estimativa média do teor de água dos grãos, a estimativa da umidade relativa de equilíbrio, a estimativa do nível de deterioração médio do produto armazenado, o número de horas de funcionamento do sistema, o número de horas de aeração neste período e a condição operacional do ventilador (ligado ou desligado). 58

69 As temperaturas dentro do silo são exibidas em um gráfico de contorno, facilitando a visualização da sua variação. Este gráfico foi implementado utilizando-se uma biblioteca, disponível gratuitamente na Internet, específica para criação destes tipos de diagramas em aplicações Java, denominada JFreeChart. Quando a opção para simulação do processo de aeração é ativada, este módulo exibe, na tela principal do AERO, os resultados instantâneos da simulação, reproduzindo o comportamento de um sistema de aeração real Módulo para aquisição e transmissão de dados Este módulo é responsável pela aquisição e transferência dos dados do ecossistema dos grãos armazenados para os módulos de simulação e controle do processo de aeração. Quando o programa computacional é configurado para simular o processo de aeração, o módulo para aquisição de dados é ativado sempre que o contador de tempo do processo de simulação for incrementado. Neste caso, o arquivo texto ou os dados constantes de temperatura e umidade relativa fornecidos pelo usuário são acessados, sendo transferidos para o modelo de simulação empregado e para o módulo que executa a estratégia de controle. Quando o AERO é configurado para realizar a aquisição de dados em tempo real, o módulo para aquisição de dados é ativado a cada 20 segundos e os valores medidos pelos dispositivos escravos conectados ao sistema 1- Wire TM são armazenados e exibidos na tela principal do programa computacional por meio do módulo para visualização dos dados. Em intervalos de 15 minutos, as médias dos dados armazenados são calculadas e enviadas aos módulos para simulação do processo e controle da aeração. Quando este procedimento ocorre, a área de armazenamento de dados é limpa, permitindo que um novo conjunto de valores seja armazenado e utilizado posteriormente. 59

70 Módulo para controle do processo de aeração Neste módulo a estratégia para o manejo da aeração é executada e o módulo para geração de relatórios é ativado. A estratégia de controle utilizada para o manejo da aeração baseou-se nas recomendações apresentadas por NAVARRO e NOYES (2001), LACERDA FILHO e AFONSO (1992) e MARTINS et al. (2001). O objetivo foi manter temperaturas uniformes dentro do silo e resfriar a massa de grãos sempre que a aplicação da aeração não fosse prejudicial às condições de armazenamento seguro. O sistema de aeração era ligado ou desligado de acordo com a combinação de quatro condições. A primeira condição se referiu à temperatura mínima dentro do silo. Para que o ventilador fosse ligado, este parâmetro deveria ser maior que a temperatura de ponto de orvalho do ar de aeração. De acordo com LACERDA FILHO e AFONSO (1992), satisfazendo-se esta condição, a possibilidade de condensação na massa de grãos é minimizada pois, garante-se que nenhuma área dentro do silo receberá ar com condições propícias ao acúmulo de umidade na superfície do produto armazenado. A temperatura de ponto de orvalho foi calculada por meio da equação 2.16, sugerida por ZOLNIER (1994). A segunda condição, também essencial para o acionamento do ventilador, foi que o teor de água dos grãos simulado não varie mais que 0,5 ponto percentual na primeira camada de grãos. Este valor foi utilizado por ser uma variação considerada aceitável na literatura e porque os fluxos de ar característicos do processo de aeração são baixos, sendo que o teor de água dos grãos tende a não sofrer variações significativas ao longo do período de aeração (MAIER e MONTROSS, 1997). Para gradientes de temperatura maiores que 5ºC dentro do silo, verificou-se a necessidade de utilizar um limite aceitável maior para a variação no teor de água simulado nos grãos localizados próximos ao fundo do silo, visando uma equabilização mais rápida das temperaturas dos grãos armazenados devido à diminuição de restrições com relação ao acionamento do sistema de aeração. Nestas condições, o limite aceitável para variação do teor de água nos grãos localizados próximos ao fundo do silo (condição de contorno do modelo de simulação) foi igual a 0,9 ponto percentual. Este valor foi utilizado com base 60

71 nas observações de Sanderson et al. e Epperly, citados por NAVARRO e NOYES (2001), que verificaram variações aceitáveis entre 0,66 e 0,9 ponto percentual no teor de água de grãos armazenados próximos ao fundo do silo durante o processo de aeração. Para controlar a uniformidade das temperaturas e o resfriamento dentro do ambiente de armazenamento duas condições foram utilizadas. A primeira indica energizar o sistema de aeração caso exista um diferencial de temperatura dentro do silo maior que 5ºC e caso alguma das temperaturas máximas simuladas em todas as camadas do silo for menor que a temperatura máxima real equivalente a ela. Na segunda condição, caso o gradiente de temperatura dentro do silo seja menor que 3ºC, sugere-se energizar o sistema de aeração se a temperatura máxima simulada na primeira camada de grãos for menor que a real. Como a estratégia de controle é executada a cada 15 minutos, dependendo das condições do ecossistema dos grãos armazenados, a simulação do processo considerando esse curto período pode não perceber a real capacidade do ar de aeração. Por isso, o tempo de aeração simulado variou entre 0,25 e 10 horas, dependendo de quão próximas estão as temperaturas do ar de aeração e da massa de grãos. No caso de possibilidade de resfriamento, as diferenças entre as temperaturas simuladas e atuais variam entre 0,01 e 0,5ºC, de acordo com o tempo de simulação (Figura 4.5). 61

72 Figura 4.5 Fluxograma do cálculo do tempo de simulação e do diferencial de temperatura considerados na estratégia de controle. Ressalta-se que a estratégia proposta objetivou manter o ecossistema dos grãos armazenados em condições seguras, principalmente em regiões tropicais e subtropicais, onde o resfriamento até temperaturas ideais para prevenção contra insetos geralmente não é alcançado. Nestas regiões, o principal objetivo da aeração deve ser manter um diferencial de temperatura menor que 3ºC dentro do silo, sendo aceitáveis diferenças de até 5ºC na massa de grãos (NAVARRO e NOYES, 2001). Estes procedimentos evitam principalmente a migração de umidade. O sucesso da aeração em climas tropicais e subtropicais depende de certos cuidados no armazenamento dos grãos, como armazená-los limpos e com teor de água seguro. A Figura 4.6 apresenta o algoritmo da estratégia de controle implementado no AERO para o manejo da aeração. 62

73 aeração) silo Início C1 falso; C2 falso; C3 falso; C4 falso Calcular tempo de simulaçao (Tempo) e T Lim Simular o processo de aeração considerando o ventilador ligado e Tempo Se (Temp. mínima dentro do silo > Temp. de ponto de orvalho do ar de C1 verdadeiro senão C1 falso Se o objetivo homogeneizar temperaturas for selecionado Se ( T dentro do silo > 5 C E T simulado < T dentro do silo) Se C2 = verdadeiro C2 verdadeiro senão C2 falso U Lim 0,9 e UGU Teor de água dos grãos próximos ao fundo do silo senão U Lim 0,5 e UGU Teor de água dos grãos da primeira camada Se o objetivo Resfriar massa de grãos for selecionado Se o objetivo homogeneizar for selecionado E T dentro do silo > 3 C Para i de 1 até o número de camadas Se Temp. máxima da camada i > Temp. simulada para camada i+ T Lim C3 verdadeiro Senão se Temp. máx. da 1ª camada > Temp. sim. para a 1ª camada + T Lim C3 verdadeiro Se C3 = verdadeiro U Lim 0,9 e UGU Teor de água dos grãos próximos ao fundo do Senão C3 falso Se U Lim = 0,9 Se UGU - Teor de água sim. do primeiro nó (cond. de contorno) > U Lim Senão C4 falso senão C4 verdadeiro Se UGU - Teor de água sim. da primeira camada > U Lim C4 falso senão C4 verdadeiro Se ((C2 OU C3) E C1 E C4) Ligar ventilador Senão desligar ventilador Fim Figura Algoritmo da estratégia para o manejo da aeração utilizada no programa computacional AERO. 63

74 Módulo para simulação do processo de aeração Este módulo é um dos principais módulos do AERO pois estima os efeitos da aplicação da aeração na massa de grãos, de acordo com os parâmetros obtidos pelo módulo de aquisição de dados. O modelo matemático unidimensional empregado no programa computacional AERO baseou-se nas equações propostas por THORPE (1997) e apresentadas por NAVARRO e NOYES (2001), combinando relações psicrométricas do ar com balanços de massa e de energia. No modelo original, as variações na temperatura e no teor de água dos grãos são determinadas por meio das equações 4.2 e 4.3, respectivamente. θ H h U c c U w c R c v ρb h t g + w + + ερa a + w b s T + a T = ρ a t (4.2) 2 h dm u c R c v θ θ k s aρa a + w + + eff + ρb (Qr 0,6h v ) T y 2 a y dt 2 U R R dm ρ D u s b = ρa eff ρa a + (0,6 + U) t 2 y y dt (4.3) em que t - Tempo, segundos; ρ b - Massa específica dos grãos, kg m -3 ; c g - Calor específico dos grãos, J kg -1 ºC -1 ; c w - Calor específico da água, J kg -1 ºC -1 ; H w - Integral da entalpia de umedecimento, J kg -1 ; T a - Temperatura do ar em equilíbrio com os grãos, ºC; ε - Porosidade da massa de grãos, decimal; ρ a - Massa específica do ar intergranular, kg m -3 ; c a - Calor específico do ar, J kg -1 ºC -1 ; u a - Velocidade do ar de aeração, m s -1 ; y - Coordenada espacial, m; k eff - Condutividade térmica da massa de grãos, W m -1 s -1 ; m s - Perda de matéria seca, %; Q r - Calor de oxidação dos grãos, J s -1 m -3 ; D eff - Difusividade térmica da umidade através da massa de grãos, m 2 s -1. h v - Entalpia de vaporização ou calor latente de vaporização, J kg -1 ; h s - Entalpia diferencial de sorção, J kg

75 No entanto, algumas adaptações a este modelo foram implementadas, visando aproximar os resultados à realidade, diminuir o tempo de execução do programa computacional gerado e simplificá-lo, sem prejudicar a integridade dos dados gerados. Assim, no AERO, as variações na temperatura e no teor de água dos grãos são determinadas por meio das equações 4.4 e 4.5, respectivamente. θ ρb t [ c + c U] g w h U c R c v + ερa a + w + = ρbhs T a t h dm u c R c v θ aρa a + w + + ρb (Qr 0,6h v ) T a y dt U R dm ρb = ρaua + (0,6 + U) t y dt (4.4) (4.5) Segundo NAVARRO e NOYES (2001), a difusividade térmica (D eff ) pode ser ignorada durante a aeração, podendo ser importante apenas quando este processo não está ocorrendo. Simulações foram realizadas mantendo-se este termo no modelo e considerando-se o valor de D eff nula. Observou-se que, mesmo quando o processo de aeração não estava ocorrendo, os resultados obtidos não apresentavam diferenças significativas. Este fato pode ser explicado devido aos baixos valores associados à difusividade térmica dos produtos agrícolas. Por este motivo, optou-se por simplificar a equação 2 original, retirando-se o termo ρadeff W simular o processo de aeração. Os termos T e H w 2 y do modelo utilizado para 2 2 keff θ y, observados na equação 4.2, também não foram utilizados no processo de simulação realizado pelo AERO. Estas alterações simplificaram o algoritmo, minimizando seu tempo de execução e garantindo a confiabilidade dos resultados obtidos. Segundo Close e Banks, citados por NAVARRO e NOYES (2001), em alguns casos o cálculo de T pode resultar em valores incoerentes, H w pois este parâmetro depende de dados empíricos. Segundo os autores este termo pode ser negligenciado durante o processo de simulação sem afetar os resultados gerados. 65

76 2 2 A retirada do termo keff θ y é justificada pelo fato de as massas de grãos geralmente possuírem baixa condutividade térmica e, por isso, poderem ser consideradas como materiais isolantes (MUIR et al., 2003). Assim, a condutividade térmica afeta principalmente os grãos próximos à parede do silo e, sendo o modelo utilizado unidimensional, os efeitos de K eff nos resultados da simulação não se mostraram significantes. As equações diferenciais que descrevem a transferência de calor e de massa nos grãos são dependentes entre si. Portanto, a solução de uma delas interfere na solução da outra. As variações da temperatura e da umidade relativa do ar de aeração variam de forma aleatória com relação ao tempo (NAVARRO e NOYES, 2001). Por isto, as equações diferenciais parciais do modelo implementado foram resolvidas aplicando-se a técnica de diferenças finitas, gerando-se as equações 4.6 e 4.7. θiatual = θi + ρb + dm t ( c + c ) + ερ c + R ( c + d ) g w a [ ] a i R R h + ρ u i i 1 s a a y θ θ ( 0,6 + U )) + ρ d (Q 0,6h ) u ρ ( c + R ( c + d )) i i 1 i b m r v a a a i w hv y w hv (4.6) t R = + ( ) ρ i R U i 1 i atual Ui aua + dm 0,6 + Ui ρ (4.7) b y em que t - Diferença entre o tempo de simulação atual e o tempo anterior, s; y - Espessura da camada, m; d hv - d m - i - Diferencial do calor latente de vaporização com relação à temperatura; Derivada da perda de matéria seca com relação ao tempo; Identifica qual o nó está sendo utilizado nos cálculos. Considerou-se que a massa de grãos foi dividida em várias camadas finas na direção do fluxo de ar (direção vertical), como mostra a Figura 4.7. Os limites entre camadas foram chamados nós, sendo que a condição de 66

77 contorno no primeiro nó supôs que os grãos localizados no fundo do silo entram em equilíbrio com o ar de aeração. Os resultados desta configuração tendem a superestimar o teor de água simulado para a primeira camada de produto. Mas, este problema foi minimizado calculando-se o teor de água e a temperatura da primeira camada de grãos por meio de interpolação de Lagrange utilizando os quatro primeiros nós. Figura Esquema utilizado na simulação do processo de aeração em que a massa de grãos é dividida em várias camadas delimitadas por nós. A espessura de cada camada ( y) foi obtida dividindo-se a altura da massa de grãos (L) pelo número total de camadas considerado (N cam ). Como a temperatura e a umidade relativa do ar intergranular no primeiro nó da massa de grãos foram considerados iguais à temperatura e à umidade relativa do ar de aeração, a razão de mistura do ar nesta área foi calculada aplicando-se a equação 4.8 (adaptação da equação 2.13) e o teor de água dos grãos localizados no primeiro nó foi calculado por meio da equação 4.9 que é uma adaptação da equação de Chung-Pfost (equação 2.1). 67

78 0,622 PV R a 0 = Patm -PVa (4.8) 1 T aera + C U0 = ln ln(uraera/100) B A (4.9) em que R 0 - Razão de mistura do ar no primeiro nó da massa de grãos, g g -1 ; PV a - Pressão parcial de vapor do ar de aeração, kpa; U 0 - Teor de água dos grãos no primeiro nó da massa de grãos, b.s.; UR aera - Umidade relativa do ar de aeração, %; T aera - Temperatura do ar de aeração, ºC. Ressalta-se que o cálculo da umidade relativa do ar de aeração foi realizado com base no processo de aquecimento do ar (MELO et. al, 2004), como mostra o fluxograma da Figura 4.8. Figura 4.8 Fluxograma para cálculo da umidade relativa do ar de aeração considerando o processo de aquecimento do ar ambiente e a temperatura do ar de aeração. 68

79 Durante a simulação do processo de aeração realizado pelo AERO, o sistema de equações resultante dos balanços de massa e de energia (equações 4.6 e 4.7) são resolvidos para cada incremento de tempo, de maneira iterativa, para cada camada. No modelo original, tanto o calor específico dos grãos (c g ) quanto o calor específico da água (c w ) e o calor específico do ar (c a ) foram considerados constantes. Segundo BROOKER et. al (1992), o calor específico da água (c w ) e o calor específico do ar (c a ) são quantidades bem definidas. Por isso, como no modelo original, estes parâmetros foram considerados como constantes na implementação do AERO, sendo iguais a 4186 e 1000 J ºC kg -1, respectivamente. No entanto, o calor específico dos grãos (c g ) foi calculado a cada iteração e para cada camada por meio da equação 4.10, apresentada por BROOKER et. al. (1992). Assim, foi possível considerar as influências da temperatura, do teor de água e do tipo de grão no comportamento deste parâmetro e obter resultados mais próximos da realidade. cg = 1000 (K1 + Q UP ) (4.10) em que K 1, Q - Constantes que dependem do produto (Apêndice 1); U P - Teor de água dos grãos, %bu. A entalpia diferencial de sorção (h s ) também foi calculada a cada iteração pelo AERO. A determinação da entalpia diferencial de sorção (equação 4.11) baseou-se em um método que compara a pressão parcial de vapor da água e a pressão de saturação do ar em condições de equilíbrio com os grãos empregando a equação de Chung-Pfost. Esta equação foi apresentada por Othmer, de acordo com NAVARRO e NOYES (2001). ( B U) A exp 6800 h s = hv 1+ ( θ + 273,15) (4.11) 2 ( θ + C) θ + 273,15 Outros parâmetros foram calculados a cada iteração do processo de simulação, como a umidade relativa de equilíbrio (equação de Chung-Pfost) e 69

80 a razão de mistura dos grãos nas diversas camadas de produto. Ressalta-se que a umidade relativa de equilíbrio exibida como dado de saída do AERO foi calculada substituindo-se a temperatura dos grãos para cada camada pela temperatura média e o teor de água dos grãos para cada camada pelo teor médio de água dos grãos. No AERO, os valores da diferencial do calor latente de vaporização com relação à temperatura (dh v /dt) e do calor de oxidação dos grãos (Q r ) foram considerados constantes. O valor da dh v /dt foi obtido derivando-se a equação para o cálculo do calor latente de vaporização da água (equação 4.12), apresentada por Cengel e Boles citados por NAVARRO E NOYES (2001), com relação à temperatura. Esta equação foi obtida ajustando-se dados termodinâmicos obtidos na literatura e resulta em erros máximos de 0,02% para os valores de calor latente de vaporização da água na faixa entre 0 e 50ºC. h v = T (4.12) O valor de Q r ( kj) derivou-se do fato de a respiração de 1 kg de grãos liberar kj de calor. A respiração dos grãos pode ser considerada como a completa combustão de carboidratos na forma de dióxido de carbono, água e liberação de calor. Além de liberar kj de calor, a oxidação de 1kg de grãos forma 1,47 kg de dióxido de carbono e 0,6 kg de água (FLEURAT-LESSARD, 2001). A porosidade da massa de grãos (ε) foi outro parâmetro considerado constante (40%). Segundo BROOKER et. al. (1992), a porosidade da maioria dos grãos está entre 35 e 55% e, portanto, adotar o valor deste parâmetro como constante torna a implementação do algoritmo mais simples, não influenciando de maneira significativa os resultados obtidos. Como o tipo do produto armazenado é um dos parâmetros de entrada, o AERO possui uma base de dados contendo o valor da massa específica dos vários tipos de grãos cadastrados. Estes valores são automaticamente acessados no momento da entrada de dados, podendo ser alterados caso seja necessário, e sendo aplicados às equações do modelo matemático durante o processo de simulação. 70

81 A massa específica do ar foi calculada por meio da equação 4.13, apresentada por ALÉ (2001), visando corrigir os possíveis efeitos da altitude neste parâmetro. 352,8P ρ atm a = (4.13) 101,325(T aera + 273,15) A velocidade do ar de aeração foi calculada por meio da equação 4.14, dependendo das dimensões do silo e da vazão específica de ar fornecidas como dados de entrada. q V u a = 60 S (4.14) em que q - Vazão de ar específica requerida, m 3 min -1 m -3 ; V - Volume do silo, m 3 ; S - Área do silo, m 2. O modelo apresentado por THOMPSON (1972) foi utilizado para expressar a perda de matéria seca, sendo que sua derivada com relação ao tempo corresponde à equação dm dt s = 14, exp 1, M M M 6 T t M M M T + 2, (4.15) A Figura 4.9 apresenta o fluxograma da simulação do processo de aeração de grãos implementada. 71

82 Figura 4.9- Fluxograma da simulação do processo de aeração. 72

83 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO 5.1. Sistema 1-Wire TM aplicado à aeração de grãos armazenados A tecnologia 1-Wire TM se mostrou bastante eficiente no monitoramento dos grãos armazenados e no acionamento do sistema de aeração. Os dados foram transmitidos sem interferências que pudessem comprometer as informações necessárias ao correto funcionamento do sistema de aeração. Não foram observadas longas interrupções nas transmissões, garantindo-se um monitoramento constante e confiável do ecossistema dos grãos armazenados e o correto acionamento do ventilador nos momentos indicados. O fato de todos os dispositivos conectados à rede serem endereçados e gerenciados pelo programa computacional desenvolvido contribuiu para o monitoramento e o controle mais confiáveis do ecossistema dos grãos armazenados, tornando possível a determinação exata das condições de temperatura e umidade relativa em pontos específicos no interior do silo e do ambiente externo a ele. Consequentemente, uma estratégia de controle mais elaborada pôde ser implementada e combinada ao monitoramento constante do ecossistema dos grãos armazenados. Os resultados mostram que, utilizando-se esta metodologia, foi possível manter a massa de grãos em condições adequadas ao armazenamento seguro durante um longo período, mesmo sendo observadas grandes oscilações nas variáveis climáticas locais. O sistema 1-Wire TM se mostrou bastante flexível pois, os comandos utilizados no programa gerenciador da transmissão de dados atuam individualmente nos dispositivos, facilitando a sua identificação e a manipulação dos dados coletados. Além disso, pelo fato de serem utilizados apenas três fios (alimentação externa) e por causa do endereçamento dos dispositivos, a rede de transmissão de dados resultante foi mais simples que as estruturas tradicionalmente utilizadas, facilitando a manutenção do sistema e diminuindo o seu custo operacional. 73

84 5.2. Programa computacional desenvolvido AERO As telas do programa computacional desenvolvido são apresentadas nas Figuras 5.1, 5.2 e 5.3, respectivamente. A tela de apresentação (Figura 5.1) identifica o programa computacional e apresenta algumas informações básicas sobre ele, como o local onde o sistema foi desenvolvido, os principais colaboradores para o seu desenvolvimento e a sua área de aplicação. Figura 5.1 Tela de apresentação do programa AERO. Na tela de entrada de dados (Figura 5.2), os principais dados necessários à configuração do AERO são fornecidos. Todos os dados apresentados nesta tela possuem um valor padrão que poderá ser modificado pelo usuário. A existência dos valores padrão facilita a utilização do programa computacional, principalmente em casos como o do AERO em que várias opções devem ser configuradas antes do início da execução da simulação ou da aquisição de dados. Caso o usuário forneça algum valor fora 74

85 da faixa recomendável ou algum dado inválido, são exibidas mensagens informando este fato e solicitando a sua correção. Figura 5.2 Tela para entrada de dados no programa AERO. A tela de visualização dos dados (Figura 5.3) é a tela principal do AERO, apresentando em tempo real os resultados da simulação ou da aquisição de dados, de acordo com a configuração do programa computacional. 75