4º Encontro de Energia no Meio Rural

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1 4º Encontro de Energia no Meio Rural - Eficientização Energética da Fazenda Exp. PUC-Minas - Climatização da granja de suínos da Fazenda Experimental da PUC-Minas Fernanda Araújo de Almeida Ricardo José Silva Melo Rafael Celestino Vidigal Prof a. Elizabeth Marques Duarte Pereira Prof. Lauro Vilhena Machado Neto Prof a. Júlia Maria Garcia Rocha Green Solar, Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais Belo Horizonte Minas Gerais telefax: (31) RESUMO O projeto apresentado neste artigo foi desenvolvido pelo Grupo de Estudos em Energia da PUC-MG, GREEN Solar, com o apoio do Laboratório de Eletrônica de Potência da PUC- MG e apoio financeiro da Fundação de Apoio à Pesquisa do Estado de Minas Gerais, FAPEMIG. O objetivo deste projeto é controlar a temperatura nos diversos ambientes da granja a fim de proporcionar níveis recomendáveis de conforto. Desta forma busca-se reduzir a taxa de mortalidade dos animais e economizar energia no processo de aquecimento do ambiente. O desafio é atingir o objetivo utilizando fontes renováveis e não poluentes de energia. Nosso trabalho focaliza, em princípio, a maternidade. Este é o setor onde a fêmea é levada no final da gestação e, depois do parto, amamenta as crias por aproximadamente 21 dias. Após esse período já ocorreu o desmame completo. Os leitões são transferidos para a creche e a fêmea volta ao galpão de gestação à espera do período da próxima inseminação. Na creche, os leitões estão mais resistentes, mas o aquecimento ainda é necessário. Para a maternidade foi desenvolvido o PigPiloow, colchão de água quente que permite a criação de dois microclimas, proporcionando conforto tanto para a matriz e leitões. Já para a creche a solução mais viável seria campânulas de aquecimento utilizando biogás produzido na própria fazenda como fonte de combustível. ABSTRACT The project discussed in this article was developed by the Group of Studies in Energy of PUC-MG, GREEN Solar, with support from the Laboratory of Power Electronics of PUC-MG and the Foundation for the Support of Research of the State of Minas Gerais, FAPEMIG. The objective of this project is to control the temperature in the different stages of swine production in order to provide recommendable levels of thermal comfort thus diminishing the mortality rate and at the same time saving energy in the environment heating process. Our challenge is to reach the objective using renewable and non pollutant energy sources. Our work focuses is, in principle, the farrowing facility. This is the stage where the female is taken at the end of the gestation and, after the piglet s birth, there is a 21 day period for the feeding process. After this period the weaning is complete. The pigs are transferred to the day-care center and the female comes back to the gestation

2 shed to wait for the next insemination. In the nursery, the pigs are more resistant but the heating still is necessary. For the maternity the PigPillow. was developed, hot water mattress allows to the creation of two microclimates, providing comfort for the mother and the piglets. For the nursery facility the most viable solution would be the thermal radiation heaters using biogás produced in the farm. O aquecimento de suínos na maternidade tem uma particularidade que é a necessidade da criação de dois micro climas pois a porca necessita de temperatura inferior ao porcos recém nascidos. Procurando democratizar o acesso ao ambiente aquecido, diminuir o gasto de energia elétrica e criar dois microclimas diferentes na maternidade, a equipe do projeto GREEN Solar desenvolveu um colchão d'água quente, o PigPillow. TEXTO PRINCIPAL A preocupação com o bem estar animal tem crescido muito nos últimos anos devidos às exigências feitas por vários comitês, nacionais e internacionais, [2]. Os produtores buscam com a aplicação da climatização diminuir a taxa de mortalidade dos leitões e o intervalo entre o nascimento e o abate dos leitões. A lucratividade da granja está diretamente ligada a rotatividade de animais. Quanto mais adequado for o conforto proporcionado à matriz e aos leitões, mais rapidamente estes se desenvolvem e consequentemente reduz-se o tempo necessário para o reinicio do novo ciclo de inseminação e do envio dos leitões à creche. Nas primeiras semanas de vida o leitão, apresentase muito sensível às variações de temperatura do ambiente. Portanto, há necessidade de climatização por fonte externa de energia. Segundo Sobestiansky [4], os criadores não manejam adequadamente as fontes suplementares de calor para o aquecimento dos leitões. Pretende-se com este trabalho acrescentar mais uma alternativa de aquecimento que não polui e não consome energia elétrica. O DESAFIO Com as metas determinadas pelo governo federal de redução de consumo e problemas de fornecimento de energia elétrica, as opções convencionais, as lâmpadas incandescentes estão sendo substituídas, mesmo porque as mesmas não se mostraram eficientes. O leitão mais debilitado fisicamente não tinha acesso a área de aquecimento pela lâmpada, ocupada pelos leitões mais saudáveis e maiores. Figura 1 - PigPillow sem isolamento térmico Acervo: GREEN Solar Este colchão será instalado no creep dos leitões, com área suficiente para acolher todos os leitões e reduzindo-se o estresse da porca, consequência do hábito dos leitões de deitarem sobre ela. O primeiro ensaio feito sem o isolamento térmico, apresentou em testes de laboratório um tempo útil, resfriou-se em 5 horas, quando o ideal teria sido 11 horas. Para resolver o problema foi confeccionado uma capa térmica para o colchão de tal forma que decorreriam 11 horas até a água ser trocada. O colchão será implementado na suinocultura da Fazenda Experimental PUC- Minas no mês de agosto. Na creche, faremos uso do biogás e campânula de aquecimento para aquecer os leitões. Como os leitões já apresentam, após 21 dias de vida, uma fina camada de gordura, o colchão se faz desnecessário, tornando o aquecimento com campânulas ideal. Após a fase de avaliação do protótipo o aquecimento da água será por energia solar ou com biogás, oriundo do biodigestor. Devem ser observados critérios importantes na implementação do PigPillow na maternidade ou creche de qualquer suinocultura. Os leitões devem ser constantemente observados para não danificar o colchão e o mesmo deve ser lavado diariamente,

3 a exemplo do que já é feito nos estrados de madeira ou metálicos atuais. Espera-se boa aceitação dos leitões ao novo sistema de aquecimento, e acredita-se que devam ser evitadas adaptações da forma atual para uso do colchão. Tabela 1 Tempo de permanência dos leitões Para garantir a funcionalidade do sistema, a temperatura da água no interior do colchão, deve ser monitorada pois o resfriamento dos colchões pode comprometer a saúde dos leitões. As temperaturas discriminadas na tabela 1 são consideradas ideais para cada etapa do leitão na suinocultura. Estágio Tempo de permanência Temperatura ótima Faixa de temperatura aceitável Gestação 114 dias 16ºC 10ºC à 21ºC Maternidade 21 à 30 dias 19ºC matriz / 30ºC leitão 18ºC à 20ºC / 28º à 32ºC Creche 60 à 65 dias 20ºC 18ºC à 22ºC Terminação 120 à 154 dias 19ºC 18ºC à 20ºC Os locais críticos que realmente necessitam de aquecimento são a creche e a maternidade. Já as outras áreas da suinocultura não há necessidade de aquecimento e sim de resfriamento para diminuir o estresse sobre os animais. - Placa de Aquisição de Dados WS-ASC-16 (OMEGA): para registro das temperaturas interna, ambiente e da superfície do colchão. METODOLOGIA E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL A metodologia de trabalho proposta foi dividida em etapas, referentes à participação da equipe de professores e bolsistas da PUC Minas. Montagem da Bancada Experimental A concepção inicial da montagem de uma bancada experimental, apresentada esquematicamente na figura 2, permite o cálculo do coeficiente de transferência de calor Us sob determinadas condições operacionais. A seguir evolui-se para uma análise que permita estimar a temperatura final da água em função das temperaturas iniciais e tempo transcorrido. A água utilizada no ensaio foi aquecida no reservatório térmico na sala de ensaios. A temperatura inicial da água era de 45ºC e a temperatura final foi de 21ºC Os instrumentos e sensores selecionados foram: - Termoresistência Pt 100: medição da temperatura ambiente; - Termopar : medição da temperatura da água na superfície e no interior do colchão. Figura 2 Bancada de testes Acervo GREEN Solar PROCEDIMENTOS DE ENSAIO Os procedimentos experimentais obedeceram a seqüência detalhada a seguir: Passo 1 Aquecimento da água até no máximo 50ºC, temperatura facilmente obtida com aquecimento solar e biogás Passo 2 Enchimento do colchão Passo 3 - Colocação de sensores de temperatura no interior do colchão (Figura 3) Passo 4 - Início do ensaio de resfriamento

4 T i : temperatura inicial da água dentro do colchão, ºC t : tempo transcorrido, em segundos Us : coeficiente de transferência de calor Analisando o gráfico podemos destacar que a temperatura da água no interior do colchão permaneceu dentro da faixa ideal para os leitões durante apenas 5 horas. Foram consideradas somente as perdas pelas laterais e base do PigPillow. Considera-se que o leitão permanece sobre o colchão durante toda a noite e não existem perdas na parte superior do PigPillow. Figura 3 Detalhe da entrada com termopar Acervo: GREEN Solar Para estender a utilização do PigPillow para 12 horas, faremos uso de Us para calcular a espessura do isolamento de lã de vidro: temperatura (ºC) 44,00 41,00 38,00 35,00 32,00 29,00 26,00 23,00 ANÁLISE DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS O teste foi feito realizando os passos citados acima. Os dados obtidos para a determinação de Us ( equação 1 ) produziram o gráfico 1. Gráfico 1 Gráfico resultante do teste PigPillow y = 41,87338e -0, x R 2 = 0,9926 interna ambiente Expon. (interna) Us = klã (2) L lã Onde: L lã : espessura do isolamento de lã de vidro klã : coeficiente de condutividade térmica da lã de vidro Obteve-se Lpol igual a 2,5 cm, ou seja uma manta de isolamento de lã de vidro de 2,5 cm de espessura. A figura 4 mostra as tiras já cortadas nas dimensões das laterais e base do PigPillow. As tiras de lã de vidro deverão ser encapadas para evitar que molhem. Evite o contato direto com a lã de vidro, use luvas. 20,00 17, tempo (segundos) O coeficiente de perda de calor do colchão Us é dado pela a equação 1: [3] ln (T f - T amb ) = Us_ (1) (T i - T amb ) ρ c p t onde: ρ : densidade absoluta da água, kg/m 3 cp : calor específico da água, em J/kg ºK Vs : volume de água, m 3 T amb : temperatura ambiente, ºC T f : temperatura final da água dentro do colchão, ºC Figura 4 Tiras de lã de vidro para isolamento do colchão Em agosto, serão realizados os testes com o uso de isolamento. Espera-se obter 12 horas para a troca da água dentro do colchão.

5 ANÁLISE EXPERIMENTAL A análise econômica foi feita considerando-se a demanda energética relativa ao consumo de energia pelas lâmpadas incandescentes. Na maternidade são utilizadas 68 lâmpadas para o aquecimento dos leitões. Estas lâmpadas permanecem ligadas durante dezesseis horas diárias. O consumo mensal total de energia é de 4896kWh. Apresentando um acréscimo mensal de R$1419,84 na conta de energia elétrica da fazenda. Utilizando-se do colchão para a climatização da maternidade gastamos cerca de R$30,00 mensais, com investimento inicial de R$630,00 para produção dos colchões. O tempo previsto do retorno do investimento é de 1 mês considerando que o combustível, biogás, é gratuito. Os dados de entrada utilizados na análise econômica são: Tarifas de energia elétrica e água aplicadas ao setor rural, em R$/kWh e R$/m3, respectivamente; Custo do metro quadrado da lona atóxica de vinil Custo para a fabricação do PigPillow A rotina para cálculo leva em conta os parâmetros descritos acima. Com estes podemos determinar em quanto tempo o PigPillow se torna mais viável que a climatização por lâmpadas incandescentes. Uma análise comparativa posterior de fontes convencionais de combustível para o aquecimento da água com o aquecimento solar, aquecimento com GLP e o aquecimento elétrico será feita de modo a certificar a maior viabilidade do uso do biogás produzido na própria fazenda. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Antes de implementar o sistema PigPillow devese avaliar qual o método de aquecimento da água é o mais recomendado para o caso. As opções 'limpas' e mais economicamente viáveis são: - Sistema de aquecimento utilizando o biogás produzido na própria fazenda; - Sistema de aquecimento solar ; - Sistema de aquecimento utilizando GLP. CONSIDERAÇÕES FUTURAS Diante dos resultados positivos decorrentes da utilização do colchão de água quente, sugerimos como próximo passo, a elaboração de um projeto para dimensionamento de sistemas de aquecimento solar para o aquecimento da água. Para o dimensionamento deve ser considerado o volume de água aquecida necessário diariamente e os parâmetros físicos do local da instalação como a inclinação e direção do telhado, árvores ou edificações que possam provocar sombreamento sobre a instalação. Para automatizar o controle de temperatura serão instalados sensores de temperatura dentro de cada galpão. Aconselha-se instalar sensores de umidade do ar [5]. Desta forma, o técnico da fazenda poderá monitorar a temperatura das baias à distância. PALAVRAS CHAVES Climatização Microclima Eficientização Creep - Automação AGREDECIMENTOS Agradecemos todo apoio fornecido pela FAPEMIG, sem o qual o projeto não existiria. À todos os monitores do GREEN Solar que apoiaram com idéias e com trabalho sempre entusiasta. Aos professores do GREEN Solar que continuamente incentivaram e acrescentaram muito a toda equipe. Ao laboratório de Eletrônica de Potência, em especial ao Prof. Lauro Vilhena. Aos funcionários da fazenda Experimental da PUC-Minas por mostrarem muita disposição ao nos ajudar. REFERÊNCIAS Alencar, Arenilza A inflência do meio ambiente na redprodução das porcas 5º Seminário Internacional de Suinocultura - 27 e 28 de setembro de 2000 ExpoCenter Norte SP Machado, Luiz Carlos Bem-estar dos suínos 5º Seminário Internacional de Suinocultura - 27 e 28 de setembro de 2000 ExpoCenter Norte SP Incropera, Frank Fundamentos de Trnasferência de Calor Quarta Edição

6 Sobestiansky, Jurij Efeito de diferentes sistemas de aquecimento no desempenho dos leitões Comunicado Técnico Embrapa Setembro/1987 Perdomo, Pedro Efeito de de diferentes fontes de aquecimento e escamoteador no desempenho de leitões Embrapa Julho/1989