MODELO SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR APLICADO A GALPÕES AVÍCOLAS

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1 MODELO SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR APLICADO A GALPÕES AVÍCOLAS FLÁVIA FERNANDES DE LEVA JOSÉ ROBERTO CAMACHO CARLOS HENRIQUE SALERNO SEBASTIÃO CAMARGO GUIMARÃES Núcleo de Eletricidade Rural e Fontes Alternativas de Energia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Uberlândia Resumo Na avicultura brasileira ainda existe uma perda considerável na produção, principalmente devido às condições climáticas e galpões tecnicamente não eficientes. Apesar do alto nível tecnológico em que se encontra a avicultura brasileira. Propiciando cada vez mais a busca por melhores equipamentos e materiais mais eficientes e de melhores preços, de modo a aumentar a produção, ou seja, o número de aves por m 2. Para análise térmica do galpão está sendo utilizado um programa que utiliza elementos finitos para os cálculos da temperatura dentro do galpão, o que permitirá a comparação de sistemas existentes com um sistema para aquecimento via coletor solar, onde se espera aquecer o galpão na temperatura desejada de baixo para cima, Verificar os melhores materiais para construção do sistema e as dimensões necessárias. Abstract In the Brazilian poultry keeping still a considerable loss in the production exists mainly had to the climatic conditions and technical not efficient sheds. Despite the high technological level where if it finds the poultry keeping Brazilian. Propitiating each time more the more efficient search for better equipment and materials and of better prices in order to increase the production, or either, the number of birds for m2. For thermal analysis of the shed he is being used a program that inside uses finite elements for the calculations of the temperature of the shed what it will allow the comparison of existing systems with a system for heating saw collector solar where if waits to heat the shed in the temperature desired of low for top. To verify the best materials for construction of the system and the necessary dimensions.. 1- Introdução A avicultura é a atividade agropecuária brasileira que possui o maior e mais avançado acervo tecnológico e tem passado por constantes inovações com o objetivo de melhorar o rendimento do processo produtivo. Para TINÔCO (2001), a indústria avícola brasileira vem buscando tanto nas instalações quanto no ambiente as possibilidades de melhoria no desempenho das aves e na redução de custos de produção, como forma de manter a competitividade. Para SILVA et al. (1990), mais de 50% do investimento na criação de frangos de corte estão concentrados nas instalações, por isso elas devem ser economicamente viáveis e termicamente confortáveis para os animais, levando-se em consideração fatores como aptidão climática, materiais e técnicas de construção. Segundo MOURA (2001), a criação em alta densidade, número de aves por m 2, visa o aumento da produção, com o mínimo de investimento em construção e a otimização dos custos fixos. Vários aspectos construtivos devem ser levados em consideração para que se tenha uma maior produção a um menor custo final. TEIXEIRA (1997) recomenda para construções dos aviários o uso de pilares de madeira tratada, concreto ou alvenaria. AZEVEDO & NASCIMENTO (1999) citam que a estrutura de madeira para cobertura de aviário com oitões abertos é mais onerosa, em virtude do maior consumo de material exigido no contraventamento horizontal. NÄÄS et al. (2001) consideram o telhado o elemento construtivo mais importante em uma instalação avícola, quanto ao controle da radiação solar incidente. Para ENGLERT (1987) e HARDOIN (1995), especial atenção deve ser dada ao lanternim, que deverá estar presente para perfeita ventilação, sendo sua largura de, aproximadamente, 10% da largura do telhado. Em climas quentes, os beirais devem ser projetados de forma a evitar a penetração de chuvas, ventos e raios solares, devendo

2 ter de 1,2 a 2,5 m, em ambas as faces, norte e sul, do telhado (TINÔCO, 1996). A mureta deve ter a menor altura possível, aproximadamente 0,2 m, permitindo a entrada do ar no nível das aves, evitando a entrada de água de chuva e que a cama seja arremessada para fora do aviário (TINÔCO, 1998). Entre o bordo da mureta e o telhado, deve ser colocada uma tela de arame à prova de pássaros e insetos (TEIXEIRA, 1997), como também a instalação de cortinas para evitar penetração de sol e chuva e controlar a ventilação no interior do aviário. O piso do galpão deve ser, de preferência, construído de concreto ou tijolos assentados em chapa, de forma a propiciar melhor conforto às aves e melhoria na sanidade dos galpões. São instalados círculos de proteção para os primeiros dias de vida dos pintinhos. Dentre os fatores de produção do frango como equipamentos, manejo, mão-de-obra, nutrição, linhagem e meio ambiente este último pode exercer maior influência sobre os resultados zootécnicos do frango e conseqüentemente sobre os seus custos de produção. Um dos maiores problemas da avicultura brasileira é a manutenção da temperatura adequada à criação de pintinhos, que varia deste o primeiro dia de vida até o décimo quarto dia. Como as aves jovens não possuem o sistema termorregulador desenvolvido e se as condições ambientais não se encontrarem dentro da região de conforto para aves. Nesse período, os valores de temperatura ambiental se encontram abaixo das condições ideais, obrigando o avicultor a fornecer fonte de aquecimento suplementar para as aves. Para manter a temperatura ambiente dentro da região de conforto térmico das aves de acordo com a tabela1.1, na avicultura, dispõe-se de sistemas de aquecimento auxiliar por campânulas a gás, campânulas elétricas, lâmpadas infravermelhas, fornalhas e resistência elétrica em piso. Com exceção da resistência elétrica, os demais sistemas fornecem calor de cima para baixo. Como o ar quente é mais leve que o frio, o processo de aquecimento fica prejudicado. Tabela 1.1 Temperatura das aves de acordo com a idade. IDADE TEMPERATURA 1 a 7 dias 32º - 35ºc 8 a 14 dias 29º - 32ºc 15 a 21 dias 26º - 29ºc 22 a 28 dias 24º - 27ºc 29 a 35 dias 21º - 24ºc 36 ao abate 18º - 21ºc O círculo de proteção tem como finalidade assegurar aos pintinhos o conforto necessário para seu bom desenvolvimento, protegendo-os contra as correntes de ar frio e mantê-los agrupados junto a fonte de calor, água e ração. O comportamento da ninhada dirá se a temperatura dentro do círculo está ou não adequada. Pintinhos amontoados junto à lâmpada e piando indica calor insuficiente. A montagem do circulo de proteção é feita dentro do galpão para a criação dos pintinhos nos primeiros dias de vida. E observa-se os seguintes passos: a) No espaço interno do círculo de proteção, devemos cobrir a cama com papel ou jornal, durante dois dias. Isto impede que os pintinhos ingira material da cama e aumenta a área de contato do pintinho com o alimento que é colocado também sobre o papel. b) O diâmetro do círculo deve ser aumentado gradativamente até emendar todos os círculos contidos dentro do galpão. Tanto no inverno como no verão, com o passar dos dias as aves vão se tornando maiores, necessitando de mais espaço. No inverno, o espaço deverá ser aberto lentamente, enquanto no verão a abertura deverá ser mais rápida e gradativa. Se o espaço for aberto muito rapidamente, o consumo de ração ficará comprometido, uma vez que a distância dos pintinhos às bandejas torna-se maior. c) A distribuição dos comedouros e bebedouros devem ser intercalados para que a água fique mais próximo possível da ração evitando que o pintinho tenha que caminhar muito para utilizá-los.

3 As campânulas ou as saídas de ar quente devem estar por sobre os cercados para o devido aquecimento das aves. 2 - Tipos de aquecedores As campânulas podem ser a gás, elétrica, infravermelho e carvão, sendo as mais usadas as duas primeiras. Estas com a capacidade para 500 pintinhos. A altura da campânula irá variar de acordo com a temperatura ao redor da mesma, observando sempre o comportamento dos pintinhos sob a campânula. 2.1 A gás Sendo um dos mais utilizados e apresentando um baixo custo com a geração da energia térmica, pois se utiliza tanto o gás natural quanto o gás liquefeito de petróleo (GLP). Existem no mercado vários tipos desses aquecedores, com diversas concepções quanto a forma de transmitir calor, maneiras de instalação e meios de controle da temperatura de operação. Os aquecedores chamados comumente de campânulas a gás possuem um queimador de gás convencional, onde o calor é transmitido às aves por condução e convecção. São instalados a pouca altura do chão e, conseqüentemente, das aves, o que ocasiona uma distribuição não uniforme da temperatura em seu raio de ação. Com a baixa altura de instalação, os gases provenientes da combustão se alojam abaixo da campânula, podendo atingir os pintos, prejudicando o aparelho respiratório. Possuem duas regulagens de temperatura, alta e baixa, feitas manualmente e uma capacidade reduzida de aquecimento, sendo recomendados para, no máximo, 500 pintos. São bastante funcionais devido a sua resistência, baixo índice de manutenção e mobilidade, podendo ser reinstalados com facilidade e rapidez Os aquecedores chamados comumente de campânulas a gás Possuem um queimador de gás convencional, onde o calor é transmitido às aves por condução e convecção. São instalados a pouca altura do chão e, conseqüentemente, das aves, o que ocasiona uma distribuição não uniforme da temperatura em seu raio de ação. Com a baixa altura de instalação, os gases provenientes da combustão se alojam abaixo da campânula, podendo atingir os pintos, prejudicando o aparelho respiratório. Possuem duas regulagens de temperatura, alta e baixa, feitas manualmente e uma capacidade reduzida de aquecimento, sendo recomendados para, no máximo, 500 pintos. São bastante funcionais devido a sua resistência, baixo índice de manutenção e mobilidade, podendo ser reinstalados com facilidade e rapidez Os aquecedores a gás com placa cerâmica São uma evolução dos aquecedores de campânula, onde se adicionou uma placa de cerâmica refratária para que se pudesse fazer uso do efeito da radiação. A chama do queimador incidente na placa de cerâmica faz com que a mesma se torne incandescente e, dessa forma, transfira calor por meio da radiação. Devido à utilização relativa do efeito de radiação esses aquecedores podem ser instalados a uma altura um pouco superior aos anteriores, sendo que a distribuição da temperatura é relativamente melhorada. Apresentam como desvantagem a fragilidade da placa cerâmica, que pode quebrar-se no manuseio do aquecedor. Possuem uma capacidade mediana de aquecimento, sendo recomendados para aquecer entre 700 a 800 pintos Os aquecedores a gás tipo infravermelhos Foram desenvolvidos para utilizar plenamente o princípio de transmissão de calor através da radiação. A combustão do gás se dá diretamente em queimadores metálicos de alta capacidade de suportar o calor, tornando sua superfície totalmente incandescente e desta forma transferindo o calor principalmente pela radiação. No aquecimento por radiação, a temperatura mais elevada se situa na zona de "habitat" do animal, enquanto no aquecimento por convecção o ar quente de menor densidade escapa para as zonas mais altas do aviário, produzindo mais estratificações ou

4 camadas de ar de diferentes temperaturas. O objetivo dos sistemas de aquecimento radiante é manter a ave aquecida e o piso seco, contudo os sistemas primeiro aquecem o ar que depois é repassado aos animais e à cama. Esses equipamentos produzem radiação concêntrica desde o eixo da campânula, perdendo eficiência com a distância do mesmo. A eficiência também varia em função da altura de trabalho da campânula em relação ao piso. Assim, a temperatura de radiação não é uniforme, pois descreve círculos de maior e menor temperatura, permitindo que o animal se situe segundo suas necessidades em uma zona mais próxima ou mais afastada do eixo da campânula. Em condições de temperatura ambiente abaixo de 15 o C, o calor gerado por esses sistemas é insuficiente, havendo necessidade de se providenciar calor suplementar para manter a temperatura ambiente em torno de 32 o C, nos primeiros dias de idade dos pintos. Sua instalação se dá geralmente a uma altura considerável do chão, podendo variar entre 0,90 a 1,20 m. Essas características, aliadas ao fato de que todo o ar necessário para a combustão provém de um filtro ou tomada de ar localizados na parte superior traseira do aquecedor, fazem com que os gases provenientes da combustão não atinjam as aves, sendo rapidamente retirados do ambiente pelo efeito da convecção. A área atingida também é bastante grande, chegando de 3,60 a 4,00 m de diâmetro. Isso faz com que a capacidade de aquecimento atinja pintinhos, ou mais, por aquecedor. Atualmente, há grande variedade de modelos com regulação termostática, individual ou centralizada, providos de campânula maior ou menor, entre outros. O importante é dispor de potência calorífica adequada. A razão da popularidade do sistema vem da comodidade de sua regulação termostática, porém é um dos sistemas mais caros em consumo, sem considerar a mão de obra. 2.2 Elétrico Tiveram grande difusão no passado, quando se criavam aves em grupos reduzidos, decaindo, posteriormente, nas granjas industriais, caracterizadas por criação de milhares de aves. São constituídos de resistências elétricas, blindadas ou não e lâmpadas infravermelhas que são colocadas embaixo de uma campânula (refletor) a fim de projetar o calor de cima para baixo ou resistências embutidas no piso a fim de projetar o calor da baixo para cima. O sistema, em si, é o mais limpo e fácil de manutenção existente, devendo-se adequar a potência do elemento aquecedor ao número de aves a ser criado. São caracterizados por transmitirem o calor por meio da condução e da radiação, serem de fácil manuseio, possuírem produção de calor constante e não geração de gases tóxicos (CO e CO 2 ). A grande desvantagem desse tipo de aquecedor é o custo da energia elétrica. O uso de lâmpadas infravermelhas apresenta consumo excessivo de energia, a menos que as lâmpadas sejam controladas termostaticamente. Nesse sistema, o canibalismo constitui sério problema. Adicionalmente, as interrupções de energia, por mais curtas que sejam, representam sério problema, caso esses sistemas não possuam campânula sobre as lâmpadas. 2.3 A lenha Foi um dos primeiros métodos utilizados para o aquecimento de aves e caracteriza-se por utilizar a lenha como combustível. O calor é transmitido às aves principalmente por meio da condução, através do ar. O uso de lenha, como fonte de calor em uma campânula ou fornalha, no interior de aviários, não produz temperatura constante e muitas vezes excede ao necessário, requer maior mão-de-obra e é de difícil controle da temperatura. Como a combustão geralmente não é completa, devem ser providos de filtros nas entradas de ar com o objetivo de minimizar a passagem de gases tóxicos, principalmente o CO 2, para o interior do aviário. É prática comum no sul do Brasil, principalmente no inverno, o uso de queimadores a lenha para suplementar o aquecimento proporcionado pelas campânulas a gás. Esse sistema consiste de tanques de óleo vazio produzidos artesanalmente. As funilarias normalmente fornecem esses equipamentos. Tem a função de amenizar as condições ambientais não propriamente atender as exigências das aves. Os tanques tem capacidade de 200 litros podendo ser soldados de acordo com o pedido do produtor. Consistem de chaminé, suporte e tanques.

5 2.4 Resistência elétrica em piso O aquecimento em piso, de acordo com Van Wicklen & Czarick (1988), pode ser usado para ajustar o conteúdo de umidade da cama, o qual poderá reduzir a produção de amônia. De acordo com Abreu (1994), foi observado que valores de temperatura acima de 35 º C na superfície superior da camada de cama sobre os sistemas de aquecimento em piso podem torrar a cama e, além disso, as aves não permanecem sobre a cama com temperatura acima de 36 º C. A Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) também desenvolveu e vem realizando pesquisas com esse sistema de aquecimento por piso térmico com controlador automático e utilizando materiais alternativos como, por exemplo, casca de arroz. Segundo ROSSI (2002), esse sistema de aquecimento apresentou excelentes resultados, pois conseguiu manter a temperatura no piso bem próxima da temperatura regulada, mostrando confiabilidade. 2.5 Água quente em piso Outra forma de aquecimento pode ser fornecendo calor às aves, no piso, por meio de canalizações que levam o calor por intermédio de um fluido térmico. Esse sistema caracteriza-se pela passagem de água quente em tubos de polietileno inseridos no piso. O sistema permite controle eficiente da temperatura do ambiente próximo das aves, a cama permanece mais seca e o teor de amônia do ar fica em níveis inferiores ao usual, porém tem custo elevado de instalação e não permite limpeza fácil do local após cada cria. Também se preconiza a utilização da energia solar para aquecimento de aviários por meio de fluxo de ar quente, ou água quente em tubos instalados no piso. No entanto, essa tecnologia e a eólica ainda não estão disponibilizadas para o avicultor. 3 - Análise para projeto Para análise matemática está sendo utilizado um programa que resolve problemas em estado estacionário da condução do calor em domínios plano e assimétrico bidimensionais através de elementos finitos. E é dividido em 3 etapas, o pré-processamento, processamento e o pósprocessamento. Onde são utilizados os conceitos de transmissão de calor Transmissão de Calor O conjunto de fenômenos que caracterizam a passagem da forma de energia calorífica é que denominamos Transmissão de Calor. Teoricamente a transmissão de calor pode ocorrer isoladamente por condução, convecção ou radiação. Mas, praticamente as três formas citadas acima ocorrem simultaneamente, ficando a critério do interessado o estudo da possibilidade de serem desprezadas uma ou duas das formas em presença das demais Condução É a passagem da energia calor entre elementos de um sistema ou de sistemas em contacto, devido a um gradiente de temperatura, porém sem variação apreciável da posição relativa dos elementos do sistema ou dos sistemas. Resumidamente, a condução é a forma de transmissão de calor sem transporte de massa Convecção É a passagem da energia calor com variação da posição relativa dos elementos do sistema ou de sistemas. Assim, a convecção é a forma de transmissão de calor pela mistura de elementos que possuem maior energia térmica com os de menor energia térmica. Esta mistura é a causadora das chamadas correntes de convecção que aparecem no interior do sistema ou sistemas. Resumidamente, a convecção é a forma de transmissão de calor com transporte de massa. Quando este trabalho é ocasionado unicamente por uma diferença de temperatura, temos a convecção natural. Quando ele ocorre com auxílio de meios externos, temos a convecção forçada.

6 (1) onde: k - condutividade térmica n - direção normal a condição de contorno h - coeficiente de transferência de calor Radiação É a passagem da energia calorífica através de ondas eletromagnéticas. Podemos também dizer que é a forma de transmissão de calor com transporte de energia. Convém alertar desde já que a radiação eletromagnética não é forma de energia calor em um sentido amplo, apesar de ser assim denominada em um intervalo conveniente de freqüência. O efeito da radiação eletromagnética neste intervalo somente aparece quando é cruzada a fronteira de um sistema material absorvente. Quando isto ocorre há absorção de energia sendo esta energia a causa do aumento da energia interna do sistema. Por outro lado, convém lembrar que a forma de energia calor é uma forma de energia desordenada, contrário da radiação eletromagnética que é perfeitamente ordenada. onde: (2) k - condutividade térmica βksb - constante de Boltzmann n direção normal a condição de contorno 3.2 Resolução do problema Pré-processamento É a parte de desenho, estruturação geométrica do problema a ser resolvido, onde se define as propriedades, condições de contorno e materiais que serão analisados. Identificando os fatores que influenciam de maneira relevante no problema, o que implica na escolha adequada dos princípios físicos e das variáveis dependentes e independentes resultando num modelo matemático constituído de um conjunto de equações diferenciais Processamento É parte vital da solução do processo de Elementos Finitos que é o processo de triangularização da estrutura geométrica definida no pré-processamento Pós-processamento É o processo onde ocorre a resolução das equações diferenciais para obter valores da temperatura durante o domínio da solução. Propriedade fundamental de um material na transmissão de calor por condução é denominada condutividade térmica (k) e expressa a quantidade de calor transmitido através de um corpo homogêneo, por unidade de tempo, espessura, área e gradiente de temperatura (W / m.ºc).

7 4 Resultados Obtidos Através do programa foram analisados dois casos, o primeiro utilizando a campânula, onde o aquecimento é realizado de cima para baixo e o segundo com aquecimento de baixo para cima. Sendo plotados os gráficos da temperatura para o primeiro caso no nível da cama e a 30cm da mesma, como mostrado na Figura 1 e Figura 2, para o segundo caso foram plotados nos mesmos níveis de altura como mostrado na Figura 3 e Figura 4. Figura 1 Temperatura no nível da cama em sistema aquecido com campânulas. Figura 3 Temperatura a 30cm do nível da cama em sistema aquecido com campânulas.

8 Figura 4 Temperatura no nível da cama em sistema aquecido com campânulas Figura 5 Temperatura a 30cm do nível da cama em sistema aquecido com campânulas. 5 - Conclusão A construção do galpão, considerando sua localização, o material com que é feito, suas dimensões e o ambiente em que são criadas as aves tem correspondido a aplicação das tecnologias conquistadas pela avicultura. Neste aspecto, os avicultores e técnicos do setor devem estar atentos sobre a fundamental importância de se redobrar a atenção que costumeiramente vinha sendo dada à fase de planejamento e concepção dos projetos avícolas, de tal forma que esses proporcionem condições de conforto às aves e, conseqüentemente, de produtividade máxima, de tal forma que a relação custo X benefício esteja, cada vez mais, próxima do ideal. O programa que está sendo utilizado será de grande auxilio na análise de transferência de calor, na verificação dos melhores materiais usados no galpão, utilizando elementos finitos, assim como qual o melhor tipo de aquecimento, permitindo uma análise comparativa do aquecimento de cima para baixo e do de baixo para cima.

9 Palavras-chave Aquecimento em Galpões Avícolas, Elementos Finitos, Transferência de calor. 6 - Referencias bibliográficas [1] ABREU, P.G. Sistemas de aquecimento em piso, com resistência elétrica, para criação de aves. [Tese, Mestrado em Engenharia Agrícola]. Viçosa (MG) Universidade Federal de Viçosa [2] AZEVEDO, M.A.; NASCIMENTO, J.W.B. Estrutura de madeira para cobertura de aviários no Estado da Paraíba. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, Campina Grande, v.3, n.3, p , [3] ENGLERT, S. Avicultura: tudo sobre raças, manejo, alimentação e sanidade. 6.ed. Porto Alegre: Agropecuária, p. [4] HARDOIN, P.C. Qualidade do ar. Sistemas de ventilação natural e artificial na exploração Avícola. In: SIMPÓSIO INTERNACIONAL SOBRE AMBIÊNCIA E INSTALAÇÃO NA AVICULTURA INDUSTRIAL, Campinas, Anais... Campinas: FACTA, p [5] MOURA, D.J. Ambiência na avicultura de corte. In: SILVA, I.J.O. Ambiência na produção de aves em clima tropical. Jaboticabal: SBEA, p [6] NÄÄS, I.A.; SEVEGNANI, K.B.; MARCHETO, F.G.; ESPELHO, J.C.C.; MENEGASSI, V.; SILVA, I.J.O. Avaliação térmica de telhas de composição de celulose e betume, pintadas de branco, em modelos de aviários com escala reduzida. Engenharia Agrícola, Jaboticabal, v.21, n.2, p.121-6, [7] ROSSI, L.A.; CARDOSO, E.R.; BERALDO, A.L. Desenvolvimento e construção de placas de argamassa de cimento e casca de arroz aquecidas por resistência elétrica. Revista de Ciências Exatas e Tecnologia. v. 11, n. 1, [8] SILVA, I.J.O.; GUELFI FILHO, H.; CONSIGLIERO. F.R. Influência dos materiais de cobertura no conforto térmico de abrigos. Engenharia Rural, Piracicaba, v.1. n.2, p.43-55, [9] TEIXEIRA, V.H. Construções e Ambiência - instalações para aves e suínos. Lavras: UFLA/FAEPE, p. [10] TINÔCO, I. F.F. Avicultura industrial: novos conceitos de materiais, concepções e técnicas construtivas disponíveis para galpões avícolas brasileiros. Revista Brasileira de Ciência Avícola, Campinas, v.3, n.1, p.1-26, [11] TINÔCO, I.F.F. Efeito de diferentes sistemas de acondicionamento de ambiente e níveis de energia metabolizável na dieta sobre o desempenho de matrizes de frangos de corte, e condições de verão e outono f. Tese (Doutorado) - Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, [12] TINÔCO, I.F.F. Ambiência e instalações para a avicultura industrial. In: TEIXEIRA, V.H.; FERREIRA, L. Lavras: UFLA/SBEA, p.1-86 [13] VAN WICKLEN G.L.; CZARICK M. Design of a PVC pipe system for brooding chickens. Transaction of the ASAE 1988; 31: