1 SOLUÇÃO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA PARA AERAÇÃO DE SILOS COM ARMAZENAGEM DE GRÃOS DE MILHO Dr. Luciano Peske Ceron luciano.ceron@pucrs.br Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Faculdade de Engenharia Av. Ipiranga 6681- Porto Alegre - RS - CEP: 90619-900 Resumo: Nas plantas industriais o consumo de energia representa uma parcela importante nos custos de produção. Os motivos vão desde características inerentes ao projeto, até instalações sem qualidade e aplicações inadequadas. Neste cenário, os motores elétricos têm papel determinante, pois tem um amplo uso na indústria por sua versatilidade e eficácia. Mas melhorias e inovações sempre são necessárias, devido a grande demanda em motores, que permitem boas oportunidades no mercado nacional. Neste sentido, o departamento de Service da WEG em parceria com a empresa Renner Têxtil, desenvolveu projeto para redução do consumo de energia elétrica para aeração de silos de armazenagem de grãos, através da aplicação de um motor de imãs permanentes acionado por inversor de frequência, utilizando um regulador eletrônico de pressão. Palavras-chave: Armazenagem, Controlador de Pressão, Eficiência Energética, Motor. SOLUTION OF ENERGY EFFICIENCY FOR AIRING OF STORAGE SILOS WITH GRAIN OF CORN Abstract: In plant, industrial energy consumption is a significant production costs. The reasons range from the inherent characteristics of the project, even without quality facilities and inadequate application. In this scenario, the electric motors have role as it has a wide use in industry for its versatility and effectiveness. But improvements and innovations are always needed, due to strong demand for engines that allow good opportunities in the domestic market. In this sense, the department WEG Service in partnership with Textile Renner, developed a project to reduce the consumption of electricity for aeration of grain silos, through the application of a permanent magnet motor driven by a frequency inverter, using an electronic pressure regulator. Keywords: Storage, Pressure Controller, Energy Efficiency, Motor.
2 1. AERAÇÃO DE GRÃOS ARMAZENADOS Em unidades armazenadas de grãos, o ar é empregado no desempenho de diversas atividade que envolvem troca de calor e, ou massa; e o transporte pneumático, como destacado na Figura 1. Remoção de calor - Aeração em silo-pulmão - Resfriamento de produto armazenado - Remoção de bolsões de aquecimento da massa de grãos - Seca-aeração Redução do - Secagem a alta temperatura teor de umidade - Secagem a baixa temperatura - Seca-aeração Uso do Ar Renovação do - Aeração de produtos armazenados ar integranular Transporte grãos - Transporte pneumáticos e limpeza e, ou poeira - Sistemas de captação e transporte de pó Limpeza e classificação de grãos - Máquinas de pré-limpeza e limpeza - Classificadores-mesa gravidade e catadores de pedra - Classificadores pneumáticos eletrônicos Figura 1 - Uso do ar em unidades armazenadoras. Fonte: TOWNE (2001). Considerando, especificamente, aeração de produtos armazenados os objetivos são: uniformizar a temperatura e o teor de umidade da massa de grãos; e renovar o ar presente no espaço intergranular. Para o alcance desses objetivos são empregados baixas vazões de ar e valores próximos das correntes convectivas, que naturalmente ocorrem em silos e graneleiros. Os objetivos elencados referem ao uso da aeração de forma preventiva para a manutenção da qualidade do produto armazenado. O que infelizmente não ocorre na maioria das unidades armazenadas no Brasil, pois, normalmente, empregam o sistema de aeração de forma corretiva visando eliminar focos de aquecimento decorrentes de erros operacionais (SILVA, 1995). A ocorrência dos pontos de aquecimento na massa de grãos, Figura 2, está associada principalmente aos seguintes fenômenos: (a) proliferação de fungos em locais que a massa de grãos apresenta teor umidade acima do recomendado para armazenagem; (b) cargas provenientes dos secadores que não foram devidamente resfriadas; e (c) exposição frequente de uma das faces de silos e ou graneleiros por longo período a radiação solar. Como consequência da falta de uniformidade da temperatura nas diversas regiões da massa de grãos faz com que sejam estabelecidas correntes de ar que circulam das regiões mais aquecidas para as mais frias (SILVA, 2009).
3 Figura 2 - Representação de pontos de aquecimento na massa de grãos. Fonte: SILVA (2009). O ar quando aquecido aumenta o seu potencial de secagem, propiciando o transporte de vapor de água das regiões aquecidas para as mais frias. Esse fenômeno pode contribuir para condensação do vapor transportado sobre os grãos situados nas regiões mais frias. Isso faz aumentar o teor de umidade do produto e a disponibilidade de água nessas regiões (TOWNE, 2001). O aumento do teor de umidade do produto aumenta as taxas de respiração e autodeterioração, o que implica em perda de matéria seca. Além disso, o aumento da disponibilidade de água potencializa o desenvolvimento dos fungos e outros microrganismos que geram calor, água, gás carbônico e gases odoríficos. Fungos podem metabolizar micotoxinas que em determinadas concentrações tornam o produto armazenado impróprio para o consumo humano e de animais (WEBER, 2001). 1.1. Uniformização do teor de umidade da massa de grãos A falta de uniformidade do teor de umidade na massa de grãos armazenada ocorre principalmente em razão de: (1) falhas de monitoramento do teor de umidade das cargas de produto expedidas dos secadores; (2) ocorrências de correntes convectivas de ar que transportam vapor de águas das regiões aquecidas para as mais frias; (3) infiltrações devido a elevação dos lençóis freáticos; e (4) goteiras (CHANG; STEELE, 1995). Como o ar intergranular tem suas propriedades psicométricas regidas pela massa de grãos, isso faz estabelecer bolsões de massa de ar que ao interagirem levam aos estabelecimentos de gradientes que promovem troca de calor e massa; e ao estabelecimento de correntes convectivas de ar (SILVA; LACERDA; DEVILLA, 2000).
4 Regiões na massa de grãos com maiores teores de umidade, por exemplo, acima de 14,5%, levam ao estabelecimento de condições psicométricas do ar integranular, em que a umidade relativa é superior a 65%, Tabela 1. Isso representa nível de atividade aquosa superior a 0,65 proporcionado desenvolvimento de fungos e consequentemente a geração e micotoxinas. Cargas expedidas desses locais podem conter altos níveis de micotoxinas tornando o produto impróprio para a fabricação de ração e consumo humano (DARBY, 2004). Portanto, ao uniformizar o teor de umidade da massa de grãos, tem por benefício à uniformização das condições psicométricas do ar intergranular. Sendo assim, conforme dados da Tabela 1, as condições ideais para armazenagem de milho, em condições ambiente, correspondem à umidade relativa do ar intergranular próxima de 60% e a temperatura da massa de grãos inferior a 20ºC. Nessa condição, inviabiliza-se o desenvolvimento de fungos e reduz-se as taxas de respiração e de auto-degradação do produto armazenado (SILVA, 1995). Tabela 1 Valores de teor de umidade de equilíbrio para milho em função da temperatura e umidade relativa do ar intergranular. Temperatura Umidade relativa do ar (%) do milho (ºC) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 15 5,1 7,3 9,1 10,8 12,3 14,0 15,7 17,8 20,6 20 4,9 7,1 8,8 10,4 11,9 13,5 15,2 17,2 19,9 25 4,7 6,8 8,5 10,0 11,5 13,0 14,7 16,6 19,3 30 4,6 6,6 8,2 9,7 11,1 12,6 14,2 16,1 18,7 35 4,4 6,4 7,9 9,4 10,8 12,2 13,8 15,6 18,2 40 4,3 6,2 7,7 9,1 10,5 11,9 13,4 15,2 17,7 Fonte: SILVA (2009). 1.2. Renovação da massa de ar intergranular A renovação do ar intergranular é um procedimento que deve ser feito com regularidade com os objetivos de preservar qualidades organolépticas dos grãos, e a qualidade do ar intergranular, que pode conter em sua composição gases odoríficos. Esses gases depreciam quesitos sensoriais considerados na classificação de grãos (CHANG; STEELE, 1995). Portanto, por meio do procedimento de renovação do ar intergranular, não se busca secar ou resfriar a massa de grãos. Sendo assim, a condição psicométrica do ar empregado deve estar em equilíbrio higroscópico com massa de grãos. Vide Tabela 1. Caso contrário, se o ar estiver com umidade relativa acima da recomendada, o teor de umidade da massa de grãos poderá aumentar, como também, o ambiente intergranular terá o nível de atividade aquosa aumentado (SILVA, 1995). Por outro lado, se a umidade relativa do ar estiver baixa (valores menores que 50%), significa que este tem potencial de secagem. Sendo assim, ocorrerá fenômeno supersecagem, em que o teor de umidade do produto armazenado é reduzido. Isso gera transtornos, quanto ao procedimento de apuração do balanço de cargas recebidas e expedidas, e estresse na relação prestador de serviço e usuários, caso a empresa insista em aplicar o desconto de quebra de umidade durante o período de armazenagem (SILVA, 1995).
5 Neste sentido, as determinações das condições psicométricas do ar intergranular e de equilíbrio higroscópico dos produtos são essenciais para proceder à tomada de decisão de qual é o melhor momento para acionar os ventiladores. Para essas determinações empregamse gráficos psicrométricos, tabelas de equilíbrio higroscópico ou programas de computador que empregam equações para cálculos das condições psicométricas do ar e de equilíbrio higroscópico dos produtos (DARBY, 2004). 2. EQUIPAMENTOS O correto dimensionamento de equipamentos e especificação do grau de proteção em função das condições ambientais e o uso de técnicas de proteção adequadas, para ventiladores e motores elétricos nas linhas de produção, resulta em maior vida útil e um melhor desempenho eletromecânico ao longo deste período. Esta melhoria no desempenho dos motores elétricos, além de garantir a continuidade do processo, pode também significar eficiência energética (TISSOT, 2010). 2.1. Ventilador Sob aspecto estrutural o sistema de aeração de grãos deve possuir os seguintes elementos: (1) o ventilador máquina que imprime velocidade e pressão ao ar que passará pela coluna de grãos; (2) dutos condutores canalização que conduz o fluxo de ar até os pontos de aplicação; e (3) dutos de distribuição são dutos equipados com chapas perfuradas por onde flui o ar que penetra o espaço intergranular (SILVA; LACERDA, 1990). Os ventiladores são escolhidos em função da: (1) vazão de ar a ser aplicada; e (2) a resistência imposta ao fluxo de ar que é definida em função da altura da coluna de graõs, rugosidade das tubulações, número e tipos de registros e conexões presentes na tubulação e índice de perfuração da chapa perfurada. Essa resistência, uma modalidade de pressão estática, é expressa em milímetros de coluna de água (mmca), sendo tecnicamente denominada como perda de carga ou queda de pressão. E essa aumenta com o fluxo de ar empregado (SILVA; PINTO, 1995). O fluxo de ar a ser empregado é definido em função do tipo de instalação e de operação conforme destacado na Tabela 2. Tabela 2 Valores de fluxos de ar indicados por operação e tipo de instalação. Tipo de Instalação Fluxo de ar (L de ar/min.m 3 de produto Aeração de graneleiros fundo plano 75 a 160 Aeração de silos 23 a 78 Aeração de silos-pulmão 230 a 470 Seca-aeração 390 a 780 Resfriamento Mínimo 120 Fonte: SILVA, PINTO (1995).
6 Atualmente os sistemas utilizados para aeração de grãos armazenados compõemse de ventiladores centrífugos acionados por motores de indução, operando com velocidade fixa. O dimensionamento desses sistemas, via de regra, é efetuado de maneira a atender sempre a pior situação de carga existente, tempo de armazenamento, umidade do produto, entre outras regras. 2.2. Motor Elétrico O controlador EF-ENERGY destinado à solução energética na aeração de grãos, regula automaticamente a rotação dos motores W22 Premium do sistema de aeração a níveis adequados às condições do produto armazenado. Para garantir economia com energia elétrica é interligada a uma estação meteorológica e ainda reduzir aas perdas de armazenagem. O objetivo deste motor é flexibilizar o funcionamento do motor de indução pelo controle de velocidade controlado por inversor de frequência. Além do objetivo inicial a aplicação também possibilita a homogeneização da massa de grãos, com vantagem significativa na qualidade do produto (TISSOT, 2010). O módulo supervisório TA-3000, para os dados de termometria, monitora os dados climáticos, calcula as faixas de aeração e a rotação ideal dos motores e envia informação para o inversor de frequência, que liga e desliga os motores nas rotações adequadas. Abaixo segue a Figura 3 da ilustração do sistema. Figura 3 - Ilustração da solução.
7 O principio de funcionamento baseia-se na manutenção da taxa de aeração (m 3 /ar/min/m 3 de cereal) com volumes variados dentro dos silos. Os silos são divididos e níveis de armazenagem e para cada nível tem uma vazão e pressão equivalente à taxa de aeração desejada, considerando além do nível, também o tipo de produto, a temperatura, a umidade e o objetivo da aeração. O controlador de aeração permite a seleção do tipo de produto no silo, identifica sua temperatura e nível, enviando sinal ao inversor para controle da vazão no conjunto Motor/Ventilador. Fornecer exatamente a ventilação que o produto precisa é a vazão da grande economia obtida. O controlador ainda analisa a temperatura e umidade do ambiente na definição desta ventilação. 3. METODOLOGIA A aplicação foi implantada na empresa Agroindustrial Rezende, sendo pioneiros ao inovar e desenvolver uma solução em eficiência energética para aeração dos silos de armazenagem de grãos de milho. A solução consiste na aplicação do motor W22 Premium acionado por um inverso de frequência, interligado ao controlador de Aeração EF-ENERGY, não sendo necessária a substituição do sistema de termometria, sensores e cabos, usualmente já presentes nos silos. Após a secagem propriamente dita, o processo de aeração passa a ter o objetivo à conservação dos grãos. Neste caso, é realizada a aeração preventiva, isto foi realizado sempre que as condições climáticas são favoráveis, mantendo a massa de grãos em temperaturas inferiores a 19ºC e a umidade relativa no espaço intersticial entre 60% e 75%. Desta forma, a termometria acompanha e informa sobre o avanço da frente de atuação no sistema. Controlador EF-ENERGY informado com tipo de produto, umidade de amostra, umidade desejada. Realizado o abastecimento do Silo nº 01 e nª 02 com produto milho. A solução de eficiência energética foi aplicada apenas no Silo nº 02, mantendo a igualdade de nível, tempo de aeração, potência dos motores, especificação dos ventiladores, enfim, todas as características em geral, possibilitando assim, um comparativo real dos ganhos entre os dois silos, conforme Tabela 3. As medições forma realizadas com analisador de energia IMS, para comparação do consumo de energia elétrica entre os dois silos durante noventa dias. Tabela 3 Valores comparativos ajustados entre os silos 1 e 2. Especificação Técnica Silo 01 Sem solução Silo 02 Com solução Potência do Motor (CV) 20 20 Rotação (RPM) 1770 1770 Acionamento Estrela/triângulo Inversor de frequência Tensão (V) 380 380 Acoplamento direto direto Produto Armazenado milho milho
8 4. RESULTADOS Medidas comparativas de consumo de energia apresentadas na Figura 4. Figura 4 - Consumo médio de energia elétrica (kw), durante três meses, nos silos 1 e 2. Conforme apresentado nas medições do consumo médio de energia elétrica na Figura 4, 16 kw no silo 1 e 1,6 kw no silo 2, a aplicação da solução proporcionou no silo 2 uma redução de 90% no consumo de energia elétrica, obtendo assim, um retorno em três meses do investimento aplicado. Além de ganhos como: Aumento da qualidade do produto; Controle preciso de temperatura; Umidade dos grãos controlada; Automatização do sistema de controle no silo. 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS O presente estudo teve por diretriz apresentar um novo conceito de controle psicométrico do ar intergranular em silos de milho, utilizando inovação em equipamentos de controle, direcionados para obtenção da eficiência energética e obter qualidade dos produtos, minimizando os custos, aumentando a produtividade. Para a operação adequada do sistema de aeração é necessário conhecer as condições higroscópicas da massa de grãos e psicométricas do ar. Desse modo, o operador do sistema deve estar devidamente treinado para não alterar as condições psicométricas do ar intergranular potencializando o desenvolvimento de microrganismos (fungos e bactérias). Gerentes e operadores de unidades armazenadoras devem utilizar a aeração como uma operação de ordem preventiva para garantir a preservação da qualidade do produto armazenado, tendo como ganho a eficiência energética em seu processo.
9 REFERÊNCIAS CHANG, C. S.; STEELE, J. L. Development and evalution of aeration control strategies for maintaining stored grain quality. Applied Engineering in Agriculture, St. Joseph, v. 11, n. 4, p. 577-582, 1995. DARBY, J. Aeration increases marketing choikes. Farming Ahead, n. 144, 2004, p. 26-28. PEREIRA, J. A. M.; PEREIRA, A. R. M. Aeração de grãos - Parte II - Movimentação de ar e dimensionamento de sistemas. Centro Nacional de Treinamento em Armazenagem. Viçosa, 44p. SILVA, L. C. Micotinas em grãos e derivados. Revista Grãos Brasil, Ano VII, n. 39, 2009, p. 13-16. SILVA, J. S. Pré-processamento de produtos agrícolas. Juiz de Fora: Instituto Maria, 1995. 509 p. SILVA, J. S.; LACERDA FILHO, A. F. Construção e operação de secador de grãos. Boletim de Extensão. Universidade Federal de Viçosa - Imprensa Universitária, Viçosa, 1990, 28p. SILVA, J. S.; LACERDA FILHO, A. F.; DEVILHA, I. A. Aeração de grãos armazenados de produtos agrícolas. Editora Aprenda Fácil: Viçosa, 2000, p. 261-277 SILVA, J. S.; PINTO, F. A. C. Ventiladores e sua construção. In: Pré-processamento de produtos agrícolas, Instituto Maria, Juiz de Fora, 1995. 510p. TISSOT, F. D. Uma análise da proteção contra sobrecarga em motores assíncronos. 2010. 66 f. Graduação (Faculdade de Engenharia Elétrica), UFRGS, Porto Alegre, 2010. TOWNE, H. L. Aeration strategies. World Grain, July 2004, p. 52-56. WEBER, E. A. Armazenagem Agrícola. Editora Agropecuária: Guaíba, 2001, 396 p.