UTILIZAÇÃO DE BIOGÁS PARA RESFRIAMENTO E SECAGEM DE HORTALIÇAS Honorato Ccalli Pacco (2) Luís Augusto Barbosa Cortez (2) Lincoln de Camargo Neves Filho (1) Rodrigo Aparecido Jordan (2) Ricardo Baldassin Júnior (3) (1) Faculdade de Engenharia de Alimentos FEA UNICAMP Laboratório de Refrigeração (2) Faculdade de Engenharia Agrícola FEAGRI UNICAMP Laboratório de Termodinâmica e Energia (3) Faculdade de Engenharia Mecânica - FEM UNICAMP Resumo A união Européia estabeleceu uma meta global de redução em 8% na emissão de gases com efeito estufa até 2012. Em 2010, 12,5% da energia na Europa deverá provir de fontes renováveis, sendo que o biogás poderá vir a representar cerca de 10% destas fontes. Até 2020 prevê-se a substituição de 20% das fontes convencionais por combustíveis alternativos. O biogás é apontado como uma alternativa ambientalmente competitiva, NEVES FILHO et al.,(2001). Com o biodigestor, o produtor rural pode transformar detritos animais e vegetais em uma excelente alternativa energética, além de obter um poderoso adubo orgânico. O projeto consistiria na instalação de um sistema de coleta de biogás que serviria de combustível para movimentar um motor ciclo Otto e assim poder acionar a Bomba de Calor. Este uso integrado permitirá utilizar a potencialidade que tem a Bomba de Calor de gerar energia de resfriamento e aquecimento, e para reduzir a utilização de energia elétrica no resfriamento rápido de tomates pós-colheita e na secagem de tomates maduros. Abstract USE OF BIOGAS FOR COOLING AND DRYING OF VEGETABLES The European union established a global goal of reduction in 8% in the emission of gases with effect greenhouse up to 2012. In 2010, 12.5% of the energy in the Europe it will have to come from sources you renewed, being that biogas will be able to come to represent about 10% of these sources. Up to 2020 it is foreseen substitution of 20% of the conventional sources for alternative fuels. Biogas is pointed as an ambiently competitive alternative, NEVES FILHO et al.,(2001). With the biodigestor, the agricultural producer can transform animal and vegetal debris into an excellent energy alternative, besides getting a powerful organic fertilizer. The project would consist of the installation of a system of collection of biogas that it would serve of fuel to put into motion a motor Otto cycle and thus to be able to set in motion the of Heat pump. This integrated use will allow to use the potentiality that has the of Heat pump to generate energy of cooling and heating, and to reduce the use of electric energy in the fast cooling of tomatoes post harvest and in the drying of mature tomatoes. Key words: Biogas, Heat pump, fast cooling, drying.
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Biogás O Biogás é a mistura gasosa, combustível, resultante da fermentação anaeróbica da matéria orgânica. A proporção de cada gás na mistura depende de vários parâmetros, como o tipo de digestor e o substrato a digerir. De qualquer forma, esta mistura é essencialmente constituída por metano (CH 4 ) e dióxido de carbono (CO 2 ), estando o seu poder calorífico diretamente relacionado com a quantidade de metano existente na mistura gasosa, SEIXAS (1980). Numa análise global, o biogás é um gás incolor, geralmente inodoro e insolúvel em água, Tabela 1. Tabela 1: Composição média da mistura gasosa do biogás. COMPOSIÇÃO MÉDIA DA MISTURA GASOSA METANO 50 a 75 % DIÓXIDO DE CARBONO (CO 2 ) 25 a 40 % HIDROGÊNIO (H 2 ) 1 a 3 % NITROGÊNIO (N 2 ) 0,5 a 2,5 % OXIGÊNIO (O 2 ) 0,1 a 1 % ÁCIDO SULFÍDRICO (H 2 S) 0,1 a 0,5 % AMÔNIA (N 3 ) 0,1 a 0,5 % MONÓXIDO DE CARBONO (CO) 0 a 0,1 % ÁGUA (H 2 O) variável Fonte: NET11 (2004). A Tabela 2 apresenta alguns valores de produtividade de biogás. Tabela 2: Valores de produtividade de biogás Material Produtividade (m 3 /kg) Esterco bovino fresco 0,04 Esterco de galinha, seco. 0,43 Esterco suíno, seco. 0,35 Resíduos vegetais, seco. 0,30 Resíduos de matadouro (úmido) 0,07 Lixo 0,05 Fonte: NOGUEIRA (1986) Aplicações do biogás Atualmente, em vários países o biogás é produzido em aterros sanitários e aplicado como fonte energética em processos sanitários, e em alguns casos existe até a comercialização do biogás para uso nas indústrias. O biogás no Brasil, em emissões, é de 1x10 6 toneladas de CH 4 /ano e poderia gerar 600MWh o qual é equivale a 1% da geração de energia elétrica nacional (ALVES & CARDOSO FILHO, 2004). Segundo os mesmos autores o biogás pode ser utilizado como fonte energética similar ao gás natural urbano residencial e industrial. O biogás pode ser utilizado nos estabelecimentos rurais para: lampião, aquecimento de fogões, como combustível para motores de combustão interna, em geladeiras, em chocadeiras, em secadores de grãos ou secadores diversos, para a geração de energia elétrica (CERPCH, 2004; NET11, 2004; JORDAN et al., 2003). A Tabela 3 apresenta os consumos típicos de biogás para diversos equipamentos, conforme dados da Embrater.
Tabela 3. Consumos típicos. Equipamento ou aplicação Características Consumo Médio Lampião Fogão Geladeira Motor Chuveiro a gás Incubadeira Campânula p/pintos Cozimento Geração de eletricidade Fonte: NOGUEIRA (1986). camisa de 100 velas queimador 2 forno porte médio ciclo OTTO por banho volume interno 1500 kcal por pessoa por kw hora 0,13 m 3 /hora 0,32 m 3 /hora 0,44 m 3 /hora 2,20 m 3 /dia 0,45 m 3 /HP hora 0,80 m 3 0,60 m 3 /hora 0,162 m 3 /h 0,23 m 3 /dia 0,62 m 3 Biodigestor na produção de biogás O biodigestor é um equipamento usado para a produção de biogás. A tecnologia da biodigestão foi trazida para o Brasil na década de 70 com a crise do petróleo, com a implantação principalmente de equipamentos modelos Chinês e Indiano, (CERPCH, 2004). Equipamentos destinados a biodigestão anaeróbia de resíduos orgânicos vêm sendo classificados como biodigestores convencionais e não convencionais. Dependendo do grau de desenvolvimento técnico-científico e econômico dos países e dos diferentes tipos de materiais de construção e de matérias-primas para digestão disponíveis, os biodigestores são construídos para atender objetivos distintos, o que determina concepções, também, distintas de sistemas. Na Índia e na China, por exemplo, os biodigestores são empregados para produção de combustível altamente necessário às áreas rurais, sendo, ao mesmo tempo, preservado o valor do efluente como adubo. Nestes países a maioria das unidades destina-se a usos domésticos, onde têm sido desenvolvidos projetos de baixo custo. Já nos Estados Unidos, os biodigestores visam atender aos objetivos da produção de energia e de tratamento dos rejeitos, principalmente de animais de fazendas (Fig. 1), o que possibilita o manuseio de um material sem odores (BENINCASA et al., 1991). Fig. 1: Biogestor no campo Bomba de calor Segundo o conceito norte-americano, bomba de calor significa, em primeiro lugar, um equipamento com dupla finalidade. Entretanto, segundo o conceito europeu, bomba de calor é um equipamento com aplicação somente em aquecimento (HALÁSZ, 1984). Uma bomba de calor retira calor de uma fonte e transfere este para outra fonte a uma temperatura superior (ASHRAE, 2005).
Em relação ao o coeficiente de desempenho (COP) da bomba de calor, com consumo de 1 kw de energia consegue-se produzir até 4-5 kw de energia térmica para aquecimento e um efeito frio de 2 a 3 kw. A título de comparação, uma resistência fornece no máximo 1 kw de energia térmica (calor) a partir de 1 kw de energia elétrica. Se os dois efeitos forem utilizados (frio e calor), a bomba de calor consegue até 7 a 8 kw de energia térmica com 1 kw de energia elétrica (ENEBC, 2004). 2. MATERIAL E MÉTODOS O biogás utilizado na bomba de calor será produzido por um biodigestor do tipo indiano construído no campo experimental da Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias de Jaboticabal Unesp, SP. Este biodigestor consiste em um poço revestido de alvenaria de tijolos e concreto, dividido em duas câmaras semi-cilíndricas, com uma parede central. Sua produção média é de 3m 3 de biogás/dia. No laboratório de Termodinâmica e energia da Faculdade de Engenharia Agrícola UNICAMP será realizada a adaptação na entrada do carburador de uma válvula que controla a mistura de ar gás na admissão do motor ciclo Otto, para acionamento da bomba de calor pelo biogás. Pretende-se instalar uma bomba de calor com sistema de refrigeração por compressão de vapor, operado com R-22, composto por compressor tipo aberto, alternativo, condensador e evaporador a água-água. Serão instalados diversos elementos de controle, tais como: válvula selenoide, pressostato diferencial de alta e de baixa pressões no compressor. Para a montagem do protótipo, serão utilizados os seguintes componentes: - Um compressor operando com R-22 - Um tanque resfreador de água - Um sistema para resfriamento de tomates com água gelada de tipo chuveiro, - Um tanque isotérmico - Um trocador de calor a água - Um tanque de líquido para R-22 - Filtro secador, válvula, tubulações de cobre, entre outros. Operação da bomba de calor (Figura 2): O refrigerante R-22 evapora no evaporador instalado no tanque acumulador de água gelada (TAG) e desta maneira retira calor da água, gerando assim água gelada. Do tanque acumulador de água gelada, uma bomba succiona a água para resfriamento de tomates em sistema tipo chuveiro. O compressor (CP) da bomba de calor, acionado pelo motor a biogás (MB), succiona o vapor aquecido do evaporador (EV) e o descarrega no condensador (CD) que é o trocador de calor resfriado a água. Neste, ocorre a condensação do refrigerante e a transferência de calor para a água que circula em su interior. Após o estrangulamento pela válvula de expansão (VE) o refrigerante retorna ao evaporador completando o ciclo. Será montado um duto na saída da serpentina aquecida por água até a câmara de secagem por onde circulará o ar do processo. O duto terá isolamento térmico e conterá um ventilador centrífugo para forçar o ar quente no secador de bandejas para secagem de tomates em fatias.
Fig.2: Fluxograma de funcionamento da bomba de calor a biogás 3. RESULTADOS ESPERADOS Os resultados esperados através do desenvolvimento desta pesquisa são descritos a seguir: Montagem de uma bomba de calor água-água para resfriamento e secagem de tomate pós-colheita; Redução significativa no consumo de energia elétrica utilizada para aquecimento do ar de secagem e resfriamento de água; Obtenção de resultados econômicos satisfatórios e favoráveis à utilização desta bomba de calor em fazendas ou pequenas empresas produtoras de tomate;
Obtenção de dados satisfatórios referentes ao acionamento da bomba de calor com o uso do motor alimentado com biogás aproveitando resíduos vegetais; Desenvolvimento de um modelo matemático que permita a otimização e assim, a determinação de condições e capacidades ótimas para operação da bomba de calor com a maximização da eficiência. Além disso, nos experimentos de resfriamento de tomate com água gelada se espera que a água não cause danos físicos nem alterações na composição do produto resfriado. Prevê-se atingir tempos menores (307 a 50 minutos) de resfriamento para o tomate com água gelada comparados aos tempos de resfriamento obtidos pelo método do ar forçado. E também melhor qualidade final. Em geral também se espera obter extensão da vida de prateleira do tomate fresco, estimada em até 25 dias, em relação ao produto resfriado por ar-forçado ou mesmo em câmara ou caso fosse armazenado à temperatura ambiente. A pesquisa então poderá fornecer subsídios para solucionar problemas, como por exemplo, reduzir as perdas encontradas nas etapas pós-colheita de frutas e hortaliças, ajudando desta maneira ao produtor e consumidor fornecendo um produto de melhor qualidade para a alimentação. Em relação ao produto obtido através de secagem, espera-se encontrar uma umidade final próxima de 12% b.u. e boas características de qualidade com respeito a cor, aparência geral, textura e sabor. Também se espera que o tomate seco obtido por secador bomba de calor possibilite a conservação do produto por maior período de tempo, facilite o transporte ao centro de comercialização, e reduza significativamente os desperdícios de tomate. Palavras chave: Biogás, Bomba de Calor, resfriamento rápido, secagem. 4. AGRADECIMENTOS Ao CNPq pelo apoio financeiro 5. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA [1] ALVES, João Wagner & CARDOSO FILHO, Eduardo. PROCLIMA. Recuperação Energética de Biogás. 2 Simpósio Latino Americano Sobre fixação de Carbono. São Paulo Brasil. Abril 24 de 2004. [2] ASHRAE. Thermodynamics and refrigeration cycles. Ashrae Ashrae Handbook. Atlanta, Ashrae, 2005. Cap. 1. 20p. [3] ENEBC. Equipo nacional española de bombas de calor, Secretaría. Energía para un Futuro más limpio. Madrid, España, 2004. Disponível em: http://www.enebc.org/castellano/bomba/cap1/ ; acessado o: 10-04-2004. [4] HALÁSZ, J. Z. Avaliação experimental do desempenho de bomba de calor FEM/UNICAMP, Campinas SP. 1984. 124p. Tse de Doutorado. [5] JORDAN, R. A., CORTEZ, L. A.B., NEVES FILHO, L. C., LUCAS Jr, J. Bomba de calor água-água acionada a biogás para utilização em processo de aquecimento e resfriamento em laticínios. Leite & Derivados. São Paulo, Brasil, Ano XII-N 70, Maio/Junho, p. 52-64, 2003. [6] NEVES FILHO L. DE C.; SILVEIRA, V.; CORTES, L.A. B. Frutas e refrigeração. Revista ABRAVA, Tecnologia, 180, março 2001. Brasil, p.34-39. [7] NET11, Projeto de Biogás, disponível em: www.net11.com.br/eecc/biogas, acesso em 28 de junho 2004. [8] NOGUEIRA, L. A. H. Biodigestão: a alternativa energética. Câmara brasileira do livro, São Paulo, Brasil, 1986. p.93. [9] SEIXAS, J., Construção e funcionamento de Biodigestores EMBRAPA-DID, Brasília, Brasil, 1980. 60p.