Embed Size (px)
Citation preview
Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.1, n.1, p.75-79, 1999. ISSN 1517-8595
75
DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL DE UMA BOMBA DE CALOR:
SIMULAÇÃO DE SECAGEM DE SEMENTES DE FEIJÃO
(Phaseolus vulgaris L.), variedade ‘carioca’
José Rildo de Oliveira1, Mário Eduardo Rangel Moreira Cavalcanti Mata
2
RESUMO
A bomba de calor ou bomba térmica é um sistema que por meio de um ciclo termodinâmico, troca
calor de uma fonte à baixa temperatura e torna essa energia disponível a uma temperatura mais alta.
Baseado nesse princípio, o presente trabalho teve como objetivo a desenvolvimento de uma bomba
de calor para produzir ar a baixas umidades relativas e temperaturas, para secagem de sementes de
feijão (Phaseulus vulgaris L.), variedade “carioca”. O sistema proposto consistiu em aproveitar
parte da energia dissipada pelo condensador para aquecer o ar proveniente do evaporador. O fluxo
do ar de secagem utilizado neste trabalho foi de 95 m3.min
-1.m
-2. Da variação das condições de ar
produzidas pela bomba de calor, que foram de 32 e 38°C e umidade relativas de 35 e 30%, respec-
tivamente , simulou-se a secagem de feijão em secador de camada estacionária, de acordo com o
Modelo de Thompson, Os resultados permitem concluir que é possível secar sementes de feijão
com bomba de calor de um teor de umidade inicial de 21% até 15% base seca num período de tem-
po correspondente a 7 e 5 horas, respectivamente.
Palavras chave: bomba de calor, secagem, simulação, feijão
EXPERIMENTAL DEVELOPMENT OF HEAT PUMP: DRYING SIMULATION
OF BEAN SEEDS (Phaseolus vulgaris L.), variety ‘carioca’
ABSTRACT
A heat pump or thermic pump is a system that energy of a low temperature source through a ther-
modynamic cycle and it transforms this available energy at a high temperature. Based on this prin-
ciple this work had the objective of developing a heat pump to produce air at both low relative hu-
midity and temperatures, for drying of bean seeds (Phaseolus vulgaris L.), variety “carioca”. The
system consisted in to utilize part of the dissipated energy by the condenser to heat the air that
coming from the evaporator. The flow drying air used in this work was about 95 m3.min
-1.m
-2. To
simulate the drying of the bean in a stationary layer dryer from the variation of the air conditions
produced the heat pump – 32 and 38ºC – and humidity relative of 35 and 30%, respectively accord-
ing to Thompson Model. The results show it is possible drying bean seeds using a heat pump of a
initial moisture content from 21% to 15% dry basis, in a period of 7 and 5 hours, respectively.
Keywords: heat pump, drying, simulation, beans
_________________________________ Trabalho Revisado pelo Professor Vivaldo Silveira Júnior da UNICAMP, Doutor pela Universidade Estadual de Campinas 1 Mestrando em Engenharia Agrícola/CCT/UFPB Tel. (083) 333-1040 e-mail: [email protected] 2 Prof. Adjunto, Dr., Departamento de Engenharia Agrícola, UFPB, Caixa Postal 10.087, CEP: 58109-970.
Campina Grande – PB Tel. (083) 310-1287 e-mail: [email protected].
76 Desenvolvimento experimental de uma bomba de calor: Simulação de secagem de sementes de feijão Oliveira & Cavalcanti Mata
Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.1, n.1, p.75-79, 1999
INTRODUÇÃO
Considerável quantidade de energia é utiliza-
da na secagem de alimentos, estejam eles na forma
in natura ou processados. No Brasil, os secadores
utilizam, na grande maioria dos casos, fontes de
energia convencionais, tais como óleos combustí-
veis, GLP, lenha, ou eletricidade (Rossi, 1993).
A secagem é responsável por cerca de 12% da
energia total gasta nos sistemas de beneficiamento
de produtos, quer sejam alimentares ou de matérias
primas como grãos e sementes (Cavalcanti Mata,
1996). Algumas unidades beneficiadoras de semen-
tes usam sistemas alimentados por resistências elé-
tricas para aquecer o ar de secagem. Do ponto de
vista técnico, as resistências são eficientes, confiá-
veis e de fácil manuseio. No que diz respeito aos
custos, em virtude dos programas de subsídios à
eletrificação rural, tanto o investimento inicial como
a manutenção são baixos. No entanto, com a privati-
zação do setor energético, é provável que estes cus-
tos não se mantenham nos mesmos patamares. Além
do mais, o uso indiscriminado dos secadores de re-
sistência pode causar sobrecarga nas linhas de ali-
mentação e distribuição de energia.
Assim sendo, nos processos de secagem com
temperaturas do ar de secagem próximas à tempera-
tura ambiente, pode-se, perfeitamente, utilizar um
ciclo aberto simples, com a bomba de calor, fazendo
a recuperação do calor latente. Neste caso, o calor é
trocado com o ar úmido de exaustão e é utilizado
para aquecer o ar que se introduz no secador.
O uso de bomba de calor no condicionamento
de ar para secadores apresenta todas as vantagens
dos sistemas de secagem a baixas temperaturas e
manifesta as mesmas características desejáveis das
fontes de calor resistivas. Do ponto de vista
termodinâmico, é consideravelmente mais eficiente.
O consumo de eletricidade é 52% menor que as
cargas resistivas e viabiliza a obtenção de um
produto de qualidade mais homogênea (Hogan et al.,
1983).
Segundo Hogan et al. (1983) as primeiras
pesquisas realizadas com bombas de calor na
secagem de produtos agrícolas foram feitas por
Davis em 1949, Shove em 1953 e Fliker et al. em
1957. Segundo o mesmo autor, anos depois foram
realizadas pesquisas no Japão por Kato e Matsuda
em 1976 e na Alemanha por Kutzback em 1978.
Hogan (1976) desenvolveu uma bomba de calor,
especificamente para secagem de grãos e efetuou
testes nas mais diversas condições. Hodgett (1976)
usou-a como desumidificador para secar madeira e
cerâmica, (Hogan et al., 1983).
Comprovada a eficiência da bomba de calor
na secagem de produtos agrícolas, e considerando a
importância, assumida pelo feijão, no Brasil e na
região Nordeste, tanto por ser um dos produtos mais
cultivados (terceiro em área plantada) quanto por
constituir item básico na dieta alimentar da
população brasileira, decidiu-se utilizar esse produto
nesta pesquisa.
Assim, os objetivos deste trabalho foram:
a) construir uma bomba de calor para seca-
gem de produtos termosensíveis (sementes de fei-
jão);
b) correlacionar os dados experimentais com
os simulados pelo modelo de Thompson, utilizando
o software aplicado à secagem de grãos – SASG 5.0
– desenvolvido para o feijão carioca por Cavalcanti
Mata et al. (1995).
MATERIAIS E MÉTODOS
Este trabalho foi realizado no Laboratório de
Processamento e Armazenamento de Produtos Agrí-
colas do Departamento de Engenharia Agrícola da
Universidade Federal da Paraíba.
Para realização deste trabalho, foram obtidas
sementes de feijão junto a Empresa Estadual de
Pesquisa Agropecuária da Paraíba – EMEPA,
proveniente do seu campo de produção de sementes
no município de Lagoa Seca – PB, safra 1999.
Bomba de calor
A bomba de calor para secagem de sementes,
Figura 1, foi construída a partir de um condicionador
de ar doméstico, com capacidade de 18.000 BTU/h,
tendo como fluido de trabalho o R-22 (CHClF2 -
Monoclorodifluorometano). Duas modificações
foram feitas no equipamento: A primeira consistiu
na adição de um trocador de calor, “condensador”,
de dimensões menores (520mm x 180mm), interli-
gado em série ao circuito frigorífico com o já exis-
tente, sendo que este ficou localizado na parte fron-
tal superior do equipamento, fazendo com que o ar
ambiente atravesse as superfícies do evaporador e do
condensador e troque as energias neles contidas; a
segunda modificação foi a substituição da hélice
original, cujo diâmetro era de 380mm, por outra de
diâmetro inferior, 340mm. Os demais componentes
foram mantidos.
As modificações efetuadas no condicionador
de ar têm por objetivo o aproveitamento simultâneo
dos fluxos energéticos gerados no condensador e no
evaporador. O sistema proposto consiste em fazer
com que o ar ambiente troque calor com o
evaporador, resfriando este ar abaixo do seu ponto
Desenvolvimento experimental de uma bomba de calor: Simulação de secagem de sementes de feijão Oliveira & Cavalcanti Mata
Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.1, n.1, p.75-79, 1999
77
de orvalho. O ar saturado que sai do evaporador
passa em seguida por parte da energia dissipada pelo
condensador (condensador 2), fazendo com que saia,
deste engenho, um ar a baixa temperatura (próximo
a temperatura ambiente) e com baixa umidade
relativa.
condensador 1 condensador 2
secador
compressor válvula
evaporador
a r
Ventilador centrífugo
Ventilador axial
Figura 1 – Esquema de produção de ar para se-
cagem de sementes, com baixa
temperatura e baixa umidade relativa,
utilizando uma bomba de calor.
A secagem das sementes de feijão foi
realizada com as condições do ar de saída da bomba
de calor, em um secador com capacidade de 25 kg
de sementes, a uma altura da camada de 25 cm e
fluxo do ar de secagem de 95 m3.min
-1.m
-2.
Coeficiente e fator de performance da bomba de
calor
O coeficiente de performance da bomba de
calor foi avaliado para as condições médias do ar
durante a secagem. Foi determinado também o fator
de performance. Para essas determinações foram
conectados termopares, na linha do refrigerante nas
posições: entrada do compressor (1), na saída do
compressor (2), na entrada do condensador 1 (3), na
saída do condensador 2 (4) e na entrada do
evaporador (5), conforme indicado na Figura 2.
A formulas utilizadas para determinação do
coeficiente de performance e do fator de perfor-
manace foram:
12
42
hh
hhCOP
(1)
12
51
hh
hhFP
(2)
em que
h1 = entalpia na entrada do compressor, kJ/kg
h2 = entalpia na saída do compressor, kJ/kg
h4 = entalpia na saída do condensador 2, kJ/kg
h5 = entalpia na entrada do evaporador, kJ/kg
ar ambiente 5
4 3
1
2
Entalpia ( kJ.kg -1 )
W
Secador de sementes
Pre
ssão
(M
Pa)
Condendador 1
Condendador 2
Evaporador
Figura 2 - Esquema de um diagrama Pressão –
Entalpia para determinação do coefi-
ciente de performance (COP) do sis-
tema.
Os dados experimentais obtidos da secagem
de sementes de feijão foram comparados com os
simulados através do Programa computacional de-
nominado SASG 5.0 (Software Aplicado à Secagem
de Grãos), desenvolvido por Cavalcanti Mata et al.
(1995).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na Tabela 1 encontram-se as condições do ar
ambiente e as condições do ar de secagem obtidos
pela bomba de calor, para secagem de sementes
feijão em secador de camada estacionária. Observa-
se, nesta tabela, que para as duas condições de
secagem os dados simulados e os dados
experimentais, emtermos de média, estão muito
próximos, ou seja um erro de 1,3% para a secagem
realizada a temperatura de 32°C e 35% de umidade
relativa e de 0,6% para as condições de secagem de
38°C e 30% de umidade realtiva do ar, indicando
que o programa computacional atende às
expectativas da simulação, no entanto é possível
observar nas Figuras 3 e 4 que em ambas condições
de secagem, os valores experimentais da camada
inferior e superior, subestimam e superestimam,
respectivamente, os valores simulados, no entanto os
valores médios são semelhantes. Nessa tabela,
observa-se também que coeficiente de performance
e o fator de performance aumentaram à medida que
78 Desenvolvimento experimental de uma bomba de calor: Simulação de secagem de sementes de feijão Oliveira & Cavalcanti Mata
Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.1, n.1, p.75-79, 1999
foram obtidas temperaturas mais altas do ar de
secagem.
Tabela 1 - Dados experimentais e simulados das
secagens, em camada estacionaria, de
sementes de feijão, realizadas com o ar
aquecido proveniente de uma bomba de
calor
Condições iniciais de secagem 1
a
Secagem
2a
Secagem
Temperatura ambiente (°C)
Umidade relativa ambiente (%) Vazão do ar de secagem (m3.min-1.m-2)
Altura da camada (m)
21
70
95
0,25
22
75
95
0,25
Condições do ar, da bomba de
calor e do tempo de simulação
durante o processo de secagem
Temperatura (°C)
Umidade Relativa (%)
Tempo de secagem
32
35
7
38
30
5
Tempo simulado 7 5
Teor de umidade inicial
Teor de umidade final
21
15
21
15
Teor de umidade final simulado 14,8 14,9
Coeficiente de performance COP
Fator de performance FP
6,1
5,1
6,7
5,7
Na concepção desta bomba de calor, para
secagem de sementes de feijão, utilizou-se neste
trabalho, apenas parte da energia térmica disponível
(condensador 2) uma vez que as sementes de feijão
são produtos termosensiveis, contudo deixa-se como
sugestão a possibilidade de se utilizar a outra parte
da energia térmica disponível proveniente do
primeiro condensador para outras finalidades do
processo pós-colheita, entre elas, pode-se citar a pré-
secagem das sementes ainda na vagem. Neste
contexto, a energia térmica disponível poderia ser
melhor aproveitada dando um rendimento melhor ao
sistema.
0 2 4 6 8
10
12
14
16
18
20
22 Dados experimentais 1a. camada 2a. camada
Teor
de u
mid
ade,
% b
ase s
eca
Tempo, horas
Dados simulados 1a. camada 2a. camada
Figura 3 - Simulação de secagem de feijão a uma
altura da camada de 0,25 m e condições
do ar de secagem de 32°C e 35% de
umidade relativa
0 1 2 3 4 5 6 10
12
14
16
18
20
Dados simulados 1a. camada 2a. camada
0 1 2 3 4 5 6 10
12
14
16
18
20 Dados experimentais 1a. camada
2a. camada T
eor
de u
mid
ade,
% b
ase s
eca
Tempo, horas
Figura 4 - Simulação de secagem de feijão a uma
altura da camada de 0,25 m e condições
do ar de secagem de 38°C e 30% de
umidade relativa
CONCLUSOES
Diante dos resultados obtidos pode-se
concluir que:
1. As condições de temperatura e umidade relativa
do ar de secagem produzidas pela bomba que
foram de: 32°C; UR-35% e 38°C; UR-30%
permitem secar 25 kg de sementes de feijão em
5 e 7 horas, respectivamente;
2. programa computacional atendeu parcialmente
as expectativas, pois só em termos de média é
que os dados de secagem experimentais e
calculadas são semelhantes com erros estimados
em 1,3% e 0,7%, para as condições da primeira
e da segunda secagem, respectivamente;
Desenvolvimento experimental de uma bomba de calor: Simulação de secagem de sementes de feijão Oliveira & Cavalcanti Mata
Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.1, n.1, p.75-79, 1999
79
3. coeficiente de performance (COP) da bomba de
calor variou entre 5,1 e 5,7 e o fator de
performance entre 6,1 e 6,7.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Cavalcanti Mata, M.E.R.M. Secagem de sementes a
baixas temperaturas através de uma bomba de
calor. In: Congesso Brasileiro de Sistemas Parti-
culados, 24, 1996, Uber-lândia. Anais... Uber-
lândia : Universidade Federal de Uberlândia: v.1,
p.345-349, 1996.
Cavalcanti Mata, M.E.R.M.; Dantas, L.A., Braga,
M.E.D. Software aplicado a secagem de grãos.
In: Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola,
24, 1995. Viçosa – MG. Anais... UFV : SBEA,
Artigo N.º 95-5- 429, 1995. 29p.
Hodgett, D.L. Efficient drying using heat pump.
The Chemical Engineer n.311, p.510-512, July/
Aug. 1976
Hogan, M.R.; Okos, M.R.; Williams, E.E.; Ayres,
D.L.; Peart, R.M. Low temperature heat pump
grain drying design, performance, and
operational experience. ASAE-Paper No. 76-
3519, ASAE, St. Joseph, MI49085, 1976.
Hogan, M. R., Ayres, D. L., Muller, R. E. et al.
Heat pump for low-temperature grain drying.
Transaction of the ASAE, St. Joseph, v.26, n.4,
p.1234-1238, 1983.
Rossi, S. J. Desenvolvimento e avaliação de uma
bomba de calor usada no condicionamento de
ar para secagem de alimentos. Campinas,
FEA/UNICAMP. 1993. 214p. (Tese de
Doutorado).
80
Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.1, n.1, p.80, 1999
