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Simulação de secadores de fluxo misto
Roberto Sinício Adonis Sinício Junior
Resumo O objetivo deste trabalho foi desenvolver um programa de computador, executável em ambiente MS-WindowsTM, para simular o funcionamento de secadores de fluxo misto. O programa desenvolvido simula a secagem de milho, soja ou trigo e a operação do secador com sistema contínuo ou intermitente de carga; calcula o teor de umidade e temperatura final dos grãos após a secagem quando se conhece o sistema de carga, capacidade efetiva do secador, tipo de grão e condições dos grãos e do ar; e calcula a capacidade efetiva do secador para reduzir o teor de umidade até o nível desejado quando se conhece o modelo do secador, sistema de carga, tipo de grão e condições dos grãos e do ar. O programa foi desenvolvido para otimizar a recepção de grãos úmidos em unidades armazenadoras, para otimizar o desenho do secador de fluxo misto e para ser utilizado com fins instrucionais ou demonstrativos. Devido a falta de controle automático no secador de fluxo misto, é muito difícil ajustar o fluxo de grãos de acordo com as suas condições iniciais para a redução do teor de umidade até o nível desejado. Portanto, através da simulação do processo de secagem, pode-se determinar as condições ideais de operação do secador de maneira a agilizar a recepção de grãos, aliada ao máximo de eficiência energética. O programa também pode ser usado para se determinar o fluxo de ar e as dimensões características de um secador de fluxo misto a ser construído. Assim, pode-se reduzir os custos no desenvolvimento de secadores de alto desempenho energético. Abstract The objective of this work was to develop a computer program, executable in MS-WindowsTM environment, to simulate the performance of mixed flow dryers. The developed program simulates the drying of corn, soybean and wheat grains and the operation of the dryer in continuous or batch mode; it calculates the final grain moisture content and temperature after drying when the operation mode, effective grain flow, grain type and conditions of grain and air are known; and it calculates the effective grain flow to reduce the moisture content up to the required level when the dryer model, operation mode, grain type, and grain and air conditions are known. This computer program was developed to optimize the reception of wet grain at storages facilities, to opmitize the design of the mixed flow dryer and to be used as instructional aid or for demonstration purposes. Due to the lack of an automatic control in the mixed flow dryer, it is very difficult to adjust the grain flow according to the initial grain conditions for reduction of the moisture content up to the required level. Therefore, throughout grain drying simulation, it can be determined the ideal operational conditions of the dryer to speed up the grain reception, with maximum energetic efficiency. The program can also be used to determine the airflow and the characteristical sizes of a mixed flow dryer to be constructed.Then, the costs of developing dryers with high energetic efficiency can be reduced. Key words Simulação computacional, secagem, milho, soja, trigo
1. INTRODUÇÃO Grãos colhidos com excesso de umidade devem ser secos para viabilizar ou seu posterior armazenamento. A operação de secagem constitui ponto crítico na recepção de grãos úmidos nas unidades armazenadoras. A infraestrutura de secagem normalmente não é dimensionada para atender o pico da demanda na época da colheita e devido a isso acontece o estrangulamento do processo causando imensas filas de espera com caminhões carregados de grãos úmidos. Grãos armazenados temporariamente nestas condições podem deteriorar-se em poucos dias. O máximo tempo permissível de armazenamento dos grãos depende principalmente do seu teor de umidade, temperatura e condições iniciais dos grãos. A operação de secagem é muito cara devido ao alto custo para aquisição dos secadores e também devido ao elevado consumo de energia elétrica e térmica. A energia consumida no processo de secagem constitui cerca de 50 a 60% do total de energia gasto na produção dos grãos. Além disso, a secagem é um dos principais fatores que afetam a qualidade de sementes e grãos. O secador de fluxo misto é largamente utilizado no Brasil para secagem de vários tipos de grãos. Devido à falta de controle automático neste tipo de secador é muito difícil para os armazenistas e operadores ajustarem o fluxo de grãos no secador de acordo com as suas condição iniciais para redução do teor de umidade até os níveis recomendados para o armazenamento seguro. Portanto, através da simulação do processo de secagem pode-se determinar as condições ideais de operação do secador de modo a agilizar a recepção, aliada ao máximo de eficiência energética. O programa de simulação desenvolvido, denominado MIXDRYER, simula o funcionamento de secadores de fluxo misto e foi desenvolvido principalmente para otimização da operação de recepção de grãos em unidades armazenadoras, para otimização do desenho do secador de fluxo misto e para fins instrucionais ou demonstrativos. O MIXDRYER simula a operação dos secadores contínuos de fluxo misto modelos KW110R (10 t/h), KW115R (20 t/h), KW215R (40 t/h), KW315R (60 t/h) e KW330R (100 t/h) produzidos pela Indústria Kepler WeberR. Esta linha de secadores possui sistema de circulação de ar que aproveita o ar de resfriamento dos grãos para secagem dos mesmos. Atualmente, este modelo deste secador tem sido fabricado por várias indústrias Brasileiras. O MIXDRYER pode simular a operação deste modelo de secador produzido por diferentes indústrias desde que fornecidas as informações técnicas solicitadas pelo programa. Essas informações se referem às dimensões do secador, dados relativos ao ventilador, capacidade nominal do secador e outros dados relativos à precisão a ser utilizada nos cálculos.
2. DESENVOLVIMENTO DO PROGRAMA DE SIMULAÇÃO A secagem e o resfriamento dos grãos no secador foi simulada assumindo-se que o fluxo misto é uma combinação dos fluxos concorrentes e contra correntes de grãos e ar de secagem. No secador de fluxos concorrentes os grãos e o ar tem a mesma direção e sentido enquanto que no secador de fluxos contracorrentes a direção é a mesma mas o sentido é contrário. Para simular as variações das condições de temperatura e umidade do ar e dos grãos em diferentes posições dentro do secador, utilizou-se o modelo matemático desenvolvido por Thompson et alii (1968). Este modelo realiza balanços de energia e massa entre o ar e os grãos de modo sequencial para cada camada e intervalo de tempo selecionados. A distância que separa os dutos de distribuição de ar na massa de grãos foi dividida em 10 camadas de igual espessura para a realização dos balanços de energia e massa. Na secagem com fluxos concorrentes as condições finais de temperatura e teor de umidade dos grãos, que descem por entre os dutos através da ação da gravidade, são as condições de iniciais para uma nova camada. Na secagem com fluxos contracorrentes, as condições finais de temperatura e umidade dos grãos e do ar são encontradas iterativamente. O processo de cálculo das condições finais de temperatura e umidade dos grãos e do ar é realizado para todas as camadas tanto na seção de secagem quanto na seção de resfriamento. No sistema contínuo de carga, em especial, os cálculos são mais complexos uma vez que as condições do ar de secagem são o resultado da mistura do ar de resfriamento com o ar proveniente da fornalha. Neste caso a solução é encontrada de forma iterativa porque as condições do ar de resfriamento não são conhecidas antecipadamente. No caso da secagem descontínua em que se utiliza todo o corpo do secador para a secagem o resultado final é encontrado diretamente pois neste caso são conhecidas as condições iniciais do ar de secagem. A secagem de cada camada de grãos é simulada utilizando-se, opcionalmente, os modelos de secagem em camadas finas desenvolvidas por Thompson et alii (1968) e Page (1949). As referências dos parâmetros das equações de secagem em camadas finas, equações de teor de umidade de equilíbrio e das equações que descrevem as propriedades físicas e térmicas dos grãos são mostradas no Quadro 1. Para o cálculo da resistência que os grãos oferecem à passagem de ar utilizou-se a equação da ASAE (1993c). Os cálculos de psicrometria foram realizados utilizando-se as equações da ASAE (1993d) . A plataforma utilizada foi o MS-WindowsTM por ser
bastante comum oferecendo ao usuário uma interface amigável sem
a necessidade de um treinamento especial na operação do
software.
Quadro 1 Referências dos parâmetros
das equações de secagem em camadas finas, teor de umidade de
equilíbrio e propriedades físicas e térmicas dos grãos
utilizadas no programa de computador Os algoritmos originais estavam escritos em Fortran e foram
transpostos para o Basic em quatro etapas: análise de
requisitos, especificação funcional, codificação e testes. Na
etapa de análise de requisitos foram utilizados os diagramas
S.A.D.T. (System Analisys and Design Technique). Esta ferramenta
permitiu o levantamento das necessidades a serem atendidas pelo
software como: as atividades envolvidas, os dados de entrada e
saída e a perfeita delimitação das fronteiras do problema a
ser solucionado. Durante a especificação funcional foram
utilizados diagramas de notação dos algoritmos matemáticos.
Nesta etapa também foi utilizado um editor de textos para a
criação do Manual de Operação do MIXDRYER. A linguagem de
programação utilizada na codificação foi o Visual BasicTM
3.0 Esta linguagem oferece bons recursos para o desenvolvimento
da interface com o usuário além de permitir a preparação de
discos de instalação do aplicativo, o que era um dos requisitos
do software. Os testes de software realizados em bancada foram
feitos em comparação com resultados obtidos de forma manual e
com o software anterior (Fortran). Os testes de instalação e
operação foram feitos nas plataformas MS-WindowsTM
3.1, MS-WindowsTM for Workgroups 3.11 e MS-WindowsTM 95. 3. APLICAÇÕES DO PROGRAMA DE SIMULAÇÃO O MIXDRYER simula o funcionamento do secador de fluxo misto para a secagem de milho, soja ou trigo facilitando a demonstração da sua operação. Possibilita ainda a otimização da recepção de grãos nas unidades armazenadoras e a otimização do projeto do secador com relação ao uso de energia e à qualidade do produto. O programa simula também a operação do secador usando sistema contínuo ou intermitente de carga. O programa resolve dois problemas muito comuns na operação do secador:
O MIXDRYER simula também o funcionamento de outros modelos de secadores permitindo a sua otimização. Deste modo, pode-se alterar as dimensões características do secador, vazão de ar e pressão estática do ventilador, número de dutos de distribuição de ar nas seções de secagem e de resfriamento, tipo de produto e precisão nos cálculos de umidade e temperatura dos grãos e do ar. As seguintes informações técnicas também são fornecidas como resultado da simulação: rendimento térmico do secador, consumo de combustível, temperatura máxima atingida pelos grãos, temperatura do ar após a fornalha, condições do ar após o resfriamento dos grãos e razão de mistura do ar de secagem (secagem contínua) e número de passadas no secador (secagem descontínua).
4. VALIDAÇÃO DO PROGRAMA DE COMPUTADOR O MIXDRYER se encontra ainda em fase de validação mediante a comparação de dados experimentais de secagem obtidos em condições reais de operação com dados simulados em computador. O programa de computador desenvolvido, apesar de que ainda não foi validado, tem apresentado resultados satisfatórios para as condições normais de operação dos secadores da linha Kepler WeberR para secagem contínua ou descontínua de milho, soja e trigo. Testes experimentais requeridos para validação de modelos matemáticos são dispendiosos e normalmente não são conclusivos devido as limitações das condições experimentais, equações de secagem em camada fina, equações de teor de umidade de equilíbrio e equações que descrevem as propriedades físicas e térmicas dos grãos.
5. REFERÊNCIAS
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