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Capítulo
MANUSEIO DE GRÃOS
Juarez de Sousa e Silva Adílio Flauzino de Lacerda Filho Roberta Martins Nogueira Gilmar Vieira
1. INTRODUÇÃO
O sistema de movimentação ou manuseio de grãos tem grande importância em uma unidade armazenadora. Pesquisas mostram que os danos mecânicos causados aos produtos, tanto em intensidade quanto no ponto onde o grão recebe o impacto, ocorrem devido ao uso inadequado dos equipamentos ou de equipamentos inapropriados para a movimentação do produto. SHREEKANT et al (2002) encontraram que os danos em semente de soja aumentaram em 2,9, em média, durante o transporte em elevador de canecas antes de cair na máquina de limpeza e lotes de sementes com teor de água a 10,7 b.u sofreram menos danos do que as sementes com menores teores de água. Em UBS modernas, os elevadores de caneco ou caçambas com correia vem sendo substituídos por elevadores de corrente com caçambas com o intuito de diminuir a quantidade de danos. Pesquisas mostram que a alta velocidade de movimentação, associada ao baixo teor de umidade do produto, constitui a principal causa de danos mecânicos em sementes. Assim, torna-se importante conhecer o princípio do funcionamento de cada equipamento para se obter melhor qualidade, diminuir o consumo de energia, evitar o desgaste nos componentes das máquinas, diminuir o tempo de operação e o gasto com a mão-de-obra e, ainda, garantir menor possibilidade de misturar o produto manuseado. Este último fator é de fundamental importância para quem trabalha com produção de sementes.
2. TIPOS DE TRANSPORTADORES
A racionalização do transporte de grãos e sementes para a movimentação interna em uma unidade armazenadora é um dos fatores que contribui para a redução dos custos operacionais e, se os transportadores forem adequadamente selecionados, contribuem
para a manutenção da qualidade do produto. O movimento de produto durante o processamento e armazenagem pode ser classificado em três grupos: transportes verticais, horizontais e por deslizamento; neste capítulo serão mencionados somente os transportadores mais utilizados em unidades armazenadoras e em fábricas de ração. Serão destacados os seguintes equipamentos:
a) Transportador helicoidal (rosca-sem-fim).; b) Elevador de caçambas. c) Fita transportadora. d) Transportador pneumático.
2.1. Transportador Helicoidal ou Rosca Sem-Fim É um equipamento simples e muito utilizado para fazer a movimentação de materiais granulares e farelos. Basicamente, consiste de um helicóide com movimento rotativo e de um condutor estacionário (tubo ou calha). O transporte é realizado quando o material, colocado em uma abertura de recebimento do condutor fixo, é deslocado ao longo do helicóide por seu movimento de rotação. Registros de descarga podem ser colocados em diferentes posições ao longo do transportador. Os transportadores helicoidais podem ser também utilizados para misturar diferentes materiais durante o transporte. São equipamentos compactos e de fácil instalação em locais congestionados. É normalmente montado na posição horizontal, podendo, entretanto, operar com qualquer inclinação. Basicamente, um transportador helicoidal é composto pelos seguintes elementos :
- helicóide;
- condutor;
- polia motora;
- suporte; e
- extremidades.
A Figura 1 mostra a configuração geral de um transportador helicoidal e as dimensões importantes para o cálculo da capacidade e da potência necessária para realizar o transporte do produto. Nos equipamentos pequenos, portáteis ou montados sobre rodas e que apresentam múltiplas funções de transporte em uma unidade armazenadora, a parte exposta ou extremidade de carga do transportador helicoidal pode não ser apoiada em mancais. Para os transportadores de grandes dimensões ou que trabalham em uma posição fixa, as extremidades tanto de carga como de descarga devem ser apoiadas em mancais com rolamentos blindados. No caso de o transportador apresentar grande comprimento, o helicóide deve ser apoiado em um ou mais mancais intermediários, que geralmente estão distanciados em 10 m. As dimensões características de um helicóide e que são apresentadas na Figura 1, são: a) Passo (P) : é a distância compreendida entre duas cristas consecutivas medidas paralelamente ao eixo do parafuso. No helicóide-padrão, o passo
2.1.2. Condutores Condutor é o componente do transportador que suporta o helicóide e contém o produto a ser transportado. Os condutores podem ser tubulares ou calhas em forma de "U", com ou sem tampa protetora (Figuras 1 e Figura 3). As calhas são utilizadas para o transporte horizontal e podem tolerar inclinações de até 20o, sendo muito utilizadas para o transporte de produtos como rações e farinhas. Os condutores cilíndricos, geralmente construídos em chapas metálicas, têm utilização bastante ampla, pois podem trabalhar em qualquer inclinação (entre o helicóide e o condutor deve existir um espaço variável de 1 a 10 mm). A carga e a descarga podem ser feitas em qualquer ponto ao longo do transportador, indiferentemente do tipo de condutor. Normalmente, a transmissão é feita por correia e polias, no caso de equipamentos de menor capacidade e com caixa de redução, no caso de transportadores de maior capacidade.
Figura 3 – Helicóide montado sobre calha aberta.
2.1.3. Dimensionamento do transportador Consiste em estimar a capacidade do transportador e a potência necessária para a execução de determinados trabalhos. A capacidade é função do tipo de produto e da taxa de carga. A Figura 4 mostra os fatores de carga para diferentes características dos produtos. A carga mínima de 45% destina-se a grãos ou material fino que não possui características abrasivas. A carga de 35% é adequada ao trabalho com materiais abrasivos, torrões e misturas de torrões com materiais finos. É também adequada para materiais fibrosos e polpas. Quando se trabalha com materiais pesados, abrasivos ou fibrosos, como o feno cortado e a areia, ela não deve ultrapassar 15%. Para condutores tubulares, como é o caso de grãos agrícolas, pode-se trabalhar até com 100% de carga. A capacidade nominal de um transportador helicoidal trabalhando na posição horizontal pode ser estimada pela equação 1:
Q = 4,71x10-5^ ( D^2 - d^2 ). p. N eq.
em que Q = capacidade de transporte, m^3 .h-1; D = diâmetro do helicóide, cm; d = diâmetro do eixo do helicóide, cm; p = passo do helicóide, cm; e N =número de rotações do eixo do helicóide, rpm.
Figura 4 – Fatores de carga para os transportadores helicoidais
Como a capacidade do transportador é função do diâmetro (D) e da velocidade periférica do helicóide (N), o diâmetro máximo da partícula do material a ser transportado determinará o diâmetro mínimo do transportador. Assim, o tamanho, a consistência, a fluidez e a abrasividade do material limitam a velocidade máxima. A Tabela 1 fornece os valores de massa específica e fator de potência para o dimensionamento do transportador helicoidal, e a Tabela 2 relaciona as variáveis que influenciam a capacidade do transportador, para uma taxa de carga de 45%. Relacionando as variáveis contidas nas Tabelas 1 e 2, obtém-se a máxima rotação admitida para um determinado produto e diâmetro do transportador (equação 2):
m^3 .h-1^ req. = (ton.h-1) / (ton.m-3)
rpm req. = (m^3 .h-1) / (m^3 .h-1.rpm-1) eq.
A potência requerida (equação 3) é função da capacidade, do comprimento, do tipo de apoio do helicóide e do material transportado.
P = 2,22x10-4^ ( Q. Me. L. Fm ) eq.
em que P = potência do requerida do transportador, cv; Q = capacidade do transportador, m^3 .min-1; Me = massa específica do material, kg.m-3; L = comprimento total do transportador, m; e Fm = fator de potência (depende do material), adimensional.
- o fluxo de grãos ou a capacidade necessária; e
- as distâncias horizontais e verticais.
Necessita-se determinar: 1 - o ângulo de inclinação aproximado; 2 - o comprimento do transportador requerido; 3 - o número de rotações (rpm) da rosca; 4 - as dimensões do helicóide; 5 - o diâmetro da polia motora; 6 - o comprimento da parte exposta da rosca; e 7 - a potência necessária ao bom funcionamento do equipamento.
Os itens 1 e 2 podem ser obtidos segundo exemplo na Figura 5; o item 3, como na Figura 6; e os itens 3 a 7 podem ser determinados por tabelas, fórmulas e diagramas.
Figura 5 - Conversão de distâncias horizontais e verticais em ângulo de inclinação e distância inclinada.
Figura 6 – Diagrama para cálculo da rotação do helicóide.
Na Tabela 4 são apresentadas a capacidade, a potência requerida (equação 3) e a potência nominal para diferentes tamanhos de helicóides-padrão (diâmetro = passo), para transporte horizontal de milho.
TABELA 4 - Capacidade (m^3 /h), potência requerida (cv) e nominal (cv) para transporte horizontal de milho com diferentes tamanhos de helicóides (diâmetro=passo)
Diâmetro Característica 200 rpm 400 rpm 800 rpm (cm) Comprimento (m) 5 10 15 5 10 15 5 10 15 Pot. Requerida.^1 0,16 0,33 0,49 0,33 0,65 0,98 0,65 1,30 1, 12 Pot. Nominal^2 1/2 1/2 1/2 1/2 3/4 1 3/4 1 1/2 2 Capac.^3 15 15 15 30 30 30 60 60 60 Pot. Requerida 0,33 0,65 0,98 0,65 1,30 1, 15 Pot. Nom. 1/2 3/4 1 3/4 1 1/2 2 Capacidade 30 30 30 60 60 60 Pot. Requerida 0,79 1,57 1, 20 Pot. Nominal. 1 2 2 Capacidade 70 70 70 Nota: para inclinações de 15o^ e 25o, a capacidade reduze entre 30 e 55%, respectivamente. 1. potência requerida; 2. potência nominal; 3. capacidade
cada passagem das caçambas (carga) e que elas permaneçam limpas após descarga. As caçambas ou canecas (Figuras 7 e 11) podem ser fabricadas em metal, plástico ou fibra de vidro. A característica do material a ser transportado exige formas distintas de caçambas, para evitar danos ao produto e aumentar o rendimento do transporte. Neste sistema, o produto é elevado a uma altura que possibilita sua distribuição por gravidade, por meio de dutos especiais. A carga das caçambas é feita na base, ou pé, e pode ocorrer em:
- posição posterior, do lado em que as caçambas estão descendo; e
- posição anterior, do lado que as caçambas estão subindo. A carga pela posição anterior é preferível, porque nela produtos com pouca fluidez, como o café úmido e o arroz em casca, danificam menos o sistema de fixação das caçambas à correia e a própria caçamba.
2.2.1. Cabeça do elevador É o componente no qual se faz a descarga do produto, que pode ser realizada pela ação da força centrífuga ou pela gravidade. O dispositivo de descarga consta de um prolongamento da cabeça do elevador, cuja principal característica consiste em minimizar os danos ao produto, devido ao impacto durante a descarga. No caso de transportadores de grande capacidade, a polia superior, que é responsável pela movimentação do sistema correia/caçambas, tem a superfície vulcanizada, a fim de minimizar o índice de patinação que ocorre principalmente no início do acionamento. Em geral, o acionamento é feito por um motor elétrico acoplado a uma caixa de redução. Nos elevadores de pequena capacidade, as polias são simples e o sistema redutor de velocidade é feito pelo conjugado polia/correia. O freio de retrocesso é um componente da cabeça do elevador, que impede o retorno das caçambas, caso haja interrupção no fornecimento de energia elétrica. Com isso, evitam-se entupimentos e outros tipos de problemas. Nos transportadores de pequena capacidade, o freio mais utilizado é do tipo catraca. Para os elevadores de grande capacidade, podem ser utilizados os freios de fita metálica ou, ainda, os freios eletromagnéticos. A Figura 8 mostra a cabeça do elevador de caçambas, com detalhes de seus componentes.
2.2.2. Corpo Geralmente é constituído de chapas metálicas com perfil retangular ou circular. É a estrutura que sustenta a cabeça do elevador e serve como condutor do sistema correia/caçambas. O corpo é composto de módulos com extremidades flangeadas, para permitir a união entre eles por meio de parafusos. Em um dos módulos existe uma abertura com tampa, destinada aos serviços de manutenção e reparos.
2.2.3. Pé ou Base É construído em chapas metálicas e possui os seguintes componentes (Figura 9):
- polia inferior;
- esticador de correia;
- dispositivo de carga; e
- janelas de inspeção e limpeza.
A polia inferior tem a superfície de contato vazada (Figura 10), a fim de evitar o esmagamento e acúmulo de grãos entre a polia e a correia, o que poderia causar o desalinhamento do sistema e danos ao produto. O esticador de correia é constituído por um sistema cujos mancais do eixo inferior são montados em um componente móvel. O deslocamento é feito pela ação sobre parafusos de " chamada", o que, além de esticar, permite também o alinhamento da correia. O dispositivo de carga é responsável pelo direcionamento do produto nas caçambas. Como sua posição interfere na intensidade de impacto do produto durante a carga, influenciará diretamente o desempenho do transportador. As janelas de visita são aberturas, em forma de registro de gaveta, que permitem a limpeza dos restos de produtos ou impurezas remanescentes da operação anterior.
Figura 7 – Componentes de elevador de caçambas.
Figura 8 – Detalhes da cabeça de um transportador de caçambas.
2.2.5. Caçambas São recipientes fixados na correia ou corrente e recebem o produto no ponto de carga. Dependendo das características do produto a ser transportado e da capacidade do transportador, as caçambas terão desenhos, tamanhos e modo fixação diferentes. O espaçamento entre as caçambas influencia a capacidade do elevador, e a distância entre elas é de aproximadamente duas vezes a sua largura. Nos elevadores com caçambas contínuas, forma-se uma sequência de quinze a vinte caçambas, e somente a inferior possui fundo. Esta disposição refere-se a elevadores de alta capacidade (Figura 11).
Figura 11 – Modos de distribuição de caçambas na correia do elevador.
2.2.6. Estimativa da Capacidade e da Potência
A capacidade e a potência para acionar elevadores de caçambas dependem do tipo de descarga. Produtos sujeitos a danos por impacto, que reduzem seu índice de germinação e seu vigor, podem ser descarregados por gravidade. Neste caso, a velocidade da correia não deve ultrapassar os 30 m.min-1. O equipamento com descarga centrífuga, utilizado no transporte de grãos comerciais, apresenta maior velocidade na correia e, conseqüentemente, maior capacidade de transporte. A rotação necessária para que ocorra a descarga por centrifugação pode ser obtida a partir da equação 4: N = 30/ R ½^ eq.
em que N = velocidade tangencial ou periférica da polia motora, rpm; e R = raio efetivo da polia motora, m.
Raio efetivo é a distância entre o centro da polia e o centro geométrico da caçamba (Figura 12).
A velocidade linear das caçambas (v, m.min.-1) pode ser calculada pela equação
v = 2. ππππ. R. N eq. 5
A capacidade do transportador (Q, kg.min-1) é função da capacidade de cada caçamba, da velocidade e do número de caçambas por metro de correia. A equação 6 permite estimar a capacidade do transportador.
Q = v. n. q eq. em que q = capacidade de cada caçamba, kg de produto.caç-1^ ; e n = número de caçambas por metro de correia, caç.m-1.
Para calcular a potência exigida para o acionamento do elevador carregado, além da capacidade de transporte, deve-se considerar a altura a que o produto deve ser elevado (equação 7).
P = 2,22x10-4^ ( Q x H ).Fa eq. em que P = potência requerida, cv; H = altura de elevação do produto, m; e Fa = fator de segurança (1,10 a 1,15).
A Tabela 5 apresenta as características mínimas de um elevador de caçambas para diferentes capacidades de transporte de milho.
Figura 12 – Caracterização do raio efetivo e sistema de forças na polia motora.
Rd = comprimento do ramo descendente da correia, m; e r = raio da polia, m.
Quando os valores de Ra e Rd são iguais, correspondem à altura de elevação do produto. Assim: L = 20 + 20 + (2. 3,14. 0,3) = 41,90 m
Sendo o número total de caçambas igual a 211, Ter-se-á: n = 211/41,9 = 5 caçambas por metro de correia.
A capacidade do transportador será (equação 6):
Q = 111,5. 5. 0,8 = 446 kg.min-1^ = 0,6 m^3 .min-
b) A potência obtida a partir da equação 7 fornece: P = 2,22. 10-4^. (446. 20). 1,15 = 2,5 cv.
2.3. Fita Transportadora Equipamento de alta eficiência mecânica em que os danos por atrito ou impacto só ocorrem, eventualmente, durante a carga ou na descarga. A correia é composta de uma polia motora, uma polia-guia com esticador, roletes ou plataforma de deslizamento, chassis ou estrutura de suporte e sistemas para carga e descarga. De instalação e operação simples, é usada para transportes leves (frutas) ou mais pesados (grãos, brita, minerais, etc.). Um transportador de correia pode operar em altas velocidades e transportar produtos a longas distâncias, mas o limite de sua inclinação para o transporte
de produtos agrícolas é de 15 o^. Tem custo inicial e vida útil maiores que de outros tipos de transportadores. As Figuras 13 e 14 mostram detalhes de um transportador de correia.
Figura 13 - Fita transportadora de materiais granulados.
Figura 14 – Corte transversal de uma correia transportadora do tipo reversível ou dupla.
As principais características mecânicas que a correia transportadora deve possuir são: a) Flexibilidade : deve-se adaptar a qualquer diâmetro de polia sem se tornar quebradiça, o que poderia reduzir sua vida útil. b) Resistência à tensão : deve ser resistente a este esforço, visto que, está sempre sujeita a este tipo de deformação. c) Resistência à corrosão : o revestimento da correia deve ser resistente à corrosão, pois, em muitos casos, o produto pode receber tratamentos químicos por meio de equipamentos instalados sobre a correia para o controle de insetos. A resistência à abrasão é uma característica importante, principalmente para o transporte de arroz.
O sistema de acionamento da correia é instalado no ponto de descarga, e a polia motora deve ter um diâmetro que permita o máximo de contato com a correia. Em muitos casos, é necessário um número maior de polias não apenas para ajudar no esticamento, mas também para solucionar os problemas devidos à contração e expansão da correia provenientes de variações climáticas do ambiente. O ajustamento ou esticamento de uma correia pode ser feito por meio de parafusos de "chamada", instalados no suporte da fita, por meio de polias livres no ramo de retorno ou por contra- peso no eixo da polia secundária (mais usados em correias de grande capacidade). Nos transportadores de correia, a carga pode ser feita em um ponto fixo por meio de uma peça metálica de configuração geométrica afunilada ou por meio de um componente móvel que permita o deslocamento para a carga ao longo de toda a correia. A descarga pode ser feita naturalmente, no extremo oposto à carga ou em qualquer ponto, por meio do "tripper", que consiste no arranjo de duas polias livres que dão à correia a configuração de um "S" invertido (Figura 15).
V = velocidade da correia, m.min-1; L = largura da correia, cm; C = comprimento do transportador, m; M = vazão mássica do produto, ton.h-1; e h = altura de elevação, m.
2.3.2. Exemplos
a) Dimensionar o sistema de transporte de acordo com as especificações apresentadas na Figura 16:
Figura 16 - Sistema hipotético de secagem e armazenagem.
1. Cálculo do elevador do secador : o elevador deve atender à capacidade do secador, que é de 10 toneladas por hora. Para garantia de fluxo, recomenda-se que o secador seja calculado com carga adicional de 20%. Portanto, o elevador deverá ser dimensionado para uma capacidade de 12 toneladas por hora. Supondo que a polia motora possua raio de 30 cm e raio efetivo de 35 cm, pode- se calcular sua rotação utilizando-se a equação 4: N = 30 / (0,35)1/2^ ≅ 51 rpm Utilizando-se a equação 5, calcula-se a velocidade linear mínima das caçambas que permitirá descarga centrífuga: V = 2πRN = (2). (3,14). (0,35). (51) ≅ 112 m.min-
Admitindo-se a capacidade do elevador como12 t.h-1^ e a capacidade unitária da caçamba de 450 g, o número de caçambas por metro de correia, segundo a equação 6, será: 12 t.h-1^ ≅202 kg.min-1^ = Vnq = (112).(n).(0,450) n = 4 caçambas por metro de correia
A potência necessária para acionar o elevador carregado é calculada segundo a
equação 7: P = 2,22 x 10-4^ Q.H.Fa = 2,22.10-4. (202).(15).(1,15) = 0,77cv ≅ 1,0cv
2. Cálculo da rosca-sem-fim : a rosca sem fim deve atender à capacidade do secador com capacidade adicional de 20%. Portanto, a rosca também deverá ser dimensionada para a capacidade de 12 toneladas por hora ou 0,28 m^3 .min-1, para o produto com massa específica de 721 kg.m-3. Utilizando um helicóide-padrão com diâmetro e passo iguais a 15 cm, diâmetro do eixo igual a 5 cm e rotação de 120 rpm, pode-se calcular a potência necessária para o acionamento da rosca de acordo com a equação 3:
P = 2,22 x 10-4^ (Q.Me.L.Fm) = (2,22 x 10-4).(0,28).(721).(10).0,4 = 0,18 cv
Pela Tabela 3, deve-se multiplicar o resultado por 2. Assim, P = 0,18 x 2 ≅ 0,36 cv.
Comercialmente, adota-se um motor de 0,5 cv.
3. Cálculo do elevador para o silo: utilizando-se procedimentos semelhantes ao empregado no cálculo do elevador do secador, considerando um elevador com cinco caçambas por metro e capacidade de 15 t.h-1, encontram-se os seguintes valores:
N = 30 / (0,35)1/2^ ≅ 51 rpm V = 2πRN = (2). (3,14). (0,35). (51) ≅ 112 m.min- Q = Vnq = (112).(5).(0,450) ≅ 252 kg.min-1^ ≅ 15 t.h- P = 2,22 x 10-4^ Q.H.Fa = 2,22 x 10-4^. (252).(12).(1,15) = 0,77 cv ≅ 1,0 cv
4. Cálculo da fita transportadora: a fita deve atender à capacidade do elevador do silo, que é de 15 toneladas por hora, com capacidade adicional de 20%. Portanto, a fita deverá ser dimensionada para uma capacidade de 18 toneladas por hora ou 0, m^3 .min-1, para um produto com massa específica de 721 kg.m-3. Utilizando uma fita com um ângulo de sobrecarga de 10o, pode-se, por meio de tentativas e com os valores da Tabela 6, estimar a largura da fita. O volume transportado (Vol) é função da velocidade (Vel) e da área da seção transversal da fita carregada (A). Admitindo, como primeira tentativa, uma fita com 36 cm de largura e velocidade máxima de 122 m.min-1, o volume transportado será:
Vol = A.Vel = (0,0069).(122) = 0,84 m^3 /min = 50,4 m^3 /h = 36,3 t/h
Pode-se calcular a potência necessária para o acionamento da fita de acordo com a equação 9: P = [1,292 x 122 x 36 (0,015 + 3,28.10-4^ x 40) + 36,3 (0,48 + 9,9.10-3x 40) + +(3,33 x 0 x 36,3)] / 100 = 1,91 cv ≅ 2,0 cv
