Avaliação Energética e Econômica da Secagem de Grãos com Secador e Caldeira, Notas de estudo de Energia

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VANDERLEY DE OLIVEIRA

AVALIAÇÃO ENERGÉTICA E ECONÔMICA DA SECAGEM DE GRÃOS

UTILIZANDO SECADOR DE COLUNA COM CALDEIRA AQUATUBULAR

CASCAVEL

PARANÁ - BRASIL

FEVEREIRO – 2014

VANDERLEY DE OLIVEIRA

AVALIAÇÃO ENERGÉTICA E ECONÔMICA DA SECAGEM DE GRÃOS

UTILIZANDO SECADOR DE COLUNA COM CALDEIRA AQUATUBULAR

CASCAVEL

PARANÁ - BRASIL

FEVEREIRO - 2014

Dissertação apresentada à Universidade Estadual do Oeste do Paraná, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Energia na Agricultura – PPGEA, linha de pesquisa: Racionalização de energia em processos agroindustriais, pelo mestrando Vanderley de Oliveira, como requisito para obtenção do título de Mestre. Prof. Orientador Dr. Reginaldo Ferreira Santos Coorientador: Dr. Samuel Nelson Melegari de Souza.

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TERMO DE APROVAÇÃO

iii

Não se escreve por se querer dizer alguma coisa,

escreve-se porque se tem alguma coisa para dizer.

Scott Fitzgerld

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Figura 26 Teste de calorimetria – Preparo da Amostra .......................................

Figura 27 Teste de calorimetria – Preparo da Amostra/Pesagem.......................

Figura 28 Teste de calorimetria – Preparo do Equipamento ...............................

Figura 29 Teste de calorimetria – Lançamento de dados ...................................

LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1 Projeções do Fluxo de Caixa ...............................................................

Gráfico 2 Projeções do Payback descontado ......................................................

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OLIVEIRA, V. UNIOESTE, February, 2014. Energy and Economical Evaluation of Grain Drying Using Column Dryer with Watertube Boiler. Professor Advisor Dr. Reginaldo Ferreira Santos.

ABSTRACT

The present paper aimed at assessing the energy and economic parameters of grain drying, using a watertube boiler. Seeking an energy and economic evaluation of grain drying, it was chosen to research the drying of corn grains, using a column dryer – double reuse – model Comil CM 150 DR and a watertube boiler – model CW 40. Studies were accomplished about the concepts and principles of drying; the technical data of the column dryer – CM 150 DR; the Boiler – Watertube CW 40; the alternative sources of solid fuels and Energy and Economic Analysis of the System. Considering that the main challenge of the appropriate storage of grains is to maintain the physical, chemical and biological properties the grains hold, imediatly after the harvest. The drying operation is an important part of the processing which precedes the storage, and extremely important for this process. The rational use of energy in the drying of agricultural products can contribute to an economy of fuel and obviously, to the reduction of the drying costs. The drying system with watertube boiler, showed the advanges as follows: stability and control of temperature; modulation of air flow; fuel economy; electrical energy economy; possibility of drying any kind of grain; possiblity of drying seeds; elimination of fire hazard. In the economical analysis, it was considered an investment of R$ 350.000,00; the minimum acceptable rate of return (MARR) of 3,5% per year, the net present value (NPV) in the period of 15 years, will be R$ 452.241,54. The internal rate of return (IRR) is 17,89 % per year. The project has presented profitability index (PI) of 1,29 % and rate of return (ROR) of 29 %, considered attractive. The Payback period, considered as the time required to recover the capital invested in the project, is 7 years, therefore staying positive and indicating economical viability.

Key words: Drying, column dryer, watertube boiler, energy sources and economic financial analysis.

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• Figura 1 Diagrama do Processo de Secagem ..................................................... LISTA DE FIGURAS
• Figura 2 Relação entre Base úmida e seca .........................................................
• Figura 3 Secagem por convecção sem circulação de ar......................................
• Figura 4 Secagem por convecção com circulação de ar......................................
• Figura 5 Secagem por contato..............................................................................
• Figura 6 Secagem Liofilizada ...............................................................................
• Figura 7 Secagem por vapor superaquecido........................................................
• Figura 8 Caldeiras Aquatubulares – SSGB.........................................................
• Figura 9 Sistema de Trocador de Calor .............................................................
• Figura 10 Secador de Coluna...............................................................................
• Figura 11 Secador de Coluna - Fluxo de ar na massa de Grãos..........................
• Figura 12 Secador de Coluna – Descarga volumétrica.........................................
• Figura 13 Secador de Coluna – Descarga volumétrica.........................................
• Figura 14 Preparo da amostra de lenha ...............................................................
• Figura 15 Preparo da amostra de lenha ...............................................................
• Figura 16 Amostra de Briquetes ...........................................................................
• Figura 17 Amostra de Briquetes ...........................................................................
• Figura 18 Industria de Briquetes .........................................................................
• Figura 19 Amostra de Pelletes .............................................................................
• Figura 20 Mapa do Paraná – Santa Helena - PR.................................................
• Figura 21 Secador de Coluna - Fluxo de ar na massa de Grãos..........................
• Figura 22 Caldeira Aquatubular – AW 40 .............................................................
• Figura 23 Trocador de Calor ................................................................................
• Figura 24 Teste de calorimetria – Preparo do Equipamento ...............................
• Figura 25 Teste de calorimetria – Preparo do Equipamento ...............................
• Tabela 1 Rendimento de Secagem em função do Produto ............................... LISTA DE TABELAS
• Tabela 2 Rendimento de Secagem em função da Umidade do produto...........
• Tabela 3 Rendimento de Secagem em função da Temperatura .......................
• Tabela 4 Temperatura Máxima de Secagem na Massa de Grãos .....................
• Tabela 5 Rendimento de Secagem em função da Umidade do ar .....................
• Tabela 6 Valores da Qualidade do Combustível .................................................
• Tabela 7 Dados Técnico do Secador – CM 150 DR............................................
• Tabela 8 Características Físicas da Madeira – Verde ........................................
• Tabela 9 Características Físicas da Madeira – Seca .........................................
• Tabela 10 Dados Técnicos da Caldeira AWD .......................................................
• Tabela 11 Poder Calorífero das principais fontes energéticas .............................
• Tabela 12 Parâmetro obtidos da Secagem - Produto e Amostra..........................
• Tabela 13 Parâmetro obtidos da Secagem – Ambiente........................................
• Tabela 14 Parâmetro obtidos da Secagem - Secador e Secagem........................
• Tabela 15 Parâmetro obtidos da Secagem - Eficiência Energética.......................
• Tabela 16 Custos de Manutenção da Caldeira Aquatubular – AWD....................
• Tabela 17 Custos Variáveis para a secagem – Energia Elétrica ..........................
• Tabela 18 Custo Total Anual do Sistema ..............................................................
• Tabela 19 Projeções de Recebimento e Secagem de produtos agrícolas ...........
• Tabela 20 Projeções de Receitas no investimento ...............................................
• Tabela 21 Resumo dos Indicadores Econômicos .................................................
• INTRODUÇÃO ...................................................................................................... ÍNDICE
• 1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..............................................................................
• 1. Secagem...........................................................................................................
• 1.1. Umidade de um Sólido...................................................................................
• 1.2. Métodos de Secagem.....................................................................................
• 1.2.1. Secagem por convecção.............................................................................
• 1.2.2. Secagem por condução...............................................................................
• 1.2.3. Secagem por radiação ................................................................................
• 1.2.4. Secagem Dielétrica......................................................................................
• 1.2.5. Secagem por Liofilização ............................................................................
• 1.2.6. Secagem por Vapor Super Aquecido .........................................................
• 1.2.7. Secagem em Leito Fludizado Ativos...........................................................
• 1.2.8. Secagem com Secadores e Caldeiras Aquatubular....................................
• 1.3. Sistemas de Secagem...................................................................................
• 1.3.1. Secagem Intermitente.................................................................................
• 1.3.2. Secagem Contínua.....................................................................................
• 1.3.3. Secagem Combinada.................................................................................
• 1.3.4. Secagem Re-Secagem...............................................................................
• 1.3.5. Secagem Seca-Aeração.............................................................................
• 1.4. Secadores......................................................................................................
• 1.4.1. Aspectos operacionais do secador ............................................................
• 1.4.1.1. Torre de secagem ...................................................................................
• 1.4.1.2. Fluxo de ar na massa de grãos ...............................................................
• 1.4.1.3. Temperatura............................................................................................
• 1.4.1.4. Descarga volumétrica..............................................................................
• 1.4.2. Rendimento do secador ............................................................................. x
• 1.4.2.1. Produto ....................................................................................................
• 1.4.2.2. Umidade de entrada e saída dos grãos ..................................................
• 1.4.2.3. Temperatura de secagem .......................................................................
• 1.4.2.4. Temperatura e Umidade Relativa do ar ..................................................
• 1.5. Fontes Energéticas .......................................................................................
• 1.5.1. Principais fontes energéticas .....................................................................
• 1.5.1.1. Lenhas de Eucaliptus; Grevilhas e Leucenas .........................................
• 1.5.1.2. Briquetes .................................................................................................
• 1.5.1.3. Pellets ......................................................................................................
• 1.5.1.4. Carvão .....................................................................................................
• 1.5.1.5. Sabugo de Milho .....................................................................................
• 1.5.2. Poder Calorífico..........................................................................................
• 1.6. Aspectos Econômicos ...................................................................................
• 1.6.1. Análise Econômica do Sistema de Investimento ........................................
• 1.6.2. Estrutura de Custos -Despesas ..................................................................
• 1.6.3. Estrutura de Custos - Projeção do Fluxo de Caixa.....................................
• 1.6.4. Estrutura de Custos - Projeção do Demonstrativo de Resultado ...............
• 1.6.5. Indicadores Econômicos de Investimentos ................................................
• 1.6.5.1. Taxa Média de Atratividade ....................................................................
• 1.6.5.2. Valor Presente Líquido (VPL) .................................................................
• 1.6.5.3. Taxa Interna de Retorno (TIR) ................................................................
• 1.6.5.4. Índice de Lucratividade ...........................................................................
• 1.6.5.5. Período Pay back descontado ................................................................
• 2. MATERIAL E MÉTODOS .................................................................................
• 2.1. Local e Coleta de Dados ..............................................................................
• 2.2 Secadores......................................................................................................
• 2.2.1. Tipos de Secadores................................................................................... xi
• 2.2.2. Sistemas de Secagem...............................................................................
• 2.3. Fontes Energéticas .......................................................................................
• 2.3.1. Lenha..........................................................................................................
• 2.4. Avaliação Energética ....................................................................................
• 2.5. Sistema de Caldeira e Secador ....................................................................
• 2.6. Teste de Calorimetria de Biomassas para caldeiras ....................................
• 2.7. Análises Estatísticas e Ajuste de Equações .................................................
• 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO .........................................................................
• 3.1. Análise Energética..........................................................................................
• 3.1.1. Aspectos Energéticos - Poder Calorífico superior (PCS)...........................
• 3.1.1.1. Teste de médias ......................................................................................
• 3.1.1.2. Poder Calorífico .......................................................................................
• 3.1.2. Aspectos Energéticos da Secagem de Milho.............................................
• 3.1.2.1. Parâmetros da Secagem - Produto..........................................................
• 3.1.2.2. Parâmetros da Secagem - Ambiente........................................................
• 3.1.2.3. Parâmetros da Secagem - Secador .........................................................
• 3.1.2.4. Parâmetros da Secagem - Eficiência Energética......................................
• 3.2. Aspectos Econômicos.....................................................................................
• 3.2.1. Análise Econômica do Sistema de Investimento..........................................
• 3.2.1.1. Estrutura de Custos - Despesas................................................................
• 3.2.1.2. Estrutura de Custos - Receitas..................................................................
• 3.2.1.3. Estrutura de Custos - Fluxo de Caixa........................................................
• 3.2.2. Demonstração de Resultados e Indicadores Econômicos .........................
• 3.2.2.1. Taxa Média de Atratividade - TMA............................................................
• 3.2.2.2. Valor Presente Líquido - VPL...................................................................
• 3.2.2.3. Taxa Interna de Retorno - TIR..................................................................
• 3.2.2.4. Índice de Lucratividade ( IL ) e Taxa de Retorno ( TR )............................ xii
• 3.2.2.5. Período Payback Descontado...................................................................
• 3.2.3. Resumo dos indicadores Econômicos ........................................................
• 4. CONCLUSÃO .....................................................................................................
• 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................
• ANEXOS.................................................................................................................

secagem com radiador; secagem limpa; não há contaminação por fumaça; não apresenta grãos ardidos pela secagem; após a secagem o cereal apresenta aparência brilhante; os grãos não sofrem trincas e pode variar a temperatura de secagem em função da umidade. No aspecto economia: Não há consumo de gás; apresenta o uso racional de lenha; pode ser utilizado biomassa (= cascas a granel ou prensada); redução de até 50% no consumo de lenha; custo unitário por unidade secada de até 70% menor; milho com qualidade excelente para o consumo humano; melhor programação e previsão de fontes de energia com antecedência (=economia). Na segurança: Equipamento seguro contra risco de acidente (= Fogo em secadores); a caldeira tem quadro elétrico que automatiza todas as funções; fornalha fechada; saída de fumaça por chaminé dimensionada (=poluição ambiental) e risco zero de incêndio no corpo do secador. O Objetivo deste trabalho foi a avaliação energética-econômica da utilização de um secador de coluna com sistema de vapor em substituição a fornalha convencional. A avaliação energética dos sistemas de secagem, apresentou determinada através da metodologia desenvolvida por BAKKER-ARKEMA et al. (1978, apud SOBRINHO 2001, p.30 ). Houve o calculo da viabilidade econômica com a substituição, através do levantamento do potencial de redução do consumo de lenha (eucaliptus), com o sistema proposto no processo de secagem do milho.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

1. SECAGEM Conforme PARK (2007), a secagem é a remoção de uma substância volátil (comumente, mas não exclusivamente, água) de um produto sólido. E a quantidade de água presente no sólido é chamada de umidade. Esta definição de secagem exclui a concentração de uma solução e a remoção mecânica de água por filtragem ou centrifugação.. Exclui também métodos térmicos relatados à destilação. Durante a secagem é necessário um fornecimento de calor para evaporar a umidade do material e também deve haver um sorvedor de umidade para remover o vapor água, formado a partir da superfície do material a ser seco. (Figura 1 ).

Transferência De Calor TransferênciaDe Massa

Fonte; ALONSO (1998), citado por PARK (2007) Figura 1. Diagrama do processo de secagem

O fornecimento de calor da fonte quente para o material úmido que promoverá a evaporação da água do mesmo e em seguida a transferência de massa arrastará o vapor formado. Do ponto de vista de fornecimento de calor, os mecanismos básicos de transferência de calor empregados indicam os possíveis equipamentos necessários. A retirada do vapor de água formado na superfície do material é analisada do ponto de vista de movimento do fluido, indicando também os possíveis equipamentos para esta finalidade. Assim, observa-se que dois fenômenos ocorrem simultaneamente quando um sólido úmido é submetido à secagem: _ Transferência de energia (calor) do ambiente para evaporar a umidade superficial. Esta transferência depende de condições externas de temperatura, umidade do ar, fluxo e direção de ar, área de exposição do sólido (forma física) e pressão. _ Transferência de massa (umidade), do interior para a superfície do material e sua subsequente evaporação devido ao primeiro processo. O movimento interno da umidade no material sólido é função da natureza física do sólido, sua temperatura e conteúdo de umidade.

Fonte de calor Sorvedor de Umidade

Material a ser seco

A transformação da umidade de uma base para outra pode ser obtida pelas seguintes expressões e pela Figura 2.: Wd Ww = ( 3 ) 1 + Wd

Ww Wd = ( 4 ) 1 - Ww

Figura 2. Relação entre base úmida e seca Fonte: Pacheco (2013)

1.2. Métodos de Secagem

Segundo D`ARCE (2011), o calor se propaga de um ponto para outro por condução, convecção e irradiação térmica. O calor em uma massa de grãos é propagado por condução de grão para grão quando encontram-se em contato, é também conduzido por micro-convecção, em decorrência do fluxo de ar intergranular que se desloca. A massa de grãos é um bom isolante, oferecendo uma resistência ao fluxo de calor da ordem de 1/3 da resistência da cortiça. Conforme PARK (2007), existem vários métodos que podem ser utilizados para fornecer calor para o

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material, assim é muito difícil classificar todos os métodos de secagem. Os mais importantes estão descritos a seguir (STRUMILLO e KUDRA, 1986; KEEY, 1978). Para se ter uma ideia geral são apresentados alguns exemplos.

1.2.1. Secagem por convecção Este é um dos métodos mais comuns, onde o calor sensível é transferido para o material por convecção. O agente de secagem (ar pré aquecido) passa sobre ou através do sólido, evaporando a umidade e transportando-a para fora do secador (Figura 3 ). Tendo em mente o aumento da eficiência térmica e a economia de energia, uma recirculação total ou parcial do ar de secagem é também muito utilizada (Figura 4). As condições de secagem podem ser controladas pela temperatura e umidade do ar aquecido.

Fonte: PARK (2007) Fonte: PARK (2007) Figura 3: Secagem por convecção Figura 4: Secagem por convecção sem circulação de ar.. Com circulação de ar

1.2.2. Secagem por condução Se o material a ser seco é muito fino ou muito úmido, este método é o mais apropriado. O calor é fornecido ao material úmido por condução (contato) de superfícies aquecidas, que suportam ou confinam o material, tais como: bandejas, placas, cilindros ou paredes de secadores (Figura 5). A temperatura do material é maior do que na secagem por convecção e os coeficientes de transferência de calor do material para a superfície aquecida e da superfície aquecida para o ar aquecido governam o total de calor transferido ao material.