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dimensionamento de fornalha.
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1
UNIJUÍ – Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul
DeTec – Departamento de Tecnologia
Curso de Engenharia Mecânica – Campus Panambi
DANIELI GESSI DE OLIVEIRA
DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DE UMA FORNALHA DE FOGO INDIRETO
PANAMBI
2011
2
DANIELI GESSI DE OLIVEIRA
DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DE UMA FORNALHA DE FOGO INDIRETO
Trabalho de conclusão de curso apresentado à
banca avaliadora do curso de Engenharia
Mecânica da Universidade Regional do
Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul –
UNIJUÍ, como requisito parcial para a
obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
Banca Avaliadora:
1° Avaliador: PROF. ROGER HOFFMANN, M. Eng.
2° AVALIADOR (ORIENTADOR): PROF. LUÍS ANTONIO BORTOLAIA, M. ENG.
3
À toda a minha família pelo amor, carinho
e estímulo que me ofereceram, dedico-lhes essa
conquista como gratidão.
4
AGRADECIMENTOS
A Deus pai, que esteve sempre ao meu lado servindo de refúgio nas horas mais difíceis.
A meu esposo Anderson, pelo amor, carinho, compreensão, pela dedicação e,
especialmente, por estar ao meu lado, dando-me forças para concluir este trabalho.
Ao meu pai João Carlos (in memoriam), que com certeza esteve ao meu lado em todos
os momentos, a minha mãe Erci e a minha sogra Neiva pela pelo apoio e carinho.
Ao professor Luís Antônio Bortolaia, pela valiosa e motivadora orientação, pelo,
incentivo e amizade.
À empresa Engegran Indústria e Montagens Ltda. pela oportunidade de desenvolver um
estudo sobre seu equipamento e pelo fornecimento das informações necessárias para o
desenvolvimento deste trabalho
À Universidade Regional do Noroeste do Rio Grande do Sul cujos conhecimentos lá
obtidos, me foram à base técnica necessária para desenvolver este trabalho.
MUITO OBRIGADO!
5
RESUMO
A exigência de melhores rendimentos e qualidade no processo de secagem de
sementes e gêneros alimentícios, fez com que empresas fornecedoras de equipamentos para
armazenagem buscassem soluções que atendessem aos requisitos deste mercado. Visando
atender a esse mercado a empresa Engegran Indústria e Montagens Ltda. desenvolveu uma
fornalha de fogo indireto que pelo seu principio de funcionamento mantém as características
físicas e de qualidade do produto exigidas. Juntamente com essa fornalha, o sistema de
secagem para sementes, também é formado por um secador desenvolvido pela empresa
Engegran próprio para essa aplicação. Com base no projeto existente deste sistema de
secagem e informações cedidas pelo fornecedor destes equipamentos, desenvolveu-se um
método de cálculo para dimensionamento deste conjunto visando à análise entre o projeto
existente com os resultados obtidos nos cálculos. Através de uma análise feita em cima dos
resultados obtidos concluiu-se que houve algumas divergências entre os valores calculados e
os dados do equipamento e sugeriram-se algumas alterações no projeto para melhor
funcionamento e desempenho do sistema bem como sugestões para futuros estudos.
Palavras chaves: secagem, fornalha de fogo indireto, secador, dimensionamento, resultados,
alterações.
6
ABSTRACT
The demand for higher efficiency and quality in drying of seeds and food, made
equipment suppliers to seek storage solutions that meet the requirements of this market. In
order to satisfy this market, the company Engegran Indústria e Montagens Ltda. developed an
indirect fire furnace that by its principle of operation maintains the physical characteristics
and quality of product required. Along with this furnace, the drying system for seeds also
consists of a dryer developed by Engegran suitable for this application. Based on the existing
design of this drying system and information provided by the supplier of these equipments, it
was developed a calculation method for sizing this set with the aim of analysis between the
existing project with the results obtained in the calculations. Through an analysis of the
results obtained, it was concluded that there were some differences between the calculated
values and the data of the equipment, and it was suggested a few design changes for the better
functioning and performance of the system as well as suggestions for future studies.
Keywords: drying, indirect fire furnace, drying system, sizing, results, changes.
7
LISTA DE FIGURAS
Figura 1– Classificação do Método de Secagem (SILVA, 2005). ........................................... 14
Figura 2– Secagem Natural (SILVA, 2005). ............................................................................ 14
Figura 3– Secador de Leito Fixo (SILVA, 2005). .................................................................... 15
Figura 4– Secador de Fluxos Cruzados (SILVA, 2005). .......................................................... 16
Figura 5– Secador de Fluxos Contracorrentes (SILVA, 2005). ............................................... 16
Figura 6 – Secador de Fluxos Concorrentes (SILVA, 2005). .................................................. 17
Figura 7– Secador Tipo Cascata (SILVA, 2005). .................................................................... 18
Figura 8– Fornalha de Fogo Direto (MAGALHÃES, 2007). .................................................. 21
Figura 9– Fornalha de Fogo Indireto (MAGALHÃES, 2007). ................................................ 22
Figura 10– Esquema do Trocador de Calor Tubo Duplo. ........................................................ 23
Figura 11 – Esquema do Trocador de Casco e Tubo (VICTORIA, 2009). .............................. 24
Figura 12 – Esquema do Trocador de Calor de Placas (VICTORIA, 2009). ........................... 25
Figura 13 – Esquema de Funcionamento do Secador Intermitente.(ENGEGRAN, 2010). ..... 27
Figura 14 – Fornalha de Fogo Indireto FI 500. (ENGEGRAN, 2010). .................................... 28
Figura 15 – Fornalha de Fogo Indireto FI 500. (ENGEGRAN, 2010). .................................... 28
Figura 16 – Esquema do Balanço de Energia. (MAGALHÃES, 2007). .................................. 37
Figura 17 – Corte da fornalha (ENGEGRAN, 2010). .............................................................. 45
8
LISTA DE TABELAS
Tabela 1– Capacidade de Secagem SIE 500. ............................ Erro! Indicador não definido.
Tabela 2 – Valores de Carga K. ................................................. Erro! Indicador não definido.
Tabela 3– Composição química da lenha. ................................................................................ 34
Tabela 4 – Excesso de Ar para vários tipos de combustíveis. .................................................. 35
Tabela 5– Valores de U para vários tipos de trocador de calor. ............................................... 40
Tabela 6 – Comparativo do Secador SIE 500........................................................................... 42
Tabela 7 – Comparativo da Fornalha FI 500. ........................................................................... 43
Tabela 8 – Dimensões da Câmara de Combustão FI 500. ........................................................ 45
9
LISTA DE SÍMBOLOS
A Área do trocador de calor [m2]
A�� Área de grelha [m²]
A���� Área do tubo do trocador de calor [m2]
Cap�� �� Capacidade diária [ton]
Carga� Fator conforme tipo de combustível [kcal/m³h]
C��O Calor específico da água [kcal/kg°C]
Cm Calor específico do produto a ser secado [kcal/kg°C]
c� Calor específico [kcal/kg°C]
comp���� Comprimento do tubo do trocador de calor [m]
d Diâmetro do tubo do trocador de calor [m]
F Fator de correção -
hf Teor de umidade final BU [%]
hi Teor de umidade inicial BU [%]
K Fator de carregamento da fornalha e tipo de combustível [kg/m².h]
m � Massa de ar comburente [kg]
m���� Quantidade de combustível necessária [kcal/kg]
m� ���� Vazão mássica das cinzas [kg/h]
m� ��� Vazão mássica dos gases que saem da fornalha [kg/h]
m� � ��� Vazão mássica dos gases gerados na combustão [kg/h]
m� ��� � Vazão mássica real de ar comburente [kg/h]
n Número de tubos do trocador -
P Perdas [%]
PCI Poder calorífico inferior [kcal/kg]
q Quantidade de calor trocado [kcal]
Q Quantidade de calor necessário à secagem [kcal]
Q! Quantidade de calor na fornalha [kcal]
q# Energia calorífica do ar quente [kcal]
q$ Energia calorífica do ar frio [kcal]
r Calor latente d’água [kcal/kg°C]
t Tempo [h]
ta Temperatura inicial do produto [°C]
10
te Temperatura de exercício de secagem [°C]
t#� Temperatura de entrada do fluido quente [°C]
ton Toneladas [ton]
t#� Temperatura de saída do fluido quente [°C]
t$� Temperatura de saída do fluido frio [°C]
t$� Temperatura de entrada do fluido frio [°C]
U Coeficiente global de troca térmica [kcal/m²h°C]
V Vazão volumétrica de ar [m³/h]
V���� Volume da câmara de combustão [m³]
W Peso de entrada do produto a ser secado [kg]
α Fator de excesso de ar [%]
η Rendimento [%]
∆T Variação de temperatura [°C]
∆Tml A média logarítmica das temperaturas dos fluidos [°C]
11
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 12
1 REVISÃO BBLIOGRÁFICA .............................................................................................. 13
1.1 PROCESSO DE SECAGEM DE GRÃOS ......................................................................... 13
1.2 FORNALHAS .................................................................................................................... 18
1.2.1 Classificação das Fornalhas ............................................................................................. 20
1.3 TROCADOR DE CALOR ................................................................................................. 22
1.3.1 Classificação dos Trocadores de Calor ............................................................................ 22
2 ESTUDO DE CASO ............................................................................................................ 26
2.1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 26
2.1 SECADOR INTERMITENTE SIE 500 ............................................................................. 26
2.2 FORNALHA DE FOGO INDIRETO FI 500 ..................................................................... 27
2.3 SISTEMA DE SECAGEM DE SEMENTES ..................................................................... 28
2.4 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE SECAGEM PARA SEMENTE .................. 28
2.4.1 Cálculo da Capacidade de Calor Necessária para a Secagem ......................................... 29
2.4.2 Cálculo da Vazão de Ar Necessária para a Secagem ...................................................... 31
2.4.3 Dimensionamento da Fornalha ........................................................................................ 31
2.4.4 Balanço de Energia .......................................................................................................... 36
2.4.5 Dimensionamento do Trocador de Calor ........................................................................ 38
3 ANÁLISE DOS RESULTADOS......................................................................................... 42
3.1 INTRUDUÇÃO .................................................................................................................. 42
3.2 COMPARATIVO DOS VALORES CALCULADOS DO SECADOR SIE 500 .............. 42
3.3 COMPARATIVO DOS VALORES CALCULADOS DA FORNALHA FI 500 ............. 42
3.4 COMPARATIVO DO TROCADOR DE CALOR ............................................................ 43
3.5 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS .................................................................................. 43
3.6 RECOMENDAÇÕES PARA ALTERAÇÃO DO PROJETO ........................................... 44
3.7 SUGESTÕES PARA ESTUDOS FUTUROS DO SISTEMA DE SECAGEM ................ 46
CONCLUSÃO .......................................................................................................................... 47
REFERÊNCIAS ....................................................................................................................... 48
ANEXO A– CATÁLOGO DO SECADOR INTERMITENTE .............................................. 49
12
INTRODUÇÃO
Com a intensa globalização dos mercados agrícolas que estão cada vez mais dinâmicos
e interligados, existe uma exigência em relação aos processos produtivos no que se refere à
qualidade dos produtos e ao preço final de mercado.
A necessidade de conhecimentos sobre conservação de grãos fica evidenciada quando
são analisadas as potencialidades brasileiras de produção agrícola e são verificadas grandes
perdas de parte do que se produz, em função de deficiências em infra-estrutura, como falta de
unidades de secagem e armazenamento e/ou de suas inadequações, causando prejuízo ao
produtor.
Na produção de sementes e gêneros alimentícios não é recomendada a utilização de
temperaturas elevadas para secagem e nem o contato do ar aquecido com o produto para que
seja garantida a qualidade do produto de acordo com as exigências de qualidade. Por isso, em
sistemas de secagem de unidades de beneficiamento de sementes e alimentos, o sistema de
secagem deve ser bem projetado para evitar danos e perdas de grãos e também, prejuízos ao
produtor.
Para unidades sementeiras e alimentícias, é preferível a instalação de fornalha de fogo
indireto que além de fornecer uma temperatura de secagem ideal para esses tipos de produto,
não ocorre o contato do ar aquecido com os grãos envolvidos no processo evitando desta
forma a contaminação pelas impurezas geradas na queima do combustível. Neste tipo de
fornalha o aquecimento do ar de secagem se dá através de um trocador de calor.
A empresa Engegran Indústria e Montagens, fornecedora de equipamentos para
unidades armazenadoras é uma fabricante deste modelo de fornalha que será a base de estudo
deste trabalho. Através do projeto existente, busca-se realizar uma análise da fornalha
verificando se o que está sendo executado é coerente com os resultados obtidos pelo método
de cálculo empregado e disso, tirar as conclusões devidas do projeto, e, se necessário,
recomendações de alteração na forma construtiva da fornalha e demais equipamentos
envolvidos no processo de secagem.
13
1 REVISÃO BBLIOGRÁFICA
Neste capítulo apresenta-se uma breve introdução sobre os assuntos pertinentes ao
estudo em questão trazendo algumas definições relevantes para o entendimento do leitor
sobre a metodologia utilizada.
1.1 PROCESSO DE SECAGEM DE GRÃOS
A colheita de sementes com umidade acima da recomendada para a armazenagem
segura torna-se uma prática comum entre os produtores, pois as sementes permanecendo na
lavoura após a maturidade fisiológica ficam expostas à ação das mudanças de temperatura e
umidade que podem causar significativos danos físicos e fisiológicos. Antecipando-se a
colheita das sementes, as mesmas possuem um alto grau de umidade, porém possuem
reduzidos índices de danificação e deterioração do produto.
Para garantir que estas sementes com grau de umidade elevado não sejam danificadas,
causando prejuízo ao produtor, é necessário que haja um sistema de secagem.
As principais vantagens da secagem segundo SILVA (2008) são:
• Permite antecipar a colheita, disponibilizando a área para novos cultivos;
• Minimiza a perda do produto no campo;
• Permite armazenagem por períodos mais longos, sem o perigo de
deterioração do produto;
• O poder germinativo é mantido por longos períodos; e
• Impede o desenvolvimento de microrganismos e insetos.
O processo de secagem envolve a retirada parcial de água das sementes através da
transferência simultânea de calor do ar para as sementes e de água, por meio de fluxo de
vapor, das sementes para o ar.
O método de secagem pode ser classificado conforme mostra o fluxograma a seguir
(Figura 1).
14
Figura 1– Classificação do Método de Secagem (SILVA, 2005).
• Secagem Natural
Emprega energia solar ou eólica (Figura 2), para remover a umidade dos grãos. Os
grãos são dispostos em eiras ou lonas, observando que se deve ter o cuidado para que os grãos
possam ser secos uniformemente. Este método é pouco afetado por danos mecânicos e
térmicos, no entanto, dependente das condições psicrométricas do ar ambiente, que muitas
vezes não são adequadas para a secagem. É um método adequado para reduzida quantidade de
grãos.
Figura 2– Secagem Natural (SILVA, 2005).
• Secagem Artificial
Basicamente refere-se ao insuflamento de ar aquecido através de um volume de
sementes que permanece estático. É necessário ter cuidado na operação do equipamento de
secagem para que os grãos mais próximos da entrada de ar não sejam aquecidos a uma
temperatura muito alta, causando uma secagem excessiva e nem que os mais distantes
demorem muito tempo para serem secos. A secagem artificial é dividida em:
15
• Secagem de baixa temperatura: o ar de secagem neste método não
ultrapassa em mais que 10 graus Celsius da temperatura ambiente.
Estruturalmente, pode-se considerar como sendo secadores dessa
modalidade os silos.
• Secagem em altas temperaturas: operam com temperatura acima de 10
graus Celsius da temperatura ambiente. Podem ser classificados
primeiramente em função dos sentidos dos fluxos do ar de secagem e da
massa de grãos: leito fixo, fluxos cruzados, fluxos contracorrentes, fluxos
concorrentes e fluxos mistos (secador tipo cascata). E segundo em função à
forma de funcionamento podem ser classificados em contínuos e
intermitentes.
- Secadores de leito fixo (Figura 3): a camada de grão a ser secada permanece estática neste
sistema. O sistema dispõe de fornalha a lenha, ventilador e câmara de secagem com
capacidade estática em torno de 5 toneladas.
Figura 3– Secador de Leito Fixo (SILVA, 2005).
- Secadores de Fluxos Cruzados: os grãos e o fluxo de ar de secagem se cruzam sob um
ângulo de 90° na câmara de secagem. Conforme é mostrado na figura 4, ocorre inversão de
lado das colunas de grãos da primeira para segunda câmara de secagem. Isto é feito para
homogeneizar o teor de umidade na massa de grãos. Pois, o produto que se encontra mais
próximo à entrada do ar de secagem, torná-lo mais seco e aquecido.
16
Figura 4– Secador de Fluxos Cruzados (SILVA, 2005).
- Secador de Fluxos Contracorrentes: os fluxos de grãos e ar de secagem ocorrem em
sentidos opostos, sendo que o fluxo de grãos ocorre no sentido da gravidade e o fluxo
de ar em sentido ascendente. Em seu funcionamento, a frente de secagem permanece
sempre junto ao fundo. Esse sistema de secagem é composto por um silo que possui:
fundo perfurado, sistema de aquecimento, ventilador e sistema de movimentação de
grãos. À medida que ocorre a secagem, a camada de grãos seca é transportada para silos
armazenadores ou então, é depositada na parte superior da massa de grãos. Para tanto, o
sistema de movimentação de grãos é acionado por um termostato que monitora o
avanço da frente de secagem. Quando o termostato detecta temperatura próxima a 70 °C
é acionado o sistema de movimentação de grãos.
Figura 5– Secador de Fluxos Contracorrentes (SILVA, 2005).
- Secador de Fluxos Concorrentes: os fluxos de ar de secagem e grãos têm o mesmo sentido
de deslocamento (Figura 6).
Produto
Ventiladores
17
Figura 6 – Secador de Fluxos Concorrentes (SILVA, 2005).
- Secador de fluxos mistos ou secador do tipo Cascata: de acordo com SILVA (2005), é o
modelo de secador mais utilizado pelas unidades armazenadoras, disponibilizado com
capacidades de secagem de 15 a 250 t/h. Estruturalmente, esses secadores possuem uma torre
central montada pela superposição vertical de caixa dutos. Uma caixa duto é formada por
dutos montados em uma fileira horizontal. Conforme pode ser observado na Figura 7, 2/3 da
altura da torre correspondem à câmara de secagem. Pelo lado esquerdo entra o ar de secagem
com temperaturas entre 60 a 100°C. E do lado direito é procedida a sucção do ar exausto, que
geralmente possui temperatura em torno de ± 7°C acima da temperatura ambiente. O 1/3
inferior da altura da torre é destinado à câmara de resfriamento. Cujo objetivo é retirar calor
da massa de grãos, deixando-a com temperatura próxima a ideal para a armazenagem. Para o
secador esquematizado, ocorre o reaproveitamento do ar que sai da seção de resfriamento.
Assim, ao invés de lançá-lo ao ambiente, este é misturado ao ar de secagem, melhorando o
rendimento do secador. O secador esquematizado na Figura 7 tem ventiladores colocados na
parte superior, podendo também dispô-los na lateral ou junto à base. A função dos
ventiladores é garantir a vazão de ar necessária à secagem. Sobre a torre do secador está
montada a Pirâmide de Carga ou Funil de Carga sendo que neste local deve ser mantida uma
quantidade de grãos que permita a torre sempre estar cheia. Isto evita a passagem direta do ar
de secagem de um lado da torre para o outro o que representa uma economia de energia
calorífica.
18
Figura 7– Secador Tipo Cascata (SILVA, 2005).
E quanto ao seu funcionamento classificam-se:
- Secador Contínuo: quando o produto necessita passar uma só vez pelo secador para atingir
o teor de umidade desejado.
- Secador intermitente: o produto necessita recircular por várias vezes.
1.2 FORNALHAS
As fornalhas são equipamentos projetados para garantir a queima completa do
combustível, de modo eficiente e contínuo, em condições que permitam o aproveitamento da
energia térmica liberada da combustão, obtendo-se maior rendimento térmico possível. O
projeto de uma fornalha é baseado nos 3Ts da combustão: temperatura, turbulência e tempo.
19
O tamanho e a forma da fornalha dependem do tipo de combustível, do dispositivo
usado para queimá-lo e da quantidade de energia a ser liberada num intervalo de tempo. Para
que ocorra a combustão completa do combustível, deve-se buscar uma mistura ar-combustível
homogênea, na dosagem ideal e no tempo correto. Com isso, obtém-se um aquecimento do
combustível até a sua ignição auto-sustentável.
As fornalhas devem ser dimensionadas para garantir a combustão completa dos
combustíveis, que podem ser sólidos, gasosos e líquidos.
As fornalhas devem ser dimensionadas para:
• Permitir a alimentação continua e uniforme do combustível;
• Possuir aberturas reguláveis para a entrada de ar primário e secundário;
Possibilitar distribuição uniforme e turbulenta do ar na câmara de combustão;
• Assegurar a estabilidade da queima e a continuidade operacional do sistema;
• Permitir a remoção eficiente das cinzas;
• Apresentar boa tiragem para a retirada continua dos produtos da combustão.
Segundo MAGALHÃES (2007), para assegurar a queima dos combustíveis que
fornecerão calor ao ar e promover a secagem dos grãos, a fornalha basicamente deve ser
constituída de:
• Câmara de combustão: espaço destinado ao processo da combustão propriamente
dita, no qual todos os compostos combustíveis devem ser oxidados, liberando
energia térmica. A temperatura é um dos quesitos principais no dimensionamento
da fornalha. Uma câmara de combustão muito grande pode não propiciar a
temperatura mínima de combustão dos combustíveis, enquanto, em câmaras
menores, pode não ocorrer à queima completa dos gases liberados do combustível
em virtude do curto tempo de permanência deles na câmara.
• Grelha: estrutura que mantém o combustível sólido suspenso durante o processo
de combustão, enquanto o ar comburente circula por sua superfície. As grelhas
devem propiciar a sustentação dos combustíveis, assim como permitir a passagem
das cinzas para o cinzeiro e devem ser produzidas com material resistente a altas
temperaturas como o ferro fundido.
• Cinzeiro: depósito localizado abaixo da grelha, destinado ao armazenamento dos
resíduos da combustão (cinzas). Dependendo da configuração, também se destina à
passagem do ar comburente.
20
• Entradas de ar: são responsáveis pela passagem do ar comburente para o interior
da fornalha. Elas devem ser reguláveis e localizadas em pontos estratégicos no
corpo da fornalha, favorecendo a mistura do comburente com o combustível.
• Saídas dos gases: as saídas dos gases devem ser localizadas em função da
configuração da fornalha, ou seja, na forma de chaminé, exaurindo os gases da
combustão no ambiente, ou em forma de aberturas que permitam o aproveitamento
desses gases.
• Sistema de alimentação: normalmente em fornalhas a lenha, a alimentação é feita
manualmente, por meio de uma abertura na câmara de combustão, na qual o
combustível é disposto sobre a grelha. No caso de fornalhas para combustíveis
particulados, a alimentação deve ser preferencialmente mecanizada, por meio de
alimentadores com rosca sem fim ou por sistemas pneumáticos.
1.2.1 Classificação das Fornalhas
As fornalhas podem ser classificadas de acordo com a forma de aquecimento do ar,
sendo que podem ser de fogo direto onde o ar de secagem é proveniente dos gases de
combustão ou de fogo indireto que utiliza trocadores de calor.
- Fornalhas de fogo direto: os gases resultantes da combustão são misturados com o
ar ambiente. Esse tipo de mistura pode gerar contaminantes indesejáveis que entram em
contato com os grãos ou com as sementes. Neste tipo de fornalha é necessário que haja um
ciclone, que na verdade tem a função de um decantador, em que as partículas mais pesadas
(partículas incandescentes) sejam separadas do fluxo gasoso pela ação da força centrífuga. A
fornalha de fogo direto possui maior rendimento do que a fornalha de fogo indireto.
Por mais que esse tipo de fornalha possua um bom rendimento, seu uso não é
aconselhável para a secagem de gêneros alimentícios como feijão, café, arroz, cacau,
amendoim entre outros, pois pode ocorrer a contaminação pelos gases de combustão além de
influenciar no sabor, odor e até em sua aparência. Para este caso recomenda-se o uso da
fornalha de fogo indireto.
Na figura 8 pode-se visualizar um modelo de fornalha a lenha, de fogo direto, em que
o ar comburente passa pela área livre da grelha antes de entrar na câmara de combustão. Pode-
se perceber também que existe uma chicana para aumentar o tempo de retenção dos gases de
combustão, promovendo tempo suficiente para a realização da combustão, além do quebra
chamas para apagamento de fagulhas.
21
Figura 8– Fornalha de Fogo Direto (MAGALHÃES, 2007).
- Fornalha de fogo indireto: destina-se a atividades agrícolas que requerem
temperaturas controladas, não muito altas. O ar frio, ao entrar pelos tubos do trocador de
calor, é aquecido pelo fluido circulante na carcaça até uma temperatura máxima determinada
pelo equilíbrio com a temperatura do fluído circulante. Além da grande durabilidade, a
fornalha em questão apresenta como vantagem a não-contaminação do ar aquecido, mesmo
quando a combustão é incompleta.
Na Figura 9, é apresentado o esquema básico de uma fornalha para aquecimento
indireto utilizando trocador de calor. Nota-se que no interior da câmara de combustão foi
instalada uma estrutura metálica, por onde circulavam os fluidos quentes. Esta estrutura é
aquecida pelas chamas da lenha em combustão. O fluido circula por convecção natural, sendo
conduzido a um trocador de calor água-ar que aquecia o ar de secagem. Os gases de
combustão são conduzidos para a chaminé e exauridos para o ambiente.
22
Figura 9– Fornalha de Fogo Indireto (MAGALHÃES, 2007).
1.3 TROCADOR DE CALOR
Um trocador de calor é um equipamento onde ocorre uma troca térmica entre dois
fluidos normalmente separados por uma parede. Há diversos tipos construtivos, dentre os
quais, um dos mais usados industrialmente é o de feixe tubular, constituído por um conjunto
de tubos envolto por um casco. Um dos fluidos circula no interior dos tubos e o outro fluido
escoa no lado externo.
1.3.1 Classificação dos Trocadores de Calor
Os trocadores de calor podem ser classificados de acordo com sua geometria como:
• Duplo tubo;
• Casco e tubo;
• Placas;
• Outros: Trocadores compactos, resfriadores de ar, variações do casco e
tubo, etc.
23
- Trocadores tubo duplo (Figura 10): é composto por dois tubos concêntricos, geralmente
com trechos retos e com conexões apropriadas nas extremidades de cada tubo para dirigir os
fluidos de uma seção reta para outra. Neste tipo de trocador, um fluido escoa pelo tubo
interno e outro, pelo espaço anular, a troca de calor ocorre através da parede do tubo interno.
Suas principais vantagens são:
• Facilidade de construção e montagem;
• Facilidade de manutenção e acesso para limpeza.
Figura 10– Esquema do Trocador de Calor Tubo Duplo.
- Trocador de calor casco e tubo (Figura 11): é composto por um casco cilíndrico,
contendo um conjunto de tubos, colocados paralelamente ao eixo longitudinal do casco. Os
tubos são presos, em suas extremidades a placas perfuradas denominadas espelhos e a cada
furo corresponde a um tubo do feixe. Os espelhos são presos de alguma forma ao casco. Os
tubos que compõe o feixe atravessam várias placas perfuradas, as chicanas, que servem para
direcionar o fluido que escoa por fora dos tubos e também para suportar os tubos. No trocador
um dos fluidos escoará pelo interior dos tubos e outro por fora dos tubos.
A distribuição dos tubos é padronizada e o número de tubos que é possível distribuir
em um determinado diâmetro, depende do diâmetro externo do tubo, da distância e arranjo
dos tubos que compõe o feixe e do número de passagens no lado do tubo.
O espaçamento entre as chicanas é padronizado. A redução no seu espaçamento tende
a elevar o coeficiente de troca de calor do lado do casco, entretanto, tende a aumentar também
a perda de carga o que pode sobrecarregar o sistema de movimentação do fluido.
24
Figura 11 – Esquema do Trocador de Casco e Tubo (VICTORIA, 2009).
- Trocador de calor de placas: conforme mostrado na figura 12, consiste de um
suporte, onde placas independentes de metal, sustentadas por barras, são presas por
compressão, entre uma extremidade móvel e outra fixa. Entre placas adjacentes formam-se
canais por onde os fluidos escoam. As placas são feitas por prensagem e apresentam na
superfície corrugações, as quais fornecem mais resistência à placa e causam maior turbulência
aos fluidos em escoamento. As vantagens destes equipamentos são:
• Facilidade de acesso a superfície de troca, substituição de placas e facilidade
de limpeza;
• Flexibilidade de alteração da área de troca térmica;
• Fornece grandes áreas de troca ocupando pouco espaço;
• Pode operar com mais de dois fluidos;
• Apresenta elevados coeficientes de transferência de calor;
• Incrustação reduzida em função da turbulência, ocasionando menos paradas
para limpeza;
• Baixo custo inicial;
• Não é necessário isolamento;
• Mesmo que a vedação falhe não ocorre à mistura das correntes;
• Possibilidade de respostas rápidas em função do pequeno volume de fluido
retido no trocador.
25
Figura 12 – Esquema do Trocador de Calor de Placas (VICTORIA, 2009).
- Trocador de calor Compacto: são equipamentos que apresentam alta razão entre
área de transferência de calor e volume do trocador. São exemplos deste tipo de trocador os
trocadores de placa e espiral, trocadores com tubos aletados, resfriadores a ar e variações do
trocador casco e tubo.
26
2 ESTUDO DE CASO
2.1 INTRODUÇÃO
O trabalho de análise se realizará tendo como base uma fornalha de fogo indireto
fabricada pela Empresa Engegran Indústria e Montagens Ltda. modelo FI 500. Este modelo de
fornalha é utilizada juntamente com o secador para promover a remoção da umidade dos
grãos ou sementes, mais precisamente, esta fornalha foi projetada para atender as
necessidades de secagem para um secador intermitente modelo SIE 500 que também é
fabricado pela Empresa.
2.1 SECADOR INTERMITENTE SIE 500
O secador intermitente é indicado para secagem da cultura do arroz, mas também com
bons resultados nas culturas de milho, soja, trigo, sorgo, etc.. Combinando este modelo de
secador com a fornalha de fogo indireto, obtêm-se bons resultados na secagem de sementes e
de gêneros alimentícios como o feijão.
O secador intermitente SIE 500 é composto por: sistema de aspiração de ar
(ventiladores), funil de carga, câmara de homogeneização, torre de secagem, funil de descarga
e duto de entrada do ar quente. Seu funcionamento consiste em na ação do calor por pequenos
espaços de tempo, intercalados por períodos mais longos onde não há o contato com o ar
aquecido. Este processo evita o super aquecimento dos grãos e permite a remoção da umidade
de modo mais suave e eficiente, resultando em um rendimento de sementes inteiras superior
aos processos comuns de secagem.
Enquanto que no secador de coluna continuo a torre de secagem é praticamente em
toda a extensão do secador, exceto no funil de carga e funil de descarga, no secador
intermitente a torre de secagem é de proporção menor. Acima dela há uma câmara de
homogeneização que tem função de resfriar as sementes antes que as mesmas tenham um
novo contato com o ar aquecido proveniente da fornalha, já que na secagem deste gênero não
é recomendado o contato com o ar quente por muito tempo.
27
Figura 13 – Esquema de Funcionamento do Secador Intermitente.(ENGEGRAN, 2010).
.
2.2 FORNALHA DE FOGO INDIRETO FI 500
A fornalha metálica de fogo indireto Engegran FI 500 (Figura 14) é constituída pela
câmara de combustão, pelo revestimento com material refratário, pela estrutura externa
metálica, pelo trocador de calor, pela porta de alimentação do combustível, pelos cinzeiros,
pelo duto de ligação fornalha/secador e pela chaminé que promove a saída dos gases para o
ambiente e pelas entradas de ar natural.
28
Figura 14 – Fornalha de Fogo Indireto FI 500. (ENGEGRAN, 2010).
2.3 SISTEMA DE SECAGEM DE SEMENTES
O sistema de secagem para sementes da empresa Engegran, basicamente é composto
pelos equipamentos mostrados na figura 15:
Figura 15 – Fornalha de Fogo Indireto FI 500. (ENGEGRAN, 2010).
2.4 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE SECAGEM PARA SEMENTE
Para a realização do cálculo do sistema de secagem que envolve os equipamentos
descritos acima, é necessário ter o conhecimento de algumas informações relacionadas ao
método utilizado para o dimensionamento destes equipamentos. Na tabela 1 são descritas
29
algumas informações fornecidas pelo fabricante em relação à capacidade de secagem e em
quais condições estas foram consideradas:
Tabela 1– Capacidade de Secagem SIE 500.
SECADOR INTERMITENTE SIE 500
Capacidade Capacidade
Estática (scs) m³ ton
45 27 544
Capacidade de secagem diária por faixas de redução de umidade (ton)
24% → 13% 22% → 13% 18% → 13% 24% → 16% 22% → 16%
70 84 130 90 112
Observações:
A capacidade de secagem, assim como a quantidade de energia necessária,estão definidas
para as seguintes condições:
• Temperatura ambiente de 20 °C;
• Umidade relativa ambiente = 60%;
• Pressão atmosférica de 717 mmHg;
• Produto: sementes de soja (750 kg/m³);
• Teor de Impurezas de 1%;
• Temperatura de Secagem de 60 °C.
2.4.1 Cálculo do calor necessário para a secagem
De acordo com MILMAN (2002) a quantidade de calor necessária para elevar a
temperatura dos grãos e da água que o impregna, até a temperatura de regime pode ser
calculado conforme a equação 1:
( = * +,100 − ℎ1100 234 + , ℎ110023��67 89: − 9;< + =*8ℎ1 − ℎ><100 − ℎ> ? @ + A (1)
Sendo que:
Q = quantidade de calor necessário à secagem em kcal;
W = peso de entrada do produto a ser secado em kg;
hi = teor de umidade inicial %BU;
30
hf = teor de umidade final %BU;
Cm = calor específico do produto a ser secado (grão ≈ 0,47 kcal/kg°C);
CH2O = calor específico da água (1 kcal/kg°C);
r = calor latente d’água (568 kcal/kg°C, a 50°C);
te = temperatura de exercício de secagem (50°C) constante;
ta = temperatura inicial do produto (ºC);
P = perdas ≈ 30%
Para o cálculo, considera-se a umidade inicial de secagem como sendo 18% e a final
sendo 13%, assim com a Tabela 1 obtêm-se a quantidade de produção diária. Sabe-se que em
período de safra um secador trabalha em torno de 10 horas por dia, então é considerado o
valor de W como sendo:
* = 3;BCDEFDE9 (2)
* = 1309GH10ℎ@I
* = 139GH = 13.000KL
O valor da temperatura de entrada do produto é estimado em 20°C, conforme a tabela 1.
Então:
( = 13000 KL ℎM +,100− 18
1002 0,47KO;P KL°3M + , 18
1002 1 KO;P KL°3M 7 850℃− 20℃<
+RSSST13000
KL ℎM 818− 13<100 − 13
UVVVW
568KO;P KL°3M
Q = 644 874 kcal/h
Considerando uma perda de 30% tem-se que a quantidade de calor necessária para a
retirada de umidade dos grãos é de:
Qperda= Q⋅P (3)
Qperda= 644874 kcal/h1,3
Qperda= 838336 kcal/h
Para os cálculos que seguem, considera-se o valor de Qperda = Q.
31
2.4.2 Cálculo da Vazão de Ar Necessária para a Secagem
Conforme MILMAN (2002), a vazão de ar necessária para a secagem da massa de
grãos é dada pela equação 4:
X = (0,286 ∙ ∆9 (4)
V = vazão de ar em m³ de ar por hora;
Q = quantidade de calor em kcal/h;
∆t = diferença de temperatura com que deve ser aquecido o ar em °C.
Como já foi mencionado anteriormente, para fins de cálculo considera-se a
temperatura inicial do ar como sendo 20°C, ou seja, o ar que entra no trocador de calor para
ser aquecido, e a temperatura de saída que é a temperatura de saída como sendo 60°C. Assim
a vazão de ar necessária para a secagem é:
X = 8383360,286 ∙ 860− 20<
V = 73281 m³/h
2.4.3 Dimensionamento da Fornalha
- Cálculo da Quantidade de Calor na Fornalha
A fornalha como qualquer equipamento ou máquina possui certo rendimento, ou seja,
para garantir que as exigências de projeto sejam atendidas na prática, considera-se um fator de
correção. No caso em questão, estima-se um rendimento de 85% na fornalha. Então a
quantidade de calor que a fornalha deverá fornecer para que ocorra a secagem é dada por:
([ =(\ (5)
([ =8383360,85
([ = 986277,65KO;P/ℎ
32
- Cálculo da Quantidade de Combustível a ser Consumido
Conhecendo-se a quantidade de energia a ser fornecida pela fornalha, por unidade de
tempo, pode-se determinar o consumo de combustível para atender à demanda de energia
requisitada:
m� ^_`a = ([A3b (6)
Sendo:
4^_`a= quantidade de combustível necessária em kcal/kg;
PCI = poder calorífico inferior (lenha = 2800 kcal/kg).
m� ^_`a = 986277,65KO;P/ℎ2800KO;P/KL
m� ^_`a = 352,2KL/ℎ
- Cálculo da Área da Grelha
Conforme WEBER (2005) a área da grelha é dada pela equação:
cdF = m� ^_`ae (7)
Sendo K um fator que varia de acordo com o combustível e forma de carregamento na
fornalha. Tem-se que:
• Para grelhas planas e lenha:
• Carga manual e ar natural: 80 a 130 kg/m².h
• Carga mecânica e ar forçado: 150 a 300 kg/m².h
• Para grelhas planas e carvão:
• Ar natural: 70 a 150 kg/m².h
• Ar forçado: 200 a 300 kg/m².h
• Para grelhas inclinadas: serragem, bagaço de cana, casca de amendoim, casca
de arroz, outros com umidade abaixo de 50%.
• Ar natural: 60 a 120 kg/m².h
• Ar forçado: 150 a 250 kg/m².h
Como está sendo adotado como combustível a lenha e que a carga é manual,
considera-se o valor de K como uma média do menor valor e do maior, então K = 105
kg/m².h. Assim a área da grelha é:
33
cdF = 352,2KL/ℎ105KL/4² ∙ ℎ
cdF = 3,354²
- Cálculo do Volume da Câmara de Combustão
De acordo com WEBER (2005) o volume da câmara de combustão é dado por:
X̂ _`a = ( ∙ A3b3;@L;f (8)
Onde:
Q= quantidade de calor fornecida pela fornalha kcal/h;
X̂ _`a= volume da câmara de combustão em m³;
3;@L;f = fator que varia de acordo como o tipo de combustível.
A 3;@L;fvaria de acordo com o tipo de combustível e é obtida de acordo com a tabela
abaixo.
Tabela 2 – Valores de Carga K.
Combustível (kcal/m³h)
Lenha e Carvão 150.000 a 200.000
Casca de Arroz 80.000 a 120.000
Para fins de calculo, considera-se o valor de = 200.000 kcal/m³h.
X̂ _`a = 352,2 jdk ∙ 2800KO;P/KL200000kcal/m³h
X̂ _`a = 4,934³ - Quantidade de Ar para a Combustão
De acordo com MAGALHÃES (2007) a massa de gases de combustão que deixa a
fornalha pode ser determinada em função do balanço de massa dos reagentes, aplicando-se o
princípio da conservação de massas. Assim tem-se que:
34
4� dss = 4EF +4� dEtut −4� ^DvwE (9)
Sendo que:
4� dss = massa dos gases que saem da fornalha, ou seja, massa total de ar e gases gerados
na queima do combustível (kg/h);
4EF= massa de ar comburente;
4� dEtut= massa dos gases gerados na combustão;
4� ^DvwE= massa das cinzas.
A massa de ar é dada pela equação:
4EF = 100
23,2 82,73 + x + 8� − 6< (10)
Sabendo que o combustível utilizado é a lenha, sua composição química é fornecida
pela tabela 3 conforme SILVA (2008):
Elementos % Lenha
Carbono 50,2
Hidrogênio 6,3
Oxigênio 43,1
Enxofre -
Nitrogênio 0,06
Cinza 0,38
Tabela 3– Composição química da lenha.
Então:
4EF = 100
23,2 82,7 ∙ 0,502+ 0+ 8 ∙ 0,063− 0,431< 4EF = 6,15
Multiplica-se o valor da vazão mássica do ar pela quantidade de combustível
necessária para a combustão:
4� EFy_yEz = 4EF ∙ 4� ^_`a (11)
4� EFy_yEz = 6,15 ∙ 352,2
4� EFy_yEz = 2166KL/ℎ
35
* Cálculo do Excesso de Ar
Para garantir uma queima completa do combustível, normalmente é necessária uma
quantidade de ar maior que a teórica. Tal fato é importante, uma vez que a existência somente
do ar teórico provocará, em determinados locais, a queima de combustível com ar em excesso
e em outros, com falta, (VLASSOV, 2001). O excesso de ar é variável em função de diversos
fatores, tais como: o tipo de combustível, sua granulometria, sistema de injeção de ar, tempo
de contato ar-combustível, tipo de equipamento, entre outros.
Para combustíveis líquidos e gasosos, o excesso de ar é bem menor que para
combustível sólido, porque, quando introduzidos na câmara de combustão, eles são
fracionados, permitindo um contato mais íntimo com o comburente. Na tabela 4 segue alguns
valores de excesso de ar para vários tipos de combustíveis conforme MAGALHÃES (2007).
Tabela 4 – Excesso de Ar para vários tipos de combustíveis.
Combustível α - Excesso de Ar (%)
Carvão em Pó 20-25
Lenha 40
Cavaco 40
Serragem 30
Diesel 5
Gás Natural 5-10
Assim tem-se que:
4� EFFuEz = 4EFy_yEz ∙ { (12)
4� EFFuEz = 2166 ∙ 1,40
4� EFFuEz = 3032,4KL/ℎ
* Cálculo da Vazão Mássica dos Gases Gerados na Combustão
A vazão mássica dos gases gerados na combustão de acordo com MAGALHÃES
(2005) é dada pela expressão:
4� dEtut = 3,6673 + 0,774� EFFuEz + 8{ − 1<4� EFFuEz (13)
4� dEtut = 3,667 ∙ 0,502+ 0,77 ∙ 3032,4+ 81,4− 1< ∙ 3032,4
4� dEtut = 3549,7KL/ℎ
36
* Cálculo da quantidade de cinzas
A quantidade de cinza é determinada através da porcentagem de cinzas presentes na
madeira seca, encontrada na literatura, acha-se em torno de 1% (JENKINS, 1990), sendo este
o valor adotado nos cálculos. Assim:
4� ^DvwE =4� ^_`a ∙ %^DvwE100 (14)
4� ^DvwE = 352,2 ∙ 1
100
4� ^DvwE = 3,522KL/ℎ
Finalmente, pode-se determinar a massa total de ar e gases gerados na queima do
combustível pela equação 9:
4� dss = 3032,4+ 3549,7− 3,522
4� dss = 6578,58KL/ℎ
2.4.4 Balanço de Energia
Para projetar ou prever o desempenho de um trocador de calor, é essencial relacionar a
taxa total de transferência de calor a grandezas tais como as temperaturas de entrada e saída
do fluido. No método de cálculo adotado, o balanço de energia tem como objetivo calcular a
temperatura de saída teórica da fornalha.
Pela primeira lei da Termodinâmica, para cada corrente de ar no trocador de calor
sabe-se que:
�� = 4� ∙ O� ∙ 89�u − 9�t< (15)
�� = 4y^ ∙ O� ∙ 89�t − 9�u< (16)
Onde:
m$= vazão mássica de ar na fornalha (m��� <; t#�= temperatura de entrada do fluido quente;
t#�= temperatura de saída do fluido quente;
t$�= temperatura de saída do fluido frio;
t$�= temperatura de entrada do fluido frio;
c�= calor especifico.
37
Pode-se observar na figura 16 o esquema acima mencionado:
Figura 16 – Esquema do Balanço de Energia. (MAGALHÃES, 2007).
Admitindo que:
�� = �� (16)
4� ∙ O� ∙ �9�u − 9�t� = 4y^ ∙ O� ∙ 89�t − 9�u< (17)
E sabendo que:
4�= 6578,58KL/ℎ;
4y^= 73281 m³/h ⋅1.1267 kg/m³ = 82565,7 kg/h (valor considerando a massa
especifica da água a temperatura média de 40°C);
O�= adota-se o valor de 0,24 kcal/kg°C;
9�u= 700°C (valor médio de temperatura em fornalhas de fogo indireto conforme
MAGALHÃES (2005));
9�t=9�t; 9�t= 60°C;
9�u=20°C;
A temperatura de saída dos gases da fornalha é:
6578,58KL/0 ∙ 0,24KO;P/KL°3 ∙ �700°3 − 9�t�= 82565,7KL/0 ∙ 0,24KO;P/KL°3 ∙ 860°3 − 20°3<
1105201,44/ 1578,869�t ) 792630,72
9�t ) 197,97Q
9�t ≅ 200Q
38
De acordo com MAGALHÃES (2007) a temperatura inicial do fluido quente (gases de
combustão), deve ser suficiente para assegurar a queima do monóxido de carbono, que
necessita de temperaturas superiores a 620 ºC para sua combustão. Para a temperatura de
saída dos gases de combustão o valor é de aproximadamente de 200ºC.
Percebe-se que o resultado obtido pela equação 17 atende a condição sugerida pelo
autor da referência considerada.
2.4.5 Dimensionamento do Trocador de Calor
- Área do Trocador de Calor
Sabe-se que a equação geral para o projeto de um trocador de calor é dada por:
�)�c∆�4P (18)
c)��∆�4P (19)
Onde:
q = quantidade de calor trocado;
U = coeficiente global de troca térmica;
∆Tml= a média logarítmica das temperaturas dos fluidos.
A média logarítmica das temperaturas é obtida através da equação:
∆�̀ z = ∆�� − ∆��PH ∆��
∆��= ∆�� − ∆��
PH ∆��∆��
= ���� (20)
Sendo:
∆�� = 9�u − 9�t (21)
∆�� = 9�t − 9�u (22)
9�u- temperatura de entrada do fluido quente = 700 ºC;
9�t - temperatura de saída do fluido quente = 198 ºC;
9�u- temperatura de entrada do fluido frio = 20 ºC;
9�t - temperatura de saida do fluido frio = 60 ºC;
∆�� = 700 − 60 = 640℃
∆�� = 198 − 20 = 178℃
39
∆�̀ z = 178 − 640PH ������
= 361℃
Para trocadores de calor diferentes do de tubo duplo, o calor transferido é calculado
usando-se um fator de correção aplicado à DTML para um arranjo em correntes cruzadas de
um único passe com as mesmas temperaturas dos fluidos quente e frio. Neste caso, o calor
transferido é calculado através da equação abaixo:
� = �c�∆�̀ z (23)
Onde F é obtido por:
� = ��² + 1� − 1 ∙ PH ���
���∙�PH �����∙���∙��²��
�����∙���∙��²�� (24)
� = 9�u − 9�t9�t − 9�u (25)
A = 9�t − 9�u9�u − 9�u (26)
Então,
� = 700 − 19860 − 20 = 12,55
A = 60 − 20700 − 20 = 0,0588
� = �12,55² + 112,55 − 1 ∙ PH ���,����
���,����∙��,��PH ���,������,����∙��,����,����∙���,��²��
���,������,����∙��,����,����∙���,��²��
� = 0,971
O valor do coeficiente global U é listado conforme a tabela abaixo de acordo com
(NHAMBIU, 2010) e pode ser considerado um desses valores de acordo com o tipo do
trocador de calor.
40
Tabela 5– Valores de U para vários tipos de trocador de calor.
Valores representativos de coeficientes globais de transferência de calor
Tipos de trocadores de calor U, W/m²C°
Trocadores de calor de água-para-água 850 – 1700
Trocadores de calor água-para-óleo 100 - 350
Água-para-gasolina 300 - 1000
Aquecedores de água de alimentação
tratada 1000 – 8500
Vapor-para-óleo combustível leve 200 – 400
Vapor-para-óleo combustível pesado 50 – 200
Condensadores de vapor 1000 – 6000
Condensadores de Freon
(resfriados com água) 300 – 1000
Condensadores de Amônia
(água nos tubos) 800 – 1400
Gás – para gás 10 – 40
Água para ar em tubos aletados
(água nos tubos)
30 – 60 (área externa)
400 – 850 (área interna)
Vapor - para ar em tubos aletados
(vapor nos tubos)
30 – 300 (área externa)
400 – 4000 (área externa)
Como é possível observar na tabela o valor de U varia de 10 a 40 W/m²C° para
trocador de calor tipo gás-para-gás, sendo que se considera para fins de cálculo o 30 W/m²C°
conforme MAGALHÃES (2007).
Convertendo esse valor para kcal/m²h°C tem-se que:
U = 25,7955 kcal/m²h°C.
A área para a troca de calor é:
c = ���∆�̀ z (27)
c = 838336KO;P/ℎ25,7955KO;P/4�ℎ℃⋅0,971⋅361℃
c = 92,74²
41
Percebe-se que quanto maior o valor do coeficiente global, menor será a área de troca de
calor. A tabela abaixo mostra um comparativo da área de troca de acordo com a variação de
alguns valores do coeficiente U:
Tabela 6– Valores da área para vários valores do coeficiente global de transferência de calor.
U (W/m²C°) A (m²)
10 278,14
20 139,10
30 92,7
40 69,5
Com valores mínimos do coeficiente global de transferência de calor a área do trocador
se torna um valor elevado, assim, utiliza-se o valor recomendado pela literatura.
- Dimensionamento dos Tubos do Trocador de Calor
Sabendo a área necessária para a troca de calor, pode-se dimensionar o diâmetro dos
tubos e quantidade necessária para o trocador. O comprimento do tubo é conhecido já que é
limitado pelo tamanho da fornalha, assim seu comprimento é de 1,5 m.
Para dimensionamento do diâmetro dos tubos, consideram-se os tubos comerciais DIN
2440, com:
* Diâmetro interno do tubo de 53 mm;
* Diâmetro externo do tubo de 60,30 mm;
A área de transferência de cada tubo é dada por:
cysa_ = � ∙ � ∙ OG4Bysa_ (28)
cysa_ = 0,0534 ∙ � ∙ 1,54
cysa_ = 0,2494²
Conhecida a área total de transferência de calor determina-se a quantidade de tubos pela
equação:
H = ccysa_ (29)
H = 92,70,249
H = 3759 ¡GI − ∅5344
42
3 ANÁLISE DOS RESULTADOS
3.1 INTRODUÇÃO
No capítulo que segue, faz-se um comparativo entre os resultados obtidos pelo método
de cálculo empregado e os valores obtidos pelo fabricante dos equipamentos. Realiza-se uma
análise entre essas duas situações e se necessário, será sugerida alterações no projeto para um
melhor desempenho e rendimento do sistema de secagem, composto pelo secador SIE 500 e
pela fornalha com trocador de calor FI 500.
3.2 COMPARATIVO DOS VALORES CALCULADOS DO SECADOR SIE 500
A tabela abaixo relaciona os valores fornecidos pelo fabricante do secador SIE 500 e os
obtidos pelos cálculos.
Tabela 7 – Comparativo do Secador SIE 500.
SECADOR SIE 500
- Dados Fornecidos
pelo Fornecedor Valores Calculados
Diferença
Percentual(%)
Capacidade de
secagem por hora
(ton)
13 -
Energia Necessária
(kcal/h) 850.000 838.336 - 1,37
Vazão de Ar (m³/h) 68.000 73.281 + 7,20
Consumo de
combustível (kg/h) 304 352,2 + 13,63
3.3 COMPARATIVO DOS VALORES CALCULADOS DA FORNALHA FI 500
A Tabela 7 mostra os valores comparativos determinados do cálculo da fornalha, em
comparação com os dados do fornecedor.
43
Tabela 8 – Comparativo da Fornalha FI 500.
FORNALHA FI 500
- Dados Fornecidos
pelo Fornecedor Valores Calculados
Diferença Percentual
(%)
Área da Grelha (m²) 2,44 3,35 + 27,1
Volume da Câmara
de Combustão (m³) 2,68 4,93 + 45,63
3.4 COMPARATIVO DO TROCADOR DE CALOR
Em relação ao trocador de calor, considerando o mesmo diâmetro de tubo que já é
utilizado, atualmente a troca deve ocorrer em 336 tubos. Contudo, os valores obtidos pelo
método de calculo foram de 372 tubos para ocorrer à troca de calor do ar proveniente da
fornalha e o ar ambiente. Ocorreu neste caso do trocador uma defasagem de 9,67 % entre a
quantidade de tubo do projeto e a quantidade de tubos necessários, levando em consideração
os resultados obtidos pelo cálculo.
No cálculo da área do trocador de calor, pode-se perceber que quanto menor o valor do
coeficiente global de transferência de calor U maior será a área do trocador. De acordo com a
Tabela 6, percebe-se que há uma variação significativa da área alterando-se o valor de U.
Portanto para fins de cálculo se mantêm o valor recomendado pela literatura de 30 W/m²C°
pois diminuindo esse valor o trocador se torna um equipamento maior gerando maiores custos
para a empresa.
3.5 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Com as tabelas comparativas apresentadas anteriormente, pode-se observar que ocorrem
divergências em alguns valores informados pelo fabricante e os calculados.
Em relação ao secador, nota-se que a energia necessária para evaporar a água das
sementes informada pelo fornecedor está coerente com o resultado obtido pelos cálculos,
porém a vazão de ar necessária e o consumo de combustível tiveram uma diferença
significativa dos valores informados.
A fornalha, pelo que pode ser analisado, possui em sua construção atual, área de grelha
e volume da câmara de combustão menor do que foi obtido pelo método de cálculo, e como se
44
pode perceber pela Tabela 7, foi o equipamento de maior defasagem entre os valores
informados pelo fornecedor e pelos resultados obtidos com o método de cálculo.
Observando o trocador de calor, nota-se que a quantidade de tubos calculados é maior
que a quantidade presente no projeto atual, lembrando que o diâmetro considerado no método
de calculo é o mesmo do que o utilizado na prática.
3.6 RECOMENDAÇÕES PARA ALTERAÇÃO DO PROJETO
Com a análise dos resultados obtidos, pode-se perceber que existe divergência nos
valores teóricos dos que são obtidos no projeto atual. Assim, sugerem-se algumas alterações
no projeto que possibilitem um melhor desempenho e rendimento da fornalha:
• Rever no secador os ventiladores utilizados e verificar um modelo que
atenda a vazão de ar necessária para a secagem: o projeto atual do secador
possui dois ventiladores de potência de 10 cv cada um e fornecem ao sistema
uma vazão de ar de 68000 m³ por hora. Recomenda-se utilizar um ventilador de
potência de 15 cv e vazão de ar de 75.000 m³/h que atenderia a demanda de
vazão de ar necessária para a secagem.• Na fornalha, redimensionar a câmara de combustão e área de grelha: a área
de grelha como foi mencionado na Tabela 7 é de 2,44 m². Essa área é obtida pela
multiplicação da largura e comprimento da fornalha que são respectivamente
1,28 m e 1,91 m. Sugere-se aumentar a largura da fornalha para 1,75 m,
resolvendo o problema da área de grelha. Já em relação à câmara de combustão,
o volume do projeto existente é de 2,67 m³ conforme dados da Tabela 7, sendo
que este valor é obtido multiplicando-se a área de grelha pela altura da câmara
de combustão sendo respectivamente 2,44 m² e 1,10 m. A proposta para isso
seria aumentar a altura da câmara de combustão em 1,5 m considerando a
largura da câmara como a sugerida. Abaixo a tabela 8 mostra um comparativo
entre as dimensões do projeto e as sugeridas de acordo com os resultados
obtidos:
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Tabela 9 – Dimensões da Câmara de Combustão FI 500.
CÂMARA DE COMBUSTÃO FORNALHA FI 500
- Largura (m) Comprimento
(m) Altura (m)
Área da
Grelha (m²)
Volume da
Câmara de
Combustão
(m³)
Dimensões
do Projeto 1,28 1,91 1,10 2,44 2,68
Dimensões
Sugeridas 1,75 1,91 1,5 3,34 5,01
A figura abaixo mostra um corte da câmara de combustão e suas medidas:
Figura 17 – Corte da fornalha (ENGEGRAN, 2010).
Torna-se mais fácil a alteração da medida da largura da câmara de combustão
(1,28 m) do que a medida de seu comprimento (1.91 m), pois como é visto na
Figura 17 a disposição da grelha no sentido do comprimento é limitada pelo fato
de que seu comprimento ser padronizado. Já no sentido da largura, como as
grelhas são dispostas paralelamente, torna-se mais fácil a alteração alterando
somente o numero de carreiras de grelhas. Assim, considerou-se as medidas
propostas para que a dimensão do comprimento não fosse alterada e que
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proporcionasse que a altura da câmara de combustão não fosse muito alta
dificultando a estruturação da mesma.
• Trocador de calor: conforme os cálculos feitos, o número de tubos deve ser
aumentado no projeto do trocador, porém levando em conta o aumento da
largura da fornalha e conseqüente aumento no comprimento dos tubos para
1.95m, pela equação 28 e 29 pode-se obter uma nova configuração da
quantidade dos tubos para o trocador de calor:
cysa_ = 0,0534 ∙ � ∙ 1,954
cysa_ = 0,3254²
H = 92,74²0,3254²
H = 2859 ¡GI − ∅5344
3.7 SUGESTÕES PARA ESTUDOS FUTUROS DO SISTEMA DE SECAGEM
Para o sistema de secagem em estudo, verifica-se que pode ser dada continuação no
estudo para o melhoramento de seu desempenho e rendimento. Futuramente recomenda-se
que sejam analisados os seguintes fatores:
• Realizar medições do equipamento instalado em unidade de beneficiamento
de sementes e comparar com os resultados obtidos pelo método de cálculo;• Rever a distância entre os tubos do trocador de calor, pois tubos muito
próximos podem com o tempo dificultar a passagem do ar quente
proveniente da fornalha. Na combustão da lenha partículas mais leves com
fagulhas e cinzas são carregados pelo ar quente para o trocador de calor e
acumulam-se pela extensão dos tubos causando um possível bloqueio para a
passagem de ar causando danos ao equipamento e ao processo de secagem.• Realizar estudo na influência que a variação do coeficiente global de
transferência de calor trás ao trocador de calor.
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CONCLUSÃO
Com a realização do estudo sobre este sistema de secagem pode-se perceber vários
fatores em que os resultados obtidos pelos cálculos diferem no projeto dos equipamentos
analisados. O resultado que teve menor diferença percentual em relação aos dados fornecidos
pelo fabricante foi a energia necessária para secagem que teve uma diferença percentual de
1,37% (Tabela 6). Já o volume da câmara de combustão foi o item que obteve maior variação
entre os valores sendo esta de 45,63% (Tabela 7). Percebe-se que erros de cálculo e
dimensionamento comprometem o funcionamento do equipamento podendo causar danos ao
sistema e ao produto.
Assim, buscou-se através dos parâmetros de cálculo orientar e sugerir mudanças de
dimensionamento do projeto da fornalha bem como do trocador de calor para que as
exigências de cálculo fossem atendidas. Em relação ao secador, verificou-se a necessidade do
aumento da vazão de ar necessária para a secagem e foi recomendada a troca dos ventiladores
utilizados.
Com base ainda neste sistema de secagem, foram sugeridos assuntos para continuação
do estudo para uma maior melhoria do rendimento do equipamento.
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REFERÊNCIAS
MAGALHÃES, Edney A. Desenvolvimento e análise de uma fornalha para aquecimento
direto e indireto de ar utilizando biomassa polidispersa. Tese. Universidade Federal
de Viçosa. Viçosa, 2007.
SILVA, Juarez de Souza e. Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas. 2ª Ed. Editora
Aprenda Fácil. Viçosa, 2008.
WEBER, Érico Aquino. Excelência em beneficiamento e armazenagem de grãos. 1ª Ed.
Panambi, 2005.
DE SOUZA, Marino F. M. Z. Transmissão de calor. Apostila. Escola Estadual de
Engenharia de Itajubá. Itajubá, 1989.
HOLMAN, Jack Philip. Transferência de calor. 1ª Ed. Editora McGraw-Hill Ltda. São
Paulo, 1983.
MARTINELLI, L.C. Noções de transmissão de calor. 1ª Ed. Editora UNIJUÍ. Ijuí, 1995.
VICTORIA, R. Gerson. Trocadores de calor. Apostila. 2010.
NHAMBIU, Jorge. Transmissão de calor. Apostila. Universidade Eduardo Mondlane.
Moçambique, 2010
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ANEXO A– CATÁLOGO DO SECADOR INTERMITENTE
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