Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.2, n.2, p.83-90, 2000
SECAGEM DE SEMENTES DE FEIJÃO (Phaseolus vulgares L.) VARIEDADE
CARIOQUINHA USANDO BOMBA DE CALOR
Mário Eduardo R. M. Cavalcanti Mata1, José Rildo Oliveira2,
Maria Elita Duarte Braga3
RESUMO
Foi construída uma bomba de calor para produzir ar a baixas umidades relativas e temperaturas para
secagem de produtos termosensiveis como sementes de feijões. O processo consistiu em usar um
sistema de refrigeração, usando como gás refrigerante o R-22. Nesse processo o ar ambiente passa
pelo evaporador, condensando parte do vapor de água existente no ar, e em seguida esse ar se
movimenta por parte de condensador do sistema, quando então é aquecido. Por meio do controle da
vazão mássica do fluído refrigerante e do fluxo do ar de secagem, foi possível obter temperaturas e
umidade relativa de 28 oC e UR 40%; 32 oC e UR 35%; 36°C e UR 30%. O fluxo do ar de secagem
utilizado neste trabalho foi de 95 m3.min-1.m-2. Diante dos resultados obtidos e para as condições do ar
de secagem, produzidas pela bomba de calor, pode-se concluir que é possível secar 50 quilos de
sementes de feijão de um teor de umidade inicial médio de 35%b.s. para 13,5% b.s., em um período
de tempo médio de 45, 21 e 18 horas, respectivamente, não havendo diminuição significativa da
germinação das sementes que foi de 92%.
Palavras-chave: bomba de calor, secagem, sementes
VARIETY "CARIOQUINHA" BEANS SEEDS DRYING (Phaseolus vulgares L.)
BY THE OF A HEAT PUMP
ABSTRACT
A heat pump has been built for air production that’s close to room temperature and low relative
humidity in order to have dried thermo-sensible products like beans seeds. The process uses a
refrigerating system by steam pressure. It’s used R22 as refrigerating gas, where room air condenses
part of its water steam in the air, this air passes through the refrigerating system's "steamer", and then
this air is heated by passing along part of the condensator. Through the control of drain mass of the
refrigerating fluid and the air flow, it has been possible to get temperatures and relative humidity of
28o C and RH 40%; 32o C and RH 35%; 36°C and RH 30%. For these obtained air conditions, there
was used a beans seed drying at a rate of 95 m3. min.-1.m-2. Due to the obtained result we could get the
conclusion that for produced air conditions by the heat pump, it is possible to dry 50 kg. of beans
seeds at an average initial moisture content of 35% d.b. for 13.5% of moisture content, d.b. in an
average time period of 45, 21, and 18 hours, respectively, without significant changes in seeds
germination that has been 92%.
Keywords: heat pump, drying, seed
_______________________
1
Agricultural Engineering Department, Federal University of Paraíba. P.O.Box 10.087, CEP 58.109-970 Campina Grande, PB – Brazil
E- mail: [email protected]
2
Mechanical Engineering, Postgraduate Student of Agricultural Engineering. POB 10.087 CEP 58.109-970 Campina Grande, PB-Brazil
E-mail: [email protected]
3
Agricultural Engineering Department, Federal University of Paraíba. P.O.Box 10.087, CEP 58.109-970 Campina Grande, PB – Brazil
E-mail: [email protected]
83
84
INTRODUÇÃO
As sementes representam um mecanismo
de sobrevivência e perpetuação das espécies,
sendo consideradas produtos nobres de alto valor
agregado e portadoras de determinadas
características genéticas que fazem com que cerca
de 1/3 a 3/4 da população dos países, em nível
mundial, se alimentem de grãos de cereais e
leguminosas.
Depois da produção as sementes de feijão
necessitam ser secas para preservar sua qualidade
durante a sua armazenagem. Nesta etapa o teor de
umidade é reduzido de aproximadamente 35%
para 12% base úmida, sendo os processos mais
utilizados: a) secagem natural e b) secagem em
secadores de camada estacionária.
A secagem natural tem sido utilizada só,
quando as condições do ar ambiente permitem a
secagem dos produtos. Como no Nordeste
Brasileiro, o período de colheita do feijão é um
período chuvoso, a secagem artificial é a mais
empregada, utilizando-se secadores de camada
estacionária
Algumas unidades beneficiadoras de
sementes usam sistemas alimentados por
resistências elétricas para aquecer o ar de secagem.
Do ponto de vista técnico, as resistências são
eficientes, confiáveis e de fácil manuseio. No que
diz respeito aos custos, em virtude dos programas
de subsídios à eletrificação rural, tanto o
investimento inicial como as manutenções são
baixas. No entanto, com a privatização do setor
energético, é provável que estes custos não se
mantenham nos mesmos patamares. Além do
mais, o uso indiscriminado dos secadores de
resistência pode causar sobrecarga nas linhas de
alimentação e distribuição de energia.
O uso de bomba de calor no
condicionamento de ar para secadores apresenta
todas as vantagens dos sistemas de secagem a
baixas temperaturas e manifesta as mesmas
características desejáveis das fontes de calor
resistivas. Do ponto de vista termodinâmico, é
consideravelmente mais eficiente. O consumo de
eletricidade é 52% menor que as cargas resistivas
e viabiliza a obtenção de um produto de qualidade
mais homogênea (Hogan et al., 1983).
Estudos feitos por Sathler (1979) e
Cavalcanti Mata (1997) mostraram que as
sementes de feijão, quando secas a temperaturas
acima de 35°C diminuem seu poder germinativo
em torno de 30%, caracterizando-se como um
produto termosensível. Desta forma, para que a
semente de feijão não seja afetada e esse produto
possa ser seco, seria necessário fornecer às
sementes um ar que tenha uma temperatura em
torno de 30 °C e baixas umidades relativas
(inferiores a 50%).
Assim sendo, nos processos de secagem
com temperaturas do ar de secagem próximas à
temperatura ambiente, pensou-se em utilizar um
ciclo de refrigeração aberto simples, onde o ar
ambiente úmido passasse primeiramente pelo
evaporador, fazendo com que o ar resfriado
atingisse uma temperatura abaixo do ponto de
orvalho, condensando-o, e, em seguida, passasse
por um condensador que aquecesse este ar até a
temperatura em torno de 30°C.
Desta forma, os objetivos deste trabalho
foram:
a) construir uma bomba de calor para secagem de
produtos termosensíveis (sementes de feijão);
b) secar sementes de feijão nas diversas
condições de secagem geradas pela bomba de
calor;
c) correlacionar os dados experimentais com os
simulados pelo modelo de Thompson,
utilizando o software aplicado à secagem de
grãos – SASG 5.0 – desenvolvido para o feijão
carioca por Cavalcanti Mata et al. (1995).
MATERIAIS E MÉTODOS
Este trabalho foi realizado no Laboratório
de Processamento e Armazenamento de Produtos
Agrícolas do Departamento de Engenharia
Agrícola da Universidade Federal da Paraíba.
Para realização deste trabalho, foram
obtidas sementes de feijão junto a Empresa
Estadual de Pesquisa Agropecuária da Paraíba –
EMEPA, proveniente do seu campo de produção
de sementes no município de Lagoa Seca – PB,
safra 1999.
Bomba de calor
bomba de calor para secagem de sementes,
Figura 1, foi construída a partir de um
condicionador de ar doméstico, com capacidade de
18.000 BTU/h, tendo como fluido de trabalho o R22. Duas modificações foram feitas no
equipamento: A primeira consistiu na adição de
um trocador de calor, “condensador”, de
dimensões menores (520mm x 180mm),
interligado em série com o circuito frigorífico já
existente, sendo que este ficou localizado na parte
frontal superior do equipamento, fazendo com que
o ar ambiente atravesse as superfícies do
evaporador e do condensador e troque as energias
neles contidas; a segunda modificação foi a
substituição da hélice original, cujo diâmetro era
de 380mm, por outra de diâmetro inferior,
340mm. Os demais componentes foram mantidos.
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As modificações efetuadas no condicionador de ar
têm por objetivo o aproveitamento simultâneo dos
fluxos energéticos gerados no condensador e no
evaporador. O sistema proposto consiste em fazer
com que o ar ambiente troque calor com o
evaporador, resfriando este ar abaixo do seu ponto
Axial Fan
de orvalho. O ar saturado que sai do evaporador
passa em seguida por parte da energia dissipada
pelo condensador (condensador 2), fazendo com
que saia, deste engenho, um ar a baixa temperatura
(próximo a temperatura ambiente) e com baixa
umidade relativa.
Evaporator
Condenser 2
Condenser 1
air
Drying
Compressor
Centrifugal
valve
Expansion valve
Fan
Figura 1. Esquema de produção de ar para secagem de sementes, com baixa temperatura e baixa umidade
relativa, utilizando uma bomba de calor.
A secagem das sementes de feijão foi
realizada com as condições do ar de saída da
bomba de calor, em um secador com capacidade
de 50 kg de sementes, a uma altura da camada de
50 cm e fluxo do ar de secagem de 95m3.min-1.m-2.
Coeficiente e fator de performance da bomba de
calor
O coeficiente de performance da bomba de
calor foi avaliado para as condições médias do ar
durante a secagem. Foi determinado também o
fator de performance. Para essas determinações,
foram conectados termopares, na linha do
refrigerante nas posições: entrada do compressor
(1), na saída do compressor (2), na entrada do
condensador 1 (3), na saída do condensador 2 (4) e
na entrada do evaporador (5), conforme indicado
na Figura 2.
A formulas utilizadas para determinação
do coeficiente de performance e do fator de
performanace foram:
COP
h2 h4
h2 h1
em que
COP
h1
h2
h4
Coeficiente de performance, adimensional
entalpia na entrada do compressor, kJ/kg
entalpia na saída do compressor, kJ/kg
entalpia na saída do condensador 2, kJ/kg
PF
h1 h5
h2 h1
(2)
em que
PF
h5
fator de performance
entalpia na entrada do evaporador, kJ/kg
Os dados experimentais obtidos da secagem
de sementes de feijão foram comparados com os
simulados por meio do Programa computacional
denominado SASG 5.0 (Software Aplicado à
Secagem de Grãos), desenvolvido por Cavalcanti
Mata et al. (1995).
(1)
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C ondenser 2
Seed drying
Pressure ( MPa )
C ondenser 1
2
3
4
W
5
1
E vaporator
A m biental air
E nthalpy ( k J.k g -1 .°K -1 )
Figura 2. Esquema de um diagrama Pressão – Entalpia para determinação do coeficiente de performance
(COP) do sistema.
Grande, ocasionadas pelas chuvas, conforme
mostra a Tabela 2. Como o equipamento adota
condensação a ar, consequentemente, ocorreram
pequenas variações nos dados coletados. Assim
sendo, tomou-se como parâmetro a média de cada
mês, tanto para as temperaturas como para a
umidade relativa do ar.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os testes de avaliação do equipamento
foram feitos durante os meses de julho, agosto e
setembro de 1999. Vale ressaltar que, nessa época
do ano, a temperatura e a umidade relativa do ar
sofrem oscilações bruscas, na cidade de Campina
Tabela 2. Dados meteorológicos de Campina Grande
Mês
Precip.
(mm)
julho
95,8
agosto
36,5
setembro
16,7
T. ar b. s. (ºC)
máxm mínm média
24,6
19,4
21,6
24,5
19,9
21,5
26,3
20,4
22,6
Umid. Rel. (%)
T. amb. b. s. (ºC)
máxm mínm média máxm mínm média
96
58
76
26,2
18,6
22,4
94
55
73
26,7
18,1
22,4
93
53
77
28,2
19,3
23,7
Fonte – Estação Meteorológica da EMBRAPA - CNPA
Na operação de secagem das sementes, o
ar de circulação é submetido à uma pressão
estática proporcionada pela camada do produto. O
ventilador centrífugo usado no condicionador de ar
não teve capacidade para vencer pressões dessa
magnitude, (1,13mm c.a.m-1 de coluna de grãos)
sem alterar o ciclo de refrigeração, pois ocorreu
uma diminuição do fluxo de ar de circulação que
incide sobre o evaporador, acarretando uma
redução no efeito refrigerante do sistema, causando
assim, modificações no ciclo termodinâmico do
equipamento.
Visando solucionar este problema,
aumentou-se o fluxo de ar que passa pelo
evaporador e pelo condensador 2, utilizando-se um
ventilador centrífugo auxiliar de média pressão,
marca JOMAR, modelo R8, de 7000rpm e 0,25
CV. Esse ventilador auxiliar utilizado permite
vencer pressões estáticas mais altas do que as
necessárias, portanto, para evitar um aumento
demasiado da vazão e da temperatura do ar de
secagem, a rotação da ventoinha foi controlada por
meio de um potenciômetro. Desta forma,
trabalhou-se com uma rotação apenas o suficiente
para evitar o congelamento do ciclo. Nestas
condições, a vazão do ar de secagem foi de 1,94
m3.s-1.
Esta observação implica dizer que os dois
ventiladores (axial e o centrífugo) que trabalham
no mesmo eixo de rotação devem sofrer uma
alteração que possibilite a colocação de
ventiladores com características de potência, vazão
e rotação diferentes.
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Na Tabela 3, encontram-se os valores do
rendimento da bomba de calor obtido durante a
secagem de sementes de feijão. Os valores
encontrados na Tabela 3 estão compatíveis com a
capacidade do equipamento e próximos aos
encontrados por Takeuchi et al. (1991) que
projetaram um sistema para secagem de produtos
agrícolas com capacidade de 15000 a 23000
BTU/h, obtendo um fator de performance da
ordem de 4 a 5.
Na literatura, poucos são os trabalhos
envolvendo a secagem de produtos agrícolas,
utilizando condicionador de ar como bomba de
calor. Segundo Gomes (1995), geralmente, os
trabalhos, envolvendo o uso de condicionador de ar
como bomba de calor destina-se ao aquecimento
do ar ambiente ou da água, obtendo-se um
coeficiente de performance médio em torno de 2,9.
Tabela 3. Rendimento da bomba de calor durante a secagem das sementes de feijão
Bomba de
Calor
Variáveis
F.P.
COP
COPteórico
6,3
5,3
7,95
Nc
0,67
Secagem das sementes de feijão e sua simulação
Inicialmente, utilizou-se um programa de
computação que simulasse a secagem de sementes
de feijão, desenvolvido por Cavalcanti Mata
(1997), usando o modelo de Thompson (1976),
com validade para temperaturas entre 40 e 80ºC.
No entanto, os dados experimentais e simulados
não foram satisfatórios, o que é compreensível,
pois estava na faixa de extrapolação de sua
validade.
Diante desse fato, procurou-se determinar,
para o modelo de Thompson, uma nova equação
de camada fina para a faixa de temperatura entre
21 e 41ºC, sendo que os valores das constantes
obtidas para a equação de Thompson [ t =
A.ln(RM) + B(ln(RM))2 ] foram:
A = -91,7178 x Exp.(-0,147T);
B = 9,947 x Exp. (-0,07704T)
(3)
em que
A
B
coeficiente que depende do material
coeficiente que depende do material
RM
M Me
Mi Me
(4)
RM =
M =
t
=
Razão de umidade, adimensional
Teor de umidade, decimal, base
seca
Tempo, h
Na Tabela 4, encontram-se as três
diferentes condições de secagem experimentais e
simuladas, das sementes de feijão, realizadas
utilizando-se a bomba de calor de 18.000 BTU/h.
As sementes de feijão tiveram o seu teor de
umidade reduzido, de 25 para 12% base seca, num
período de tempo de 45, 21 e 18 horas para as
condições do ar de secagem de 28o C e UR de
40%; 32o C e UR de 35%; 36°C e UR 30%,
respectivamente. As curvas de secagem das
sementes de feijão, mostradas na Figura 3, são
para as condições de secagem de 32°C e 35% de
umidade relativa do ar e compreendem uma média
de duas repetições. Nessa Figura, encontram-se
também as curvas de secagem das sementes de
feijão calculadas pelo programa de simulação
SASG 5.0.
Mesmo assim, como pode ser observado
na Figura 20, o tempo de secagem no processo de
simulação foi de 25 horas, enquanto que, na
secagem experimental, foi de 21 horas,
verificando-se uma diferença no tempo de
secagem de 19%, o que é aceitável, tendo em vista
que, segundo Martins (1982), os erros entre os
valores experimentais e os simulados podem estar
em torno dos 20%. Contudo, constata-se, ainda na
Figura 3, que os valores simulados podem estar
próximos em termos de média, mas não em termos
de cada camada individualmente, o que sugere que
o modelo de simulação para feijão necessita ainda
de alguns ajustes e de investigações mais
apuradas.
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Tabela 4. Condições da simulação de secagem obtidas a partir dos dados experimentais.
Temperatura ambiente (°C)
Umidade relativa ambiente (%)
Temperatura do ar secagem (°C)
Umidade relativa do ar de secagem (%)
Teor de umidade inicial das sementes, % base seca
Teor de umidade final das sementes, % base seca
Fluxo de ar ( m3.min-1.m-2 )
Altura da camada (m)
22
77
28
40
25
12
8
0,5
21,6
76
32
35
25
12
8
0,5
21,3
73
36
30
25
12
8
0,5
Tempo de secagem experimental (h)
Tempo de secagem simulada (h)
45
49
21
25
18
21
20
24
18
22
20
16
18
16
14
14
Teor de umidade b.u.(%)
Teor de umidade b.s.(%)
26
12
12
0
2
4
6
8
10
12
Tempo (h)
1ª
2ª
1ª
2ª
1ª
2ª
3ª
camada,
camada,
camada,
camada,
camada,
camada,
camada,
1ª secagem, (0,12m)
1ª secagem, (0,24m)
2ª secagem, (0,12m)
2ª secagem, (0,24m)
valores simulados
valores simulados
valores simulados
Figura 3. Dados experimentais e simulados da secagem em camada delgada de sementes de feijão, à
temperatura de 32ºC (±0,5ºC) e 25% de umidade inicial em base seca.
Eficiência da secagem
Na Tabela 5, verifica-se que o equipamento
consome, em média, 2,35kW.h e que, no período
de 21 horas, foram retirados 6,35 kg de água,
sendo a eficiência desses equipamento, durante o
processo de secagem das sementes de 7,6 kW.h
por quilograma de água evaporada.
Hogan (1983) utilizando um sistema com
capacidade de aquecimento de 24 kW, na secagem
de 100 toneladas milho, obteve um consumo de
0,557kW.h por quilograma de água evaporada.
Contudo, vale ressaltar que o sistema utilizado por
Hogan, por destinar-se à secagem de grãos,
trabalhou com temperaturas de secagem mais
altas, enquanto que o objetivo desse experimento
foi o de secar sementes de feijão a temperaturas
mais baixas, por tratar-se de um produto
termosensível. Assim sendo, o valor obtido neste
trabalho pode ser considerado satisfatório, uma
vez que no ciclo termodinâmico do sistema de
refrigeração muita energia ainda permanece
disponível para outra finalidade, sugerindo-se o
seu uso na pré-secagem das sementes, ainda na
vagem, até o ponto de debulha.
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Tabela 5. Eficiência de secagem da bomba de calor durante a secagem das vagens, secagem das sementes e
secagem simultânea das vagens e das sementes de feijão
Secagem
Consumo
(kW.h)
Tempo
(h)
Qevap
(kg)
E. S.
(kW.h/kg)
sementes
2,35
21,0
4,54
7,6
Testes de vigor e de germinação das sementes
de feijão
Os testes de vigor e de germinação,
observados na Tabela 6, realizados durante
este trabalho mostram que, para as condições
de secagem utilizadas, o processo de secagem
não afetou a qualidade fisiológica das
sementes, logo após os experimentos,
confirmando que, quando as sementes são
secas a uma baixa temperatura (31 ±1)ºC, a
sua qualidade é preservada. Isto também foi
observado por Sathler (1979), que secou
sementes de feijão sob temperaturas de 30, 35,
40, 45 e 50ºC, e chegou à conclusão de que
sementes secas a temperaturas abaixo de 35ºC
não são afetadas na sua qualidade fisiológica.
Tabela 6. Valores médios dos percentuais de germinação e de vigor, obtidos para sementes de
feijão.
Condição
Antes da secagem
Após secagem
Teor de umidade b.s.
25
12
CONCLUSÕES
A utilização da bomba de calor
no
aquecimento do ar ambiente para secagem de
vagens de feijão mostrou-se viável, na medida
em que se produziu ar com baixa umidade
absoluta e temperatura próxima de 50°C.
O coeficiente de performance da bomba de
calor, trabalhando com carga e sem ela, no
secador de sementes, foi de 4,6 e 4,9,
respectivamente.
Caso o sistema tenha que ser projetado para
realizar secagens com uma camada de sementes
igual ou superior a 0,5m, é necessário substituir
o ventilador centrífugo original do condicionador, por um ventilador centrífugo de média
pressão, de modo que se tenha uma vazão
mínima de 1,94m3/s.
O sistema projetado tem uma eficiência de
secagem de 4,65 kW.h por quilograma de água
evaporada na secagem das sementes de feijão,
com teor de umidade inicial de 25% b.s. até
12% b.s.
Vigor (%)
92
92
Germinação(%)
98
98
A germinação (98%) e o vigor (92%) das
sementes de feijão não foram afetados pelas
condições de secagem utilizadas.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Almeida, M.M. Armazenagem refrigerada de
umbu (Spondias tuberosa Arruda Câmara):
alterações das características físicas e
químicas de diferentes estádios de
maturação. Campina Grande, PB. Universidade Federal da Paraíba, 1999. 89p. (Tese de
Mestrado ).
Brooker, D.B., Bakker-Arkema, F.W., Hall, C.W.
Drying and storage of grains and oilseeds.
New York, The AVI Van Nostrand Reinhold,
1992. 450p.
Cavalcanti Mata, M.E.R.M. Efeito da secagem
em altas temperaturas por curtos períodos
de tempo em camada estacionaria, sobre a
armazenagem de sementes de feijão (
Phaseolus vulgaris L.) variedade ”carioca”.
Campinas. Universidade Estadual de Campinas. 1997. 229p. (Tese de Doutorado).
Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.2, n.2, p.83-90, 2000
90
Crank, J. The mathematics of
Pergamon Press, Oxford, 1975.
diffusion.
Daudin , J.D. Calcul des cinétiques de séchage par
láir chaud des produits biologiques solides.
Sciences des Aliments, v.3, n.1, p.1–36, 1983.
Fortes, M.; Okos, M. Drying theories: their bases
and limitations as applied to foods and grains.
Advances in Drying, ed., Arum S. Mujundar,
Hemisphere Publishing Corporation. Washington. v.1, pp.119-154, 1980.
Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.2, n.2, p.83-90, 2000
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