1 DANIELA DE CARVALHO LOPES SIMULAÇÃO E CONTROLE EM

Transcrição

1 DANIELA DE CARVALHO LOPES SIMULAÇÃO E CONTROLE EM
DANIELA DE CARVALHO LOPES
SIMULAÇÃO E CONTROLE EM TEMPO REAL PARA
SISTEMAS DE AERAÇÃO DE GRÃOS
Tese apresentada à Universidade
Federal de Viçosa, como parte das
exigências do Programa de PósGraduação em Engenharia Agrícola,
para obtenção do título de “Doctor
Scientiae”.
VIÇOSA
MINAS GERAIS – BRASIL
2006
1
Ficha catalográfica preparada pela Seção de Catalogação e
Classificação da Biblioteca Central da UFV
T
L864s
2006
Lopes, Daniela de Carvalho, 1977Simulação e controle em tempo real para sistemas de
aeração de grãos / Daniela de Carvalho Lopes. – Viçosa :
UFV, 2006.
viii, 140f. : il. ; 29cm.
Inclui apêndice.
Orientador: José Helvécio Martins.
Tese (doutorado) - Universidade Federal de Viçosa.
Referências bibliográficas: f. 100-107.
1. Grãos - Aeração - Simulação por computador.
2. Grãos - Armazenamento. 3. Sistemas de controle
inteligente. I. Universidade Federal de Viçosa. II.Título.
CDD 22.ed. 631.3
2
DANIELA DE CARVALHO LOPES
SIMULAÇÃO E CONTROLE EM TEMPO REAL PARA
SISTEMAS DE AERAÇÃO DE GRÃOS
Tese apresentada à Universidade
Federal de Viçosa, como parte das
exigências do Programa de PósGraduação em Engenharia Agrícola,
para obtenção do título de “Doctor
Scientiae”.
Aprovada em 20 de fevereiro de 2006
____________________________
Prof. Paulo Marcos de B. Monteiro
(Conselheiro)
_________________________
Prof. Delly Oliveira Filho
____________________________
Prof. Adílio Flauzino de L. Filho
__________________________
Prof. Sávio Augusto L. da Silva
_____________________________
Prof. José Helvecio Martins
(Orientador)
3
A DEUS
AOS MEUS PAIS, ESTER E JOSÉ EUSTÁQUIO
AO MEU MARIDO, ANTONIO
“Por quantas dimensões a vida precisa passar?
Por quantas estradas o homem precisa caminhar buscando o
grande segredo da existência?
A tarefa é difícil, gigantesca, muitas vezes impossível!
Mas, nenhum destes argumentos é capaz de nos impedir de
seguir adiante. Não podemos saber o que aconteceu no
passado e que levou as coisas a serem como são... Não
podemos saber o que nos espera adiante... Em determinado
momento Deus nos chamou para tomarmos parte na
caravana da vida e agora estamos cheios de dúvidas.
Devemos tentar ir o mais longe possível. Mesmo no meio do
deserto é importante descobrir as maravilhas enterradas na
areia.”
J. Eisley
ii
AGRADECIMENTOS
A Deus pelas coisas que aprendi, pelos obstáculos que venci e por ter
conseguido chegar até aqui.
Aos meus pais, Ester e José Eustáquio pela dedicação, motivação e
carinho constantes.
Ao meu marido, Antonio, pelo apoio, pela compreensão e pelo amor
em todos os momentos.
À Universidade Federal de Viçosa pela acolhida e ao Conselho
Nacional de Desenvolvimento Tecnológico pelo suporte financeiro.
Ao professor José Helvecio Martins pela valiosa orientação e pela
confiança. Ao professor e amigo Paulo Marcos de Barros Monteiro pelos
auxílios, atenção e incentivos. Aos professores Evandro de Castro Melo,
Daniel Marçal de Queiroz e Adílio Flauzino Lacerda Filho pelas sugestões
imprescindíveis.
Aos professores e amigos José Eduardo Carvalho do Monte e Paulo
Raimundo
Pinto
pela
dedicação
e
apoio
tão
importantes
para
o
desenvolvimento deste trabalho. A todos os amigos da área de Energia na
Agricultura pelo companherismo e cooperação. Aos funcionários do
Departamento de Engenharia Agrícola, especialmente Joel Gomide e José
Galinari Sobrinho, por todas as essenciais colaborações.
A todos que fizeram parte deste trabalho tornando possível a sua
realização.
iii
BIOGRAFIA
Daniela de Carvalho Lopes, filha de José Eustáquio Vieira Lopes e
Ester de Carvalho Lopes, nasceu em Belo Horizonte, Estado de Minas
Gerais, em 01 de junho de 1977.
Em 1993 iniciou o curso técnico em Informática Industrial na Escola
Técnica Federal de Ouro Preto, hoje CEFET-OP, concluindo-o em 1996. Em
1997 iniciou o curso de Ciência da Computação na Universidade Federal de
Ouro Preto, diplomando-se em 2001. Em março deste mesmo ano iniciou o
Mestrado em Engenharia Agrícola na Universidade Federal de Viçosa,
concentrando seus estudos na área de Energia na Agricultura e defendendo
a dissertação em agosto de 2002. Em setembro de 2002 iniciou o curso de
Doutorado em Engenharia Agrícola, na área de Energia na Agricultura,
defendendo tese em fevereiro de 2006.
iv
ÍNDICE
RESUMO .................................................................................................................. vii
ABSTRACT .............................................................................................................. viii
1. INTRODUÇÃO...................................................................................................... 01
2. PROCESSO DE AERAÇÃO ................................................................................ 04
2.1. Objetivos da aeração ................................................................................... 04
2.1.1. A aeração utilizada para o resfriamento da massa de grãos ............. 04
2.1.2. A aeração utilizada para uniformizar a temperatura ........................... 05
2.1.3. Outras possibilidades para a utilização da aeração ........................... 07
2.2. A aeração e o ecossistema dos grãos armazenados .................................. 08
2.2.1. Os grãos armazenados ...................................................................... 08
2.2.2. Propriedades dos grãos...................................................................... 08
2.2.3. Umidade relativa de equilíbrio ............................................................ 10
2.2.4. Deterioração dos grãos ...................................................................... 12
2.2.5. Insetos e microflora dos grãos armazenados ..................................... 13
2.2.6. Micotoxinas em grãos armazenados .................................................. 16
2.2.7. Fatores abióticos do ecossistema dos grãos armazenados ............... 16
2.3. Psicrometria do processo de aeração de grãos .......................................... 18
2.3.1. Propriedades psicrométricas utilizadas em sistemas de aeração ...... 18
2.3.2. Processos relacionados com a aeração em grãos ............................. 25
2.4. Modelagem do ecossistema dos grãos armazenados ................................ 26
2.4.1. Transferência de calor no ambiente de armazenamento ................... 26
2.4.2. Transferência de umidade no ambiente de armazenamento ............ 28
2.4.3. Modelos iterativos de transferência de calor e massa ....................... 29
2.4.4. Comportamento dos grãos armazenados durante a aeração ............ 29
2.5. Manejo de sistemas de aeração .................................................................. 31
2.5.1. Estratégias baseadas em condições pré-estabelecidas .................... 31
2.5.2. Estratégia de controle CWBT ............................................................. 34
2.5.3. Outras estratégias para o manejo da aeração ................................... 35
2.5.4. Equipamentos de controle para aeração ............................................ 36
v
3. TECNOLOGIA 1-WIRETM .................................................................................... 39
3.1. Transmissão de dados em redes 1-WireTM ................................................. 40
3.2. Alimentação das redes 1-WireTM ................................................................. 43
3.3. Topologias das redes 1-WireTM ................................................................... 45
3.4. Principais fatores que influenciam na comunicação em redes 1-WireTM ..... 47
3.5. Considerações sobre a linguagem JAVA aplicada em redes 1-WireTM ....... 49
4. MATERIAL E MÉTODOS ..................................................................................... 51
4.1. Tecnologia 1-WireTM aplicada ao controle de sistemas de aeração ............ 51
4.2. Programa computacional desenvolvido – AERO ........................................ 56
4.2.1. Módulo para configuração do programa ............................................ 57
4.2.2. Módulo para geração de relatórios ..................................................... 58
4.2.3. Módulo para visualização dos dados .................................................. 58
4.2.4. Módulo para aquisição de dados ........................................................ 59
4.2.5. Módulo para controle do processo de aeração .................................. 60
4.2.6. Módulo para simulação do processo de aeração ............................... 64
5 - RESULTADOS E DISCUSSÃO .......................................................................... 73
5.1. Sistema 1-WireTM aplicado à aeração de grãos armazenados ................... 73
5.2. Programa computacional desenvolvido – AERO ........................................ 74
5.3. Simulação do processo de aeração ............................................................ 76
5.4. Estratégia de controle .................................................................................. 89
6 - RESUMO E CONCLUSÕES ............................................................................... 95
7 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................. 98
LITERATURA CITADA ........................................................................................... 100
APÊNDICE 01:
Parâmetros utilizados nas equações de Chung-Pfost, de Henderson
modificada e para o cálculo do calor específico dos grãos ............ 108
APÊNDICE 02 :Nomeclatura ................................................................................. 109
APÊNDICE 03: Dados observados e simulados durante os testes realizados ..... 111
vi
RESUMO
LOPES, Daniela de Carvalho, D. S., Universidade Federal de Viçosa,
fevereiro de 2006. Simulação e controle em tempo real para sistemas
de aeração de grãos. Orientador: José Helvecio Martins. Conselheiros:
Paulo Marcos de Barros Monteiro, Evandro de Castro Melo e Daniel
Marçal de Queiroz.
Neste trabalho, um sistema de controle para aeração de grãos
armazenados com base em dados obtidos em tempo real e na simulação do
processo foi desenvolvido. Assim, um programa computacional foi escrito
utilizando-se a plataforma de programação Java, sendo responsável pelo
gerenciamento da transmissão de dados e pelas ações relacionadas à
estratégia de controle do sistema de aeração. Esse programa, denominado
AERO, é capaz também de realizar simulações do processo de aeração para
análises dos comportamentos de outros sistemas de aeração. A estratégia de
controle utilizada para o manejo da aeração relacionou quatro condições que
dependem dos dados obtidos em tempo real e dos dados estimados pelo
modelo unidimensional de simulação, sendo executada com o objetivo de
manter
a
homogeneidade
de
temperatura
dentro
da
estrutura
de
armazenagem e resfriar a massa de grãos sempre que possível. A aquisição
de dados foi realizada por um sistema de transmissão de dados com base
na tecnologia 1-WireTM. A utilização deste tipo de rede de transmissão de
dados se mostrou adequada ao monitoramento dos grãos armazenados e no
controle do sistema de aeração, com potencial para ser empregada em
outros processos agrícolas. Os dados observados na massa de grãos e os
simulados não apresentaram diferenças significativas, confirmando a
eficiência do modelo implementado no estabelecimento de estratégias de
controle preditivas para aeração de grãos e, também, na estimativa dos
parâmetros do processo. A estratégia de controle utilizada também
apresentou resultados satisfatórios, alcançando os objetivos pretendidos com
a aplicação da aeração. Utilizando-se um programa computacional adequado
esta estratégia pode ser adaptada com facilidade a outros sistemas de
aquisição de dados e de controle, assim como a sistemas de aeração
utilizando a tecnologia 1-wireTM para gerenciamento de várias estruturas de
armazenagem ou estruturas maiores.
vii
ABSTRACT
LOPES, Daniela de Carvalho, D. S., Universidade Federal de Viçosa,
February of 2006. Simulation and real time control for grains aeration
systems. Advisor: José Helvecio Martins. Committee Members: Paulo
Marcos de Barros Monteiro, Evandro de Castro Melo and Daniel Marçal
de Queiroz.
In this work, an aeration system for stored grains aeration control was
developed based on real time data acquisition and on the process simulation.
Thus, a software was written by using the Java programming platform, being
able to manage the data transmission and to execute actions related to the
aeration control strategy. This software, called AERO, is also capable to
simulate the aeration process for the behavior analysis of other aeration
systems. Four conditions were related in the control strategy used for the
aeration process management. These conditions were dependent on real
data and on data estimated by a one-dimensional simulation model. The
aeration was applied with the objectives to homogenize the temperature
inside the bin and to cool the grain mass whenever was possible. The data
acquisition was accomplished by a data transmission system based on the 1WireTM technology. This kind of data transmission net was adequate to stored
grain monitoring and aeration systems control, with potential to be employed
in other agricultural processes. The observed data agreed well with the
simulated ones, confirming the efficiency of the implemented model in
predictive control strategies and for simulation of actual characteristics of the
aeration process. The control strategy used in this work also presented
satisfactory results, reaching the intended aeration objectives. With an
adequate software, this strategy could be easily adapted to other data
acquisition and control systems, such as aeration systems which use the 1WireTM technology for management of several storage structures or large size
facilities.
viii
1. INTRODUÇÃO
Nas últimas décadas, tem-se discutido a utilização de processos e
métodos que garantam a qualidade dos produtos armazenados e não
prejudiquem a saúde dos consumidores. Além da preocupação com os danos
visíveis aos grãos, tem-se trabalhado no sentido de implementar medidas
que garantam a sua qualidade, evitando-se a degradação nutricional e a
contaminação do produto armazenado. O armazenamento de grãos em
países de clima tropical e em pequenas propriedades rurais também tem sido
bastante estudado. A adaptação das tecnologias existentes, relações custobenefício envolvidas, disponibilidade de informações sobre a região e
aceitação por parte dos produtores são alguns pontos analisados.
Muitas pesquisas têm sido realizadas visando métodos que não
utilizem produtos químicos para o controle de pragas, visando uma
armazenagem segura (ARTHUR et al., 2003, BENHALIMA et al., 2004;
DONAHAYE, 2000; FLEURAT-LESSARD, 2001, FLINN e HAGSTRUM,
1990; MURDOCK et al. 2003; THORPE e ELDER, 1980; THORPE e ELDER,
1982). Nestes estudos, dados experimentais têm mostrado que os insetos
podem desenvolver resistência aos produtos químicos, comprovando a
necessidade e a viabilidade da utilização de procedimentos que minimizem a
aplicação desses produtos.
Dentre as opções de controle das condições de armazenagem que
não incluem produtos químicos e que podem se adaptar às regiões tropicais
e pequenas propriedades rurais, a aeração é a tecnologia mais difundida. Na
aeração, o ar ambiente ou condicionado é forçado a circular através da
massa de grãos armazenados com a finalidade principal de estabelecer e
manter
a
homogeneidade
de
temperatura dentro
do
ambiente
de
armazenamento e, caso seja possível, resfriar o produto armazenado (HARA
e CORRÊA, 1981).
Uma das limitações da aeração é o fato desta tecnologia não eliminar
os insetos e microorganismos nocivos ao ambiente de armazenamento
imediatamente e, sim, impedir sua proliferação. Outra limitação é a
1
necessidade de um planejamento específico para cada situação em que esta
tecnologia é aplicada. É necessário que a estratégia de controle utilizada
para o acionamento e desligamento do sistema de aeração seja
implementada corretamente para que os seus objetivos sejam alcançados
com sucesso (PEREIRA e PEREIRA, 1982).
A principal vantagem da aeração é a possibilidade de não utilizar
produtos químicos. Além disso, esta tecnologia é mais simples, segura e
econômica no controle do ambiente de armazenamento quando comparada à
remoção física de insetos, à utilização de atmosfera controlada ou à
utilização de irradiação, dentre outras (NAVARRO e NOYES, 2001).
Os benefícios da aeração nas regiões tropicais e subtropicais ainda
não foram totalmente investigados. Verifica-se a necessidade de otimização
das estratégias de controle para o manejo da aeração nestas regiões. Estas
estratégias devem considerar o comportamento da massa de grãos aerados
e
as
demais
variáveis
ambientais
envolvidas
neste
processo.
Conseqüentemente, torna-se essencial a utilização de equipamentos
confiáveis e de baixo custo operacional, capazes de possibilitar a execução
satisfatória da estratégia de controle e do acionamento automático de
sistemas de aeração.
Uma possibilidade interessante é o desenvolvimento de uma estratégia
de controle que combine os resultados da simulação do processo de aeração
aos dados monitorados em tempo real. Os modelos matemáticos têm sido
desenvolvidos para predizer o comportamento dos fatores que influenciam as
transferências de calor e massa em toda a massa de grãos, sendo que estas
estimativas podem ser utilizadas na estratégia de controle e na otimização
dos procedimentos de monitoramento do ambiente de armazenamento,
estimando a variação nos teores de água e na deterioração do produto
armazenado.
As
vantagens
da
implementação
de
um
programa
computacional capaz de simular o processo de aeração incluem, ainda, a
possibilidade de se utilizar os resultados obtidos isoladamente para estudar
os efeitos dos diversos parâmetros bióticos e abióticos nos grãos
armazenados, agilizando pesquisas, reduzindo seus custos e possibilitando a
predição das condições de armazenamento de forma rápida e satisfatória
para diferentes locais do mundo e sob as mais diferentes condições
2
climáticas. Para ser validado, o modelo matemático empregado na simulação
deve ser testado utilizando-se dados reais.
Dentre as tecnologias que podem ser empregadas no monitoramento
do ecossistema dos grãos armazenados, a tecnologia 1-WireTM é uma opção
promissora, relativamente simples e viável economicamente. Apesar de
pouco difundida no Brasil, esta tecnologia apresenta muitas vantagens,
incluindo a sua flexibilidade e confiabilidade. Outra motivação para a sua
utilização é fato de o fabricante disponibilizar grande quantidade de material
bibliográfico sobre o seu funcionamento. fazendo com que a implementação
e adaptação de redes 1-WireTM para diferentes aplicações seja facilitada,
assim como a manutenção de sistemas gerenciados por este tipo de rede.
Com base no exposto, o presente trabalho foi realizado com os
seguintes objetivos: (i) Desenvolver um sistema de controle para aeração de
grãos armazenados com base em dados obtidos em tempo real e na
simulação do processo. (ii) Desenvolver um programa computacional para
executar as ações de controle e de manejo da aeração que combine os
dados simulados por meio de um modelo matemático unidimensional com
dados obtidos em tempo real, utilizando-se o sistema 1-WireTM.
3
2. PROCESSO DE AERAÇÃO
2.1. Objetivos da aeração
Quando a aeração for utilizada, é importante que o seu objetivo
específico seja bem definido e as condições do processo sejam bem
conhecidas para que o efeito produzido seja o esperado. O dimensionamento
do sistema de aeração, a estratégia de controle e os equipamentos utilizados
para a execução dessa estratégia devem ser adequados. Deve-se empregar
uma vazão mínima de ar necessária para que a massa de grãos alcance a
temperatura desejada em um intervalo de tempo conveniente. Se a aeração
demorar muito, os seus objetivos podem não ser alcançados e se o processo
for muito rápido será requerida uma vazão de ar muito alta, que poderá secar
ou umedecer os grãos, sendo também economicamente inviável.
A vazão específica mínima de ar requerida depende da espécie de
grão armazenado, da espessura da massa de grãos, do tipo de instalação e
do número de estruturas de armazenagem existentes no sistema. Grãos
maiores exigem vazões maiores para se alcançar um mesmo nível de
resfriamento ou homogeneização de temperaturas (NAVARRO e NOYES,
2001). Geralmente, em climas temperados e estruturas verticais, as vazões
específicas características para sistemas de aeração variam entre 0,05 e
0,1 m3 min-1 t-1. Nas estruturas horizontais estas vazões variam entre 0,1 e
0,2 m3 min-1 t-1. Nas regiões quentes as vazões específicas variam entre 0,1
e 0,2 m3 min-1 t-1 para estruturas horizontais que armazenam grãos secos
e entre 0,03 e 0,1 m3 min-1 t-1 para estruturas verticais (SILVA et. al., 2000a).
2.1.1. A aeração utilizada para o resfriamento da massa de grãos
Em regiões com clima temperado ou frio, o resfriamento dos grãos é o
objetivo mais comumente relacionado à aeração. Se a umidade relativa do ar
frio está adequada, ele é introduzido no ambiente de armazenamento,
diminuindo gradualmente a temperatura da massa de grãos e criando um
microclima impróprio para a proliferação de insetos e microorganismos.
Entretanto, é difícil atingir temperaturas e teores de água baixos utilizando a
4
aeração em países com climas tropicais e subtropicais, como o Brasil.
Nessas regiões, recomenda-se que os grãos sejam armazenados secos
(entre 11 e 13% b. u.) e que a aeração seja utilizada com o objetivo principal
de manter a homogeneidade da temperatura na massa de grãos (LACERDA
FILHO e AFONSO, 1992).
A utilização da aeração para o resfriamento do produto armazenado
tem se mostrado vantajosa em climas tropicais e subtropicais que
apresentam noites e invernos frios. Pesquisas realizadas no Canadá e no
nordeste dos Estados Unidos têm mostrado que massas de grãos resfriadas
durante o inverno se mantêm com baixa temperatura durante a primavera e o
verão (CASADA e ALGHANNAM, 1999; CASADA et al., 2002 e JAYAS e
WHITE, 2003). LUKOV et al. (1995), SOPONRONNARIT et al. (1998),
SOROUR e UCHINO (2003) e WILLCOCK e MAGAN (2001) demonstraram
que os níveis de deterioração devido à oxidação, perdas de vitaminas e
matéria seca em grãos e sementes com baixos teores de água e aerados
com baixas temperaturas foram menores e o tempo de armazenamento
destes produtos foi maior.
2.1.2. A aeração utilizada para homogeneizar a temperatura
A utilização da aeração com o objetivo de manter um baixo gradiente
de temperatura no ambiente de armazenamento possibilita a prevenção da
migração de umidade, os focos de aquecimento e a condensação de água
nos grãos armazenados (NAVARRO e NOYES, 2001).
O perfil da migração de umidade varia de acordo com os períodos do
ano. Segundo MUIR e JAYAS (2003), durante os períodos de inverno e
outono, os grãos localizados próximos às paredes do silo e no topo da massa
de grãos são resfriados com mais facilidade do que aqueles localizados na
parte inferior e no centro do silo. Depois de alguns dias, devido ao gradiente
de temperatura na massa de grãos, são geradas correntes convectivas. Ou
seja, o ar intergranular frio e denso localizado próximo às paredes do silo é
puxado para baixo, fluindo pelo centro do silo e puxando para cima o ar
quente e menos denso localizado inicialmente nesta região (Figura 2.1).
5
Figura 2.1 – Perfil da migração de umidade nos períodos frios.
De acordo com MUIR e JAYAS (2003), na primavera e no verão, as
temperaturas dos grãos próximos às paredes do silo aumentam e os grãos
localizados no centro da instalação se mantêm resfriados. Nestes períodos
as correntes convectivas mudam sua direção. O ar frio e mais denso,
localizado no centro do silo, flui para baixo, resultando em um movimento das
correntes convectivas a partir do centro do silo em direção às suas laterais
(Figura 2.2).
Figura 2.2 – Perfil da migração de umidade nos períodos quentes.
6
Segundo FRIESEN e HUMINICKI (1987), a condensação de água nos
grãos armazenados é um processo natural diferente da migração de
umidade. Este processo ocorre com mais freqüência em climas muito
quentes. Geralmente, a água que se condensa e goteja sobre o produto
armazenado contém a umidade do ar que se acumula no espaço entre a
superfície da massa de grãos e o teto do silo. Isto ocorre porque o teto do
silo, aquecido durante o dia, é resfriado durante a noite e o espaço entre a
superfície da massa de grãos e o teto do silo alcança a temperatura de ponto
de orvalho. Em climas subtropicais e temperados, se os grãos são
armazenados com altas temperaturas e não são resfriados adequadamente
antes da estação fria, a umidade pode condensar também na parte inferior do
silo. De acordo com LACERDA FILHO e AFONSO (1992), a condensação
pode ser observada também em áreas da massa de grãos cujas
temperaturas são inferiores à temperatura de ponto de orvalho do ar
insuflado.
Os focos de calor ocorrem devido à respiração dos grãos e ao
metabolismo dos insetos e microorganismos que geram o aquecimento e o
conseqüente aumento de umidade em áreas localizadas da estrutura de
armazenagem (THORUWA et. al, 1998 e BUSCHERMOHLE et. al, 2005).
2.1.3. Outras possibilidades para a utilização da aeração
Apesar de não ser projetada para alcançar este objetivo, a aeração
pode ser aplicada para promover a secagem dentro de certos limites. Neste
caso, as vazões empregadas são de 15 a 25 vezes maiores do que aquelas
aplicadas para a aeração de resfriamento (SILVA et. al, 2000a). Estas altas
vazões de ar são, algumas vezes, inviáveis economicamente. Por isso,
quando a aeração é aplicada com este objetivo deve-se ter cuidado e
observar as condições do clima, do produto e do próprio sistema de aeração.
Fumigantes gasosos podem ser distribuídos através da massa de
grãos, gerando concentração uniforme e resíduos dentro dos limites
aceitáveis no ambiente de armazenamento (BOND, 1984). Mas, de acordo
com NAVARRO e NOYES (2001), a circulação dos fumigantes utilizando
sistemas de aeração requer conhecimentos avançados sobre os efeitos e
tempos necessários de contato do fumigante com os grãos. São necessárias
7
vazões específicas de ar adequadas para este procedimento, assim como
outras adaptações estruturais. A existência de um sistema de aeração em um
silo facilita a incorporação de um sistema de recirculação. A vazão de ar em
sistemas de recirculação é usualmente de 5 a 10% da capacidade requerida
para a aeração.
2.2. A aeração e o ecossistema dos grãos armazenados
A modificação das condições do ambiente de armazenamento pode
produzir diferentes efeitos, dependendo das características do ar de aeração
e das características dos grãos armazenados. Estes efeitos são entendidos
com mais facilidade quando o ambiente de armazenamento é considerado
como um ecossistema com fatores bióticos e abióticos.
2.2.1. Os grãos armazenados
O principal fator biótico deste ecossistema é o grão, pois todas as
ações envolvidas no gerenciamento de um sistema de armazenamento são
executadas visando a sua preservação (FLEURAT-LESSARD, 2001). O grão
é considerado um organismo vivo com atividade fisiológica reduzida,
podendo permanecer assim por longos períodos. Este baixo nível de
atividade biológica dos grãos se deve aos baixos teores de água necessários
para se obter uma armazenagem segura. Altos valores de umidade no
ambiente de armazenamento combinados a valores de temperatura
inadequados podem causar a germinação dos grãos, resultando em perda do
seu valor nutritivo e impedindo o armazenamento seguro (NAVARRO e
NOYES, 2001).
Os efeitos benéficos da aeração no ambiente de armazenamento são
possíveis principalmente por causa da porosidade e da característica isolante
da massa de grãos, mas outras propriedades também influenciam este
processo.
2.2.2. Propriedades dos grãos
A porosidade pode ser definida como a relação entre o volume
ocupado pelo ar existente na massa granular e o volume total ocupado por
esta massa, tendo grande influência sobre a pressão de um fluxo de ar que
8
atravessa a massa de grãos (SILVA e CORRÊA, 2000). A porosidade do
milho é igual a 40%. Geralmente, o volume de ar intergranular dos cereais
varia de 35 a 55 % do volume de produto, sendo possível, assim, que o ar
forçado no ambiente de armazenamento entre em contato com a grande
maioria dos grãos armazenados (BROOKER et al., 1992).
A condutividade térmica da massa de grãos é a taxa de calor que flui
por condução normal a uma superfície por unidade de tempo, quando é
estabelecido um gradiente de temperatura entre esta superfície e outra
paralela. O valor desta propriedade varia de acordo com a espécie de grão, o
seu teor de água e a temperatura, sendo sempre bastante baixo e
possibilitando que o microclima modificado seja mantido por um período
considerável depois que o processo de aeração ocorre. A condutividade
térmica do milho é aproximadamente igual a 0,159 W m-1 K-1 para teores de
água entre 12 e 16% b.u. (SILVA e CORRÊA, 2000).
A difusividade térmica é uma propriedade diretamente relacionada ao
processo de transferência de massa durante a aeração e pode ser definida
como a variação de temperatura produzida em um volume unitário de
determinada substância pela quantidade de
energia
fluindo
entre duas
faces na unidade de tempo, expressa em m2 h-1. Apesar de aumentar com
o teor de água dos grãos, a difusividade térmica do milho varia de 3,12 a
3,67 x 10-4 m2 h-1 (SILVA e CORRÊA, 2000).
O ângulo de repouso é também uma propriedade importante, pois a
existência ou não de picos na massa de grãos interfere na uniformidade da
distribuição de ar dentro da estrutura de armazenagem durante o processo
de aeração. Esta propriedade é definida como o ângulo máximo do talude
formado pelos grãos em relação à horizontal, sendo influenciado pelo teor de
água, pelo tamanho, pela forma e pela constituição externa do grão. O ângulo
de repouso do milho é igual a 35° para teores de água entre 12 e 16% b.u.
(BROOKER et al., 1992).
A massa especifica dos grãos determina o volume requerido para
armazenar uma determinada quantidade de produto. Esta propriedade
influencia diretamente a vazão de ar requerida para a aeração e os
processos de transferência de calor e de massa no ambiente de
9
armazenamento. A massa específica do milho com teor de água entre 12 e
16% b.u. está entre 745 e 800 kg m-3 (BROOKER et al., 1992).
O calor específico representa a quantidade de energia térmica
requerida, expressa em kJ, para aumentar a temperatura de 1 kg de produto
em 1 ºC. Como a variação de 1 K é exatamente igual à variação de 1 ºC, o
calor específico pode ser expresso tanto em kJ ºC kg-1 quanto em kJ K kg-1.
Esta propriedade também influencia os processos de transferência de calor e
de massa durante a aeração. (NAVARRO e NOYES, 2001).
As entalpias diferenciais de sorção e de umedecimento, assim como o
calor latente de vaporização, são propriedades importantes, consideradas na
simulação do processo de aeração, pois interferem nas transferências de
calor de massa dentro do ambiente de armazenamento. A entalpia diferencial
de sorção é a energia total requerida para remover da unidade de massa de
água de uma massa de grãos. Este valor é igual à diferença entre o calor
latente de vaporização e a entalpia diferencial de umedecimento (NAVARRO
e NOYES, 2001). De acordo com SILVA e CORRÊA (2000), o calor latente
de vaporização é o calor aplicado à água que causa a sua mudança de
estado líquido para vapor e a entalpia diferencial de umedecimento é a
redução de energia que ocorre quando 1 kg de água pode ser adicionado
uniformemente à massa de grãos de maneira que seu teor de água não seja
alterado significantemente.
2.2.3. Umidade relativa de equilíbrio
De acordo com BROOKER et. al (1992), o teor de água dos grãos
representa a quantidade de água por unidade de massa de matéria seca que
compõe o produto, geralmente expressa em porcentagem de base seca ou
base úmida. O teor de água na base úmida expressa a razão entre a massa
de água e a massa total de produto e na base seca a razão entre a massa de
água e a massa de matéria seca do produto.
Diferentes espécies de grãos necessitam de diferentes teores de água
considerados seguros para a armazenagem que, de acordo com NAVARRO
e NOYES (2001), devem ser 1% menor que o teor de água crítico, acima do
qual as condições do ecossistema dos grãos armazenados tornam-se
favoráveis ao desenvolvimento da microflora. Como a umidade do ar
10
intergranular tende a entrar em equilíbrio com o teor de água dos grãos,
quando a atividade da microflora e a preservação da qualidade dos grãos são
discutidas, é mais significativo considerar a umidade relativa de equilíbrio que
corresponde a um teor de água particular.
A umidade relativa de equilíbrio e a atividade de água são
numericamente equivalentes, mas a umidade relativa de equilíbrio é expressa
em porcentagem. A atividade de água é a relação entre a pressão de vapor
de água no produto e a pressão de vapor da água pura, sob mesma
temperatura (NAVARRO e NOYES, 2001). Este parâmetro é bastante
utilizado, refletindo a disponibilidade de água no produto para realização de
processos metabólicos. De acordo com LACEY et al. (1980), a atividade de
água depende do tipo de produto e do seu teor de água. Dois produtos
diferentes podem possuir mesma atividade de água, mas teores de umidade
diferentes. Para o mesmo teor de água, as espécies oleaginosas possuem
atividade de água maior, a um determinado teor de água, que sementes de
cereais como o milho e o trigo.
Segundo BROOKER et. al (1992), existe uma grande variedade de
modelos matemáticos empregados na estimativa da umidade relativa de
equilíbrio. Dentre estes modelos, os mais utilizados são as equações de
Chung-Pfost (equação 2.1) e de Henderson modificada (equação 2.2).
A


URE = 100 exp −
exp( −BU) 
 θ+C

(
URE = 100 1 − exp( −K(θ + G)(100U)N
(2.1)
)
(2.2)
em que
URE A,B,C,K,G,N -
Umidade relativa de equilíbrio, %;
Parâmetros que dependem do produto (Apêndice 1);
U -
Teor de água dos grãos, b. s.;
θ -
Temperatura dos grãos, °C.
11
2.2.4. Deterioração dos grãos
A deterioração dos grãos é o principal fator que influencia no tempo
para o armazenamento seguro e no tempo de secagem. O limite aceitável
para a perda de matéria seca em grãos armazenados é de 0,5%, sendo que
atualmente alguns o valor de 0,3% vem sendo indicado por alguns autores
(FLEURAT-LESSARD, 2001).
A perda de matéria seca pode ser estimada por meio de modelos
obtidos ajustando-se relações matemáticas a dados experimentais. O modelo
mais
utilizado
é
o
apresentado
por
THOMPSON
(1972)
e,
mais
recentemente, por LACEY (1994). Neste modelo considera-se que a perda de
matéria seca depende do tempo, como mostra a equação 2.3, desenvolvida
para o milho com temperatura igual a 15,5°C, teor de água igual a 25% b.u. e
com 30% de danificação.


t
m s = 8,83 × 10 − 4 exp 1,667 × 10 −6
MM M T


 
t
 − 1 + 2,833 × 10 −9
M MM T
 
(2.3)
em que
ms t -
Perda de matéria seca, %;
Tempo, s;
Os termos MM e MT são parâmetros utilizados para ajustar o tempo de
aeração de acordo com o teor de água e a temperatura dos grãos. Assim,
quando a temperatura dos grãos for menor ou igual a 15,5 ºC ou o teor de
água for menor ou igual a 19%b.u., a equação 2.4 deve ser utilizada para
calcular MT.
MT = 32,2 exp ( −0,1044θ − 1,856)
(2.4)
No caso de a temperatura dos grãos ser maior que 15,5 ºC e o teor de
água estar entre 19%b.u e 28%b.u., o valor de MT deverá ser calculado
utilizando-se a equação 2.5.
12
U − 19
MT = 32,2 exp (−0,1044θ − 1,856) + P
exp (0,0183θ − 0,2847)
100
(2.5)
em que
UP -
Teor de umidade dos grãos, %bu;
Se a temperatura dos grãos for maior que 15,5 ºC e o teor de água for
maior que 28%b.u. deve-se aplicar a equação 2.6 no cálculo de MT.
MT = 32,2 exp ( −0,1044 θ − 1,856 ) + 0,09 exp (0,0183 θ − 0,2847 )
(2.6)
O valor de MM é obtido aplicando-se a equação 2.7.




455
 − 0,845 U + 1,558 
MM = 0,103  exp 
 (100 U)1,53 






(2.7)
2.2.5. Insetos e microflora dos grãos armazenados
Todos os fatores vivos relacionados ao ecossistema dos grãos
armazenados são considerados fatores bióticos. Assim, ácaros, roedores,
insetos, fungos e bactérias influenciam diretamente o comportamento da
massa de grãos.
Os roedores podem causar problemas sérios quando o produto é
ensacado ou mantido em instalações inadequadas. Mas, as estruturas
modernas de armazenagem são projetadas de maneira que eles não
conseguem entrar ou sobreviver lá dentro e, portanto, não causam muitos
danos aos grãos.
Os ácaros são organismos que merecem atenção especial no
ecossistema dos grãos armazenados, particularmente em regiões próximas
ao mar, com climas úmidos e frios. Os ácaros podem perfurar os grãos e
sementes, contaminando o produto e causando problemas nutricionais, como
a intoxicação, se os grãos forem ingeridos ou manipulados (NAVARRO e
NOYES, 2001). Diferente dos insetos, a principal variável que influencia no
desenvolvimento
dos
ácaros
é
a
umidade
relativa.
Segundo
13
CUNNINGTON (1984),
ambientes
de
armazenamento
com
umidades
relativas de equilíbrio inferiores a 65% são seguros com relação ao
desenvolvimento e proliferação de ácaros.
Na maioria dos casos, os insetos e a microflora são os fatores bióticos
mais preocupantes no ecossistema dos grãos armazenados. Eles se
desenvolvem devido às interações entre diversos fatores, como a atividade
de água do produto, a temperatura e a umidade do ar intergranular, o período
de armazenamento, a aeração e a presença de materiais estranhos
(ANDRADE, 2001).
Quando
insetos
e
microorganismos
agem
no
ambiente
de
armazenamento, seu metabolismo produz água e calor, podendo aumentar a
temperatura e a atividade de água da massa de grãos, favorecendo o seu
desenvolvimento. De acordo com NAVARRO e NOYES (2001), as perdas
financeiras causadas nestes casos podem variar de 1 a 50%, e algumas
vezes, podem comprometer toda a massa de grãos armazenada.
Existem aproximadamente 250 espécies de insetos característicos do
ecossistema dos grãos armazenados, sendo algumas delas consideradas de
grande importância econômica na área de armazenamento. Os besouros da
ordem dos Coleópteros são comuns em regiões tropicais e subtropicais,
sendo os insetos mais importantes em países quentes, pois são capazes de
se desenvolverem em altas temperaturas e baixas umidades relativas. A
espécie Rhyzoperytha dominica (F.), da família Bostrichidae, é um exemplo
desta ordem de inseto. Também fazem parte da ordem dos Coleópteros a
família Curculionidae que incluem os Sitophilus oryzae (L.), os Sitophilus
zeamais e os Sitophilus granarius (L.) que se desenvolvem em ambientes
úmidos, infestanto principalmente grãos de milho ainda no campo. As
espécies
Tribolium
castaneum
e
Tribolium
confusum
da
família
Tenebrionidae é outra espécie da ordem dos Coleópteros que podem
desenvolver grandes populações causando o aquecimento da massa de
grãos e a migração de umidade, além de danificar o produto armazenado.
Ainda na ordem dos Coleópteros, a espécie Oryzaephilus surinamensis da
família Silvanidae causam o aquecimento dos grãos, principalmente o arroz,
sendo bastante sensível a baixas temperaturas. Na ordem dos Lepidópteros,
as espécies Ephestia cautella e Plodia interpunctella, da família Phycitidae,
14
merecem atenção pois conseguem sobreviver em temperaturas moderadas,
apesar de terem um ciclo de vida curto.
Os insetos são caracterizados por suas pequenas dimensões e alguns
deles atacam o produto ainda no campo, entrando no ecossistema dos grãos
armazenados no momento do armazenamento. Os insetos são os principais
fatores bióticos causadores de perdas no peso e qualidade dos grãos. De
acordo com FLEURAT-LESSARD (2001), as taxas de desenvolvimento dos
insetos e o aumento em suas populações são afetados pela temperatura da
massa de grãos. Geralmente, os insetos encontrados nos ambientes de
armazenamento têm origem tropical e subtropical, requerendo temperaturas
razoavelmente altas para se desenvolverem (27 a 34 ºC). Em ambientes com
temperaturas menores que 20 ºC e maiores que 42 ºC, o desenvolvimento
dos insetos é reduzido.
Os microorganismos característicos do ambiente de armazenamento
são os fungos e bactérias, presentes neste ecossistema, mas inativos
quando a umidade relativa de equilíbrio do ambiente de armazenamento é
menor que 65% (JAYAS e WHITE, 2003). Quando o valor desse parâmetro
ultrapassa 75% a deterioração causada pelos fungos aumenta a uma taxa
exponencial, podendo causar perdas qualitativas e quantitativas nos grãos
(JAYAS e WHITE, 2003). Por isso, umidades relativas de equilíbrio de até
70% são aceitáveis em estratégias de controle. Ressalta-se ainda que a
disponibilidade de água no produto armazenado é um fator determinante para
se caracterizar o tipo de bactérias ou fungos capazes de se desenvolverem
na massa de grãos.
Além das condições ambientais, outros fatores contribuem para o
desenvolvimento e atividade dos insetos e microorganismos característicos
de ambientes de armazenamento. Cada espécie de inseto ou fungo requer
diferentes nutrientes para se desenvolver e competir com outras espécies.
Conseqüentemente, cada tipo de produto pode ser contaminado por espécies
características de insetos e fungos capazes de se desenvolver nos ambientes
em que estão armazenados. Raramente os produtos armazenados são
infestados por uma única espécie de insetos. Os efeitos dos vários fatores
que influenciam o desenvolvimento das populações de insetos são
complexos. Para que a relação entre a infestação de insetos e as perdas
15
causadas nos grãos sejam estimadas, a interação entre os requerimentos de
nutrientes, temperatura, umidade, competição entre espécies, relação com
predadores e outros fatores precisam ser avaliadas (DESMARCHELIER,
1988; FLINN e HAGSTRUM, 1990 e FLINN et. al, 2004).
2.2.6. Micotoxinas em grãos armazenados
Os grãos danificados por fungos apresentam descoloração, além de
aparência e odor desagradáveis. Os danos qualitativos incluem alterações
químicas comprometendo a textura, o paladar e o aroma dos alimentos
produzidos com estes grãos. Certos tipos de fungos, sob condições
ambientais específicas, podem produzir substâncias tóxicas para animais e
humanos, chamadas micotoxinas (JAYAS e WHITE, 2003).
As principais micotoxinas encontradas nos grãos são as aflatoxinas, as
fumosinas, os tricotecenos, as zearalenonas, as patulinas e as ocratoxinas.
As aflatoxinas e as ocratoxinas constituem grupos de toxinas produzidas por
fungos Aspergillus, sendo que as ocratoxinas podem ser produzidas também
por fungos Penicillium. As, fumosinas, as zearalenonas e os tricotecenos são
produzidas p or fungos Fusarium. As patulinas podem ser produzidas por
fungos Penicillium, Aspergillus ou Byssochlamys (BOUHET e OSWALD,
2005).
As micotoxinas são cancerígenas, podendo causar a destruição das
células do fígado, hemorragias e alterações das funções nervosas. Em
humanos o processo de intoxicação pode dar-se de forma gradual e os seus
efeitos podem demorar a se manifestar (BOUDRA e MORGAVY, 2005).
Devido ao perigo que estas propriedades tóxicas representam, é
imprescindível manter a umidade relativa de equilbrio abaixo de 70% e o
gradiente de temperatura o menor possível dentro do ambiente de
armazenamento, para que o desenvolvimento de fungos seja controlado
(BROOKER et al., 1992).
2.2.7. Fatores abióticos do ecossistema dos grãos armazenados
A estrutura de armazenagem é um fator abiótico do ecossistema dos
grãos armazenados, assim como a temperatura e umidade relativa do ar
ambiente, a temperatura dos grãos, o teor de água dos grãos, a atmosfera do
16
ambiente de armazenamento e os materiais estranhos existentes na massa
de grãos (ANDRADE, 2001). As interações entre estes fatores e a maneira
como elas afetam os grãos variam conforme as condições internas e
externas ao ecossistema.
A estrutura de armazenagem forma os limites do ecossistema dos
grãos armazenados. O seu material de construção, a sua localização e o seu
formato são importantes na determinação da maneira como os outros fatores
podem afetar o produto armazenado. A estrutura deve ser projetada para
proteger os grãos dos fatores externos como chuva ou calor excessivo,
minimizando a sua influência e servindo, também, como uma barreira para a
infestação dos grãos por insetos, roedores e outros animais (NAVARRO e
NOYES, 2001).
O ar corresponde a aproximadamente 50% do volume do ambiente de
armazenamento, porque está presente em todos os espaços existentes entre
os grãos e no espaço livre existente entre a superfície da massa de grãos e o
teto do silo. Quando existem trocas livres de ar no ecossistema dos grãos
armazenados, a composição da atmosfera interna ao ambiente de
armazenamento contém aproximadamente 21% de oxigênio e 0,03% de
dióxido de carbono. Entretanto se a estrutura de armazenagem apresentar
aberturas restritas ou for completamente fechada, o metabolismo dos fatores
bióticos podem alterar a composição da atmosfera, reduzindo a concentração
de oxigênio e aumentando a concentração de dióxido de carbono (NAVARRO
e NOYES, 2001). A temperatura do ambiente de armazenamento não
influencia diretamente o
produto
armazenado
por causa
da
baixa
condutividade térmica dos grãos, mas exerce grande influência sobre outros
fatores bióticos como os fungos e os insetos. NAVARRO e NOYES (2001)
afirmam que a umidade do ar intersticial é afetada pela umidade do ar
externo apenas se existirem trocas livres entre o ar do ambiente de
armazenamento e o ar externo, por exemplo, quando o os grãos forem
armazenados em estruturas com grandes aberturas ou quando a aeração for
aplicada.
As
matérias
finas
encontradas
no
ecossistema
dos
grãos
armazenados incluem poeira, areia, pequenas pedras, pó de cereal
produzido por insetos e por escarificação celular, além de outros materiais.
17
Este
fator
abiótico
pode
causar
vários
efeitos
no
ambiente
de
armazenamento. Grãos sujos tendem a adsorver umidade mais rapidamente.
Também, pequenas partículas de matéria fina podem bloquear os espaços
intersticiais, criando maior resistência ao fluxo de ar através da massa de
grãos (BROOKER et. al, 1992).
2.3. Psicrometria do processo de aeração
No processo de aeração de grãos armazenados, as relações
psicrométricas são de grande utilidade nas avaliações sobre as condições do
ar ambiente e de aeração.
2.3.1. Propriedades psicrométricas utilizadas em sistemas de aeração
Pressão parcial de vapor é a pressão exercida pelas moléculas de
vapor de água existente na atmosfera. Quando o ar contém o máximo de
vapor de água permissível diz-se que ele se encontra saturado e a pressão
de vapor é denominada pressão de saturação. Ressalta-se que a quantidade
de vapor que pode existir em uma determinada atmosfera depende da sua
temperatura (LOPES et al., 2000). A pressão parcial de vapor e a pressão de
saturação são utilizadas na maioria dos cálculos necessários ao manejo da
aeração, incluindo as determinações do teor de água da massa de grãos, da
umidade relativa do ar de aeração e da umidade relativa de equilíbrio.
A pressão de saturação pode ser estimada utilizando-se a equação 2.8
ou 2.9, propostas por WILHELM (1976) dependendo da faixa de temperatura
considerada. A equação 2.8 é aplicada para a faixa de temperatura
entre -40 °C e 0 °C e a equação 2.9 é aplicada para a faixa de temperatura
entre 0 °C e 120 °C.
6238,64


ln(PVS ) = exp 24,2779 −
− 0,344438 ln(T ) 
T


(2.8)
 − 7511,52
ln(PVS ) = exp
+ 89,63121 + 0,02399897 T − 1,1654551 × 10 − 5 T 2
(2.9)
T

− 1,2810336 × 10 − 8 T 3 + 2,0998405 × 10 −11 T 4 − 12,150799 ln( T ))
18
em que
PVS T -
Pressão de vapor de saturação, kPa;
Temperatura, K.
As equações 2.10, proposta por HUNTER (1987), e 2.11, apresentada
por ZOLNIER (1994) e LOPES et al. (2000) também podem ser utilizadas nos
cálculos da pressão de vapor de saturação.
PVS =
6 × 10 25
 6800 
exp  −

T 

1000 T 5
PVS = 0,6107810 × 10 { [7,5 ( T −273,15 )] / [ 237,3 +( T −275,15 ) ] }
(2.10)
(2.11)
Para temperaturas entre 0 e 374 ºC, JOHANNSEN (1981) sugeriu a
aplicação da equação 2.12 para o cálculo da pressão de vapor de saturação.
Esta equação foi apresentada, também, por BROOKER et.al. (1992).
8
 0,01

PVS = 22087,837 exp 
(100,976 − T ) ∑ Fi (0,65 − 0,01 (T − 273,16 ))i −1 
i =1
 T
 (2.12)
em que
F1,F2, ..., F8 - Parâmetros: F1 = -741,9294; F2 = -29,7210; F3 = -11,552860;
F4 = -0,8685635; F5 = 0,1094098;
F6 = 0,4399930;
F7 = 0,2520658; F8 = 0,05218683;
A pressão parcial de vapor pode ser calculada conhecendo-se a razão
de mistura do ar, por meio da equação 2.13 (NAVARRO e NOYES, 2001;
WILHELM, 1976). Outra possibilidade é a equação 2.14, apresentada por
ZOLNIER (1994), que se baseia nas temperaturas de bulbo seco e bulbo
molhado.
PV =
Patm R
0,622 + R
PV = PVU − Z Patm (TBS − TBM )
(2.13)
(2.14)
19
em que
PV Patm R -
Pressão parcial de vapor, kPa;
Pressão atmosférica, kPa;
Razão de mistura, g vapor de água g-1 ar seco.
PVU -
Pressão de saturação à temperatura de bulbo molhado,
kPa;
Z -
Constante do psicrômetro, igual a 6,7 x 10-4 para
psicrômetros aspirados e 8,0 x 10-4 para psicrômetros não
aspirados, ºC-1;
TBS -
Temperatura de bulbo seco, ºC;
TBM -
Temperatura de bulbo molhado, ºC.
A razão de mistura é a razão entre a massa de vapor de água e a
massa de ar seco em um dado volume de mistura (LOPES et al., 2000). Este
parâmetro é utilizado nas modelagens do comportamento da massa de grãos
durante o processo de aeração, possibilitando a estimativa do teor de água
do produto armazenado e auxiliando na previsão dos efeitos da aeração no
ambiente de armazenamento. Segundo NAVARRO e NOYES (2001), uma
característica de países com climas tropicais é que a razão de mistura da
atmosfera varia pouco de dia para dia. Quando as temperaturas de bulbo
seco e bulbo molhado são conhecidas, a razão de mistura pode ser calculada
por meio da equação 2.15 (WILHELM, 1976) ou por meio da equação 2.16
(NAVARRO e NOYES, 2001).
R=
(2501 − 2,41 TBM ) R S − 1,006 (TBS − TBM )
2501 + 1,775 TBS − 4,186 TBM
R = R S − ( 4,042 × 10 −4 + 5,816 × 10 −7 R S )(TBS − TBM )
(2.15)
(2.16)
em que
RS -
Razão de mistura à pressão de saturação, g g-1.
Como a quantidade de vapor de água presente no ar é bem menor que
a quantidade de ar seco, costuma se multiplicar os valores da razão de
20
mistura por 1000, exibindo o resultado em gramas de vapor de água /
quilograma de ar seco (ZOLNIER, 1994).
O volume específico é definido como o volume ocupado pela massa de
ar seco mais vapor d’água por unidade de massa de ar seco, sendo expresso
em m3 kg-1 de ar seco. Esta propriedade é utilizada em alguns modelos de
simulação do processo de aeração, podendo ser calculada por meio da
equação 2.17, proposta por NAVARRO e NOYES (2001) e WILHELM (1976),
ou utilizando-se a equação 2.18, apresentada por ZOLNIER (1994).
0,28705 T
(1 + 1,6078 R)
Patm
(2.17)


T
VE = 100 

 348,37 (Patm − PV ) 
(2.18)
VE =
em que
VE -
Volume específico do ar, m3 kg-1.
A umidade relativa do ar é a relação entre a quantidade de vapor de
água presente no ambiente e aquela que prevaleceria em condições
saturadas, à mesma temperatura, sendo expressa em porcentagem. Ou seja,
a umidade relativa é a razão entre a pressão parcial de vapor exercida pelas
moléculas de água presentes no ar e a pressão de saturação, na mesma
temperatura, como mostra a equação 2.19 (LOPES et al., 2000; NAVARRO e
NOYES, 2001; ZOLNIER, 1994). Portanto, a umidade relativa indica o quão
próxima a mistura ar seco e vapor de água está da saturação. Quanto menor
a umidade relativa maior será a capacidade do ar em absorver água.
UR = 100
PV
PVS
(2.19)
em que
UR -
Umidade relativa do ar ambiente, %.
De acordo com NAVARRO e NOYES (2001), em países tropicais, a
umidade relativa do ar é geralmente alta, particularmente nas estações
chuvosas, alcançando valores da ordem de 70% ou mais durante o dia. Em
desertos e em algumas regiões do Brasil a umidade relativa é geralmente
21
baixa e, durante o dia, são comuns valores da ordem de 20% ou menos.
Quando a umidade relativa do ar para uma determinada temperatura é 100%,
o ar estará saturado com vapor de água e sua umidade não poderá
aumentar. Em sistemas de aeração sem sensores de umidade relativa, a
combinação das medidas de temperatura de bulbo seco e de temperatura de
bulbo molhado é utilizada na determinação da umidade relativa do ar
ambiente aplicando-se o algoritmo apresentado na Figura 2.3.
Figura 2.3. Fluxograma para o cálculo da umidade relativa a partir das
temperaturas de bulbo seco e bulbo molhado.
De acordo com LOPES et al. (2000) e ZOLNIER (1994), a entalpia de
uma mistura de ar seco e vapor de água é a energia contida no ar úmido, por
unidade de massa de ar seco, para temperaturas superiores a uma
temperatura de referência. Na prática, considera-se que o conteúdo de
energia do ar seco a 0 ºC é zero. Esta propriedade é utilizada em modelos de
simulação
do
processo
de
aeração
em
grãos
armazenados,
no
22
dimensionamento de aquecedores, sistemas de secagem e composição do
custo operacional de diferentes sistemas.
WILHELM
(1976)
propôs
a
utilização
da
equação
2.20
e
ZOLNIER (1994) a utilização da equação 2.21 para calcular a entalpia
específica do ar.
h = 1,006 (T − 273,15 ) + R [2501 + 1,775 (T − 273,15 )]
R (2,5 × 10 6 − 2370 TBS ) + 1007 TBS + 1876 R (TBS − TPO ) +
1000
4186 R TPO
+
1000
(2.20)
h=
(2.21)
em que
h TPO -
Entalpia específica do ar, kJ kg-1.
Temperatura de ponto de orvalho, ºC.
LOPES et al. (2000) e ZOLNIER (1994) afirmaram que a temperatura
de ponto do orvalho é aquela na qual o vapor de água começa a se
condensar por um processo de resfriamento, mantendo-se constantes a
pressão parcial de vapor e a razão de mistura. Esta propriedade deve ser
avaliada durante o manejo da aeração por ser responsável pelo processo de
condensação nos ambientes de armazenamento.
WILHELM (1976) propôs a utilização de três equações para o cálculo
da temperatura de ponto de orvalho, dependendo da faixa de temperatura do
ar considerada. Para T ≤ 0 ºC o autor recomendou a utilização da equação
2.22, para 0 ºC < T ≤ 50 ºC, a equação 2.23 e para 50 ºC < T ≤ 110 ºC, a
equação 2.24.
TPO = 5,994 + 12,41 ln (PV ) + 0,427 ln 2 (PV )
(2.22)
TPO = 6,983 + 14,38 ln (PV ) + 1,079 ln 2 (PV )
(2.23)
TPO = 13,8 + 9,478 ln (PV ) + 1,991 ln 2 (PV )
(2.24)
ZOLNIER (1994) propôs a utilização da equação 2.25 para calcular a
temperatura de ponto de orvalho.
23
TPO =
186,4905 − 237,3 log10 (10 PV )
log10 (10 PV ) − 8,2859
(2.25)
NAVARRO e NOYES (2001) propuseram uma solução iterativa
(Figura 2.4), utilizando-se o método numérico Newton-Raphson, para
obtenção da temperatura do ponto de orvalho. As equações utilizadas neste
método relacionam a razão de mistura, pressão atmosférica, pressão parcial
de vapor e temperatura de bulbo seco do ar.
Figura 2.4. Fluxograma para o cálculo da temperatura de ponto de orvalho
com base no método numérico Newton-Raphson.
24
2.3.2. Processos relacionados com a aeração em grãos
Quando ocorre o aquecimento do ar sem a umidificação, as
temperaturas de bulbo seco e de bulbo molhado aumentam mas, a razão de
mistura, a pressão parcial de vapor e a temperatura de ponto de orvalho
permanecem constantes porque não há variação na quantidade de vapor de
água presente. Este processo é observado quando o ar ambiente passa pelo
ventilador conectado ao sistema de aeração. Geralmente, a temperatura do
ar de aeração é ligeiramente maior que a temperatura do ar ambiente.
Também, durante as transferências de calor dentro do ambiente de
armazenamento é possível observar o processo de aquecimento do ar
intergranular. Quando o ar é resfriado, mantendo-se constante o valor da
razão de mistura, observa-se o decréscimo da pressão de vapor de
saturação e o aumento da umidade relativa com conseqüente diminuição do
volume específico e da entalpia. Quando o resfriamento ocorre e a umidade
relativa igual a 100% é atingida, tem-se o ponto de orvalho e se o processo
continuar o ponto de estado se moverá sobre a linha de saturação, indicando
que o vapor d’água está condensado. Neste caso, a razão de mistura, a
temperatura de ponto de orvalho e a pressão de vapor diminuirão e as
temperaturas de bulbo seco e bulbo molhado serão iguais à temperatura de
ponto de orvalho (LOPES et al., 2000).
Durante o processo de aeração poderá ser observada a secagem ou o
umedecimento dos grãos localizados próximos à entrada de ar. Esses
processos consistem na retirada e na adição de umidade do ar,
respectivamente, mantendo-se constante a entalpia específica do ar. Quando
é adicionada umidade ao ar, ocorre o aumento da quantidade de vapor de
água existente neste ar, resultando no acréscimo da umidade relativa, da
razão de mistura, da pressão parcial de vapor e da temperatura de ponto de
orvalho. Consequentemente, a temperatura de bulbo seco e o volume
específico decrescem, mas a temperatura de bulbo molhado não se altera.
Quando a umidade é retirada do ar o resultado observado é o inverso do
umedecimento. Ou seja, ocorre o decréscimo da quantidade de vapor de
água existente neste ar, resultando na diminuição da umidade relativa, da
razão de mistura, da pressão parcial de vapor e da temperatura de ponto de
25
orvalho. A temperatura de bulbo seco e o volume específico aumentam mas,
a temperatura de bulbo molhado não se altera (NAVARRO e NOYES, 2001).
2.4. Modelagem do ecossistema dos grãos armazenados
A ação dos vários agentes bióticos e abióticos característicos do
ecossistema dos grãos armazenados combinada à utilização da aeração
causa gradientes de temperatura, gradientes de umidade e alterações nas
concentrações dos gases no interior da massa de grãos. A existência destes
gradientes gera um processo de transferência de calor e de massa no
ecossistema (ANDRADE, 2001). O comportamento destas transferências de
calor e de massa depende do tipo de produto armazenado, da estrutura de
armazenamento e das condições climáticas.
2.4.1. Transferência de calor no ambiente de armazenamento
A transferência de calor dentro do silo e entre o silo e o ambiente que
o cerca ocorre por convecção, por radiação e por condução. A velocidade do
vento, a temperatura do ar ambiente, a radiação solar, as construções
próximas ao silo, a característica da vegetação, a ocorrência de neve, as
condições do solo e os parâmetros estruturais afetam a taxa de transferência
de calor, tornando-a um problema não linear e requerendo soluções iterativas
(MUIR e JAYAS, 2003).
A quantidade de radiação solar incidente na superfície da estrutura de
armazenagem depende da latitude, altitude, tempo solar, nebulosidade,
poluição do ar, sombreamento, inclinação da superfície e orientação da
instalação (CANCHUN et. al., 2001). A quantidade de radiação solar
absorvida pela superfície do silo depende da absortividade térmica e da
emissividade do seu material (ANDRADE, 2001). Para ajudar a manter os
grãos resfriados ou com temperaturas homogêneas, reduzindo os efeitos da
radiação incidente no silo, a área de suas paredes voltada para o sol deve
ser a menor possível. Este fator deve ser observado durante o planejamento
do sistema, antes da construção da instalação (MUIR e JAYAS, 2003).
As flutuações diárias na temperatura ambiente afetam a temperatura
dos grãos localizados a até 15 cm das paredes do silo. À medida que o
26
diâmetro da estrutura de armazenagem aumenta, os efeitos da radiação solar
sobre as temperaturas nas regiões centrais da massa de grãos diminuem.
Por este motivo, e pelo fato de as relações entre os vários fatores que
influenciam a transferência de calor entre a instalação e o ambiente por meio
da radiação serem complexas, os modelos matemáticos, geralmente, não a
consideram em suas estimativas (MUIR e JAYAS, 2003).
A convecção também não é utilizada com freqüência nos modelos
matemáticos. Os gradientes de temperatura dentro do silo causam correntes
convectivas e isto influencia o movimento de calor na massa de grãos mas,
esta influência não afeta significantemente a temperatura do produto
armazenado (SMITH e SOKHANSANJ, 1990). Essa afirmativa já havia sido
confirmada por MUIR et. al (1980), mostrando que modelos em que as
correntes convectivas são consideradas não resultam em previsões mais
exatas de temperatura e requerem tempo computacional bem maior que os
modelos simplificados.
Alguns pesquisadores (ALAGUSUNDARAN et. al, 1990; MUIR et. al,
1980; WHITE, 1988) modelaram a transferência de calor em grãos
armazenados considerando apenas o processo condutivo com as condições
de contorno apropriadas, conseguindo prever satisfatoriamente as variações
de temperatura na massa de grãos.
A transferência de calor por condução na massa de grãos é afetada
pelas propriedades térmicas e físicas do produto armazenado, pela
respiração dos grãos, insetos e pelos microorganismos existentes no
ecossistema (ANDRADE, 2001). A maioria dos modelos que descrevem as
transferências de calor e de massa em ecossistemas de grãos armazenados
assumem que a geração interna de calor pode ser negligenciada e que as
propriedades térmicas e físicas dos componentes do ecossistema são
constantes. Estas suposições são válidas para massas de grãos secos e
limpos, com teor de água uniforme e sem infestações de insetos ou fungos
(WHITE, 1988). No entanto, para estimativas mais precisas, a geração
interna de calor e as propriedades térmicas e físicas dos componentes do
ecossistema devem variar ao longo da massa de grãos e ao longo do tempo.
Esta variação pode ocorrer devido a diferentes teores de água ao longo da
massa de grãos ou devido à migração de umidade.
27
Apesar de a transferência de calor em ecossistemas de grãos
armazenados ser um problema tridimensional, a maioria dos modelos
implementados e validados são bidimensionais ou unidimensionais devido à
complexidade da relação entre as variáveis envolvidas.
2.4.2. Transferência de umidade no ambiente de armazenamento
O movimento de umidade em massas de grãos armazenados pode
ocorrer por difusão, por causa da entrada de água por meio das aberturas do
silo, por causa de trocas entre o vapor de água do ar ambiente e a superfície
da massa de grãos, por causa da difusão da umidade devido a gradientes de
vapor no ambiente, por causa do deslocamento de umidade devido a
correntes convectivas ou por causa de condensação de água dentro do silo
(ANDRADE, 2001).
NAVARRO e NOYES (2001) afirmaram que a transferência de umidade
por difusão é muito lenta. Os autores ressaltam que, se a estrutura de
armazenamento estiver bem projetada e construída, a entrada de água no
silo pode ser desconsiderada no modelo matemático, assim como as trocas
entre o vapor de água do ar ambiente e a superfície da massa de grãos. Já a
migração de umidade, causada por gradientes de temperatura, é o fator mais
significante que acelera a transferência de umidade no ambiente de
armazenamento e domina o seu movimento.
Fatores externos, como a velocidade do vento, a pressão atmosférica e
os parâmetros estruturais, afetam diretamente o processo de transferência de
umidade na massa de grãos. Entretanto, esta influência é bem menor que a
observada na transferência de calor (NAVARRO e NOYES, 2001). Outro fator
que influencia a transferência de umidade na massa de grãos é a produção
de umidade por causa do metabolismo de outros organismos vivos existentes
no ambiente de armazenamento.
Modelos matemáticos que descrevem o movimento de umidade em
massas de grãos geralmente são utilizados para predizer o tempo requerido
para uniformizar os teores de água dos grãos em uma instalação. Mas, como
os efeitos da difusão de umidade através do espaço intergranular da massa
de grãos atingem uma área muito pequena da massa de grãos quando
comparada à área afetada pelo processo de transferência de calor, existem
28
poucos trabalhos sobre este assunto. Dentre eles podem ser citados os de
THORPE (1981), THORPE et al. (1991a) e THORPE et al. (1991b).
2.4.3. Modelos iterativos de transferência de calor e massa
Existem muitos trabalhos que abordam as transferências simultâneas de
calor e de massa no ambiente de armazenamento, considerando ou não os
sistemas de aeração (ANDRADE, 2001, CANCHUN et. al, 2001; e DEVILLA,
2002; SINÍCIO et al., 1997; THORPE, 1997).
De acordo com NAVARRO e NOYES (2001), as técnicas mais
freqüentemente utilizadas na resolução destes modelos são os métodos
numéricos
por
diferenças
ou
elementos
finitos.
A
estrutura
de
armazenamento funciona como o ponto de ligação entre os grãos
armazenados e o ambiente externo. Assim, as condições de contorno
geralmente correspondem à superfície da massa de grãos, às paredes e ao
piso da estrutura.
Na elaboração desses modelos geralmente são utilizados balanços de
massa e de energia, incluindo relações entre os fatores climáticos no interior
da massa de grãos, os fatores biológicos do ecossistema, as propriedades
físicas e as propriedades térmicas da massa de grãos e do ar ambiente. Em
alguns casos, simula-se também a variação da velocidade do ar e da pressão
através da massa de grãos. Os modelos matemáticos que combinam
transferências de calor e de massa nos grãos armazenados apresentam
resultados mais próximos da realidade, sendo mais confiáveis na estimativa
do comportamento do ecossistema dos grãos armazenados quando
comparados aos modelos que realizam apenas a simulação da transferência
de calor ou a de massa.
2.4.4. Comportamento dos grãos armazenados durante a aeração
Quando o ar é forçado através da massa de grãos podem ser
formadas três áreas, cada uma com diferentes temperaturas e teores de
água. Estas áreas são separadas por frentes que se movem na mesma
direção do fluxo de ar, como representado na Figura 2.5. Os grãos
localizados na área A tendem a entrar em equilíbrio com a temperatura e
umidade do ar de aeração, pois já foram afetados pela passagem das
29
frentes. Os grãos na área C ainda não afetados pelo processo de aeração,
manterão as características iniciais de temperatura e teor de água. Os grãos
localizados na área B apresentarão valores intermediários de temperatura e
teor de água, pois estão sendo afetados pela passagem das frentes.
Figura 2.5 – Áreas geradas em uma massa de grãos durante a aeração.
O sistema de aeração deve operar até que a frente de temperatura
tenha se movido completamente através da massa de grãos, garantindo que
a camada superior de produto tenha sido resfriada ou homogeneizada
(SILVA et. al, 2000a). Caso seja necessário, a aeração poderá ser
interrompida por algumas horas com a frente de temperatura no interior da
massa de grãos, mas assim que os valores de temperatura e umidade
relativa do ar ambiente satisfizerem as condições da estratégia de controle, o
processo de aeração deverá ser retomado (NAVARRO e NOYES, 20001).
A frente de umidade se move muito lentamente, geralmente afetando
apenas os grãos localizados próximos à entrada de ar. De acordo com
NAVARRO e NOYES (2001), as velocidades das frentes temperatura e
umidade variam de acordo com a vazão de ar utilizada na aeração, com a
temperatura e o com teor de água dos grãos. Dependendo das condições do
ar de aeração as espessuras destas frentes também pode variar. A diferença
de tempo para que o início e o final da frente de temperatura alcancem a
30
última camada de grãos, para o mesmo produto, depende das condições do
ar de aeração. A partir do momento em que o início da frente de temperatura
atinge a camada superior de produto, as condições dos grãos localizados
nesta área se alteram, influenciando no tempo necessário para que o final da
frente de temperatura atinja a superfície da massa de grãos. Geralmente,
estando a umidade relativa do ar de aeração próxima à umidade relativa de
equilíbrio, quanto maior a diferença de temperatura entre o ar de aeração e
os grãos, maior será a espessura da frente de resfriamento ou
homogeneização, pois o produto afetado pelo início desta frente apresentará
um decréscimo mais acentuado de temperatura e a velocidade do final da
frente também decrescerá.
2.5. Manejo de sistemas de aeração
Sistemas para o manejo da aeração devem ser implementados a partir
de estudos abrangentes sobre os dispositivos que serão utilizados, a
estrutura
de
armazenagem,
as
condições
climáticas
locais
e
as
características do sistema de aeração. Essencialmente, o manejo da aeração
está diretamente relacionado a uma estratégia de controle pois, consistirá no
acionamento de ventiladores com base nas condições de temperatura e de
umidade dos grãos e do ar e nas relações entre estas variáveis. As
estratégias de controle para sistemas de aeração empregadas atualmente e
discutidas a seguir são bastante limitadas, apresentando a possibilidade de
conflitos entre as condições utilizadas na sua elaboração. Por isso, neste
trabalho uma estratégia baseada na simulação do processo de aeração e nas
condições do ecossistema dos grãos armazenados foi proposta.
2.5.1. Estratégias baseadas em condições pré-estabelecidas
Neste tipo de estratégia de controle, o processo de aeração é iniciado
ou finalizado de acordo com condições pré-estabelecidas (SINÍCIO e MUIR,
1995).
Uma possibilidade é acionar os ventiladores quando a temperatura do
ar ambiente ou a temperatura dos grãos atingir um limite superior e desligálos quando um limite inferior for alcançado. Neste caso, os limites de
31
temperatura são determinados de acordo com valores considerados
inadequados ao desenvolvimento de insetos e fungos. Uma desvantagem
deste tipo de estratégia de controle é que a umidade relativa do ar ambiente,
a umidade relativa do ar intergranular e a relação entre as temperaturas dos
grãos e do ar ambiente não são consideradas, fazendo com que, algumas
vezes, o sistema seja acionado ou desligado em momentos impróprios
(NAVARRO e NOYES, 2001).
Em regiões subtropicais, onde as noites tendem a ser mais frias e
úmidas, é comum acionar o sistema de aeração durante a noite, mas neste
caso, corre-se o risco de aumento no teor de água dos grãos. Para reduzir
este risco, é comum a configuração da estratégia de manejo de acordo com
um diferencial de temperatura (entre 6 e 8 ºC) entre a massa de grãos e o ar
ambiente. Ainda assim, a umidade relativa do ar ambiente e a umidade
relativa do ar intergranular não são consideradas (SINÍCIO e MUIR, 1995).
Estratégias de controle que levam em consideração a umidade relativa
do ar de aeração previnem o fornecimento de ar muito úmido ou muito seco
aos grãos, garantindo que o seu teor de água não seja alterado
significantemente durante o período de armazenamento. Nos casos em que
um único limite é estabelecido, os ventiladores geralmente são acionados
quando a umidade relativa do ar é menor que 75%, garantindo-se assim a
estabilidade do teor de água dos grãos. Quando são configurados limites de
umidade inferior e superior, geralmente os valores configurados são 5 pontos
percentuais abaixo e 5 pontos percentuais acima da umidade relativa de
equilíbrio do produto armazenado (NAVARRO e NOYES, 2001). Quando
limites de temperatura e umidade são utilizados em conjunto, deve-se tomar
cuidado no momento da configuração dos valores, para que não ocorram
conflitos.
Sistemas de aeração podem, também, ser controlados utilizando-se
temporizadores que acionam e desligam os ventiladores de acordo com
períodos pré-estabelecidos do dia. Este tipo de estratégia é raramente
utilizado porque a configuração do período de acionamento do sistema
dependerá das condições de temperatura e umidade observadas na região e,
dependendo da estação ou condições atípicas, o sistema deverá ser
configurado novamente.
32
LASSERAN (1981) apresentou um gráfico em que a aplicação da
aeração é considerada sem interesse, possível, recomendada ou possível
com riscos de secagem excessiva ou condensação (Figura 2.6). Este gráfico
pode ser utilizado como estratégia de controle em sistemas de aeração,
apresentando a vantagem de combinar a umidade relativa do ar externo com
a diferença entre as temperaturas do ar ambiente e dos grãos.
Figura 2.6 - Diagrama de aplicação da aeração, apresentado por
LASSERAN (1981), combinando a umidade relativa do ar
externo com a diferença entre as temperaturas do ar
ambiente e dos grãos.
As condições estabelecidas para o início e término do processo de
aeração (set points) podem ser alteradas durante o processo de aeração
dependendo das condições climáticas. As estratégias baseadas em múltiplas
configurações, geralmente geram um acréscimo no tempo de operação do
sistema de 15 a 25% mas, são eficientes na supressão de populações de
insetos e na redução da migração de umidade.
33
2.5.2. Estratégia de controle CWBT
Outra possibilidade de estratégia para o manejo da aeração, ainda em
fase de estudos, se baseia na temperatura de bulbo molhado da massa de
grãos, sendo chamada de CWBT (commodity wet-bulb temperature). Esta
estratégia foi desenvolvida por WILSON e DESMARCHELIER (1994) e é
indicada para regiões onde o tempo necessário para a aeração é maior (3 a 6
semanas após a colheita) ou onde a diferença entre as temperaturas do
ambiente e da massa de grãos se mantém menor que 5 ºC. Nestes casos, a
avaliação da temperatura de bulbo molhado indicará com maior precisão a
capacidade de resfriamento do ar ambiente. Inicialmente este método foi
utilizado para controlar populações de insetos com base na temperatura de
bulbo molhado das sementes, mas a sua aplicação tem se mostrado eficiente
também na aeração de grãos.
O principal motivo que favorece a utilização da temperatura de bulbo
molhado no controle da aeração é o fato desta temperatura ser a melhor
maneira para se verificar a capacidade de resfriamento do ar. Assim, o
controle do processo de aeração com base na temperatura de bulbo molhado
tende a apresentar resultados mais satisfatórios no controle de sistemas de
aeração porque considera os efeitos da umidade relativa do ar na
temperatura alcançada pelos grãos.
Como a manutenção de um psicrômetro dentro da massa de grãos é
inviável e como as temperaturas do ar de aeração e dos grãos variam
constantemente durante o processo de aeração, na maioria das aplicações a
CWBT é calculada. Mas, este cálculo não é simples e, por isso, este tipo de
estratégia não tem sido muito utilizado comercialmente.
Especificamente para o Brasil, existem poucos dados que possam ser
relacionados para a aplicação do controle CWBT. Os valores tabelados,
apresentados por WILSON e DESMARCHELIER (1994) foram obtidos com
base nas condições de armazenamento da Austrália e a grande maioria deles
se refere ao trigo. Também, a aplicação desta estratégia está diretamente
relacionada ao resfriamento dos grãos, quando no Brasil o principal objetivo
da aplicação da aeração deve ser a homogeneização da temperatura no
ambiente de armazenamento.
34
2.5.3. Outras estratégias para o manejo da aeração
Estratégias de controle mais elaboradas, envolvendo a simulação do
processo ou a combinação de várias condições de controle têm sido
utilizadas
e
incentivadas
com
o
avanço
nas
tecnologias
para
o
monitoramento e controle dos sistemas de aeração de grãos.
MAIER e MONTROSS (1997) comentaram sobre uma estratégia
baseada na umidade relativa de equilíbrio dos grãos (URE). Neste caso,
torna-se necessária a utilização de um microprocessador ou computador para
o cálculo da URE e para a análise das condições necessárias para o
acionamento do ventilador. O objetivo desta estratégia é manter um teor
específico de água como referência para o acionamento e desligamento do
ventilador de acordo com a combinação entre a temperatura do ar de
aeração, a umidade relativa do ar de aeração e a URE. Esta estratégia pode
ainda ser adaptada, permitindo a possibilidade de configuração do tempo de
operação desejado a cada dia ou a cada mês, da variação permitida no teor
de água e da temperatura desejada na massa de grãos.
Outra estratégia em expansão é o controle de tempo proporcional
desenvolvida pela CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research
Organization), citada por NAVARRO e NOYES (2001). Nesta estratégia, o
ventilador é acionado por um número pré-determinado de horas por dia ou
por semana de acordo com condições pré-estabelecidas de temperatura e
umidade relativa. Estas condições variam, sendo que as faixas de valores
aumentam quando o ventilador está desligado e diminuem quando o sistema
está em operação. Em estudos conduzidos na Austrália, o limite de
temperatura abaixo do qual o sistema de aeração deveria ser ligado,
aumentou em 1,7 °C por semana quando o ventilador estava desligado e
diminui em 2,8°C por semana quando o sistema de aeração estava em
operação. De acordo com NAVARRO e NOYES (2001) esta estratégia tem
sido utilizada com sucesso em várias regiões subtropicais, reduzindo-se o
tempo de operação do sistema de aeração e as temperaturas da massa de
grãos. Mas, as condições estabelecidas devem ser bem estudadas para que
não se corra o risco de alcançar limites muito altos de temperatura e umidade
relativa, ligando o sistema em situações que possam prejudicar o
armazenamento seguro.
35
2.6. Equipamentos para o controle da aeração
As opções utilizadas no controle dos sistemas de aeração são o
manual e o automático. O controle manual tende a se tornar raro, pois neste
tipo de controle existe a dependência de operadores que devem estar atentos
aos horários e condições de operação do sistema, existem maiores riscos de
erros nos acionamentos e geralmente são verificados altos custos com
energia elétrica (NAVARRO e NOYES, 2001). No controle automático o
sistema de aeração é acionado ou desligado por meio dispositivos elétricos
de acordo com os dados do monitoramento automático do ecossistema dos
grãos armazenados (SINÍCIO e MUIR, 1995). Desde que bem projetada, esta
é a opção mais segura de controle e, para as regiões tropicais e subtropicais
é, também, a opção mais simples.
Estratégias baseadas em condições pré-determinadas geralmente são
aplicadas por meio de termostatos e umidostatos. Assim, as condições
estabelecidas para o início e término do processo de aeração são
configuradas diretamente nestes equipamentos que acionam os ventiladores
por meio de relés e contactores.
Para
estratégias
mais
complexas,
geralmente
são
utilizados
controladores eletromecânicos baseados em sensores e outros dispositivos
eletrônicos, além de computadores ou microprocessadores. NAVARRO e
NOYES (2001) discutiram exemplos deste tipo de equipamento como o
controlador por diferença de temperatura, o controlador de bulbo molhado
(produzido pela WRC technology) e o controlador de tempo proporcional
(produzido pela CSIRO).
A utilização de computadores e microprocessadores tem possibilitado
grandes avanços no monitoramento, na aquisição de dados e nos sistemas
de controle devido a sua capacidade em executar manejos sofisticados.
Atualmente é possível armazenar, substituir e analisar dados com mais
facilidade, ajustando os dispositivos de entrada e saída de dados e
atendendo melhor às necessidades operacionais dos sistemas. Os
controladores automáticos também minimizam a aeração excessiva, podendo
resultar em menores perdas de matéria seca e danos aos grãos, melhor
qualidade do produto e economia de energia elétrica. Na maioria dos casos,
o capital investido nos controladores automáticos é recuperado em
36
aproximadamente um ano. Outras vantagens são a possibilidade de acesso
remoto e a velocidade de operação.
Alguns dos sistemas de controle para aeração de grãos gerenciados por
programas computacionais são o GEMAS, o OPI 2000, o Air Master e o Air
Control Draw.
O GEMAS realiza a aquisição de dados de temperatura em tempo real
utilizando dispositivos eletrônicos endereçáveis. Com base nos dados obtidos
por sensores de temperatura, o programa computacional realiza os cálculos
necessários, relacionando as condições psicrométricas do ar, as condições
da massa de grãos e a estratégia de controle. Em seguida o programa decide
o momento adequado para ligar ou desligar o ventilador de acordo com o
diferencial de temperatura entre o ar ambiente e a massa de grãos
(MONTEIRO, 2002). O sistema de acionamento elétrico utilizado em conjunto
com o GEMAS se baseia em uma placa de entrada e saída digital (I/O),
instalada no interior do computador. Quando o sistema de aquisição de
dados detecta a necessidade de acionamento do ventilador, o próprio
programa computacional aciona a placa I/O, aplicando uma tensão na base
de um transistor NPN que inicialmente está em corte. Assim, o transistor
passa a conduzir, energizando relés e contactores e possibilitando o
acionamento do ventilador.
O OPI 2000 também é um sistema que integra o monitoramento da
temperatura dos grãos com o controle da aeração. Neste sistema,
dispositivos eletrônicos, como termopares, sensores de nível, relés, diodos e
outros, são utilizados no monitoramento e controle de sistemas de aeração.
Todo o sistema é gerenciado por um programa computacional, denominado
OPIGIMAC, capaz de manipular dados de até 50 estruturas com 32
termopares cada uma. As estratégias de controle implementadas no
OPIGIMAC se baseiam nos dados de temperatura coletados na massa de
grãos, nos dados climáticos do ambiente, na demanda de energia elétrica e
no teor de água de equilíbrio do produto armazenado (NAVARRO e NOYES,
2001).
O Air Master é um sistema para monitoramento e controle de
temperatura em massas de grãos composto por um programa computacional
que gerencia o sistema, uma estação meteorológica e termopares.
37
Utilizando-se o Air Master é possível monitorar e controlar de maneira
independente várias estruturas de armazenagem. As estratégias para o
manejo da aeração implementadas se baseiam no equilíbrio higroscópico dos
grãos, nos dados de temperatura obtidos por meio dos termopares e no
histórico do clima obtido por meio da estação meteorológica. As estratégias
para o acionamento do sistema de aeração incluem a limitação do consumo,
a prioridade de acionamento dos motores, a programação da potência
instalada, a definição das cargas permitidas em horário normal e de ponta e a
partida seqüencial dos motores (FOCKINK, 2005).
O Air Control Draw é um sistema para o controle da aeração
gerenciado por um programa computacional que aciona os ventiladores de
acordo com as condições climáticas. Este programa gera relatórios coloridos
informando as condições climáticas dos últimos 3 dias e incluindo
informações importantes como as temperaturas, o tempo de aeração e o tipo
de produto (WIDITEC, 2005).
De acordo com NAVARRO e NOYES (2001), os dispositivos
empregados no monitoramento de ambientes de armazenamento devem
passar por constantes processos de manutenção. Por causa da poeira
característica destes locais e por causa dos procedimentos de carga e
descarga dos silos, os instrumentos utilizados para o monitoramento dos
ambientes de armazenagem precisam ser periodicamente calibrados e
ajustados. Também, recomenda-se uma avaliação sobre as condições
climáticas do local onde o sistema será implantado, visando a escolha da
estratégia de manejo mais apropriada para o controle da aeração. Esses
autores recomendaram a análise de, no mínimo, 10 anos de dados climáticos
antes de se escolher a estratégia para manejo da aeração.
38
3. TECNOLOGIA 1-WIRETM
O sistema 1-WireTM, desenvolvido pela Dallas Semiconductor, é uma
rede de transmissão de dados de baixo custo, também conhecida como
MicroLAN, que possibilita a comunicação digital entre um computador,
atuando como mestre, e dispositivos da série 1-WireTM, tais como sensores,
adaptadores, dentre outros, atuando como escravos. O computador ou
microprocessador é denominado mestre por ser o elemento capaz de
gerenciar a transmissão de dados e controlar os demais dispositivos
conectados à rede.
O sistema 1-WireTM é constituído por três elementos: um computador
com um programa de controle e gerenciamento das atividades que seguem
um protocolo específico de comunicação, dois ou três condutores (meio físico
de comunicação) e dispositivos remotos da série 1-WireTM (AWTREY, 2001).
Todos os dispositivos da série 1-WireTM possuem um código de
identificação único, gravado a laser no processo de fabricação, em um chip
de memória ROM (Read Only Memory) existente no interior de cada
dispositivo. O código de identificação é constituído por 64 bits seqüenciais,
sendo que os 8 primeiros bits representam a família à qual o dispositivo
pertence (sensor, adaptador, chave eletrônica, etc), os 48 bits seguintes
correspondem ao número serial único e individual que endereça o dispositivo
e os últimos 8 bits se referem a um código de verificação de redundância
cíclica relacionado aos 56 bits iniciais, indicando a existência ou não de
erros (MONTEIRO, 2001). Estes códigos de identificação podem ser obtidos
por meio do programa computacional de domínio público (WINDIAG),
disponibilizado pela Dallas Semiconductor via Internet, ou por meio de
comandos específicos inseridos no programa computacional desenvolvido
para gerenciar a transmissão de dados.
39
3.1. Transmissão de dados em redes 1-WireTM
O protocolo de comunicação do sistema 1-WireTM utiliza níveis lógicos
convencionais CMOS/TTL (Complementary Metal Oxide Silicon / Transistor
Transistor Logic), no qual o nível lógico zero é representado por uma tensão
máxima de 0,8 V e o nível lógico um por uma tensão mínima de 2,2 V, como
mostra a Figura 3.1 (DALLAS SEMICONDUCTOR, 2001). Tanto o mestre
quanto os escravos são configurados como transceptores (transmissoresreceptores) permitindo que os dados fluam, de maneira seqüencial, em
ambas as direções, porém em apenas uma direção a cada vez (half-duplex).
Figura 3.1 - Níveis lógicos convencionais CMOS/TTL.
Na transmissão de dados do sistema 1-WireTM os pulsos digitais que
compõem o protocolo de comunicação são transmitidos na forma binária,
caracterizados
por
intervalos
de
tempo
distintos.
Esta
transmissão
sincronizada de dados é possível devido à existência de circuitos
temporizadores internos aos dispositivos 1-WireTM, capazes de gerar pulsos
digitais predefinidos no protocolo de comunicação. De acordo com
MONTEIRO (2001), existem dois tipos de pulsos de intervalo de tempo: o
pulso de reinicialização (reset) e o pulso de transferência de dados (data). O
pulso de reinicialização tem duração de, pelo menos, 480 µs e um tempo de
resposta inferior a 300 µs. De acordo com a DALLAS SEMICONDUCTOR
(2002a), a duração dos pulsos de dados não são superiores a 120 µs. Para
escrever o um lógico em um dispositivo 1-WireTM, o mestre leva a linha de
dados para baixo e a mantém por um período de tempo de 15 µs ou menos.
Já para escrever o zero lógico, o mestre repete o mesmo procedimento,
porém mantém a linha de dados em baixa por, no mínimo, 60 µs.
O sistema 1-WireTM utiliza um circuito equivalente a um resistor de
1500 Ω (resistor de polarização) para controlar a corrente na linha de dados
40
e, desta maneira, elevar a tensão a fim de promover a transição do nível
lógico baixo para o nível lógico alto. Além deste, outro circuito com um
transistor de polarização MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor), comandado pelo mestre, é responsável pela transição do nível
lógico um para o nível lógico zero.
As sinalizações de diversos tipos, características do protocolo específico
utilizado na comunicação entre o mestre e os dispositivos 1-WireTM, garantem
a
integridade
dos
dados
transmitidos.
Segundo
a
DALLAS
SEMICONDUCTOR (2001), o protocolo de comunicação nas redes 1-WireTM
consta dos seguintes comandos:
• Inicialização;
• Comandos relacionados à memória ROM (Read ROM, Match ROM,
Skip ROM, Search ROM ou Alarm Search);
• Comandos relacionados à memória volátil (Write Scratchpad, Read
Scratchpad, Copy Scratchpad ou Read Power Supply);
• Transferência de dados.
Todos estes sinais, com exceção do pulso de presença, são executados
pelo mestre.
O processo de inicialização ocorre no momento em que tem início uma
seqüência de comunicação. Neste processo o mestre leva a linha de dados
para o nível lógico baixo mantendo-a assim por um período de 480µs ou
mais. Todos os dispositivos 1-WireTM presentes na rede reconhecem esta
operação, respondendo ao mestre emitindo pulsos de presença. Em seguida,
o mestre acessa o código de identificação de um determinado escravo
(comandos relacionados à ROM), envia comandos específicos de memória
(comandos relacionados à memória volátil) e executa a transferência de
dados, examinando a resposta do escravo (DALLAS SEMICONDUCTOR,
2002b). Na Figura 3.2 são apresentados os pulsos digitais característicos de
uma seqüência de comunicação típica em um sistema 1-WireTM.
41
Figura 3.2 - Seqüência de comunicação típica no sistema 1-WireTM.
Os comandos relacionados à memória ROM são o Read ROM, o Match
ROM, o Skip ROM, o Search ROM e o Alarm Search. Estes comandos são
executados com o objetivo de identificar o número de escravos existentes na
rede 1-WireTM e acessar os dados obtidos por eles com base no código de
identificação
de
64
bits
de
cada
dispositivo
específico
(DALLAS
SEMICONDUCTOR, 2003b).
O comando Search ROM é utilizado para determinar a quantidade e
identificar os códigos dos escravos conectados à rede. Os comandos Read
ROM e Skip ROM são utilizados quando há um único dispositivo escravo
ligado ao barramento, sendo que o Read ROM serve para identificar o
dispositivo e o Skip ROM é utilizado para diminuir o tempo de operação da
rede pois, permite que o mestre acesse as funções de memória sem a
necessidade de fornecer o código de 64 bits que identifica o escravo. Quando
vários escravos estão ligados à rede, o comando Match ROM é executado
para acessar um dispositivo específico. Ou seja, somente o escravo cujo
código se identifique perfeitamente com a seqüência de 64 bits especificada
no comando será acessado pelo mestre. Os outros dispositivos deverão
esperar por um novo pulso de inicialização para operarem (DALLAS
SEMICONDUCTOR, 2003b).
O comando Alarm Search é executado apenas quando um dos
sensores medir uma temperatura fora da faixa permitida. Neste caso, a
condição de alarme permanecerá ativada enquanto o sensor estiver
energizado ou até que outra medida de temperatura indique um valor dentro
da faixa (MONTEIRO, 2001).
42
Os comandos relacionados à memória volátil dos dispositivos são o
Write Scratchpad, o Read Scratchpad, o Copy Scratchpad, o ConvertT ou
ConvertV, o Recall E2 e o Read Power Supply. A memória volátil (scratchpad
memory) está localizada no interior dos escravos e tem capacidade limitada.
É nessa memória que os dados medidos pelos escravos são armazenados e
acessados pelo mestre (DALLAS SEMICONDUCTOR, 2003b). Os comandos
Write Scratchpad e Read Scratchpad permitem escrever e ler na memória
volátil do dispositivo escravo a informação que deverá ser executada ou
transmitida na etapa seguinte da comunicação (MONTEIRO, 2001). O
comando Copy Scratchpad copia o conteúdo da memória volátil em uma
memória não volátil (EEPROM) do dispositivo e os comandos ConvertT e
ConverV executam as conversões dos valores de temperatura e tensão
medidas na forma analógica para a forma digital. Os limites inferior e superior
para as medições são armazenados na memória não volátil, por meio do
comando Recall E2, sempre que o escravo for energizado. O comando Read
Power Supply solicita ao dispositivo escravo que informe qual o seu tipo de
alimentação (parasita ou externa).
3.2. Alimentação das redes 1-WireTM
Por definição, redes baseadas no sistema 1-WireTM utilizam alimentação
parasita, possuindo um único condutor no qual são conectados todos os
dispositivos da série 1-WireTM e um condutor de referência ou aterramento
que, por convenção, não é considerado. Mas, em algumas situações torna-se
necessário utilizar a alimentação externa. Nestes casos, um condutor
adicional é empregado para fornecer energia aos dispositivos escravos.
Na alimentação parasita a fonte de energia responsável por alimentar os
escravos durante os intervalos de tempo em que a linha de dados estiver em
nível lógico baixo é a carga armazenada em um capacitor, existente no
circuito de alimentação parasita, localizado nos escravos (Figura 3.3).
43
Figura 3.3 - Circuito de alimentação parasita do sistema 1-WireTM.
Neste tipo de alimentação, sempre que a linha de dados é levada para o
nível lógico alto pelo resistor de polarização comandado pelo mestre, um
diodo retificador de meia onda é polarizado diretamente, carregando um
capacitor de 800pF, ambos existentes no interior de cada escravo 1-WireTM.
Quando a linha de dados cai a um nível de tensão inferior à do capacitor, o
diodo retificador de meia onda é inversamente polarizado, isolando a carga
no
capacitor
e
alimentando
os
dispositivos
1-WireTM
(DALLAS
SEMICONDUCTOR, 2001). A quantidade de carga consumida durante estes
intervalos de tempo é proporcional ao tempo em que a linha de dados
permanece em baixa (STEIDLE NETO, 2003). O capacitor é recarregado
quando a linha de dados retorna ao nível lógico um, no instante em que a
tensão atinge o limiar de 2,8 V, capaz de polarizar diretamente o diodo
retificador de meia onda.
Problemas de interrupção na transmissão de dados podem ocorrer em
redes 1-WireTM com extensos comprimentos, com muitos dispositivos
escravos conectados ou quando a corrente fornecida pelo mestre não for
suficiente para manter a tensão de operação dos escravos. Este problema
pode ser agravado quando uma longa seqüência de bits zero é gerada pelo
mestre, fazendo com que a linha de dados permaneça por um longo período
de tempo em nível lógico zero, não sendo possível recarregar os escravos. À
medida que a tensão de operação interna dos escravos diminui, sua
capacidade de responder ao mestre também se torna reduzida. Assim,
quando a tensão de operação interna dos escravos atinge um nível crítico, a
comunicação na rede 1-WireTM é interrompida (STEIDLE NETO, 2003). Para
evitar este tipo de problema recomenda-se a utilização da alimentação
44
externa. Neste tipo de alimentação, os dispositivos escravos obtêm energia
para operar a partir de uma fonte de alimentação externa regulada de 5 Vcc
que pode ser posicionada de maneira remota em relação ao mestre e mais
próxima dos escravos (MONTEIRO, 2001). Este tipo de alimentação exige
um condutor específico para alimentar os dispositivos, além de uma fonte de
alimentação externa.
3.3. Topologias das redes 1-WireTM
Nas redes 1-WireTM um único mestre pode ser conectado a múltiplos
escravos em diversos tipos de topologias. Esta arquitetura confere ao
sistema de aquisição de dados versatilidade, simplicidade e um controle
rígido, porque nenhum dispositivo 1-WireTM conectado à rede pode
estabelecer comunicação se não houver uma requisição do mestre, e
nenhuma
comunicação
é
permitida
entre
os
escravos
(DALLAS
SEMICONDUCTOR, 2001). Segundo a DALLAS SEMICONDUCTOR (2002b)
existem três tipos básicos de topologias para as redes 1-WireTM: linear,
ramificada e estrela. Esta classificação se baseia na distribuição dos
escravos ao longo do comprimento dos condutores.
A topologia linear abrange as redes 1-WireTM estruturadas em uma
única linha que tem início no mestre e se estende até o último escravo
conectado à rede (Figura 3.4). Nesta topologia são admitidas ramificações de
comprimentos inferiores a 3 metros.
Figura 3.4 - Topologia linear da rede 1-WireTM.
Na topologia ramificada, as redes 1-WireTM são constituídas de uma
linha principal iniciada no mestre que se estende até o último escravo
conectado à rede. Os demais dispositivos 1-WireTM são conectados à linha
principal por meio de ramificações de comprimentos superiores a 3 metros
(Figura 3.5). Deve-se observar que cada ramificação conectada na linha
principal da rede 1-WireTM gera uma impedância no ponto de conexão,
45
podendo causar problemas nos outros dispositivos 1-WireTM conectados à
rede.
Figura 3.5 - Topologia ramificada da rede 1-WireTM.
Na topologia estrela, as redes 1-WireTM são divididas bem próximo à
conexão com o mestre e se estendem por meio de ramificações múltiplas de
diversos comprimentos contendo escravos ao longo ou ao final destas
(Figura 3.6). A confiabilidade das redes 1-WireTM estruturadas conforme a
topologia estrela é baixa. A junção de várias ramificações representa para o
mestre um valor de impedância bem mais alto que o real, podendo causar
problemas devido a reflexões. A solução é a utilização de dispositivos de
chaveamento eletrônicos, comandados pelo mestre, fazendo com que cada
ramificação seja ativada de maneira independente. Segundo STEIDLE NETO
(2003), a topologia estrela aplicada em redes 1-WireTM não chaveadas não é
recomendada.
Figura 3.6 - Topologia estrela da rede 1-WireTM.
É
importante
destacar
que
quando
diferentes
topologias
são
combinadas, torna-se mais difícil determinar as limitações efetivas na
implementação de redes 1-WireTM.
46
3.4. Principais fatores que influenciam na comunicação em redes 1-WireTM
Teoricamente, nenhuma rede 1-WireTM deve ter comprimento maior que
750 m. Para distâncias iguais ou maiores que este valor o protocolo de
comunicação poderá falhar devido, principalmente, ao tempo de resposta dos
condutores. Na prática, outros fatores podem afetar o desempenho de
sistemas que utilizem redes 1-WireTM, limitando seu comprimento em valores
bem menores que 750 m (DALLAS SEMICONDUCTOR, 2002b).
Os condutores que interligam o computador e os dispositivos 1-WireTM
são os principais responsáveis pelo decréscimo no desempenho do sistema.
Para redes pequenas, com distâncias menores que 30 m e com número de
dispositivos reduzido, a seleção dos condutores é bastante simples. Porém,
para distâncias maiores, os efeitos relacionados às propriedades físicas e
elétricas dos condutores se acentuam, tornando-se necessário uma seleção
mais
criteriosa
(DALLAS
SEMICONDUCTOR,
2002a).
Dentre
as
características elétricas, a capacitância é a que causa os maiores problemas
na transmissão de dados nos sistemas 1-WireTM (STEIDLE NETO, 2003), A
capacitância nas redes 1-WireTM aumenta com o acréscimo de dispositivos
conectados ao barramento e com a capacitância dos condutores. Esta última
propriedade pode variar de 30 pF/m até 100 pF/m, crescendo com o aumento
dos comprimentos dos condutores. O incremento da capacitância na rede 1WireTM faz com que o tempo de transição do nível lógico baixo para o nível
lógico alto aumente e, em alguns casos, a comunicação pode ser
interrompida.
Também, segundo a DALLAS SEMICONDUCTOR (2001), cada
dispositivo 1-WireTM apresenta características inerentes relacionadas à
capacitância de entrada, à corrente de descarga, ao circuito de alimentação
parasita e à corrente de operação. A capacitância de entrada de cada
dispositivo 1-WireTM (aproximadamente 30 pF) contribui para o acréscimo da
carga capacitiva na rede. Ressalta-se que os 800 pF de capacitância da
alimentação parasita apenas existem em níveis de tensão acima de 2,8 V e,
portanto, este valor de capacitância pode ser desconsiderado, já que a rede
está operando no limiar dos 2,2 V para o nível lógico alto. Assim, a
implementação de redes 1-WireTM confiáveis dependerá da seleção
adequada do tipo de condutor, do tipo de dispositivos necessários à
47
aplicação e da topologia empregada na sua implementação. A Figura 3.7
apresenta um circuito equivalente ao sistema 1-WireTM com um dispositivo
escravo conectado ao mestre (computador) por meio de dois condutores.
Figura 3.7 – Circuito equivalente ao sistema 1-WireTM com um dispositivo
1-WireTM conectado ao mestre (computador) por meio de dois
condutores.
Originalmente, o protocolo da tecnologia 1-WireTM para transmissão de
dados foi desenvolvido para a comunicação entre dispositivos localizados
próximos uns dos outros em redes de comprimento reduzido. Depois de um
breve período do lançamento desta tecnologia no mercado, os usuários de
sistemas utilizando redes 1-WireTM começaram a empregá-los em aplicações
que exigiam redes de grandes comprimentos, com um número de
dispositivos cada vez maior e com dispositivos mais distantes do mestre.
Assim,
de
acordo
com
DALLAS
SEMICONDUCTOR (2002b),
novos
dispositivos foram desenvolvidos a fim de atender às exigências de diversos
tipos de aplicações e tamanhos de redes. Atualmente, são comercializados
dispositivos passíveis de serem conectados em grandes números e em uma
única rede, possibilitando transferências de dados mais seguras.
48
3.5. Considerações sobre a linguagem Java aplicada em redes 1-WireTM
Existe um programa computacional gratuito, chamado TMEX, capaz de
controlar e monitorar a atividade de redes 1-WireTM. Mas, na maioria dos
casos, é necessária a implementação de um programa computacional que
atenda aos requerimentos específicos da aplicação. Por exemplo, para o
monitoramento
e
controle
de
sistemas
de
aeração,
o
programa
computacional deve ser capaz de executar cálculos relacionados às
condições do ar e do produto armazenado, tomar decisões sobre o melhor
momento para acionar ou desligar o ventilador e gerenciar a transmissão de
dados.
Nestes
casos
existe
uma
ampla
documentação
disponível
gratuitamente pelo fabricante na Internet (www.maxim-ic.com), contendo
exemplos e sugestões para programação para os sistemas operacionais
Windows, Solaris, Linux e Mac em linguagens Java, Delphi, Visual Basic e C.
A utilização das bibliotecas disponíveis em linguagem Java facilita
bastante a programação para redes 1-WireTM. A linguagem de programação
Java é uma linguagem orientada a objetos de alto nível que apresenta
características bastante interessantes como simplicidade, arquitetura neutra,
portabilidade, alto desempenho, robustez, dinamismo e segurança. Os
códigos-fonte escritos em Java são interpretados e compilados podendo ser
utilizados em aplicações de sistemas distribuídos e Internet. Uma vez
compilado, o programa escrito em Java pode ser executado em diferentes
sistemas operacionais (Windows, Linux, Solaris ou Mac).
A plataforma Java possui dois componentes: a máquina virtual Java
(Java VM ou Java Virtual Machine) e o programa computacional de aplicação
utilizado para gerar os programas em Java (Java API). A máquina virtual vem
incluída no J2SEJRE (Java 2 Standard Edition – Java Runtime Environment)
e no J2SESDK (Java 2 Standard Edition – System Development Kit). Estes
dois aplicativos são distribuídos gratuitamente pela empresa SUN, criadora
da tecnologia Java (http://java.sun.com/j2se/1.4.2/download.html).
O JRE inclui basicamente bibliotecas e algumas outras ferramentas
destinadas ao usuário final, sendo utilizado apenas para possibilitar a
execução dos programas escritos em Java. Em computadores mais
modernos este aplicativo geralmente vem instalado junto com o sistema
operacional. O SDK inclui o JRE, bibliotecas e ferramentas para a criação de
49
programas em Java. Para a criação de interfaces gráficas é recomendada a
associação do SDK a aplicativos mais avançados, como o NetBeans, o
JBuilder, o Eclipse ou o Dr. Java. Estes aplicativos já possuem
implementados componentes visuais como janelas e botões, além de
apresentarem mais facilidades para compilar, executar e manipular os
arquivos dos programas escritos em Java. A linguagem Java apresenta mais
vantagens
que
desvantagens,
podendo
ser
facilmente
aprendida,
principalmente por pessoas acostumadas a programar em C++ e Delphi.
Geralmente, os programas gerados em Java apresentam menos linhas de
código e podem ser reutilizados com mais facilidade.
No caso do gerenciamento da transmissão de dados em redes 1WireTM utilizando-se Java, a Dallas Semiconductor disponibiliza a 1-WireAPI
que consiste em alguns exemplos de programas, arquivos de ajuda e
bibliotecas contendo funções e procedimentos necessários para a execução
do protocolo de comunicação das redes 1-WireTM. Em aplicações para a
plataforma
Windows,
duas
destas
bibliotecas
(OneWireAPI.jar
e
RxtxComn.jar) são indispensáveis aos programas para gerenciamento de
redes 1-WireTM. Estas bibliotecas devem ser importadas no código do
programa e inseridas no diretório lib/ext da máquina virtual do computador
onde o programa será executado. A biblioteca OneWireAPI.jar contém
funções pré-implementadas para a realização de todo o protocolo de
comunicação das redes 1-WireTM, incluindo as etapas de inicialização,
comandos relacionados a ROM, comandos relacionados à memória volátil e
comandos relacionados à transmissão de dados, para os vários tipos de
dispositivos 1-WireTM. Por meio das funções pré-implementadas na biblioteca
RxTxComn.jar é possível realizar a comunicação na rede 1-WireTM, por meio
da porta serial, de forma simples e otimizada. Para que a execução do
programa seja bem sucedida é necessário, também, inserir o arquivo rxtx.dll
no diretório system da pasta Windows.
50
4. MATERIAL E MÉTODOS
4.1. Tecnologia 1-WireTM aplicada ao controle de sistemas de aeração
Um sistema para o monitoramento dos grãos armazenados e para o
controle da aeração com base na tecnologia 1-WireTM foi desenvolvido no
Departamento de Engenharia Agrícola da Universidade Federal de Viçosa,
utilizando-se um silo metálico com fundo perfurado, diâmetro igual a 3,6 m e
altura do cilindro igual a 2,0 m. Para a realização deste trabalho, o silo foi
carregado com milho com teor de água de 13,5%bu. A vazão de ar
empregada durante os testes foi igual a 0,07 m3 min-1 m3.
As medidas de temperatura no interior do silo foram realizadas
utilizando-se 15 sensores de temperatura DS1820 da série 1-WireTM. Estes
sensores foram acondicionados em dutos de polietileno, reforçados com
cabos
de
aço,
próprios
para
serem
utilizadas
em
estruturas
de
armazenamento com sistemas de termometria por terem capacidade para
suportar esforços de tração provenientes do escoamento de grãos durante a
carga e descarga do silo (Figura 4.1). No plano horizontal, localizou-se um
cabo no centro do silo e outros quatro cabos defasados entre si de 90º e
distantes do cabo central de 0,9 m. Na direção vertical, os sensores foram
dispostos nas alturas de 0,5 m, 1,0 m e 1,5 m, a partir da base do silo. Outro
sensor DS1820 foi instalado próximo à saída de ar do ventilador, no plenum
do silo, com o objetivo de medir a temperatura do ar de aeração. A
temperatura e a umidade relativa do ar ambiente foram medidas por meio de
um circuito contendo resistores, capacitores, diodos e um sensor de umidade
relativa HIH3610 endereçado por um dispositivo DS2438 da série 1-WireTM. A
comunicação digital entre o computador e os dispositivos eletrônicos
existentes na rede foi realizada conectando-se um adaptador DS9097U-009,
também da série 1-WireTM, à porta serial RS232 do computador. O sistema
de aeração foi acionado por meio de uma chave eletrônica da série 1-WireTM,
identificada como DS2406. A Figura 4.2 apresenta o esquema do
experimento.
51
Figura 4.1 – Estrutura de sustentação e proteção dos sensores no interior da
massa de grãos.
Figura 4.2 – Esquema da rede 1-WireTM utilizada no monitoramento e
controle de um sistema de aeração para grãos armazenados no
silo com 2,6 m de diâmetro e 2,0 m de altura.
52
Neste trabalho utilizou-se alimentação externa para que interrupções
na comunicação fossem evitadas, pois foram observadas constantes
oscilações na rede elétrica local. Também, empregou-se a topologia
ramificada para a montagem da rede 1-WireTM. O barramento principal foi
conectado ao computador, sendo que a partir dele foram montadas uma
ramificação de 1 metro contendo a chave eletrônica DS2406, uma
ramificação de 2 metros contendo o circuito para medição de umidade
relativa do ar ambiente (HIH3610 e DS2438), uma ramificação de 2 metros
contendo o sensor de temperatura DS1820 localizado próximo à saída de ar
do ventilador e mais cinco ramificações de 2,5 metros contendo, cada uma,
três sensores de temperatura DS1820, localizadas na massa de grãos.
Os sensores de temperatura DS1820 fornecem valores digitais de 9
bits para cada dado medido com tempo de conversão da temperatura na
forma digital aproximadamente igual a 750 ms. A faixa de medição desses
sensores varia de –55ºC a +125ºC com resolução de 0,1ºC e exatidão de
± 0,5ºC para temperaturas compreendidas entre -10ºC e 85ºC. Existem
outros tipos de sensores de temperatura da série 1-WireTM muito
semelhantes ao DS1820, como, por exemplo, o DS1920 e o DS1820S
(DALLAS SEMICONDUCTOR, 2003b).
O adaptador universal DS9097U-009 apresenta uma entrada DB-9
para conexão na porta serial do computador e uma entrada RJ-11 para os
condutores da rede 1-WireTM. No interior deste dispositivo está localizado um
circuito integrado DS2480B que é responsável por realizar a conversão da
porta serial do computador para a rede 1-WireTM. Este circuito integrado foi
projetado para operar de maneira eficiente em redes 1-WireTM com grandes
comprimentos ( maiores que 750 metros ) a um custo equivalente ao de
redes 1-WireTM médias e pequenas, gerando sinais que possibilitem um
desempenho máximo. Além do DS2480B, este adaptador contém também o
chip DS2502 onde se encontra gravado o seu código de identificação
(DALLAS SEMICONDUCTOR, 2002). A taxa de transferência de dados
padrão suportada pelo DS9097U-009 é de 9.600 bits/s (STEIDLE NETO,
2003). Esta taxa de transferência foi utilizada no sistema desenvolvido.
Entretanto, caso seja necessário em outras aplicações, sob o controle de um
programa computacional de gerenciamento do sistema 1-WireTM, taxas de
53
transferência superiores podem ser utilizadas (19.200, 57.600 e 115.200
bits/s).
O DS2438 foi projetado para o monitoramento de carga em baterias,
contendo conversores A/D (analógico-digital) para temperatura e tensão,
necessários na obtenção da umidade relativa. O DS2438 possui 40 bytes de
memória não volátil que são utilizados para armazenagem de informações
sobre calibração e localização do sensor (DALLAS SEMICONDUCTOR,
2003c). Para a realização das medidas de umidade relativa apenas um
conversor A/D foi conectado ao sensor HIH3610. O DS2438 também realiza
medidas de temperatura, fornecendo valores digitais de 13 bits para cada
dado medido. O tempo de conversão da temperatura na forma digital é de,
aproximadamente, 10 ms, sendo que a faixa de medição do dispositivo varia
de –55 ºC a +125 ºC com resolução de 0,03125 ºC e exatidão de ±2 ºC para
temperaturas
compreendidas
entre
–40
e
85 ºC
(DALLAS
SEMICONDUCTOR, 2003c).
O HIH3610 opera na faixa entre 4 e 5,8 VDC (calibrado em 5 VDC),
sendo que sua tensão de saída varia de 0,8 a 3,9 VDC, de acordo com a
variação de umidade relativa (0 a 100%, sem condensação). A sua exatidão
é de ±2% e a sua resolução é de 0,04% para valores de umidade relativa na
faixa de 5 a 95% e temperaturas na faixa de 0 a 50ºC. Para a temperatura de
25 ºC e baixa velocidade do ar, o tempo de resposta do HIH3610 é de 15 s. A
corrente elétrica de operação deste dispositivo é igual a 200 µA, sendo
possível utilizá-lo com segurança em redes 1-WireTM (NEUROLOGIC
RESEARCH, 2003; HONEYWELL, 2003). Como o sensor HIH3610 é
fotossensível, tomou-se o cuidado de protegê-lo contra a luz quando estava
em operação.
A Figura 4.3 apresenta o esquema do circuito utilizado para a
realização das medidas de temperatura e umidade relativa do ar ambiente.
Neste circuito um capacitor de 0,1 µF (C1) e um diodo (D2) formaram um
retificador de meia onda que alimenta o sensor de umidade e o dispositivo
DS2438, caso a alimentação parasita for utilizada. Outro diodo (D1) foi
localizado entre a linha de dados e o referencial, protegendo o circuito contra
oscilações no sinal que ultrapassem os limites mínimos e máximos de
tensão. Um resistor de 100 KΩ (R1) e um capacitor de 0,01 µF (C1)
54
constituíram um filtro passa baixa, responsável por proteger a transmissão da
tensão de saída do sensor de umidade ao DS2438. Essa tensão é
proporcional à tensão de alimentação, sendo que a conversão dos dados
medidos para valores de umidade relativa foi realizada por meio da
equação 4.1.
UR =
( Vs / Va ) − (0,16 / 0,0062 )
1,0546 − 0,00216 Ts
(4.1)
em que
UR
-
Umidade relativa, %;
Vs
-
Tensão de saída do HIH3610, V;
Va
-
Tensão de alimentação, V;
Ts
-
Temperatura medida pelo DS2438, °C.
Figura 4.3 – Esquema do circuito utilizado para medir a temperatura e a
umidade relativa do ar externo ao silo.
A Figura 4.4 apresenta o esquema do circuito utilizado para o
acionamento automático do sistema de aeração por meio da chave eletrônica
DS2406. Neste circuito um fotoaclopador (MOC3010) foi empregado para
proteger a chave eletrônica e as placas do computador de descargas de
tensão da rede de alimentação, isolando-o eletricamente. O MOC3010 é
formado basicamente por um LED e um fototransistor dentro de um CI com a
função de possibilitar a conexão elétrica entre dois circuitos por meio da luz.
55
Assim, quando uma tensão é aplicada nos pinos do LED, este acende e a luz
polariza a base do fototransístor interno que conduz fazendo a corrente
circular por outro circuito isolado eletricamente. Um componente TRIAC
(TIC226D) foi empregado para chavear a corrente alternada, possibilitando o
acionamento do ventilador por meio do sinal emitido pela chave eletrônica
(DS2406). Esse componente equivale a dois retificadores controlados de
silício (SCR) ligados em paralelo, um ao contrário do outro. Ele possui três
terminais: MT1 e MT2 (anodos) e G (gatilho ou gate). O gatilho pode ser
disparado com tensão positiva ou negativa. Após o disparo, o TRIAC conduz
até a corrente alternada mudar de sentido. Quando isto ocorre, é necessário
outro pulso no gatilho.
Figura 4.4 - Esquema do circuito utilizado para o acionamento automático do
sistema de aeração por meio da chave eletrônica DS2406.
A aquisição de dados foi realizada a cada 20 segundos e as médias
das medidas foram calculadas em intervalos de 15 minutos, quando a
estratégia de controle era executada.
4.2. Programa computacional desenvolvido - AERO
O gerenciamento da aquisição de dados e as ações relacionadas à
estratégia de controle foram realizados por meio de um programa
computacional, desenvolvido especialmente para esta aplicação. Este
programa foi escrito em Java, sendo também capaz de estimar parâmetros
importantes para a avaliação das condições do ambiente de armazenamento,
56
como a umidade relativa de equilíbrio dos grãos, a umidade relativa do ar de
aeração e o teor de água dos grãos.
O programa computacional desenvolvido, chamado AERO, foi dividido
em seis módulos: configuração do programa, aquisição de dados,
visualização dos dados, controle do processo de aeração, simulação do
processo de aeração e geração de relatórios. Estes módulos foram
implementados em funções distintas visando otimizar o fluxo de dados
durante a execução do programa, facilitar a sua manutenção e simplificar a
sua estrutura.
4.2.1. Módulo para configuração do programa
Neste módulo o usuário do AERO pode escolher se deseja utilizar o
sistema 1-WireTM para realizar o controle do sistema de aeração em tempo
real ou se deseja apenas simular o processo de aeração.
Alguns dados devem ser fornecidos em ambas as configurações.
Esses dados são as dimensões do silo, a espécie de grão armazenado, o
teor inicial de água e o teor indicado de água para o produto armazenado, o
nível de deterioração inicial do produto, a pressão atmosférica da região, a
vazão específica de ar utilizada e o número de horas gravadas por relatório.
É possível, também ao usuário selecionar quais objetivos da aeração deseja
alcançar (resfriar a massa de grãos, manter a uniformidade de temperatura
na massa de grãos ou ambas).
No caso de o programa computacional ser configurado para aquisição
de dados utilizando-se o sistema 1-WireTM nenhum dado de entrada adicional
precisa ser fornecido pois, os dados medidos serão automaticamente
repassados para os módulos de simulação e de controle do processo.
No caso de o AERO ser configurado para simulação da aeração será
necessário informar também a temperatura inicial dos grãos, o incremento de
temperatura do ar produzido pelo ventilador, a espessura das camadas a
serem consideradas e os dados de temperatura e umidade relativa do ar
ambiente. Caso existam diferenças nas temperaturas das camadas de grãos,
o usuário deverá informar qual é o arquivo texto que contem o perfil de
temperatura da massa de grãos ao invés de fornecer a temperatura inicial do
produto. A partir destes dados de entrada, a simulação é executada para
57
intervalos de 1 hora, de acordo com a estratégia de controle proposta.
Ressalta-se que os dados de temperatura e umidade relativa do ar ambiente
podem ser constantes ou variáveis. Os dados variáveis devem ser fornecidos
em um arquivo texto contendo, em cada linha, a temperatura e a umidade
relativa do ar ambiente separados por espaço. Quando esta possibilidade é
utilizada, o usuário deve informar o intervalo de tempo em que os dados
contidos no arquivo texto foram coletados.
4.2.2. Módulo para geração de relatórios
O módulo para gerar relatórios é executado depois de cada ação de
controle da aeração, sendo responsável por criar ou atualizar planilhas
eletrônicas contendo os dados medidos e os simulados.
Quando o sistema 1-WireTM é utilizado os valores medidos pelos
sensores de temperatura e umidade, os valores calculados para umidade
relativa do ar de aeração e para umidade relativa de equilíbrio, os dados
simulados de temperatura e teor de água dos grãos, a condição operacional
do ventilador (ligado ou desligado) e os valores máximos, mínimos e médios
de temperatura medidos são armazenados em um arquivo. Em ambas as
possibilidades de configuração do programa, um outro arquivo é gerado,
registrando-se os resultados detalhados da simulação para temperatura, teor
de água e deterioração dos grãos. O número de horas de aquisição de dados
armazenado em cada planilha é fornecido como dado de entrada.
4.2.3. Módulo para visualização dos dados
Este módulo é responsável por atualizar a tela principal do programa
AERO, exibindo, em tempo real, as temperaturas dentro do silo, a
temperatura e umidade relativa do ar ambiente, a temperatura e umidade
relativa no plenum, a temperatura média dos grãos, o gradiente de
temperatura dentro do silo, a estimativa média do teor de água dos grãos, a
estimativa da umidade relativa de equilíbrio, a estimativa do nível de
deterioração médio do produto armazenado, o número de horas de
funcionamento do sistema, o número de horas de aeração neste período e a
condição operacional do ventilador (ligado ou desligado).
58
As temperaturas dentro do silo são exibidas em um gráfico de
contorno, facilitando a visualização da sua variação. Este gráfico foi
implementado utilizando-se uma biblioteca, disponível gratuitamente na
Internet, específica para criação destes tipos de diagramas em aplicações
Java, denominada JFreeChart.
Quando a opção para simulação do processo de aeração é ativada,
este módulo exibe, na tela principal do AERO, os resultados instantâneos da
simulação, reproduzindo o comportamento de um sistema de aeração real.
4.2.4. Módulo para aquisição e transmissão de dados
Este módulo é responsável pela aquisição e transferência dos dados
do ecossistema dos grãos armazenados para os módulos de simulação e
controle do processo de aeração.
Quando o programa computacional é configurado para simular o
processo de aeração, o módulo para aquisição de dados é ativado sempre
que o contador de tempo do processo de simulação for incrementado. Neste
caso, o arquivo texto ou os dados constantes de temperatura e umidade
relativa fornecidos pelo usuário são acessados, sendo transferidos para o
modelo de simulação empregado e para o módulo que executa a estratégia
de controle.
Quando o AERO é configurado para realizar a aquisição de dados em
tempo real, o módulo para aquisição de dados é ativado a cada 20 segundos
e os valores medidos pelos dispositivos escravos conectados ao sistema 1WireTM são armazenados e exibidos na tela principal do programa
computacional por meio do módulo para visualização dos dados. Em
intervalos de 15 minutos, as médias dos dados armazenados são calculadas
e enviadas aos módulos para simulação do processo e controle da aeração.
Quando este procedimento ocorre, a área de armazenamento de dados é
limpa, permitindo que um novo conjunto de valores seja armazenado e
utilizado posteriormente.
59
4.2.5. Módulo para controle do processo de aeração
Neste módulo a estratégia para o manejo da aeração é executada e o
módulo para geração de relatórios é ativado. A estratégia de controle
utilizada para o manejo da aeração baseou-se nas recomendações
apresentadas por NAVARRO e NOYES (2001), LACERDA FILHO e
AFONSO (1992) e MARTINS et al. (2001). O objetivo foi manter temperaturas
uniformes dentro do silo e resfriar a massa de grãos sempre que a aplicação
da aeração não fosse prejudicial às condições de armazenamento seguro. O
sistema de aeração era ligado ou desligado de acordo com a combinação de
quatro condições.
A primeira condição se referiu à temperatura mínima dentro do silo.
Para que o ventilador fosse ligado, este parâmetro deveria ser maior que a
temperatura de ponto de orvalho do ar de aeração. De acordo com
LACERDA FILHO e AFONSO (1992), satisfazendo-se esta condição, a
possibilidade de condensação na massa de grãos é minimizada pois,
garante-se que nenhuma área dentro do silo receberá ar com condições
propícias ao acúmulo de umidade na superfície do produto armazenado. A
temperatura de ponto de orvalho foi calculada por meio da equação 2.16,
sugerida por ZOLNIER (1994).
A segunda condição, também essencial para o acionamento do
ventilador, foi que o teor de água dos grãos simulado não varie mais que 0,5
ponto percentual na primeira camada de grãos. Este valor foi utilizado por ser
uma variação considerada aceitável na literatura e porque os fluxos de ar
característicos do processo de aeração são baixos, sendo que o teor de água
dos grãos tende a não sofrer variações significativas ao longo do período de
aeração (MAIER e MONTROSS, 1997). Para gradientes de temperatura
maiores que 5ºC dentro do silo, verificou-se a necessidade de utilizar um
limite aceitável maior para a variação no teor de água simulado nos grãos
localizados próximos ao fundo do silo, visando uma equabilização mais
rápida das temperaturas dos grãos armazenados devido à diminuição de
restrições com relação ao acionamento do sistema de aeração. Nestas
condições, o limite aceitável para variação do teor de água nos grãos
localizados próximos ao fundo do silo (condição de contorno do modelo de
simulação) foi igual a 0,9 ponto percentual. Este valor foi utilizado com base
60
nas observações de Sanderson et al. e Epperly, citados por NAVARRO e
NOYES (2001), que verificaram variações aceitáveis entre 0,66 e 0,9 ponto
percentual no teor de água de grãos armazenados próximos ao fundo do silo
durante o processo de aeração.
Para controlar a uniformidade das temperaturas e o resfriamento
dentro do ambiente de armazenamento duas condições foram utilizadas. A
primeira indica energizar o sistema de aeração caso exista um diferencial de
temperatura dentro do silo maior que 5ºC e caso alguma das temperaturas
máximas simuladas em todas as camadas do silo for menor que a
temperatura máxima real equivalente a ela. Na segunda condição, caso o
gradiente de temperatura dentro do silo seja menor que 3ºC, sugere-se
energizar o sistema de aeração se a temperatura máxima simulada na
primeira camada de grãos for menor que a real.
Como a estratégia de controle é executada a cada 15 minutos,
dependendo das condições do ecossistema dos grãos armazenados, a
simulação do processo considerando esse curto período pode não perceber a
real capacidade do ar de aeração. Por isso, o tempo de aeração simulado
variou entre 0,25 e 10 horas, dependendo de quão próximas estão as
temperaturas do ar de aeração e da massa de grãos. No caso de
possibilidade de resfriamento, as diferenças entre as temperaturas simuladas
e atuais variam entre 0,01 e 0,5ºC, de acordo com o tempo de simulação
(Figura 4.5).
61
Figura 4.5 – Fluxograma do cálculo do tempo de simulação e do diferencial
de temperatura considerados na estratégia de controle.
Ressalta-se que a estratégia proposta objetivou manter o ecossistema
dos grãos armazenados em condições seguras, principalmente em regiões
tropicais e subtropicais, onde o resfriamento até temperaturas ideais para
prevenção contra insetos geralmente não é alcançado. Nestas regiões, o
principal objetivo da aeração deve ser manter um diferencial de temperatura
menor que 3ºC dentro do silo, sendo aceitáveis diferenças de até 5ºC na
massa de grãos (NAVARRO e NOYES, 2001). Estes procedimentos evitam
principalmente a migração de umidade. O sucesso da aeração em climas
tropicais e subtropicais depende de certos cuidados no armazenamento dos
grãos, como armazená-los limpos e com teor de água seguro. A Figura 4.6
apresenta o algoritmo da estratégia de controle implementado no AERO para
o manejo da aeração.
62
Início
C1 ← falso; C2 ← falso; C3 ← falso; C4 ← falso
Calcular tempo de simulaçao (Tempo) e ∆TLim
Simular o processo de aeração considerando o ventilador ligado e Tempo
Se (Temp. mínima dentro do silo > Temp. de ponto de orvalho do ar de
aeração)
C1 ← verdadeiro
senão
C1 ← falso
Se o objetivo “homogeneizar temperaturas” for selecionado
Se (∆
∆T dentro do silo > 5°°C E ∆T simulado < ∆T dentro do silo)
C2 ← verdadeiro
senão
C2 ← falso
Se C2 = verdadeiro
∆ULim ← 0,9 e UGU ← Teor de água dos grãos próximos ao fundo do silo
senão ∆ULim ← 0,5 e UGU ← Teor de água dos grãos da primeira camada
Se o objetivo “Resfriar massa de grãos” for selecionado
Se o objetivo “homogeneizar” for selecionado E ∆T dentro do silo > 3°°C
Para i de 1 até o número de camadas
Se Temp. máxima da camada i > Temp. simulada para camada i+ ∆TLim
C3 ← verdadeiro
Senão se Temp. máx. da 1ª camada > Temp. sim. para a 1ª camada + ∆TLim
C3 ← verdadeiro
Se C3 = verdadeiro
∆ULim ← 0,9 e UGU ← Teor de água dos grãos próximos ao fundo do
silo
Senão C3 ← falso
Se ∆ULim = 0,9
Se UGU - Teor de água sim. do primeiro nó (cond. de contorno) > ∆ULim
C4 ← falso
senão C4 ← verdadeiro
Senão
Se UGU - Teor de água sim. da primeira camada > ∆ULim
C4 ← falso
senão C4 ← verdadeiro
Se ((C2 OU C3) E C1 E C4) Ligar ventilador
Senão desligar ventilador
Fim
Figura 4.6 - Algoritmo da estratégia para o manejo da aeração utilizada no
programa computacional AERO.
63
4.2.6. Módulo para simulação do processo de aeração
Este módulo é um dos principais módulos do AERO pois estima os
efeitos da aplicação da aeração na massa de grãos, de acordo com os
parâmetros obtidos pelo módulo de aquisição de dados.
O modelo matemático unidimensional empregado no programa
computacional AERO baseou-se nas equações propostas por THORPE
(1997) e apresentadas por NAVARRO e NOYES (2001), combinando
relações psicrométricas do ar com balanços de massa e de energia. No
modelo original, as variações na temperatura e no teor de água dos grãos
são determinadas por meio das equações 4.2 e 4.3, respectivamente.


∂ θ  
∂H w 
∂h  
∂U
+ ερ a c a + R  c w + v   = ρbhs
−
ρb c g + c wU +

∂t  
∂Ta 
∂ Ta  
∂t




dms
∂h  ∂θ
∂ 2θ
− uaρ a c a + R c w + v 
+ k eff
+ ρb
(Qr − 0,6hv )
∂Ta  ∂y
dt
∂y 2


∂U
∂ 2R
∂R dms
ρb = ρ aD eff
− ρ au a
+
(0,6 + U)
∂t
∂y
dt
∂y 2
(4.2)
(4.3)
em que
t ρb cg cw Hw Ta ε ρa ca ua y keff ms Qr Deff hv hs -
Tempo, segundos;
Massa específica dos grãos, kg m-3;
Calor específico dos grãos, J kg-1 ºC-1;
Calor específico da água, J kg-1 ºC-1;
Integral da entalpia de umedecimento, J kg-1;
Temperatura do ar em equilíbrio com os grãos, ºC;
Porosidade da massa de grãos, decimal;
Massa específica do ar intergranular, kg m-3;
Calor específico do ar, J kg-1 ºC-1;
Velocidade do ar de aeração, m s-1;
Coordenada espacial, m;
Condutividade térmica da massa de grãos, W m-1 s-1;
Perda de matéria seca, %;
Calor de oxidação dos grãos, J s-1 m-3;
Difusividade térmica da umidade através da massa de
grãos, m2 s-1.
Entalpia de vaporização ou calor latente de vaporização, J
kg-1;
Entalpia diferencial de sorção, J kg-1.
64
No entanto, algumas adaptações a este modelo foram implementadas,
visando aproximar os resultados à realidade, diminuir o tempo de execução
do programa computacional gerado e simplificá-lo, sem prejudicar a
integridade dos dados gerados. Assim, no AERO, as variações na
temperatura e no teor de água dos grãos são determinadas por meio das
equações 4.4 e 4.5, respectivamente.


∂h v
∂ θ 
ρb c g + c w U + ερ a c a + R  c w +
∂t 
∂ Ta


[
]


∂h
− ua ρ a c a + R c w + v
∂Ta


 
∂U
  = ρbh s
−
∂t
 
 ∂θ
dm

+ ρb
(Qr − 0,6h v )
dt
 ∂y
∂U
∂R dm
ρ b = −ρ a u a
+
(0,6 + U)
∂t
∂y dt
(4.4)
(4.5)
Segundo NAVARRO e NOYES (2001), a difusividade térmica (Deff) pode
ser ignorada durante a aeração, podendo ser importante apenas quando este
processo não está ocorrendo. Simulações foram realizadas mantendo-se
este termo no modelo e considerando-se o valor de Deff nula. Observou-se
que, mesmo quando o processo de aeração não estava ocorrendo, os
resultados obtidos não apresentavam diferenças significativas. Este fato pode
ser explicado devido aos baixos valores associados à difusividade térmica
dos produtos agrícolas. Por este motivo, optou-se por simplificar a equação
original, retirando-se o termo ρ aD eff ∂ 2 W ∂y 2 do modelo utilizado para
simular o processo de aeração.
Os termos ∂H w ∂T e k eff ∂ 2 θ ∂y 2 , observados na equação 4.2,
também não foram utilizados no processo de simulação realizado pelo
AERO. Estas alterações simplificaram o algoritmo, minimizando seu tempo
de execução e garantindo a confiabilidade dos resultados obtidos.
Segundo Close e Banks, citados por NAVARRO e NOYES (2001), em
alguns casos o cálculo de ∂H w ∂T pode resultar em valores incoerentes,
pois este parâmetro depende de dados empíricos. Segundo os autores este
termo pode ser negligenciado durante o processo de simulação sem afetar os
resultados gerados.
65
A retirada do termo k eff ∂ 2 θ ∂y 2 é justificada pelo fato de as massas de
grãos geralmente possuírem baixa condutividade térmica e, por isso,
poderem ser consideradas como materiais isolantes (MUIR et al., 2003).
Assim, a condutividade térmica afeta principalmente os grãos próximos à
parede do silo e, sendo o modelo utilizado unidimensional, os efeitos de Keff
nos resultados da simulação não se mostraram significantes.
As equações diferenciais que descrevem a transferência de calor e de
massa nos grãos são dependentes entre si. Portanto, a solução de uma delas
interfere na solução da outra. As variações da temperatura e da umidade
relativa do ar de aeração variam de forma aleatória com relação ao tempo
(NAVARRO e NOYES, 2001). Por isto, as equações diferenciais parciais do
modelo implementado foram resolvidas aplicando-se a técnica de diferenças
finitas, gerando-se as equações 4.6 e 4.7.
θiatual = θi +
 
∆t
 h s  − ρ a ua  R i − R i −1  +


ρb c g + c w + ερ a [c a + R i (c w + dhv )]  
∆y


(
)
 θ − θ i −1  
 
+ dm (0,6 + Ui )) + ρb dm (Qr − 0,6h v ) − ua ρ a (c a + R i (c w + dhv )) i
 ∆y  
Uiatual = Ui +
∆t
ρb


 R − R i −1 
 − ρ aua  i
 + dm (0,6 + Ui )

∆y




(4.6)
(4.7)
em que
∆t -
Diferença entre o tempo de simulação atual e o tempo
anterior, s;
∆y -
Espessura da camada, m;
dhv -
Diferencial do calor latente de vaporização com
relação à temperatura;
dm -
Derivada da perda de matéria seca com relação ao
tempo;
i -
Identifica qual o nó está sendo utilizado nos cálculos.
Considerou-se que a massa de grãos foi dividida em várias camadas
finas na direção do fluxo de ar (direção vertical), como mostra a Figura 4.7.
Os limites entre camadas foram chamados nós, sendo que a condição de
66
contorno no primeiro nó supôs que os grãos localizados no fundo do silo
entram em equilíbrio com o ar de aeração. Os resultados desta configuração
tendem a superestimar o teor de água simulado para a primeira camada de
produto. Mas, este problema foi minimizado calculando-se o teor de água e a
temperatura da primeira camada de grãos por meio de interpolação de
Lagrange utilizando os quatro primeiros nós.
Figura 4.7 - Esquema utilizado na simulação do processo de aeração em que
a massa de grãos é dividida em várias camadas delimitadas por
nós.
A espessura de cada camada (∆y) foi obtida dividindo-se a altura da
massa de grãos (L) pelo número total de camadas considerado (Ncam). Como
a temperatura e a umidade relativa do ar intergranular no primeiro nó da
massa de grãos foram considerados iguais à temperatura e à umidade
relativa do ar de aeração, a razão de mistura do ar nesta área foi calculada
aplicando-se a equação 4.8 (adaptação da equação 2.13) e o teor de água
dos grãos localizados no primeiro nó foi calculado por meio da equação 4.9
que é uma adaptação da equação de Chung-Pfost (equação 2.1).
67
R0 =
0,622 PV a
Patm - PVa
U0 = −
+ C 
1 
 T
ln  ln(UR aera /100) − aera
 
B 
A


(4.8)
(4.9)
em que
R0 PVa U0 URaera Taera -
Razão de mistura do ar no primeiro nó da massa de grãos, g g-1;
Pressão parcial de vapor do ar de aeração, kPa;
Teor de água dos grãos no primeiro nó da massa de grãos, b.s.;
Umidade relativa do ar de aeração, %;
Temperatura do ar de aeração, ºC.
Ressalta-se que o cálculo da umidade relativa do ar de aeração foi
realizado com base no processo de aquecimento do ar (MELO et. al, 2004),
como mostra o fluxograma da Figura 4.8.
Figura 4.8 – Fluxograma para cálculo da umidade relativa do ar de aeração
considerando o processo de aquecimento do ar ambiente e a
temperatura do ar de aeração.
68
Durante a simulação do processo de aeração realizado pelo AERO, o
sistema de equações resultante dos balanços de massa e de energia
(equações 4.6 e 4.7) são resolvidos para cada incremento de tempo, de
maneira iterativa, para cada camada.
No modelo original, tanto o calor específico dos grãos (cg) quanto o
calor específico da água (cw) e o calor específico do ar (ca) foram
considerados constantes. Segundo BROOKER et. al (1992), o calor
específico da água (cw) e o calor específico do ar (ca) são quantidades bem
definidas. Por isso, como no modelo original, estes parâmetros foram
considerados como constantes na implementação do AERO, sendo iguais a
4186 e 1000 J ºC kg-1, respectivamente. No entanto, o calor específico dos
grãos (cg) foi calculado a cada iteração e para cada camada por meio da
equação 4.10, apresentada por BROOKER et. al. (1992). Assim, foi possível
considerar as influências da temperatura, do teor de água e do tipo de grão
no comportamento deste parâmetro e obter resultados mais próximos da
realidade.
c g = 1000 (K 1 + Q UP )
(4.10)
em que
K1, Q UP -
Constantes que dependem do produto (Apêndice 1);
Teor de água dos grãos, %bu.
A entalpia diferencial de sorção (hs) também foi calculada a cada
iteração pelo AERO. A determinação da entalpia diferencial de sorção
(equação 4.11) baseou-se em um método que compara a pressão parcial de
vapor da água e a pressão de saturação do ar em condições de equilíbrio
com os grãos empregando a equação de Chung-Pfost. Esta equação foi
apresentada por Othmer, de acordo com NAVARRO e NOYES (2001).
 A exp(− B U)
6800  

h s = hv 1 +
(θ + 273,15) - 5 +


θ + 273,15  

( θ + C) 2

(4.11)
Outros parâmetros foram calculados a cada iteração do processo de
simulação, como a umidade relativa de equilíbrio (equação de Chung-Pfost) e
69
a razão de mistura dos grãos nas diversas camadas de produto. Ressalta-se
que a umidade relativa de equilíbrio exibida como dado de saída do AERO foi
calculada substituindo-se a temperatura dos grãos para cada camada pela
temperatura média e o teor de água dos grãos para cada camada pelo teor
médio de água dos grãos.
No AERO, os valores da diferencial do calor latente de vaporização
com relação à temperatura (dhv/dT) e do calor de oxidação dos grãos (Qr)
foram considerados constantes.
O valor da dhv/dT foi obtido derivando-se a equação para o cálculo do
calor latente de vaporização da água (equação 4.12), apresentada por
Cengel e Boles citados por NAVARRO E NOYES (2001), com relação à
temperatura. Esta equação foi obtida ajustando-se dados termodinâmicos
obtidos na literatura e resulta em erros máximos de 0,02% para os valores de
calor latente de vaporização da água na faixa entre 0 e 50ºC.
h v = 2501330 − 2363 T
(4.12)
O valor de Qr (15.778 kJ) derivou-se do fato de a respiração de 1 kg de
grãos liberar 15.778 kJ de calor. A respiração dos grãos pode ser
considerada como a completa combustão de carboidratos na forma de
dióxido de carbono, água e liberação de calor. Além de liberar 15.778 kJ de
calor, a oxidação de 1kg de grãos forma 1,47 kg de dióxido de carbono e 0,6
kg de água (FLEURAT-LESSARD, 2001).
A porosidade da massa de grãos (ε) foi outro parâmetro considerado
constante (40%). Segundo BROOKER et. al. (1992), a porosidade da maioria
dos grãos está entre 35 e 55% e, portanto, adotar o valor deste parâmetro
como constante torna a implementação do algoritmo mais simples, não
influenciando de maneira significativa os resultados obtidos.
Como o tipo do produto armazenado é um dos parâmetros de entrada, o
AERO possui uma base de dados contendo o valor da massa específica dos
vários tipos de grãos cadastrados. Estes valores são automaticamente
acessados no momento da entrada de dados, podendo ser alterados caso
seja necessário, e sendo aplicados às equações do modelo matemático
durante o processo de simulação.
70
A massa específica do ar foi calculada por meio da equação 4.13,
apresentada por ALÉ (2001), visando corrigir os possíveis efeitos da altitude
neste parâmetro.
ρa =
352,8 Patm
101,325(Taera + 273,15)
(4.13)
A velocidade do ar de aeração foi calculada por meio da equação 4.14,
dependendo das dimensões do silo e da vazão específica de ar fornecidas
como dados de entrada.
ua =
qV
60 S
(4.14)
em que
q -
Vazão de ar específica requerida, m3 min-1 m-3;
V -
Volume do silo, m3;
S -
Área do silo, m2.
O modelo apresentado por THOMPSON (1972) foi utilizado para
expressar a perda de matéria seca, sendo que sua derivada com relação ao
tempo corresponde à equação 4.15.


t
14,72 × 10 −10 exp 1,667 × 10 −6
MMMT
dm s


=
dt
MMM T

 + 2,833 × 10 −9

(4.15)
A Figura 4.9 apresenta o fluxograma da simulação do processo de
aeração de grãos implementada.
71
Figura 4.9- Fluxograma da simulação do processo de aeração.
72
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1. Sistema 1-WireTM aplicado à aeração de grãos armazenados
A tecnologia 1-WireTM se mostrou bastante eficiente no monitoramento
dos grãos armazenados e no acionamento do sistema de aeração. Os dados
foram transmitidos sem interferências que pudessem comprometer as
informações necessárias ao correto funcionamento do sistema de aeração.
Não foram observadas longas interrupções nas transmissões, garantindo-se
um monitoramento constante e confiável do ecossistema dos grãos
armazenados e o correto acionamento do ventilador nos momentos
indicados.
O fato de todos os dispositivos conectados à rede serem endereçados
e gerenciados pelo programa computacional desenvolvido contribuiu para o
monitoramento e o controle mais confiáveis do ecossistema dos grãos
armazenados, tornando possível a determinação exata das condições de
temperatura e umidade relativa em pontos específicos no interior do silo e do
ambiente externo a ele. Consequentemente, uma estratégia de controle mais
elaborada pôde ser implementada e combinada ao monitoramento constante
do ecossistema dos grãos armazenados. Os resultados mostram que,
utilizando-se esta metodologia, foi possível manter a massa de grãos em
condições adequadas ao armazenamento seguro durante um longo período,
mesmo sendo observadas grandes oscilações nas variáveis climáticas locais.
O sistema 1-WireTM se mostrou bastante flexível pois, os comandos
utilizados no programa gerenciador da transmissão de dados atuam
individualmente nos dispositivos, facilitando a sua identificação e a
manipulação dos dados coletados. Além disso, pelo fato de serem utilizados
apenas três fios (alimentação externa) e por causa do endereçamento dos
dispositivos, a rede de transmissão de dados resultante foi mais simples que
as estruturas tradicionalmente utilizadas, facilitando a manutenção do
sistema e diminuindo o seu custo operacional.
73
5.2. Programa computacional desenvolvido – AERO
As telas do programa computacional desenvolvido são apresentadas
nas Figuras 5.1, 5.2 e 5.3, respectivamente.
A
tela
de
apresentação
(Figura
5.1)
identifica
o
programa
computacional e apresenta algumas informações básicas sobre ele, como o
local onde o sistema foi desenvolvido, os principais colaboradores para o seu
desenvolvimento e a sua área de aplicação.
Figura 5.1 – Tela de apresentação do programa AERO.
Na tela de entrada de dados (Figura 5.2), os principais dados
necessários à configuração do AERO são fornecidos. Todos os dados
apresentados nesta tela possuem um valor padrão que poderá ser
modificado pelo usuário. A existência dos valores padrão facilita a utilização
do programa computacional, principalmente em casos como o do AERO em
que várias opções devem ser configuradas antes do início da execução da
simulação ou da aquisição de dados. Caso o usuário forneça algum valor fora
74
da faixa recomendável ou algum dado inválido, são exibidas mensagens
informando este fato e solicitando a sua correção.
Figura 5.2 – Tela para entrada de dados no programa AERO.
A tela de visualização dos dados (Figura 5.3) é a tela principal do
AERO, apresentando em tempo real os resultados da simulação ou da
aquisição de dados, de acordo com a configuração do programa
computacional.
75
Figura 5.3 – Tela para visualização dos dados no programa AERO.
5.3. Simulação do processo de aeração
O modelo de simulação empregado no programa computacional AERO
foi validado utilizando-se os dados obtidos experimentalmente nos momentos
em que o ventilador do sistema de aeração estava ligado. Os dados de
temperatura e umidade relativa do ar de aeração, coletados nestes períodos,
foram utilizados como dados de entrada do AERO, juntamente com os dados
iniciais de temperatura e teor de água dos grãos. O programa foi então
configurado para apenas simular o comportamento do ecossistema dos grãos
armazenados. As Figuras 5.4 a 5.7 mostram os gráficos com os resultados
deste processo considerando-se as três camadas de grãos monitoradas
durante o experimento e a temperatura média observada. Observa-se que a
primeira camada é aquela localizada próxima ao fundo do silo, a terceira
camada é aquela localizada na parte superior do silo e a segunda camada é
constituída pelos grãos localizados na posição intermediária.
76
Figura 5.4 – Resultados da validação do modelo empregado na simulação
utilizando-se os dados observados no mês de junho de 2005.
77
Figura 5.5 – Resultados da validação do modelo empregado na simulação
utilizando-se os dados observados no mês de julho de 2005.
78
Figura 5.6 – Resultados da validação do modelo empregado na simulação
utilizando-se os dados observados no mês de agosto de 2005.
79
Figura 5.7 – Resultados da validação do modelo empregado na simulação
utilizando-se os dados observados no mês de setembro de
2005.
80
Os resultados indicaram que o modelo implementado ajustou-se bem
aos dados observados. Portanto, este modelo pode ser empregado em
estimativas dos efeitos da aeração em diferentes regiões e com diferentes
condições climáticas, assim como pode ser empregado, de forma confiável,
em estratégias de controle para aeração de grãos com base na simulação do
processo.
Outras simulações foram realizadas utilizando-se os dados obtidos
experimentalmente, considerando-se os momentos em que o ventilador do
sistema de aeração estava ligado e desligado. As Figuras 5.8 e 5.9 mostram
os gráficos com os resultados destas simulações.
As temperaturas observadas na massa de grãos e os valores simulados
se aproximaram bastante, apresentando diferenças máximas de 3,2 e 3,0ºC
nos dois períodos avaliados, respectivamente. Verificou-se que o modelo de
simulação apresenta melhores resultados quando o ventilador encontra-se
ligado. Este fato pode ser explicado devido ao modelo não considerar as
influências da radiação solar incidente nas paredes do silo, nem a ação dos
insetos
e
microorganismos
existentes
no
ecossistema
dos
grãos
armazenados. Assim, durante os períodos em que o ventilador é considerado
desligado, o modelo de simulação resulta em variações muito lentas nas
condições dos grãos, estimadas considerando-se apenas a respiração do
produto armazenado. Logo, quanto maiores as dimensões do silo, melhores
serão os resultados obtidos com o modelo de simulação empregado, pois
menores serão as influências da radiação solar incidente nas paredes do silo.
A comparação entre os dados simulados e os dados reais mostra uma
tendência de melhor concordância dos resultados quando os grãos
armazenados estão secos e limpos.
81
Figura 5.8 - Comparação entre os dados simulados e os dados coletados no
mês de junho de 2005.
82
Figura 5.9 - Comparação entre os dados simulados e os dados coletados no
mês de setembro de 2005.
83
Observa-se que no mês de junho (início do experimento), as diferenças
entre os dados simulados e os dados reais foram mais acentuadas,
principalmente nas camadas superiores. Este período caracterizou o início do
experimento, quando a massa de grãos estava armazenada há algum tempo
sem aeração. Por isso, além do alto gradiente de temperatura, existia uma
ação mais intensa de insetos e fungos. Com a aplicação da aeração, a ação
destes organismos e o gradiente de temperatura foram controlados,
resultando em um comportamento mais estável do ecossistema dos grãos
armazenados. Por este motivo, observa-se que na análise realizada no mês
de setembro ocorreu maior proximidade entre os dados simulados e os dados
reais.
Os momentos de indicados na simulação para ligar o ventilador e
aqueles realmente observados também se aproximaram bastante, assim
como o número de horas de aeração necessário, como é possível observar
na Figura 5.10. Verificou-se maiores diferenças entre os tempos de aeração
simulados e observados nos meses de agosto e setembro, quando as
temperaturas do ar ambiente começaram a se elevar, causando aquecimento
nas paredes do silo e resultando em mais acionamentos do sistema de
aeração com o objetivo de resfriar e diminuir o gradiente de temperatura
estabelecido dentro da massa de grãos. Na avaliação do número de horas de
aeração o modelo de simulação também gerará melhores estimativas para
estruturas de armazenagem maiores e grãos secos e limpos, pois nestes
casos, as influências da radiação solar incidente nas paredes do silo serão
menores, assim como a ação dos microorganismos e insetos característicos
do ambiente de armazenamento.
É importante destacar que os acionamentos e o número de horas de
aeração obtidos com o modelo de simulação estão diretamente relacionados
à estratégia de controle empregada. Nas simulações discutidas neste
trabalho, utilizou-se a mesma estratégia aplicada no experimento em que os
dados reais foram coletados.
84
Figura 5.10 - Comparação entre os números de horas de aeração simulado e
observado nos meses de junho, julho, agosto e setembro de
2005.
Durante a execução da estratégia de controle para o manejo da aeração
o processo de simulação também foi empregado com o objetivo de estimar
as condições do ecossistema dos grãos armazenados em períodos
subseqüentes e avaliar a necessidade de ligar ou desligar o ventilador. Nesta
situação os resultados da aplicação do modelo proposto foram ainda
melhores, aproximando-se muito das condições realmente observadas. Este
comportamento é explicado pelo fato de as influências da radiação solar e da
ação dos insetos e microorganismos serem atualizadas a cada nova medida,
resultando em predições das condições do ecossistema dos grãos
armazenados praticamente idênticas ao que realmente foi observado. As
Figuras 5.11, 5.12 e 5.13 apresentam os gráficos em que os dados coletados
e os dados simulados pela estratégia de controle são comparados para as
três camadas de produto monitoradas no mês de julho de 2005.
85
Figura 5.11 – Comparação de temperatura entre os dados reais e os dados
simulados utilizados na estratégia de controle no mês de julho
de 2005, considerando a primeira camada de grãos.
Figura 5.12 – Comparação de temperatura entre os dados reais e os dados
simulados utilizados na estratégia de controle no mês de julho
de 2005, considerando a segunda camada de grãos.
Figura 5.13 - Comparação de temperatura entre os dados reais e os dados
simulados utilizados na estratégia de controle no mês de julho
de 2005, considerando a terceira camada de grãos.
86
À medida que a espessura da camada de grãos simulada se torna
menor, os resultados da simulação se aproximam mais dos dados reais.
Quando o AERO é configurado apenas para simular o processo de aeração,
o número de camadas simuladas é um dado de entrada, sendo
responsabilidade do usuário do programa fornecer um valor adequado para
este parâmetro. Nos testes realizados durante este trabalho foram
consideradas 15 camadas, sendo que a média das cinco primeiras camadas
foi comparada aos dados da primeira camada de grãos monitorada pelo
sistema 1-WireTM, a média das cinco camadas intermediárias foi comparada
aos dados da segunda camada de grãos monitorada e a média das cinco
últimas camadas foi comparada aos dados da terceira camada de grãos
monitorada. Este procedimento também é executado automaticamente pelo
programa quando ocorre a configuração para realização da aquisição de
dados utilizando o sistema 1-WireTM. Isso significa que quando o processo de
simulação é empregado na estratégia de controle são consideradas sempre
cinco camadas a mais para cada camada monitorada pelo sistema de
aquisição de dados e a comparação dos resultados é realizada por meio das
médias das camadas simuladas.
A variação no teor de água dos grãos também é simulada pelo modelo
matemático, sendo um parâmetro importante na estratégia de controle. A
Figura 5.14 apresenta um gráfico em que os valores de teor de água
estimados pelo modelo durante a aquisição de dados são comparados ao
valor de teor indicado de água para armazenagem do milho. Observou-se
que, inicialmente, os grãos da primeira e da segunda camada apresentavam
teores de água próximos a 13,5%bu. Comparando-se os valores de teor de
água em toda a massa de grãos pôde-se observar um gradiente de
aproximadamente 0,5 ponto percentual. Com a operação do sistema este
gradiente diminuiu e os teores de água da massa de grãos se aproximaram
mais do teor de água seguro para o armazenamento do milho. A avaliação do
teor de água dos grãos é extremamente importante na estratégia de controle
pois, avalia indiretamente a combinação entre a temperatura, a umidade
relativa do ar de aeração e a vazão específica, prevendo a possibilidade de
secagem ou umedecimento excessivos nas camadas inferiores dos grãos
armazenados.
87
Figura 5.14 - Comparação entre os teores de água estimados e o teor
indicado de água para armazenagem do milho durante os
meses de junho a setembro de 2005.
A vantagem de o programa computacional desenvolvido possibilitar a
simulação do processo de aeração de acordo com dados fornecidos pelo
usuário, está no fato de tornar possível a estimativa dos efeitos da aplicação
desta tecnologia em várias regiões diferentes e com situações diversas.
Assim, dados como vazão ótima para aeração, tempo requerido para que
este processo ocorra, efeitos desta tecnologia, além de outros, podem ser
obtidos de forma confiável, sem a necessidade de montagem de
experimentos para estudos preliminares da aplicação da aeração. Desta
forma, é possível avaliar os efeitos do emprego desta tecnologia em diversas
situações com custos menores e mais rapidamente.
No entanto, os efeitos definitivos da aeração sobre a massa de grãos
armazenados e o sucesso de sua aplicação só poderão ser analisados a
partir do monitoramento e controle deste tipo de sistema em tempo real.
Neste caso, a vantagem de se utilizar um modelo de simulação para avaliar
as condições para o acionamento do sistema de aeração consiste no fato de
o modelo prever com maior precisão os efeitos das ações de controle no
88
produto armazenado. É possível, também, simplificar a combinação de
condições avaliadas na estratégia de controle. Caso a simulação não fosse
utilizada, várias condições relacionando a temperatura dos grãos, a
temperatura do ar de aeração e a umidade relativa do ar de aeração
deveriam ser combinadas para que fosse obtido um controle confiável.
Mesmo assim, sempre existiria a possibilidade de conflitos entre as
condições avaliadas e de alguma combinação não ser considerada. Isto se
deve ao fato de a aeração ser um processo complexo, que envolve muitas
variáveis. O ar com temperatura moderada poderá resfriar ou aquecer os
grãos dependendo da sua umidade relativa ser menor ou maior que a
umidade relativa de equilíbrio (NAVARRO e NOYES, 2001). Assim, se o ar
de
aeração
possuir
temperatura
menor
que
a
do
ambiente
de
armazenamento e umidade relativa maior que a de equilíbrio, os grãos
poderão ser aquecidos devido à adição de água ao produto armazenado. De
maneira semelhante, se o ar de aeração possuir temperatura maior que a do
ambiente de armazenamento e umidade relativa menor que a de equilíbrio,
os grãos poderão ser resfriados devido à evaporação de água do produto
armazenado. (CSIRO, 2001) Também, a diferença de temperatura entre o
interior e o exterior do silo, combinada a diferentes valores de umidade
relativa do ar de aeração, podem resultar em condensação, secagem
excessiva ou simplesmente no acionamento do sistema em situações que
não resultarão em alterações significativas nos grãos (LASSERAN, 1981).
5.4. Estratégia de controle
De acordo com as estimativas realizadas pelo AERO, o objetivo da
estratégia de controle de manter a uniformidade de temperatura da massa de
grãos, resfriá-la sempre que possível e impedir o umedecimento ou a
secagem excessiva dos grãos durante o processo de aeração foi alcançado.
Entretanto, existe a necessidade de estudos mais detalhados que comparem
os dados estimados pelo modelo de simulação para o teor de água com
valores medidos.
Com relação à temperatura na massa de grãos, observou-se que no
início do período em que o sistema esteve em operação ocorreram variações
bruscas nas temperaturas monitoradas dentro do silo devido aos gradientes
89
internos, à diferença de temperatura entre o interior e o exterior do silo e à
ação de insetos. Depois de duas semanas em funcionamento, observou-se
maior estabilidade na temperatura da massa de grãos, possivelmente porque
a atividade dos insetos foi controlada devido à diminuição do gradiente de
temperatura interno e o resfriamento da massa de grãos. Além disso, como o
experimento foi montado em um silo de tamanho pequeno (15 toneladas), a
radiação solar incidente nas paredes do silo exerceu influência significativa
no comportamento do ecossistema dos grãos armazenados. Assim, no mês
de junho (início dos testes), o ventilador foi ligado por períodos mais longos e
a freqüência de acionamento do sistema foi menor. Nos meses seguintes
(julho, agosto e setembro) o sistema de aeração foi ligado diversas vezes,
mas por pequenos períodos, com o objetivo de manter a uniformidade das
temperaturas dentro do silo.
As Figuras 5.15 a 5.18 mostram o comportamento do ecossistema dos
grãos armazenados nos meses de junho, julho, agosto e setembro de 2005.
Figura 5.15 – Comportamento do ecossistema dos grãos armazenados no
mês de junho de 2005.
90
Figura 5.16 – Comportamento do ecossistema dos grãos armazenados no
mês de julho de 2005.
Figura 5.17 – Comportamento do ecossistema dos grãos armazenados no
mês de agosto de 2005.
91
Figura 5.18 – Comportamento do ecossistema dos grãos armazenados no
mês de setembro de 2005.
A Figura 5.19 mostra a distribuição de temperatura dentro do silo no
início do período estudado, depois de algumas semanas em que o processo
de aeração começou a ser aplicado e no final do período estudado.
Inicialmente, verificou-se um gradiente de temperatura igual a 5,9ºC. As
temperaturas máxima e mínima dentro do silo eram iguais a 26,2 e 20,3ºC,
respectivamente. No mês de junho as temperaturas máxima, mínima e média
do ar ambiente foram iguais a 27, 12 e 17ºC, respectivamente. Neste período,
os valores de umidade relativa do ar externo ao silo variaram entre 51,7 e
99,8%, com média igual a 85,7%. Ainda no mês de junho, aplicando-se a
aeração, foram alcançados gradientes de temperatura satisfatórios dentro do
silo, com valores menores que 3ºC. Neste período, o gradiente mínimo de
temperatura alcançado chegou a 1ºC.
No mês de julho o gradiente de temperatura dentro do silo variou entre
0,8 e 4,8ºC, sendo em média igual a 3,3ºC. As temperaturas média, máxima
e mínima foram iguais a 21, 22 e 19 °C, respectivamente. As temperaturas do
ar externo variaram entre 7,7 e 28,8ºC, com média igual a 16,4ºC. A umidade
relativa máxima neste período foi igual a 98,4%, a mínima igual a 37,5% e a
92
média igual a 83,2%. No mês de agosto, observou-se que os gradientes de
temperatura mínimo, máximo e médio foram iguais a 0,7, 4,5 e 2,3ºC,
respectivamente. As temperaturas máxima, mínima e média dentro do silo
foram iguais a 24, 19 e 20ºC, respectivamente. Neste período, os valores de
umidade relativa do ar externo variaram entre 35,6 e 99,8%, com média igual
a 79,4%. Os valores de temperatura do ambiente variaram entre 8,7 e
34,0ºC, com média igual a 18,5ºC.
No mês de setembro, os gradientes de temperatura dentro do silo
apresentaram valores médio, máximo e mínimo iguais a 1,7, 2,7 e 0,4ºC,
respectivamente. As temperaturas dentro do silo variaram entre 20 e 25ºC,
com média igual a 23ºC. Os valores médio, máximo e mínimo da umidade
relativa do ar ambiente foram iguais a 81, 98,6 e 38,7%, respectivamente. As
temperaturas do ar ambiente variaram entre 15 e 32ºC, com média igual a
20ºC. Como pôde-se observar, a estratégia de controle empregada alcançou
resultados bastante satisfatórios, atendendo aos objetivos pretendidos com a
aplicação da aeração neste experimento. Isto significa que o gradiente de
temperatura dentro do silo foi mantido durante a maioria do tempo dentro dos
limites esperados. Verificou-se um considerável resfriamento da massa de
grãos nos meses mais frios e, nos meses mais quentes, a temperatura dentro
do silo foi mantida próxima dos valores indicados para o armazenamento
seguro.
93
Junho
Julho
Setembro
Figura 5.19 – Distribuições de temperatura dentro do silo ao longo do período
estudado.
94
6. RESUMO E CONCLUSÕES
O presente trabalho foi realizado com o objetivo geral de desenvolver
um sistema de controle para aeração de grãos armazenados com base em
dados obtidos em tempo real e na simulação do processo.
Um modelo unidimensional para descrever o comportamento de
grãos armazenados submetidos à aeração foi implementado e associado a
dados obtidos em tempo real utilizando-se um sistema de transmissão de
dados com base na tecnologia 1-WireTM. Um programa computacional,
escrito utilizando a plataforma Java, foi desenvolvido com o objetivo de
executar as seguintes tarefas: (i) realizar a aquisição de dados em tempo real
e gerenciar a transmissão desses dados através de uma rede 1-WireTM; (ii)
executar ações de controle do manejo da aeração de grãos armazenados,
com base em uma estratégia de controle também desenvolvida neste
trabalho; (iii) realizar simulações do processo de aeração e utilizar os seus
resultados juntamente com os dados coletados em tempo real para fins de
comparações e auxílio na tomada de decisão nas ações de controle.
Para a realização da aquisição de dados foram instalados 15
sensores de temperatura DS1820 dentro de um silo com 3,6 m de diâmetro e
2 m de altura. Este silo foi carregado com milho com teor de água de 13,5%,
sendo localizado na área de armazenamento do Departamento de
Engenharia Agrícola da Universidade Federal de Viçosa. Foram empregados
também: um adaptador DS9097U (responsável pela conexão da rede 1WireTM com o computador), uma chave eletrônica DS2406 (responsável pelo
acionamento do ventilador do sistema de aeração), um sensor de
temperatura DS1820 localizado no plenum do silo e um circuito contendo um
sensor de umidade relativa HIH3610 e um dispositivo DS2438, responsável
pelas medidas de temperatura e umidade relativa do ar ambiente.
O programa computacional desenvolvido foi dividido em seis
módulos: configuração do programa, aquisição de dados, visualização dos
dados, controle do processo de aeração, simulação do processo de aeração
95
e geração de relatórios. Estes módulos foram implementados em rotinas
distintas visando otimizar o fluxo de dados durante a execução do programa,
facilitar a sua manutenção e simplificar a sua estrutura.
A estratégia de controle utilizada para o manejo da aeração baseou-se
em quatro condições, com o objetivo de manter temperaturas uniformes
dentro do silo e resfriar a massa de grãos sempre que possível. As variáveis
analisadas pela estratégia de controle foram a estimativa do teor de água dos
grãos, a temperatura de ponto de orvalho do ar externo comparada à
temperatura mínima dentro do silo, o gradiente de temperatura observado na
massa de grãos comparado ao gradiente de temperatura estimado aplicandose a aeração e as temperaturas máximas dentro do silo comparadas às
temperaturas estimadas aplicando-se a aeração.
O modelo matemático empregado para simular o comportamento do
ecossistema dos grãos armazenados combinou balanços de energia e de
massa com equações psicrométricas. As equações diferenciais parciais do
modelo implementado foram resolvidas aplicando-se a técnica de diferenças
finitas. A massa de grãos foi dividida em várias camadas finas na direção do
fluxo de ar (direção vertical) e, assim, o sistema de equações resultante dos
balanços de massa e de energia foi resolvido para cada incremento de
tempo, de maneira iterativa, para cada camada.
Com base nas condições experimentais, conclui-se que a tecnologia
1-WireTM se mostrou eficiente no monitoramento dos grãos armazenados e
no controle do sistema de aeração, com potencial para ser empregada em
outros processos agrícolas.
Os dados observados na massa de grãos e os simulados se
aproximaram bastante, sendo que o modelo empregado apresentou melhores
resultados quando a aeração foi indicada e o ventilador foi considerado
ligado. Portanto, a aplicação deste modelo é indicada na implementação de
estratégias de controle preditivas para aeração de grãos e também para
estimar as características reais do processo, evitando-se gastos exagerados
na execução de um determinado experimento, despendendo-se menos
tempo e podendo-se estudar diferentes possibilidades por meio de análises
de sensibilidade.
96
A estratégia de controle utilizada também se mostrou muito eficiente,
alcançando os objetivos pretendidos com a aplicação da aeração. Apesar de
ser uma estratégia mais elaborada, envolvendo a simulação do processo,
esta estratégia permite o relacionamento de todas as variáveis do
ecossistema dos grãos armazenados, proporcionando uma estimativa
confiável do seu comportamento por meio da análise de poucas condições e
sem o perigo de conflitos entre elas. Utilizando-se um programa
computacional adequado esta estratégia pode ser adaptada com facilidade a
outros sistemas de aquisição de dados, assim como a sistemas de aeração
utilizando a tecnologia 1-wireTM para gerenciamento de várias estruturas de
armazenagem ou estruturas maiores. A estratégia proposta foi comparada a
outras estratégias de controle por meio de simulações mostrando-se capaz
de resfriar a massa de grãos e minimizar o seu gradiente de temperatura de
maneira satisfatória, mantendo os níveis de teor de água dos grãos dentro
das faixas de valores consideradas seguras e com um tempo de aeração
menor que o de outras estratégias de controle, resultando, assim, em
economia no consumo de energia do sistema de aeração.
97
7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Os resultados obtidos com este trabalho confirmam o grande potencial
de sistemas de monitoramento e controle para a aeração de grãos
armazenados com base na tecnologia 1-WireTM. Para que este tipo de
sistema seja aplicado em silos maiores ou em conjuntos de silos surge a
necessidade de mais dispositivos, resultando em redes maiores e mais
complexas. Portanto, sugere-se a realização de estudos em que redes 1WireTM chaveadas sejam implantadas. Neste tipo de rede, um outro
dispositivo da série 1-WireTM, denominado DS2409, pode ser utilizado para
identificar ramificações isoladas de uma mesma rede de comunicação,
tornando o processo de transmissão de dados mais rápido, confiável e
versátil. Cada ramificação é vista pelo mestre como uma rede independente,
mas os dados adquiridos podem ser manipulados e relacionados por meio de
um programa computacional adequado.
O programa AERO também pode ser aperfeiçoado, tornando-se mais
acessível comercialmente e podendo ser utilizado no gerenciamento da
transmissão de dados em redes 1-WireTM maiores e mais complexas,
aplicadas ao controle de sistemas de aeração. A entrada de dados pode
permitir o cadastro dos dispositivos 1-WireTM que compõem a rede e a sua
disposição no silo. A possibilidade de monitoramento e controle de sistemas
de aeração em vários silos também pode ser incluída no programa por meio
de adaptações relativamente simples. Neste caso, deve-se estudar os efeitos
destas alterações com relação ao tempo de execução do programa, seu
tamanho e melhor maneira de interface com o usuário.
Com relação ao modelo de simulação e à estratégia de controle,
estudos mais detalhados sobre as estimativas de teor de água e deterioração
devem ser realizados. Recomenda-se a realização de testes relacionando as
condições do produto armazenado antes, durante e após o processo de
aeração com as condições simuladas.
Outra possibilidade é a realização de trabalhos que comparem a
estratégia de controle proposta com outras estratégias em experimentos
98
práticos. Também, o sistema 1-WireTM deve ser comparado a outros tipos de
sistemas para controle da aeração em grãos armazenados. Nestes trabalhos,
análises econômicas podem ser realizadas considerando a montagem dos
sistemas e seus custos operacionais.
A aplicação de redes 1-WireTM em outros processos agrícolas é uma
área em expansão que deve ser estudada. Geralmente, os processos
agrícolas não requerem tempos de resposta rápidos, necessitando de
sistemas de monitoramento e controle mais simples e flexíveis. Além da área
de armazenamento e energia na agricultura, também as áreas de irrigação,
meteorologia, construções rurais e mecanização podem realizar estudos
sobre a viabilidade da utilização de redes 1-WireTM para o monitoramento e
controle dos mais diversos tipos de processos. Com relação à área de
armazenagem de grãos, esta tecnologia pode ser facilmente adaptada para o
monitoramento e controle de sistemas de aeração que gerenciem várias
estruturas de armazenagem ou estruturas maiores.
Deve-se implementar sistemas de controle e monitoramento remoto,
com transmissão de dados por meio da INTERNET ou por sistemas sem fio
por meio de ondas de rádio.
99
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107
APÊNDICE 01 – Parâmetros utilizados nas equações de Chung-Pfost, de
Henderson modificada e para o cálculo do calor específico dos grãos.
Tabela 1 – Constantes empregadas na equação de Chung-Pfost
Produto
A
B
C
Arroz
594,65
21,733
35,703
Cevada
761,74
19,889
91,323
Milho
312,31
16,958
30,205
Soja
138,45
14,967
24,576
Sorgo
1099,68
19,644
102,849
Trigo
725,59
23,607
35,662
Fonte: Pfost, H. B., Rengifo, G. E. e Sauer, D. B. High temperature, high
humidiity grain storage, n. 76-3520, ASAE, St. Joseph, MI, 1976.
Tabela 2 – Constantes empregadas na equação de Henderson modificada
Produto
K
N
G
Arroz
0,000019187
2,4451
51,161
Cevada
0,000022919
2,0123
195,267
Milho
0,000086541
1,8634
49,810
Soja
0,000503633
1,3628
43,016
Sorgo
0,00008532
2,4757
113,725
Trigo
0,000012300
2,5558
64,436
Fonte: Pfost, H. B., Rengifo, G. E. e Sauer, D. B. High temperature, high
humidiity grain storage, n. 76-3520, ASAE, St. Joseph, MI, 1976.
Tabela 3 – Constantes empregadas na equação para o cálculo do calor específico
dos grãos armazenados
Produto
K1
Q
Arroz
0,220
1,302
Cevada
0,305
0,781
Milho
0,350
0,851
Soja
0,391
0,461
Sorgo
0,334
0,769
Trigo
0,391
0,865
Fonte: Brooker, D. B.; Barker-Arkema, F. W. e Hall, C. W. Drying and storage of
grains and oilseeds. AVIBook, New York, 1992, 440p.
108
APÊNDICE 02 – Nomeclatura
θ - Temperatura dos grãos, ºC;
ε - Porosidade da massa de grãos, decimal;
ρa - Massa específica do ar intergranular, kg m-3;
ρb - Massa específica dos grãos, kg m-3;
∆t -
Diferença entre o tempo de simulação atual e o tempo anterior,
s;
∆y - Espessura da camada, m;
A,B,C,K,G,N - Parâmetros que dependem do produto;
a1, b1, c1, d1, n1 - Constantes que dependem do tipo de produto;
aw - Atividade de água nas condições de equilíbrio, decimal;
ca - Calor específico do ar, J kg-1 ºC-1;
cg - Calor específico dos grãos, J kg-1 ºC-1;
cw - Calor específico da água, J kg-1 ºC-1;
Deff -
Difusividade térmica da umidade através da massa de grãos,
m2 s-1;
dhv -
Diferencial do calor latente de vaporização com relação à
temperatura;
dm - Derivada da perda de matéria seca com relação ao tempo;
F1,F2, ..., F8 - Parâmetros: F1 = -741,9294; F2 = -29,7210; F3 = -11,552860;
0,4399930;
F4 = -0,8685635; F5 = 0,1094098; F6 =
F7 = 0,2520658; F8 = 0,05218683;
-1
h - Entalpia específica do ar, kJ kg ;
hs - Entalpia diferencial de sorção, J kg-1;
hv - Entalpia de vaporização ou calor latente de vaporização, J kg-1;
hw - Entalpia diferencial de umedecimento, J kg-1;
Hw - Entalpia integral de umidecimento, J kg-1;
i - Identifica qual o nó está sendo utilizado nos cálculos;
K, Q - constantes que dependem do produto;
Keff - Condutividade térmica da massa de grãos, W m-1 s-1;
ms - Perda de matéria seca, %;
Ncam - Número de camadas considerado no modelo de simulação;
p0, w0 - Constantes que dependem do tipo de produto;
Patm - Pressão atmosférica, kPa;
PS - Pressão de vapor de saturação, Pa;
PV - Pressão parcial de vapor, kPa;
PVa - Pressão parcial de vapor do ar de aeração, kPa;
PVS - Pressão de vapor de saturação, kPa;
109
PVU - Pressão de saturação à temperatura de bulbo molhado, kPa;
q - Vazão de ar específica requerida, m 3 min-1 m -3;
Qr - Calor de oxidação dos grãos, J s-1 m-3;
R - Razão de mistura, g vapor de água g-1 ar seco;
R0 - Razão de mistura do primeiro nó da massa de grãos, g g-1;
RS - Razão de mistura à pressão de saturação, g g-1
S - Área do silo, m2.
T - Temperatura, K;
t - Tempo, segundos;
Ta - Temperatura do ar em equilíbrio com os grãos, ºC;
Taera - Tem[peratura do ar de aeração, ºC;
TBM - Temperatura de bulbo molhado, ºC;
TBS - Temperatura de bulbo seco, ºC;
TPO - Temperatura de ponto de orvalho, ºC;
Ts - Temperatura medida pelo DS2438, °C.
U - Teor de umidade dos grãos, b.s.;
U0 - Teor de umidade do primeiro nó da massa de grãos, b.s.;
ua - Velocidade do ar de aeração, m s-1;
UP - Teor de umidade dos grãos, %bu;
UR - Umidade relativa do ar ambiente, %;
URaera - Umidade relativa do ar de aeração, %;
URE - Umidade relativa de equilíbrio, %;
V - Volume do silo, m3;
VE - Volume específico do ar, m3 kg-1.
Vs - Tensão de saída do HIH3610, V;
Va - Tensão de alimentação, V;
y - Coordenada espacial, m;
Z - Constante do psicrômetro, igual a 6,7 x 10-4 para psicrômetros
aspirados e 8,0 x 10-4 para psicrômetros não aspirados, ºC-1;
110
APÊNDICE 03 – Dados observados e simulados durante os testes realizados.
Data
10/6/2005 04:09
10/6/2005 07:10
10/6/2005 10:12
10/6/2005 13:14
10/6/2005 16:16
10/6/2005 19:18
10/6/2005 22:19
11/6/2005 01:21
11/6/2005 04:23
11/6/2005 07:25
11/6/2005 10:27
11/6/2005 13:28
11/6/2005 16:21
11/6/2005 19:23
11/6/2005 22:24
12/6/2005 01:25
12/6/2005 04:27
12/6/2005 07:28
12/6/2005 10:30
13/6/2005 09:30
13/6/2005 12:31
13/6/2005 15:34
13/6/2005 18:36
13/6/2005 21:38
14/6/2005 00:41
14/6/2005 03:43
23,9
22,7
25,2
24,9
24,6
24,1
23,8
23,6
23,4
23,0
22,7
22,4
22,3
22,1
22,1
22,3
22,5
22,6
22,4
22,7
23,2
23,1
23,3
23,7
23,0
22,7
Cabo1
25,4
25,8
21,6
21,9
22,4
22,2
21,7
20,9
20,0
19,3
19,7
20,4
21,2
21,4
21,1
20,5
20,0
20,0
20,3
21,1
22,5
21,6
21,7
21,8
20,8
20,1
25,4
25,8
25,2
24,9
24,6
24,1
23,8
23,6
23,4
23,0
22,7
22,4
22,3
22,1
22,1
22,3
22,5
22,6
22,4
22,7
23,2
23,1
23,3
23,7
23,0
22,7
23,6
21,8
25,2
24,7
24,3
24,0
23,9
23,7
23,4
22,8
22,4
22,1
22,0
22,1
22,4
22,6
22,6
22,4
22,2
22,9
23,6
23,1
23,3
23,6
22,9
22,6
Cabo 2
25,0
25,9
21,0
21,3
22,1
22,2
21,4
20,3
19,4
18,7
19,2
20,0
21,2
21,4
20,9
19,9
19,4
19,5
20,0
20,5
21,2
21,1
21,3
21,5
20,8
19,7
25,0
25,9
25,2
24,7
24,3
24,0
23,9
23,7
23,4
22,8
22,4
22,1
22,0
22,1
22,4
22,6
22,6
22,4
22,2
22,9
23,6
23,1
23,3
23,6
22,9
22,6
Dados Observados
Cabo3
Cabo4
24,1 24,4 24,4 24,3 25,9 25,9
22,7 25,8 25,8 22,6 26,6 26,6
25,0 21,5 25,0 25,9 21,5 25,9
24,4 21,6 24,4 25,4 21,7 25,4
23,9 22,3 23,9 25,0 22,5 25,0
23,6 22,7 23,6 24,5 22,7 24,5
23,6 22,1 23,6 24,3 22,0 24,3
23,5 21,0 23,5 24,1 20,9 24,1
23,2 19,9 23,2 23,9 19,8 23,9
22,6 19,1 22,6 23,4 19,0 23,4
22,0 19,2 22,0 23,0 19,3 23,0
21,6 20,1 21,6 22,6 20,3 22,6
21,5 21,3 21,5 22,4 21,5 22,4
21,7 21,8 21,7 22,4 21,9 22,4
22,1 21,4 22,1 22,6 21,4 22,6
22,5 20,5 22,5 22,9 20,5 22,9
22,5 19,7 22,5 23,0 19,8 23,0
22,2 19,6 22,2 22,9 19,6 22,9
21,9 20,2 21,9 22,8 20,2 22,8
22,7 20,8 22,7 23,3 20,9 23,3
23,1 21,6 23,1 23,9 21,9 23,9
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24,8
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25,1
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TBS
(ºC)
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99,7
99,8
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83,1
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Taera
(ºC)
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18,4
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21,3
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15,1
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25,4
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19,7
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17,4
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20,7
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19,8
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(%)
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60,6
60,6
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62,0
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