UNIVERSIDADE POSITIVO NÚCLEO DE

UNIVERSIDADE POSITIVO
NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
ENGENHARIA ELÉTRICA
Fernando Carreteio
Marcos Roberto Borges
UNIDADE PROTÓTIPO PARA SECAGEM DE BIOMASSA UTILIZANDO
TECNOLOGIA DE MICROONDAS
CURITIBA, 2008
ii
Fernando Carreteio
Marcos Roberto Borges
UNIDADE PROTÓTIPO PARA SECAGEM DE BIOMASSA UTILIZANDO
TECNOLOGIA DE MICROONDAS
Monografia apresentada ao Curso de
Engenharia Elétrica da Universidade Positivo,
para obtenção de avaliação parcial da
disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso
(TCC), como requisito à obtenção do grau de
Engenheiro Eletricista, sob a orientação do
Prof. Dr. Anselmo Rodrigues.
CURITIBA, 2008
iii
AGRADECIMENTOS
Começar um projeto é fácil. O difícil é terminá-lo. Neste
particular somos gratos ao nosso Orientador Prof. Dr.
Anselmo Rodrigues, pela orientação e incentivo durante o
desenvolvimento deste projeto. Certamente somos gratos
aos nossos patrocinadores, agradecemos especialmente
ao Sr. Adibelto Garcia Borges, da Borges & Garcia, ao
Célio Francisco Adriano, da Reymaster, ao Fernando
Belmonte, da Murrelektronik e ao Sr. Oscar Gandolfi, da
Ghander. Por fim, cabe um agradecimento particular às
nossas famílias que nos estimulou em todas as etapas do
projeto.
iv
“Tornamo-nos aquilo que pensamos de nós mesmos”
Gothe
v
RESUMO
Este trabalho apresenta uma unidade secadora de biomassa utilizando a tecnologia de
microondas. Utilizando ar quente e tecnologia de microondas para auxiliar e acelerar o
processo de secagem e melhoria do poder calorífico e qualidade da biomassa. É um sistema
de secagem de biomassa com umidade inicial em torno de 45% a 55% no bagaço de cana
reduzindo estes valores em torno de 4% a 15% de umidade. Atualmente na indústria, a
tecnologia mais comum para este processo, é a secagem de biomassa com ar quente com
secador rotativo. Neste projeto, além do ar quente, foi adicionada a tecnologia com
microondas.
Palavras-chave: secadora, biomassa, microondas.
vi
LISTAS DE FIGURAS
FIGURA 1 FIGURA 2 FIGURA 3 FIGURA 4 FIGURA 5 FIGURA 6 FIGURA 7 FIGURA 8 FIGURA 9 FIGURA 10 FIGURA 11 FIGURA 12 FIGURA 13 FIGURA 14 -
Magnetron.......................................................................................................................7
Visão do Projeto .............................................................................................................9
Diagrama de blocos geral .............................................................................................11
Arquitetura do Hardware Automação...........................................................................12
Topologia das entradas e saídas remotas CanOpen ......................................................13
Malha de temperatura ...................................................................................................14
Circuito Magnetron ......................................................................................................15
Termopar tipo J.............................................................................................................17
Estrutura mecânica frontal............................................................................................18
Principais equipamentos eletrônicos ............................................................................19
Estrutura mecânica .......................................................................................................26
Estrutura mecânica com carenagem .............................................................................26
Equipamento em uso ....................................................................................................28
Painel Elétrico ..............................................................................................................28
vii
LISTAS DE TABELAS
Tabela 1 – Potencial energético de biomassas disponíveis ...................................................... 5
Tabela 2 – Potencial calorífico das biomassas ....................................................................... 5
Tabela 3 – Cronograma anual completo ............................................................................... 17
Tabela 4 – Custos do projeto................................................................................................ 25
viii
LISTA DE SÍMBOLOS/ABREVIATURAS/SIGLAS
A – Àmpere;
Cm – Centímetro;
E/S – Entrada e saída;
IHM – Interface homem máquina;
I/O – Input/Output;
kHz – kilohertz;
kg – Quilograma;
mA – Miliampére;
MHz – Megahertz;
ms – Milisegundo;
PNP – Positivo, Negativo, Positivo;
P&D – Pesquisa e desenvolvimento;
VAC – Voltage Alternating Current, Corrente Alternada;
ix
SUMÁRIO
RESUMO ............................................................................................................................................................... v
LISTAS DE FIGURAS ........................................................................................................................................ vi
LISTAS DE TABELAS....................................................................................................................................... vii
LISTA DE SÍMBOLOS/ABREVIATURAS/SIGLAS.....................................................................................viii
SUMÁRIO............................................................................................................................................................. ix
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................................................. 2
1.1 PROBLEMA................................................................................................................................................. 3
1.2 JUSTIFICATIVA ......................................................................................................................................... 3
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS........................................................................................................................ 4
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.................................................................................................................... 5
2.1 BIOMASSA.................................................................................................................................................. 5
2.2 MICROONDAS............................................................................................................................................ 7
2.2.1 Microondas - Origem............................................................................................................................ 7
2.2.2 Microondas - O Magnetron................................................................................................................... 7
2.3 TEORIA DO AQUECIMENTO POR MICROONDAS ............................................................................... 8
2.4 SEGURANÇA EM MICROONDAS............................................................................................................ 8
3. ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS PRELIMINARES..................................................................................... 9
3.1 VISÃO GERAL DO PROJETO.................................................................................................................... 9
3.1.1 Diagrama de blocos............................................................................................................................. 11
3.2 ARQUITETURA E INTERFACES DE ENTRADA/SAÍDA ..................................................................... 12
3.3 DIMENSIONAMENTO E MEMORIAL DE CÁLCULO.......................................................................... 13
3.3.1 Circuito 1 – Ar Quente........................................................................................................................ 13
3.3.2 Circuito 2 – Gerador de Microondas................................................................................................... 14
3.3.3 Circuito 3 – Variação de Rotação Motoredutores / Inversor de Freqüência ....................................... 15
3.3.4 Circuito 4 – Equipamentos Gerais ...................................................................................................... 16
3.3.5 Termopares ......................................................................................................................................... 16
3.4.1 Descrição geral.................................................................................................................................... 17
3.4.2 Planejamento – Cronograma de implementação ...................................Erro! Indicador não definido.
4. IMPLEMENTAÇÃO ...................................................................................................................................... 18
4.1 DESCRIÇÃO DA MONTAGEM ............................................................................................................... 18
4.2 TESTES, MEDIÇÕES E CONFIGURAÇÕES........................................................................................... 19
4.3 BALANÇO ENERGÉTICO ....................................................................................................................... 20
4.4 REDE CANOPEN ..................................................................................ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
5. CUSTOS DO PROJETO ................................................................................................................................ 24
5.1 COMPONENTES E MATERIAIS ............................................................................................................. 25
5.2 SERVIÇOS CONTRATADOS................................................................................................................... 26
6. CONCLUSÃO ................................................................................................................................................. 27
REFERÊNCIAS .................................................................................................................................................. 29
ANEXOS .............................................................................................................................................................. 31
2
1. INTRODUÇÃO
O tema principal do trabalho é o desenvolvimento de um sistema baseado na
tecnologia de microondas. O presente trabalho se refere a uma unidade secadora de biomassas
(bagaço de cana, bagaço de frutas cítricas e seus derivados), ao processo comum com ar
quente, adiciona-se a tecnologia de microondas para auxiliar e acelerar o processo de secagem
melhorando a eficiência, e melhoria do poder calorífico e qualidade das biomassas. O sistema
é composto de uma unidade de ar quente com controle de temperatura, uma válvula rotativa
dosadora e uma rosca transportadora espargidora, acionada por motoredutor controlando sua
rotação através de um inversor de freqüência. É um sistema de secagem de biomassa com
umidade inicial1 em torno de 45% a 55% (ARAUTERM, 2008) no bagaço de cana e de 60% a
85% no bagaço de laranja, reduzindo estes valores em torno de 4% a 15% de umidade para
aumentar o poder calorífico da biomassa.
A motivação para o desenvolvimento deste equipamento protótipo surgiu a mais de
quatro anos, durante a montagem de uma linha de beneficiamento de biomassa (bagaço de
cana) pela empresa BORGES & GARCIA de propriedade do Sr. Adibelto Garcia Borges, pai
de um dos autores deste trabalho. Na colocação em funcionamento desta linha observou-se
uma deficiência em uma das etapas do beneficiamento, no secador rotativo, era necessário
aumentar a eficiência do secador. Então, buscaram-se as soluções disponíveis no mercado,
mas nenhuma atendia a relação custo x benefício, uma vez que o secador já estava montado. E
entre as opções apresentadas a mais viável seria a instalação de equipamentos geradores de
microondas na câmara de secagem, o que não foi autorizado pelos proprietários da linha, uma
vez que está solução ainda não existia para esta finalidade. Seria o pioneiro, ficou então a
pergunta, qual seria o retorno em rendimento que a instalação dos equipamentos geradores de
microondas daria neste processo.
A ação das microondas modifica a estrutura molecular dos produtos lignocelulósicos
produzindo uma grande vibração intracelular e em conseqüência um ganho significativo de
temperatura. Com este sistema podem-se secar grandes quantidades de biomassa em regime
continuo. Utiliza-se esta técnica para retirar a umidade do produto podendo ser beneficiado
em formato de pellets2 que não está contemplado neste projeto.
1
2
Umidade após a extração do líquido da biomassa, subproduto.
Pequenos cubos de biomassa seca utilizados para queima e posterior co-geração de energia.
3
O sistema de gerenciamento do processo será constituído de um Controlador Lógico
Programável (CLP) com interfaces de entradas/saídas digitais e analógicas, uma Interface
Homem Máquina (IHM) para a aquisição e visualização de dados das variáveis de setpoint de
transporte e dosagem do material (rotação da rosca espargidora e válvula rotativa),
temperatura (unidade de ar quente) e controle de intermitência das magnetrons. É utilizada a
linguagem de programação “Ladder” conforme norma IEC-61131-3 para programação do
CLP e IHM, com ferramentas de software específicas do fabricante, conforme especificações
técnicas.
1.1 PROBLEMA
Como reduzir de maneira econômica e ambientalmente correta a umidade de
resíduos de biomassa com potencial de aproveitamento energético.
A secagem tradicional de biomassa é realizada através da aplicação de calor na
massa do produto com o intuito de elevar sua temperatura específica. Esse sistema gasta
demasiada energia térmica e ao final da secagem, o produto perde suas características iniciais,
inclusive parte da massa. O sistema atual também é muito lento com baixa eficiência
energética (UFL-Uviversidade Federal de Lavras, 2008).
1.2 JUSTIFICATIVA
O Brasil é hoje o maior produtor mundial de álcool extraído da cana-de-açúcar,
etanol. A cana-de-açúcar, que nos últimos anos já se destacava pelo seu crescimento
expressivo na Matriz Energética Brasileira, alcançou em 2007 um patamar inédito. Segundo
os dados preliminares do Balanço Energético Nacional – BEN, divulgados no início de
Maio/2008 pela EPE (Empresa de Pesquisa Energética), a participação dos produtos
derivados da cana (entre os quais etanol e o bagaço) na composição das fontes primárias de
energia utilizadas no país chegou a 16%, ocupando a segunda posição entre os energéticos
mais demandados no ano passado, atrás apenas do petróleo e derivados, com 36,7%, e
superando a energia hidráulica, com 14,7%.
Assim, existe uma grande oferta de resíduos de biomassa com alto teor de umidade.
Nesta forma, não são economicamente viáveis para a recuperação da energia residual que
possuem. Portanto, formas econômicas de redução de umidade, podem trazer benefícios para
a co-geração de energia a partir destes resíduos.
4
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
a) Equipamento dotado de uma IHM onde o operador possa interagir com o equipamento
para ajustes de parâmetros de temperatura, dosagem e transporte capazes de reduzir o
teor de umidade da biomassa a partir de um equipamento operando com pré-secagem
e posterior aquecimento com microondas para aceleração da secagem e melhor
aproveitamento calorífico, para posterior beneficiamento.
b) O equipamento é dotado de telas protetoras, dispositivos de segurança e
intertravamento para evitar possível operação ou manuseio indesejado.
c) Ensaio para determinar os parâmetros de um modelo.
d) Ajuste de potência e intermitência das válvulas magnetrons.
5
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 BIOMASSA
Através da fotossíntese, as plantas capturam energia do sol e transformam em energia
química (AMBIENTE BRASIL, 2008). Esta energia pode ser convertida em combustível,
calor ou eletricidade. As fontes orgânicas que são usadas para produzir energias usando este
processo são chamadas de biomassa. Os combustíveis mais comuns de biomassa são os
resíduos agrícolas, madeira e plantas, como a cana-de-açúcar. A produção de energia elétrica
a partir da biomassa é muito defendida atualmente como uma alternativa aos demais meios de
se produzir energia elétrica.
Na tabela 1 é apresentada a situação de empreendimentos termelétricos no Brasil,
classificando por fonte e situação. O bagaço de cana e o licor negro estão entre as fontes mais
importantes, nos setores sucro-alcooleiro e de papel e celulose, além de diversos tipos de
sistemas híbridos com combustíveis fósseis.
Tabela 1 – Potencial energético de biomassas disponíveis
Combustível
Bagaço de cana
Biomassa
Biomassa e bagaço de cana
Biomassa e óleo combustível
Lenha picada
Licor negro
Licor negro e biomassa
Lixo urbano
Lixo Urbano e gás natural
Óleo e biomassa
Óleo diesel e biomassa
Potência (MW)
391,15
82,75
4
8,8
5,31
310,18
142,9
26,3
600
125
70,2
Fonte: Aneel
A co-geração de energia elétrica nas usinas de açúcar e álcool que usam o bagaço de
cana como combustível, é uma prática em todo o mundo. Com a escassez do petróleo, existe
uma tendência para a utilização de outros combustíveis. Com esta grande demanda de
biocombustível no futuro, o que diferenciará o seu uso será a eficiência com que o potencial
do bagaço é aproveitado, conforme se pode observar na tabela 2.
6
Tabela 2 – Poder calorífico das biomassas
CARVÃO E RESÍDUOS
DENSIDADE APARENTE
(kg/m3)
UNIDADE NOMINAL (%)
PODER CALÓRICO
INFERIOR (kcal/kg)
Casca Arroz – IN NATURA
140
12
3.300
Casca Arroz –
PELLET/BRIQUET
Bagaço Cana – IN NATURA
500 - 600
8
3.500
140
50
1.820
Bagaço Cana –
PELLET/BRIQUET
Bagaço Cana - Enfardado
500 - 600
15
3.480
TIPO
350
20
3.250
Casca de Castanha
-
-
5.500
Casca de Bagaçu
-
-
4.300
Casca de Girassol
-
-
4.300
Casca de Cacau
-
-
2.000 – 3.900
Casca de Café
-
-
3.000
Casca de Algodão
-
-
3.000
Casca de Amendoin
-
-
3.000
Fibra de Palmeira
-
-
2.200
Fibra de Juta
-
-
3.800
Palhas
-
-
3.400
Aparas de Borracha
-
-
3.200
Aparas de Papelão
-
-
3.700
Aparas de Politileno
-
-
10.000
Aparas de Polipropileno
-
-
11.000
Recortes de Couro
-
-
4.400
Carvão Vegetal
-
3–7
6.700 – 6.400
Carvão Mineral RS
-
17 – 10
3.750 – 3420
Carvão Mineral SC
-
17 – 10
4.900 – 4550
Fonte: Arauterm.
O Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar, produzindo-se entre 20 a 30
kWh por tonelada de bagaço de cana (ANEEL, 2007). A maneira mais eficiente e limpa de
gerar energia elétrica com biomassa é através de tecnologias modernas, como a Integrated
Gasification Combined Cicle (IGCC). O processo gaseifica o bagaço e o gás produzido
alimenta a câmara de combustão de uma turbina a gás. Esta tecnologia possibilita o
aproveitamento integral da cana-de-açúcar.
7
2.2 MICROONDAS
2.2.1 Microondas - Origem
A idéia de usar microondas para cozinhar alimentos foi descoberta por Percy Spencer
(WIKIPEDIA, 2008), fabricando magnetrons para aparelhos de radar. No ano de 1947 foi
construído o primeiro forno de microondas comercial, fabricado pela empresa Raytheon. O
primeiro forno microondas, chamado de Radarange tinha 1,68m de altura e pesava 340kg e
produzia 3000W, aproximadamente três vezes a quantidade de radiação produzida pelos
microondas atuais.
2.2.2 Microondas - O Magnetron
O magnetron é constituído por um anodo cilíndrico, composto de cavidades, que se
encontram no eixo de um cátodo de aquecimento. Quanto mais cavidades, maior é o seu
rendimento. O ânodo e o cátodo são separados por um espaço ao qual se dá o nome de espaço
de interação, estando em vácuo. Estas cavidades chamadas de "cavidades ressonantes" podem
ter formas diferentes de acordo com o magnetron. Dois imãs que são fixados
perpendicularmente em relação ao eixo do tubo. Na figura 1 é apresentado um exemplo de
magnetron.
FIGURA 1 -
Magnetron
Fonte: Galawa
8
2.3 TEORIA DO AQUECIMENTO POR MICROONDAS
A molécula da água é formada por um átomo de hidrogênio e dois átomos de
oxigênio bipolar, o que significa que o baricentro das cargas negativas e o das cargas positivas
não são confundidos, pois o oxigênio possui mais elétrons negativos que o hidrogênio.
Quando as moléculas da água são submetidas à radiação, a molécula de água absorve a
energia das ondas eletromagnéticas, se estas têm uma freqüência que limita as microondas em
cerca de 2450 MHz (HALIDAY, 2003). A absorção resulta numa rotação da molécula de
água.
As moléculas de água de um determinado produto em estado normal estão em
desordem, porém quando submetidas a um campo elétrico contínuo, os pólos negativos das
moléculas tendem a se orientar em direção ao último.
Quando submetidas às microondas, as moléculas de água do produto se orientam em
direção ao campo elétrico que compõe estas ondas. Este campo, ao ser alternado, faz com que
os pólos se orientem sucessivamente num sentido e seguidamente no outro, o que resulta em
várias mudanças de orientação ao mesmo ritmo que a onda da fonte geradora.
As fricções entre as moléculas de água criadas por este número de rotações liberam
calor. Após a liberação, o calor é induzido para diversas camadas do produto. A quantidade de
água não repartida da mesma maneira no produto faz com que certas partes do produto fiquem
mais ou menos quentes. Quando há liberação de calor das moléculas de água, tendendo a
passar do estado líquido para o gasoso, o volume de vapor assim produzido, não pode ser
contido no produto e vai para a periferia, com a passagem do ar quente forçado, arrasta o
vapor dٰ água promovendo a secagem do produto.
2.4 SEGURANÇA EM MICROONDAS
Existem vários riscos do uso de microondas para a saúde humana, desde liberação
de radicais livres responsáveis por envelhecimento celular ou até mesmo câncer. É muito
importante manusear corretamente os equipamentos e evitar o contato de pessoas com as
ondas de microondas. O equipamento será dotado de telas protetoras, dispositivos de
segurança e intertravamento para evitar possível operação ou manuseio indesejado.
9
3. ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS PRELIMINARES
A seguir serão apresentadas as especificações técnicas preliminares, resumo de
funcionamento do protótipo, relação de materiais, bem como o diagrama de blocos e a função
de cada bloco.
3.1 VISÃO GERAL DO PROJETO
Na figura 2 é apresentada a visão da estrutura do projeto
FIGURA 2 -
Visão do Projeto
Fonte: Própria
É realizada a alimentação de 50 kg/h do bagaço de cana de acordo com a capacidade
e dimensionamento do protótipo com a umidade inicial de 45% a 55%3 no tanque de
alimentação. Através da válvula rotativa motorizada (controle de rotação) será realizado o
controle de dosagem da matéria prima, que será depositado em uma rosca transportadora
espargidora com controle de rotação, que realizará o transporte do produto passando pela
etapa de pré-aquecimento através de ar quente para tirar a umidade relativa superficial,
posteriormente passará pela câmara de microondas para tirar a umidade interna do produto e o
produto será submetido à circulação de corrente de ar quente para transportar a umidade
3
Faixa de umidade inicial do bagaço de cana após a extração do líquido para a produção de etanol.
10
expelida do produto, para no fim da rosca ser depositada na caixa de armazenamento do
produto seco a umidade estimada de 4 a 15%.
Para o aquecimento do ar, é utilizado o Gás Liquefeito de Petróleo (GLP), gerando a
nossa própria unidade de ar quente. Conforme especificações técnicas.
Condição inicial de partida manual e automática:
a)
Todos os equipamentos/dispositivos em condição de repouso;
b)
Alimentar o tanque de alimentação com matéria-prima;
c)
Liga o sistema de circulação de ar, Exaustor;
d)
Realizar ignição do aquecedor a gás, através do elemento sensor de chama
detectar a chama, é dada a seqüência ao processo. Caso houver falha na ignição, detectada
pelo elemento sensor de chama, é cortada a alimentação de gás e gerado uma mensagem de
irregularidade da partida do ignitor;
e)
Depois de atingir a temperatura de setpoint (aproximadamente 170ºC), é dado
o início a dosagem e transporte de matéria-prima na rosca transportadora;
f)
Após um minuto, é ligado o circuito Magnetron (gerador de microondas);
g)
Para aumentar o poder de secagem, o tempo de exposição do produto pode ser
controlado através do controle de rotação da rosca transportadora;
h)
A umidade é medida manualmente após o produto cair na caixa e são
manipuladas as variáveis temperatura, potência das magnetrons e rotação da rosca para o
controle de umidade;
11
3.1.1 Diagrama de blocos
Na figura 2 é apresentado o diagrama de blocos geral.
FIGURA 3 -
Diagrama de blocos geral
Fonte – Própria
Seguem as descrições funcionais dos principais blocos:
ENTRADA: É composto pelo tanque de alimentação e válvula rotativa dosadora
(motoredutor e inversor de freqüência), responsável pela dosagem e transporte do
material;
PRÉ-SECAGEM: É composto pelo circuito aquecedor a gás e exaustor que é
responsável pelo sistema de contra corrente de ar quente para arrastar a umidade
retirada da biomassa;
SECAGEM-MO: É composto pelos circuitos dos magnetrons e a rosca
transportadora, responsável por controlar o tempo de exposição do produto e em retirar
a umidade interna da biomassa e aceleração do processo de secagem;
SAÍDA: É composto pelo exaustor de ar, sistema circulatório com damper manual
responsável pela circulação da corrente de ar quente e reservatório de produto;
12
3.2 ARQUITETURA E INTERFACES DE ENTRADA/SAÍDA
Na figura 3 é apresentada a arquitetura do sistema de automação proposto para
o controle e gerenciamento do protótipo.
FIGURA 4 -
Arquitetura do Hardware Automação
Fonte – Própria
Na arquitetura apresentada, é adotado o mestre CANOPEN devido à facilidade
de interfaceamento entre os equipamentos disponíveis no mercado, o controlador lógico
programável da marca Moeller comunicando-se com o nó CUBE módulo de I/O
(Input/Output) de campo da marca MURR, responsável em coletar dados das entradas e
saídas dos elementos sensores de campo (dois termopares e seis sensores para indicar o status
de temperatura das magnetrons) e disponibilizar ao CLP, um inversor de freqüência equipado
com comunicação em rede, responsável em variar a rotação da válvula dosadora e rosca
transportadora e uma IHM da marca Moeller.
13
Na figura 4 é apresentada a topologia das entradas e saídas remotas da rede
CanOpen.
FIGURA 5 -
Topologia das entradas e saídas remotas CanOpen
Fonte – Própria
3.3 DIMENSIONAMENTO E MEMORIAL DE CÁLCULO
Nesta etapa estará sendo exposto o dimensionamento detalhado de cada um dos
circuitos que compõe o projeto.
3.3.1 Circuito 1 – Ar Quente
O controle proposto para a temperatura é um controle em malha aberta, tendo
como elementos de controle, a válvula solenóide, TE sensor de temperatura termopar tipo J,
FVC uma válvula para o controle de fluxo do gás GLP. Na figura 5 é apresentado a malha de
controle de temperatura, fonte de ar quente.
Em média o PCS (poder calorífico superior) do GLP é de 28.000 kcal/m3 (base
unidade de volume) ou 11.920 kcal/kg (base unidade de massa) “fonte Minasgás”, através
desta malha é pretendido alcançar a faixa de temperatura de 170 à 200ºC com o auxílio das
microondas.
14
FIGURA 6 -
Malha de temperatura
Fonte – Própria
Quantidade TAG
1
BC
Descrição
Usina de ignição 5 Velas, mais 5 unidades de ignição;
1
BE
Sensor de chama;
1
FCV
Válvula proporcional sinal analógico 4 à 20mA ou 0 à 10Vcc;
2
SC
Ventiladores insuflador e exaustor 110/220Vac;
3.3.2 Circuito 2 – Gerador de Microondas
O controle proposto para o circuito microondas é apresentado na figura 6:
Transformador de Alta Tensão: O transformador de alta tensão fornece 2.000V para o
capacitor de alta tensão e aproximadamente 3V para o filamento do Magnetron.
Capacitor de Alta tensão: O capacitor varia seu valor conforme a tensão de alimentação
(1,05µF para 120V e 0,95µF para 220V).
Magnetron: O magnetron é o componente que gera as microondas (2.450MHz).
Diodo de Alta Tensão: Nas alimentações de 120Va, o Diodo é duplo, possuindo um
limitador de tensão ligado em paralelo com o Capacitor.
Magnetron (BURGOSELETRÔNICA, 2008)
15
Quantidade
1
TAG
TRAFO
Descrição
Transformador de alta microondas 110V P/ 3V e 4000V
1
C1
0,8 a 0,97µF – Capacitor de alta tensão
1
D1
HV CL01-12 - Diodo para microondas
1
MAG
Válvula magnetron
1
Relé
Relé para habilitar MG1 e MG2
Na figura 6 é apresentado o circuito magnetron.
FIGURA 7 -
Circuito Magnetron
Fonte: Própria
3.3.3 Circuito 3 – Variação de Rotação do Motoredutor / Inversor de Freqüência
O controle proposto para as rotações da válvula rotativa e da rosca transportadora
é através da utilização de um inversor de freqüência da marca SEW EURODRIVE com
comunicação em rede CANOPEN onde será gerado o controle de habilitação e setpoint de
rotação. Haverá um sinal de habilita saída discreto que se originará do circuito de emergência.
Quantidade
1
1
TAG
INV1
MOT1
Descrição
Inversor de freqüência MOT1 + Placa de fieldbus
Motoredutor da rosca transportadora espargidora
16
3.3.4 Circuito 4 – Equipamentos Gerais
Neste circuito estão contidos a fonte de alimentação do circuito eletrônico e de
comando 24Vcc, CLP, IHM, Módulo I/O e botoeiras de comando e sinalização. Em anexo é
apresentado o diagrama elétrico com ferramenta específica de todo projeto elétrico do
protótipo.
Quantidade
1
1
1
TAG
FONT
CLP
IHM
Descrição
Fonte de alimentação MURR 110-220Vac/24Vcc 5A
Controlador lógico programável XC100-128K 8DI/6DO
Interface homem máquina XV-230-57CNN-1-10
3.3.5 Termopares
Os termopares são dispositivos eletrônicos para a medição de temperatura. Foram
aplicados no projeto, dois termopares do tipo J - Ferro/Cobre-Níquel (0 a 760ºC) utilizados
em atmosferas oxidantes, redutoras, inertes e no vácuo (SALCAS, 2008). Não deve ser usado
em atmosferas sulfurosas e não se recomenda o uso em temperaturas abaixo de zero grau. O
termopar tipo J apresenta baixo custo. Na figura 7 é apresentado o termopar tipo J.
Especificações técnicas do termopar tipo J:
- Termoelemento positivo (JP): Fe99,5%
- Termoelemento negativo (JN): Cu55%Ni45%
- Faixa de utilização: 0°C a 760°C
- f.e.m. produzida: -8,096 mV a 42,919 mV
17
FIGURA 8 -
Termopar tipo J
Fonte: Própria
Quantidade
2
TAG
TE
Descrição
Sensor de temperatura termopar tipo J (0°C a 760°C)
3.4 PROGRAMAÇÃO
Neste capítulo serão apresentadas as principais tarefas e controles desempenhados pelo
programa do projeto.
3.4.1 Descrição geral
Em anexo é apresentado o programa desenvolvido para o projeto. Foi utilizada a
linguagem de programação Ladder. O software de programação utilizado é o Easy Soft
Codesys versão 2.3.5 do fabricante Moeller.
18
4. IMPLEMENTAÇÃO
Neste item serão apresentados os procedimentos adotados para a montagem do
projeto.
4.1 DESCRIÇÃO DA MONTAGEM
Como este projeto se trata de uma máquina de pequeno porte, foi necessário o
desenvolvimento da estrutura mecânica, a qual foi projetada para trabalhar em conjunto com
os equipamentos eletrônicos. A estrutura mecânica foi terceirizada e por se tratar de uma
máquina, o prazo de fabricação não é tão rápido. Para os equipamentos eletrônicos, boa parte
foi adquirida com prazo de entrega imediato, porém alguns itens doados foram importados4.
Este protótipo se fez necessário para os ensaios que forneceram os parâmetros do
modelo.
Na figura 8 é apresentada a estrutura mecânica do projeto.
FIGURA 9 -
Estrutura mecânica frontal
Fonte: Própria
4
Módulos Cube Murr, conectores de interligação dos módulos, Cabo CanOpen.
19
Na figura 9 são apresentados os principais equipamentos eletrônicos utilizados na
montagem do projeto.
FIGURA 10 - Principais equipamentos eletrônicos
Fonte: Própria
4.2 TESTES, MEDIÇÕES E CONFIGURAÇÕES
Para o hardware foram realizados os seguintes testes:
a. Realizado comissionamento de entradas/saídas do CLP e nos módulos de I/O
Remotos;
b. Utilização de IHM para interagir com os equipamentos e software do programa
do usuário, com chaves e botões simulando sinais externos;
c. Utilização de equipamentos com funcionamento confiável (IHM, CLP,
Magnetron, Inversor de freqüência);
d. Testes mecânicos realizados na estrutura do protótipo.
Para o software foram realizados os seguintes testes:
a. Utilização de programa de simulação Easy Soft Codesys versão 2.3.5 do
fabricante Moeller;
b. Interação do software com a IHM;
c. Implementações via software de configuração manual e automática do
equipamento;
20
d. Testes de precisão de valores calculados por rotinas em relação ao esperado;
e. Prever o comportamento inesperado do usuário (intertravamento e segurança
dos equipamentos);
4.3 BALANÇO ENERGÉTICO
Para a viabilidade do projeto foi necessário o desenvolvimento e cálculo do balanço
energético com o intuito de apresentar o ganho real entre o sistema de secagem convencional
utilizado hoje com ar quente, contra o sistema energético proposto no projeto (ar quente
acionado a microondas). O desenvolvimento deste balanço energético foi realizado sob a
orientação do Prof. Dr. Anselmo Rodrigues.
Para os cálculos a seguir, foi adotada a massa inicial de bagaço de cana de 100 kg.
1. Determinação da massa de água no material (bagaço)
1.1
Massa Inicial de Água no Bagaço (MIH)
Dados:
MIB
PIH
Massa inicial de Bagaço [kg]................................................................
Porcentagem inicial de água no bagaço in natura.................................
100 kg
65%
então:
MIH = MIB * PIH = 65kg
1.2
65 kg
Massa Final de Água no Bagaço Após Pré-Aquecimento (MFH)
Dados:
MIB
PIH
PPH
Massa inicial de Bagaço [kg]................................................................
100 kg
Porcentagem inicial de água no bagaço in natura.................................
65%
Porcentagem final de água no bagaço (pré aquecimento).....................
40%
Então:
MFH = MIB * (1-PIH)*PPH = 23,33 kg
23,33 kg
21
2. Consumo de GLP para aquecer uma massa (MIH-MFH) de água de TA até TE (MAGLP)
Dados:
MIB
cH
Massa inicial de Bagaço [kg]................................................................
∆T
Gradiente de temperatura......................................................................
75 °C
CGLP
Capacidade calorífica do GLP = 11800 kcal/kg....................................
11920 kcal/kg
1kcal/kg (Calor específico da água)......................................................
100 kg
1 kcal/kg
Então:
MAGLP = MIB . CH . ∆T = 0,63 kg
CGLP
3. Cálculo do consumo de GLP para evaporar uma massa MH de água. (MVGLP)
Dados:
MIH
MPH
CLN
CGLP
Massa inicial de água no Bagaço [kg]...................................................
0 kg
Massa final de água após pré-aquecimento...........................................
2,80 kg
540kcal/kg (Calor latente de evaporação da água)................................
540 kcal/kg
Capacidade calorífica do GLP = 11800 kcal/kg....................................
11920 kcal/kg
Então:
MVGLP = (MIH - MPH) . CLN = 1,89kg
CGLP
3.1
Consumo total de GLP (MGLP)
Dados:
MAGLP Consumo de GLP para aquecer uma massa de água de TA até TE.........
MVGLP Consumo de GLP para evaporizar uma massa MH de água..................
0,63 Kg
1,89
então:
MGLP = MAGLP + MVGLP = 2,52 kg
3.2
Custo do GLP (PGLP)
Dados:
MGLP
PkgLP
Consumo total de GLP..........................................................................
Preço por quilo de
GLP...........................................................................
R$ 2,54
Então:
PGLP = MGLP . PkgLP = R$ 6,39
R$ 6,39
22
4. Composição do consumo elétrico do microondas
4.1
Massa de água para evaporar com microondas (MHM)
Dados:
MIB
MFB
ŋ
Massa inicial de Bagaço [kg]................................................................
100 kg
Massa final de Bagaço [kg] (após microondas)....................................
74 kg
rendimento do processo (0 < ŋ <1)........................................................
0,9
Então:
MHM = MIB - MFB. .ŋ = 17,16
17,16
4.1.2 Energia fornecida pelo microondas em calorias para evaporar MHM (QN)
Dados:
MHM
CLN
Massa de água para evaporar com microondas.....................................
540kcal/kg (Calor latente de evaporação da água)................................
17,16
540 kcal/kg
QN = MHM . CLN = 9264,71 kcal
4.2
Massa final de bagaço após o microondas (MFB)
Dados:
MIB
PIH
Massa inicial de Bagaço [kg]................................................................
Porcentagem inicial de água no bagaço in natura.................................
100 kg
65%
então:
MFB = (1 - PIH) . MIB = 58,33 kg
(1-PIH)
4.3
58,33 kg
Custo do microondas (CMI)
Dados:
1kWh
=
859,2kcal
PKWH
QN
Preço do kilowatt hora (Fonte: ANEEL - nota 0141/2008-SRD)......... R$ 0,2600
Energia fornecida pelo microondas em calorias....................................
9264,71 kcal/kg
então:
CMI = PKWH . (859,2) . QN = R$ 2,801
R$ 2,801
23
4.4
Preço do Microondas (PM)
Dados:
CMI
Custo do Microondas...........................................................................
MAGLP Consumo de GLP para aquecer uma massa de água de TA até TE
PkgLP Preço por kilo de GLP...........................................................................
R$ 2,80
0,63 Kg
R$ 2,54
então:
PM = CMI + (MAGLP . PkgLP) = R$ 4,40
R$ 4,40
5. Porcentagem de ganho em custo do Microondas versus GLP (P%GLP)
Dados:
PM
PGLP
Preço do Microondas.............................................................................
Custo do GLP........................................................................................
R$ 4,40
R$ 6,39
Então:
P%GLP = (PM / PGLP) * 100 = -31%
-31%
Conforme foi constatado no item 5, o projeto é viável energeticamente gerando uma
redução de 31% no custo de energia.
24
5. CUSTOS DO PROJETO
Na tabela 4 são apresentados os custos do projeto contemplando apenas os custos com
hardware. Os custos de P&D (Pesquisa e desenvolvimento) e software não estão inclusos.
Tabela 4 – Custos do projeto
Fonte: Própria
25
5.1 COMPONENTES E MATERIAIS
A seguir está disposta a lista de materiais e as interfaces de entradas e saídas do
protótipo e a respectiva descrição de cada item.
Lista dos principais materiais:
Tabela 5 – Lista dos principais materiais
ITEM
QTDADE
TAG
CIRCUITO
DESCRIÇÃO
1
1
FCV
Ar Quente
Válvula Proporcional
2
1
XE
Ar Quente
Sensor de Chama
3
1
VIG
Ar Quente
Vela de ignição
4
1
TE
Ar Quente
Sensor de Temperatura Termopar tipo J
5
1
UIG
Ar Quente
Usina de Ignição
6
1
CIL
Ar Quente
Cilindro de alimentação gás GLP
7
1
VENT1
Ar Quente
Ventilador Insuflador
8
1
MOT1 Alimentação Motoredutor Válvula Rotativa Dosadora
9
1
INV1
Alimentação Inversor de Freqüência
10
1
INV2
Transporte Inversor de Freqüência
11
1
PWR
Controle
Fonte de alimentação 5 A
12
1
CLP
Controle
Controlador Lógico Programável
13
1
IHM
Controle
Interface Homem Máquina
14
1
IO1
Controle
Nó de Rede CanOpen art. nr. 56504
15
1
IO2
Controle
Módulo de IO para Termopar tipo J art.56748
16
1
IO3
Controle
Módulo DIO16 para sinais digitais art. 56600
17
6
MG1
Secagem
Conjunto 6 válvulas Magnetron
Fonte: Própria
26
5.2 SERVIÇOS CONTRATADOS
Na figura 10 é apresentada a estrutura mecânica do equipamento, a qual foi
terceirizada. A estrutura possui 3m de comprimento e peso de aproximadamente 300 kg. O
custo total desta estrutura foi de R$ 9.000,00.
FIGURA 11 - Estrutura mecânica
Fonte: Própria
Na figura 11 é apresentado o equipamento com a carenagem externa para proteção
do equipamento, a qual também foi terceirizada. A carenagem possui 3,4m de comprimento e
peso de aproximadamente 18 kg. O custo total desta estrutura foi de R$ 1.400,00.
FIGURA 12 - Estrutura mecânica com carenagem
Fonte: Própria
27
6. CONCLUSÃO
Pode-se constatar neste projeto a viabilidade da tecnologia de microondas aplicada. A
unidade secadora de biomassa utilizando ar quente somado à tecnologia de microondas para
auxiliar e acelerar o processo de secagem e melhoria do poder calorífico e qualidade da
biomassa. Com a umidade inicial da biomassa em torno de 45% a 55% no bagaço de cana
podem-se reduzir estes valores em torno de 4% a 15% de umidade. Atualmente na indústria, a
tecnologia mais comum para este processo, é a secagem de biomassa com ar quente em
secador horizontal rotativo. Neste projeto, além do ar quente, foi adicionada a tecnologia com
microondas.
Para a realização dos experimentos práticos, foi adotado o método de pesar a
biomassa in natura na entrada e após o beneficiamento. Com uma velocidade de transporte de
0,2 m/min, exposto a uma potência constante de 3kW, a temperatura de 170ºC para a secagem
de 50 kg de Biomassa. Como resultado, foi obtida a umidade final desejada em torno de 14%.
Assim, foi comprovada a eficiência energética deste protótipo, confirmando a teoria do
balanço energético.
Como se pode observar a aplicação da Tecnologia de Microondas no processo de
secagem de biomassa melhora a qualidade da mesma e possibilita a economia direta na fonte
geradora de ar quente. Tendo em vista os dados aqui apresentados pode-se concluir que a
aplicação do sistema proposto é viável, ainda soma-se o fato de que a biomassa a ser
beneficiada é um recurso de energético renovável e ecologicamente correto por se tratar de
recurso menos poluente que as demais fontes de energia.
Com este projeto foi possível justificar uma nova tecnologia que pode ser
utilizada na indústria com possibilidade de resultados excelentes, tanto do ponto de vista
energético, como econômico que foram apresentados em detalhes no balanço energético e
garantindo a eficiência energética do processo.
28
Na figura 12 é apresentado o equipamento concluído.
FIGURA 13 - Equipamento em uso
Fonte: Própria
Na figura 13 é apresentado o painel elétrico do equipamento.
FIGURA 14 - Painel Elétrico
Fonte: Própria
Para implementações futuras pode ser desenvolvido o monitoramente contínuo da
umidade através de um elemento realimentando o circuito constituindo uma malha fechada,
controle em malha fechada das rotações da válvula rotativa dosadora e rosca transportadora
espargidora. Pode ser também realizado o monitoramento via CLP da válvula proporcional de
gás. Este modelo pode ser tanto utilizado para a secagem de bagaço de cana, como outras
biomassas, podendo ser modelado de acordo com a necessidade, pois se encontra hoje uma
grande oferta de resíduos com poder calorífico.
29
REFERÊNCIAS
ANEEL, Eficiência Energética, abr. 2008. Disponível em:
< http://www.aneel.gov.br/area.cfm?idArea=27> Acesso em: 19 abr. 2008
AMBIENTE BRASIL S/S; Biomassa, abr. 2008. Disponível em:
<http://www.ambientebrasil.com.br/composer.php3?base=./energia/index.html&conteudo=./e
nergia/biomassa.html> Acesso em: 10 abr. 2008
ARAUTERM, Poder Calorífico, abr. 2008. Disponível em:
< http://www.arauterm.com.br/> Acesso em: 19 abr. 2008
ASCOVAL; Válvulas, abr. 2008 Disponível em:
<http://www.ascoval.com.br/valvulas.aspx> Acesso em: 22 mai. 2008
BOYLESTAD, R.L.; NASHELSKY.L..Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circutos. 8.
ed. Prentice Hall Do Brasil, 2004.
BURGOSELETRÔNICA, Magnetron, abr. 2008. Disponível em:
<http://www.burgoseletronica.net/altatensaodomicroondasanimada.htm>
ECOGAS; Ar quente, mai. 2008 Disponível em:
<http://www.ecogas.com.br/equipos/arquente/arquente.htm> Acesso em: 20 mai. 2008
EPE BEM, Pesquisa Energética, abr. 2008. Disponível em:
<http://www.epe.gov.br/PressReleases/20080508_1.pdf> Acesso em 22 mai. 2008
GALAWA J. CARLTON; The Magnetron Tube Structure and Operation, abr. 2008.
Disponível em: <http://gallawa.com/microtech/magnetron.html> Acesso em: 17 abr. 2008
HALIDAY; RESNICK, WALKER. Fundamentos de Física 2 Eletromagnetismo, Rio de
Janeiro: LTC, 1996.
30
INMAR; Fotocélula, abr. 2008 Disponível em:
<http://www.inmar.com.br/fotocelula2.html> Acesso em: 20 mai. 2008
MURRELEKTRONIK, Catalogue 2007/08, Oppenweiller, v.1, p.4.3.5-4.4.11, 2008.
SALCAS; Termopares, abr. 2008 Disponível em:
<http://www.salcas.com.br> Acesso em: 20 mai. 2008
SICK SOLUÇÕES EM SENSORES. Sensores Industriais, São Paulo, v.8, p.5-8, 2005.
TIPLER, Paul. Física, Rio de Janeiro: LTC, 2000.
THERMAC; Ignitor, abr. 2008. Disponível em:
<http://www.thermac.com.br/>
Acesso em: 22 mai. 2008
UFL UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS, Secagem altas Temperaturas, jun. 2008.
Disponível em:
<http://www.deg.ufla.br/armazem/secagemaltastemperaturas.htm> Acesso em: 26 jun. 2008
VENTISILVA; Ventiladores. abr. 2008 Disponível em:
<http://www.ventisilva.com.br/MicroVentiladores.htm#RAX> Acesso em: 22 mai. 2008
WEG, Manual da comunicação CanOpen, Santa Catarina, v.4, p.6-10, 2008.
31
ANEXOS
ANEXO 1 – PROGRAMA
ANEXO 2 – PROJETO ELÉTRICO
ANEXO 3 – PROJETO MECÂNICO
32
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