" EQUIPAMENTO RESFRIADOR DE GRÃOS E SEMENTES"
A presente invenção refere-se a umequipamento elétrico para resfriamento artificial de grãos e sementes, móvelou estacionário, composto por sistema de compressão mecânica de gásrefrigerante, ventiladores axiais e centrífugo, serpentinas aletadas, gabinete,chassi, controle automático de fluxo de gás refrigerante e sistema deautomação eletro/eletrônico, que permitem manter sob controle aspropriedades do ar gerado pelo mesmo e a ser utilizado no processo deresfriamento.
O setor agrícola, notadamente o segmentoarmazenador de grãos e sementes, demanda soluções para a redução deperdas e manutenção da qualidade fisiológica e sanitária dos produtos desdea colheita até a sua industrialização ou utilização no plantio (caso desementes). O resfriamento artificial desponta como uina alternativaimportante para auxiliar nesta tarefa, pois permite controlar a temperatura damassa de grãos e/ou sementes durante todo o período do seu armazenamento,dispensando o uso de perigosos produtos químicos tanto para a saúdehumana e animal, e reduzindo as perdas da armazenagem.
Existe uma patente depositada sob onúmero MU8101838-0 onde na mesma se procura incorporar as duasfunções primordiais para o controle de sementes e grãos armazenados:umidade e temperatura (função de secagem e resfriamento simultaneamente).
Nas últimas décadas, a engenhariaconseguiu criar máquinas para secagem de grãos e sementes, utilizandodiversas fontes de energia e meios, porém a temperatura permanece fora docontrole do armazenador, pois não se dispõe de um equipamento que cumpraeste papel.
Atualmente os sistemas de resfriamentoconhecidos no Brasil utilizam o ar atmosférico na tentativa de baixar atemperatura da massa de grãos e/ou sementes, porém dependendo da regiãogeográfica (e a estação do ano) que se encontra a unidade armazenadora, ascondições ambientais podem ser muito severas (quentes e úmidas), o quelimita a aplicação desta técnica.
São conhecidos também os pedidos deRegistro de Patente PI9500848-9 A de 24/02/1995 e PI9503800-0 A de18/08/1995 que utilizam a técnica mencionada acima, associando sistemasde automação para o acionamento dos ventiladores dos silos, na busca dastemperaturas mais baixas oferecidas pelo clima.
Não existem estatísticas oficiais das perdasde grãos na armazenagem do Brasil, mas algumas fontes confiáveis (como aEMBRAPA) citam perdas anuais na ordem de 5 a 10% o que representa algoem torno de 5 a 10 milhões de toneladas de grãos. Para um país que está comuma política de combate frontal à fome, como o Brasil, estas perdas sãomotivos de grandes preocupações, tanto sob o ponto de vista social comoeconômico.
Os fatores determinantes para a manutençãodas qualidades fisiológicas, sanitárias e nutricionais de grãos e sementesarmazenados são: temperatura, umidade e tempo. Fungos e insetos são osprincipais causadores de perdas de qualidade de sementes e grãosarmazenadores e precisam de umidade e temperatura para se reproduzirem esobreviver. Por isso o esforço em secar e baixar a temperatura do produto.
Segundo Lazzari, Flavio Ph.D., "Assementes ou grãos podem sofrer grandes alterações em suas característicassanitárias e fisiológicas: germinação e vigor desde a maturação, ainda nocampo até o momento de sua utilização. Estas alterações são causadasprincipalmente pela umidade e a temperatura dos grãos ou sementes, isoladasou associadas são os fatores principais que afetam o desenvolvimento .de fungos e insetos em produtos armazenados e ainda mais pelo manejoinadequado durante a colheita, recepção, secagem e o armazenamento doproduto".
Os fungos e os insetos, cujo desenvol-vimento está associado à umidade e à temperatura, separadamente ou associados, causam prejuízos diretos e indiretos na qualidade de semente ougrão, que podem ser agrupados da seguinte forma:
Contaminações: presença destesorganismos nos grãos ou sementes;
- Redução do poder germinativo e vigor como conseqüência da ação de fungos como o AsperglUus que infectamgrãos ou sementes individuais de diversas espécies quando o teor de umidadedas mesmas está próximo ao limite superior considerado seguro para seuarmazenamento. Os insetos afetam a germinação consumindo seu embrião.
- Aquecimento da massa: a atividade metabólica dos fungos e dos insetos provocam um aumento da temperaturada massa de sementes ou grãos reduzindo o poder germinativo e o vigor dosmesmos.
- Descartes de lotes de sementes: ocorremprincipalmente por problemas de germinação;
- Custos de comercialização: sementes comproblemas sanitários e fisiológicos causam aumentos de custos; e
- Perda de reputação: perda de mercadosdevido à má qualidade, devolução de semente, indenização ecomprometimento da marca comercial e do nome da empresa.
Os fungos são abundantes no solo, nosrestos de culturas, em moegas, silos e em todo e qualquer lugar onde searmazene e/ou se processe sementes. O ataque ou infecção de sementes pelofungo (Aspergilus, Fusarium e Penicillium) ocorre principalmente durante acolheita, recebimento, secagem e armazenamento. Portanto, é quaseimpossível e definitivamente nada prático, tentar evitar que as sementesentrem em contato com os esporos de fungos. Mas, é possível prevenir ocrescimento dos mesmos em sementes recém colhidas.
Estas sementes apresentam-se úmidas, sujase quentes e quando ficam retidas em carretões, carrocerias de caminhões ouem moegas, são prontamente invadidas pelos fungos de armazenamento.
Os principais fatores responsáveis pelocrescimento fúngico são a umidade e a temperatura da semente. O tempo dearmazenamento também é importante, pois quanto mais longo o período deestocagem, maiores são os riscos em que a semente fica exposta. Os fungospresentes na semente criam as condições de umidade para manter seucrescimento e causar danos sem que os mesmos sejam percebidos a olho nu.
As toxinas fúngicas mais importantes - asAflatoxinas e Ocratoxina produzidas por certas espécies de Aspergillus,Fusarium e Penicillium, são normalmente monitoradas pela indústria dealimentos que utilizam lotes de sementes descartadas.
Na Tabela 1, é apresentada a relação entre oteor umidade e a temperatura da semente com a velocidade do crescimentofúngico e o tempo de armazenamento considerado seguro, isto é, sem queocorra dano à qualidade do produto.TABELA 1
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Como observado anteriormente, o setorsementeiro enfrenta dificuldades e grandes perdas devido ao problema damanutenção do Poder Germinativo e Vigor das sementes, durante o períodode armazenagem. Trabalhos de cunho científico comprovam isto, verPORTO, Alexandre, 2002, Tese de Doutorado - UFPEL.
Na Tabela 2 observamos a avaliação dagerminação e vigor de sementes da soja da variedade COODETEC - 202armazenadas à temperatura ambiente e com resfriamento artificial.
TABELA 2
Testes Germinação (%) Vigor (%)
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Fonte: PORTO, Alexandre, 2002, Tese de Doutorado - UFPEL
* Convencional - sementes armazenadas a temperatura ambiente
** Resfriamento - sementes armazenadas a 12-15 0C com resfriamentoartificial
Observa-se no início dos testes bons índicesde germinação (95 a 96%) e vigor (92 a 93%). Após o período de 210 dias, oproduto armazenado à temperatura ambiente perdeu significativamente o seupoder germinativo (de 97% para 50%) e vigor (de 93% para 36%). Asemente conservada com o auxílio do resfriamento artificial manteve altosíndices de germinação e vigor, (93% e 87%) respectivamente.
Para resolver paliativamente este problema,a produção de sementes, nas últimas décadas, migrou para grandes altitudes,buscando temperaturas e umidades mais amenas tanto no campo quanto naarmazenagem. Isto a carreta consigo uma séria limitação de áreas produtorasde sementes, sendo que hoje as variedades mais precoces não estãoconseguindo boa adaptação nas grandes altitudes. Estas variedades são muitorequisitadas pelos agricultores. Assim a solução pasí.a . ser produzirsementes em altitudes mais baixas, com os problemas de temperatura eumidade já conhecidos. Este problema se agrava com a expansão da fronteiraagrícola nas regiões Norte, Nordeste e Centro-Oeste onde as temperaturas eumidades são mais elevadas. Também surge outro agravante que é o fato devariedades da região Sul e Sudeste não conseguirem se adaptar nessasregiões.
Assim a solução passa por desenvolverequipamentos e tecnologias que permitem controlar a temperatura e aumidade das sementes, independentemente das condições geográficas eambientais, durante todo o período de armazenagem.
No exterior existem equipamentos pararesfriamento artificial de grãos e sementes, porém a sua implantação noBrasil (e América do Sul) fracassou, devido a problemas relacionados àadaptação do clima tropical e sub-tropical.
Várias empresas estão com equipamentosinoperantes, tais como Sementes Sorria de Cambará-PR sementes Jotabassode Ponta Porã-MS, Coopermibra de Campo Mourão-PR e outros não citadosaqui para não estender o assunto.A técnica descrita neste documento trazuma nova proposta, permitindo armazenagem segura inclusive nos rigorososclimas Tropicais e Sub-Tropicais.
" EQUIPAMENTO RES FRIADOR DEGRAOS E SEMENTES ", tem como objetivo notadamenta proporcionarcondições adequadas de temperatura de armazenamento de grãos, sementesou cereais como o milho, sorgo, trigo, soja, feijão, algodão, amendoim eoutros; em especial para climas tropicais e sub-tropicais típicos da Américado Sul, resolvendo os inconvenientes apresentados pelos equipamentosatuais. Para isto é necessário viabilizar a fabricação e operação de novasmáquinas para resfriamento de grãos e sementes, inclusive no rigoroso climada região e assim evitar ou reduzir as perdas de qualidade sanitária,fisiológica e nutricional de grãos e sementes armazenados.
Para atingir este objetivo, o equipamento dapresente patente injeta ar frio (entre 6 a 12 °C) constante e com suficientevazão, independentemente das condições climáticas. O mesmo é dotado desistemas de automação (controlador PID, inversor de freqüência,controladores digitais de temperatura e CLP) com modulação da potênciafrigorífica, de ventilador centrífugo de alta eficiência cuja rotação deve sercontrolada automaticamente por um Inversor de Freqüência, de serpentinascom aletas de grande superfície para desidratar o ar atmosférico dispostas emsérie e calculadas para os múltiplos estágios de resfriamento, de injetor deágua fria nas serpentinas para reduzir a temperatura de condensação em diasde muito calor e umidade (condensador evaporativo), e de filtros de grandecapacidade para retenção de poeira e fragmentos de grãos. O equipamentopode ser estático ou móvel para permitir a sua utilização em diversos siloslocalizados em uma mesma unidade ou distantes geograficamente. Tambémsão dispostos dispositivos digitais remotos que permitem monitorar atemperatura do gás refrigerante na linha de gás e líquido em cada circuito, deforma que seja possível elaborar curvas de superaquecimento e sub-resfriamento para auxiliar a adequação da carga de gás refrigerante nosistema em função da temperatura ambiente. Este último aspecto é defundamental importância, pois permite calibrar o equipamento para a regiãoespecífica na qual estará operando.
As outras características da invenção são:duas ou mais serpentinas dispostas em série para permitir o resfriamento edesidratação do ar atmosférico em mais de uma etapa, a área dessasserpentinas deve permitir uma passagem lenta do ar (baixa velocidade), aserpentina que recebe o ar pré-resfriado deve possuir maior número de filas,é desejável o fracionamento da potência frigorífica de 0 a 100%, mas sendopossível fracionar a cada 50% ou 25% e assim sucessivamente conforme osistema de compressão disponível no mercado e viável economicamente. Aágua fria de condensação da unidade evaporadora é recolhida em um tanquepara posterior atomização nas serpentinas do condensador por uma bomba deágua auxiliar e por bicos atomizadores. Poderá eventualmente haversuprimento adicional de água, proveniente da rede de agua potável dainstalação.
A descarga do ar de condensação érealizado verticalmente para evitar refluxo de ar quente (curto-circuito). Oventilador centrífugo deve ser do tipo limit-load modelo air-flow ou similarde alta eficiência para evitar o aquecimento do ar pelo atrito das pás doventilador. Há também um complexo sistema de automação composto porcontroladores digitais microprocessadores (já citados anteriormente) quepoderão ser substituídos por outros mais modernos à medida que foremsurgindo no mercado.
A vazão de ar gerado é controladoautomaticamente pelo inversor de freqüência a partir de sinais provenientesdo controlador PID, que opera em função da entalpia do ar ambiente, daestrutura de aeração e da altura da coluna de grãos no silo. E possíveltambém realizar esta função por meio de um dumper mecânico manual oumotorizado, instalado no sentido do fluxo do ar gerado.
A invenção também se refere aequipamentos de diversas potências frigoríficas, de expansão direta ouindireta, móveis ou estacionários. Os estacionários podem contercondensação à ar ou à água e os móveis condensação à ar. As potênciasfrigoríficas variam em função da aplicação, isto é, tamanho dos silos, ou davelocidade de processamento (Usina de beneficiamento UBS) e/ou dovolume total a resfriar em um determinado espaço de tempo.
A invenção pode ser aplicada em sementese grãos que se encontram estacionados em um silo (o silo pode ser dequalquer material e tamanho) ou diretamente na linha de beneficiamento.
Para isso utiliza as estruturas de aeraçãoexistentes nas unidades armazenadoras, podendo ser acoplado diretamente naboca do(s) ventilador(es) do silo, devendo o(s) mesmo(s) ficar(em)desligado(s), ou na boca de entrada de ar e canaletas dimensionados ouprevisto para este fim.
A presente invenção também requer umduto, de preferência flexível, para conduzir o ar tratado desde o equipamentoresfriador até a boca de entrada do ventilador ou silo. Todos estes aspectosestão detalhados em figuras em anexo.
A invenção requer cuidados adicionais paraatingir o êxito no manejo de grãos e sementes armazenados. Estes cuidadossão questões externas à invenção e se referem às "Boas Práticas daArmazenagem - BPA". São eles: produto limpo e seco, estrutura limpa ehigienizada, produto livre de impurezas ou com impurezas distribuídashomogeneamente, rede elétrica bem dimensionada, barracões e armazénsbem arejados, frescos, de preferência com isolamentos térmicos, e,principalmente pessoal técnico motivado.
A descrição que se segue e as figurasassociadas, tudo dado a título de exemplo não limitativo, farão compreenderbem a invenção.
A Figura 1., apresenta uma representaçãoesquemática do circuito de refrigeração onde é possível observar doiscondensadores do fluido de refrigeração (1), quatro ventiladores axiais (2),dois evaporadores do fluido de refrigeração (3), a linha de gás do fluido derefrigeração (4), duas válvulas de expansão (5), a linha de líquido do fluidode refrigeração (6), o motor do ventilador centrífugo (7), o ventiladorcentrífugo (8), os filtros secadores (9), os separadores de líquido (10), otanque de coleta de água de desidratação do ar (11), a bomba de injeção deágua fria nos condensadores (12), e os compressores de fluido refrigerante(13).
A Figura 2., apresenta de formasimplificada o diagrama do sistema de automação do equipamentoresfriador, onde é possível observar dois condensadores do fluido derefrigeração (1), dois ventiladores axiais (2), um evaporador do fluido derefrigeração (3), a linha de gás do fluido de refrigeração (4), duas válvulas deexpansão (5), a linha de líquido do fluido de refrigeração (6), o motor doventilador centrífugo (7), o ventilador centrífugo (8), os filtros secadores (9),os separadores de líquido (10), o tanque de coleta de água de desidratação doar (11), a bomba de injeção de água fria nos condensadores (12), o motor dabomba de injeção de água fria nos condensadores (12-A), dois compressoresde fluido refrigerante (13), dois motores dos compressores de fluido refrigerante (13-A), dois bicos atomizadores de água fria (14), umcontrolador lógico programável (20), um controlador proporcional derivativointegral (21), um inversor de freqüência (22), um sensor de temperatura do arambiente (23), um indicador de temperatura do ar ambiente (24), um sensorde umidade do ar ambiente (25), um indicador de umidade do ar ambiente(26), um sensor de temperatura da massa de grãos ou sementes (27), umindicador de temperatura da massa de grãos ou sementes (28), um sensor detemperatura do ar resfriado (29), sensores de temperatura de gás refrigerante(30) e controlador com indicadores de temperatura de gás refrigerante (31).
A Figura 3., apresenta a vista perspectiva superior do equipamento resfriador, onde é possível observar os quatroventiladores axiais (2), a veneziana de entrada de ar para o condensador (35),a veneziana de entrada de ar para o evaporador (36), e o bocal de saída do arresfriado (37).
O equipamento deve ser protegido contra intempéries, de preferência com chapas de alumínio e montado sobre umchassi tipo agrícola com rodas que permitam sua mobilidade.
As venezianas para entrada de ar devemoferecer mínima resistência e os filtros devem ser fabricados com moldurasmetálicas que ofereçam rigidez e boa vedação.
O quadro de comando aloja componenteseletrônicos delicados e que geram quantidade substancial de calor sensível.Estes componentes têm limites superiores de temperatura a partir da qualpodem apresentar falhas, por este motivo é conduzido um fluxo de ar friofiltrado, do próprio equipamento (desde a descarga do ventilador centrífugo),até a parte traseira e inferior do referido quadro, proporcionando assim umatemperatura amena para a operação destes dispositivos. Estes componentesdevem estar protegidos contra intempéries por meio de uma porta com travase isolamento térmico.
O ventilador centrífugo (8) deve ser do tipoLimit-load, dupla aspiração modelo Air-flow e permanece alojado emgabinete metálico construído para este fim.
Este gabinete deve estar isoladotermicamente e deve permitir uma perfeita vedação do ar aspirado, paraforçar sua passagem pela superfície da serpentina do evaporador de maneirauniforme. O ventilador (8) é controlado pelo inversor de freqüência (22),cujos limites inferiores e superiores de velocidade devem ser ajustados paravencer as contrapressões de sementes e grãos nos silos. O painel de IHM(interface homem-máquina) deve estar acessível para a operação e protegidocontra intempéries.
O duto que conecta o equipamento à entradade aeração dos silos deve ser flexível para evitar obstrução do fluxo de ar porcurvas muito fechadas. Deve ser fabricado com lona vinilica ou similar comanéis metálicos ou plásticos de alta densidade costurados nesta lona a cada15 a 30 cm, seguidos por uma proteção térmica de material isolante térmicoflexível, como lã de vidro, espuma de poliestireno ou similar, e por último(mais externamente) uma lona vinílica ou similar para proteção externacontra intempéries e raios ultravioleta. O diâmetro do duto deve serdimensionado em função da vazão de ar de cada máquina e não há restriçãoquanto ao seu comprimento para as aplicações normais, pois a entrada daaeração normalmente se encontra há, no máximo, poucas dezenas de metros.
O isolamento térmico é importanteprincipalmente nos dutos mais longos.
As serpentinas do evaporador do fluido derefrigeração (3) possuem um, dois ou mais estágios, e estão instaladas emsérie em relação ao sentido do fluxo de ar. E recomendável instalar duasetapas (pré e pós resfriamento) para os equipamentos que irão funcionar emlocais com climas moderados como da região Sul e Sudeste do Brasil. Nestecaso calcula-se a primeira serpentina para a condição média de temperatura eumidade da região e a segunda serpentina com temperatura e umidade menorem função da primeira etapa do resfriamento.
Para climas mais severos como os daRegião Norte e Nordeste do Brasil é recomendável instalar três serpentinasem série, conformando três fases de resfriamento. Assim será possível atingira temperatura e umidade de operação desejada. Neste caso calcula-se aprimeira serpentina para a condição média de temperatura e umidade daregião e a segunda e terceira serpentinas com temperaturas e umidadesmenores em função das etapas de pré-resfriamento. Para estas regiõestambém é importante prever uma entrada auxiliar de água no tanque decoleta de água de desidratação do ar (11).
O aspecto fundamental do invento temrelação com a disposição das serpentinas do evaporador em série, avelocidade de passagem de ar pela mesma, que determina sua maior oumenor capacidade para operar nas regiões tropicais e o sistema de automaçãoassociado. A temperatura de operação do ar a ser insuflado no silo é ajustadodigitalmente nos botões do controlador proporcional integral derivativo, eeste por sua vez supervisiona a temperatura do ar descarregado peloventilador centrífugo (8) por meio do sensor de temperatura do ar resfriado(29) e age sobre o inversor de freqüência (22) aumentando ou reduzindo asua rotação, buscando ajustar permanente e instantaneamente a temperaturasolicitada pelo operador. Os demais dados de temperatura e umidade obtidaspelos sensores de temperatura (23) e indicado pelo indicador (24), pelosensor de umidade (25) e indicado pelo indicador (26) e sensor detemperatura (27) e indicado pelo indicador (28) e sinais on-off do controlador(31) multi-estágio que monitoram a temperatura do refrigerante na linha degás, para evitar congelamentos são introduzidos no Controlador LógicoProgramável (20) que executa um programa computacional elaborado paraeste fim, ajustando automaticamente a potência frigorífica do equipamentopara as condições do ar atmosférico daquele instante e para aquele silo. Esteconjunto de funções foi implantado após exaustivos testes de operaçãomanual do equipamento e tem como finalidade dispensar a necessidade deum operador atuando permanentemente na máquina, o que tornaria aoperação vulnerável a erros humanos e a problemas.
Os compressores de fluido refrigerante (13)devem ser afixados sobre bases de borracha para amortecer a vibração. Oscircuitos frigoríficos requerem os elementos auxiliares típicos deequipamentos de refrigeração industrial na sua montagem, tais como: filtrosecador, visor de líquido, válvula de expansão termostática, acumulador desucção, tanque de líquido, separador de óleo, válvulas esferas e de serviço epressostatos de alta e baixa. Os tubos de cobre e curvas devem ser soldadosem ambiente inerte para evitar os óxidos prejudiciais ao sistema. Tambémdeve-se proceder a uma boa limpeza e vácuo antes da carga de gásrefrigerante.
Os bicos atomizadores (14) devem possuirpré-filtros para evitar entupimentos. Têm como finalidade reduzir atemperatura de condensação, trazendo grandes benefícios para a vida útil doscompressores (13) e melhorando a eficiência energética do equipamento.
Assim, constitui um sistema conhecido como Condensador Evaporativo. Abomba de injeção de água fria nos condensadores (1) é acionadaautomaticamente pelo Controlador Lógico Programável (20), sob préviaautorização do controlador com indicador de temperatura de ar ambiente(29) digital mono-estágio digital, saída a relê que comunica ao CLP (20) atemperatura do ar externo sensorizado no sensor (23), para autorizar ou não aatomização de água nos condensadores. O set-point para atomização da águaé escolhido pelo operador, porém recomenda-se não superar 28 0C.