ANÁLISE DE MATERIAL E PROJETO BÁSICO PARA IMPLANTAÇÃO DE SETOR DE SECAGEM PARA JATOBÁ E GERAÇÃO DE VAPOR
PLANEJAMENTO
ENGENHARIA
GERENCIAMENTO
SÃO BENTO DO SUL - SANTA CATARINA - BRASIL
JUNHO DE 2008
ANÁLISE DE MATERIAL E PROJETO BÁSICO PARA IMPLANTAÇÃO DE SETOR DE SECAGEM PARA JATOBÁ E GERAÇÃO DE VAPOR
RELATÓRIO FINAL
SÃO BENTO DO SUL - SANTA CATARINA - BRASIL
JUNHO DE 2008
CONTEÚDO
1- ANTECEDENTES 1
2- ANÁLISE DO MATERIAL UTILIZADO 2
2.1- MATERIAL 2
2.2- TEOR DE UMIDADE 2
2.3- ESPECIFICAÇÕES PERTINENTES AO PRODUTO FINAL 3
2.4- TEMPO DO PROCESSO DE SECAGEM 3
2.5- CARTA DE PROCESSO 3
3- PROJETO E EQUIPAMENTO UTILIZADO 4
3.1- CÂMARAS DE SECAGEM 4
3.1.1- CAPACIDADE E DIMENSÕES INTERNAS 4
3.1.2- CONSTRUÇÕES 5
3.1.3- CARREGAMENTO 5
3.1.4- VENTILAÇÃO 5
3.1.5- RENOVAÇÃO DE AR 7
3.1.6- AQUECIMENTO 7
3.1.7- SISTEMA DE UMIDIFICAÇÃO 15
3.1.8- AUTOMAÇÃO 16
3.2- UNIDADE DE GERAÇÃO DE VAPOR 16
3.2.1- CALDEIRA 16
3.2.2- CONSUMO DE LENHA 16
4- ESPECIFICAÇÕES 17
5- PLANTAS DAS EDIFICAÇÕES 19
6- MEMORIAL DE CÁLCULOS 23
LISTA DE TABELAS
TABELA 01 – CARTA DE PROCESSO 3
TABELA 02 – PRINCIPAIS DIMENSÕES INTERNAS DO SECADOR 4
TABELA 03 – PROPRIEDADES UTILIZADAS E VOLUME TOTAL DE AR NESSESÁRIO 6
TABELA 04 – PROPRIEDADES UTILIZADAS E VAZÃO DE RENOVAÇÃO DE AR NECESSÁRIA 7
TABELA 05 – VALORES DE CÁLCULO E ENERGIA NECESSÁRIA PARA AQUECIMENO DO SECADOR NO 1º ESTÁGIO 8
TABELA 06 – VALORES DE CÁLCULO E ENERGIA NECESSÁRIA PARA AQUECIMENO DO SECADOR NO 2º ESTÁGIO 8
TABELA 07 – VALORES DE CÁLCULO E ENERGIA NECESSÁRIA PARA AQUECIMENO DO SECADOR NO 3º ESTÁGIO 9
TABELA 08 – VALORES DE CÁLCULO E ENERGIA NECESSÁRIA PARA AQUECIMENO DO SECADOR NO 4º ESTÁGIO 9
TABELA 09 – VALORES DE CÁLCULO E ENERGIA NECESSÁRIA PARA AQUECIMENO DO SECADOR NO 5º ESTÁGIO 10
TABELA 10 – VALORES DE CÁLCULO E ENERGIA NECESSÁRIA PARA AQUECIMENO DO SECADOR NO 6º ESTÁGIO 10
TABELA 11 – COEFICIENTES DE CONDUTIBILIDADE TÉRMICA UTILIZADOS 11
TABELA 12 – ENERGIA NECESSÁRIA PARA MANTER O SECADOR NO 1º ESTÁGIO 11
TABELA 13 – ENERGIA NECESSÁRIA PARA MANTER O SECADOR NO 2º ESTÁGIO 11
TABELA 14 – ENERGIA NECESSÁRIA PARA MANTER O SECADOR NO 3º ESTÁGIO 12
TABELA 15 – ENERGIA NECESSÁRIA PARA MANTER O SECADOR NO 4º ESTÁGIO 12
TABELA 16 – ENERGIA NECESSÁRIA PARA MANTER O SECADOR NO 5º ESTÁGIO 12
TABELA 17 – ENERGIA NECESSÁRIA PARA MANTER O SECADOR NO 6º ESTÁGIO 12
TABELA 18 – ENERGIA TOTAL E POR HORA, NECESSÁRIAS PARA CADA SECADOR 13
TABELA 19 – PROPRIEDADES DO VAPOR REQUERIDO PELOS SECADORES 13
TABELA 20 – DIÂMETRO DOS TUBOS DE ALIMENTAÇÃO DE VAPOR AOS SECADORES 14
TABELA 21 – PARÂMETROS UTILIZADOS NO CÁLCULO DA ÁREA DE TROCA TÉRMICA 14
TABELA 22 – VALORES CALCULADOS PARA O DIMENSIONAMENTO DOS TROCADORES DE CALOR DE CADA SECADOR 15
TABELA 23 – NECESSIDADE DO SISTEMA DE UMIDIFICAÇÃO 15
TABELA 24 – ESPECIFICAÇÕES DOS EQUIPAMENTOS E INSTALAÇÕES 17
TABELA 24 – ESPECIFICAÇÕES DOS EQUIPAMENTOS E INSTALAÇÕES (CONTINUAÇÃO) 18
FIGURA 01 – LAYOUT SIMPLIFICADO 19
1- ANTECEDENTES
Foi determinado que é necessário desenvolver o projeto básico do equipamento de secagem de madeira serrada de Jatobá. As tábuas serradas teriam larguras variáveis, com espessura de 30 milímetros e comprimento de 2,40 metros. O uso final desta madeira é para a fabricação de decking. Estipulou-se um volume de madeira em torno de 100 metros cúbicos no secador.
Solicitou-se também análise do material (Jatobá) e definição da carta de processo de secagem desta madeira.
O desenvolvimento do projeto básico envolve o cálculo e o dimensionamento do secador e de uma unidade de geração de vapor.
O prazo de entrega deste projeto foi definido para a segunda semana do mês de junho de 2008.
2- ANÁLISE DO MATERIAL UTILIZADO
Neste item são apresentados o material utilizado, o produto final e suas especificações. Também se faz uma análise do processo de secagem e determinação da carta de processo.
2.1- MATERIAL
A espécie de madeira utilizada será o jatobá, conhecido cientificamente por Hymenaea sp. família das leguminosas. Tem coloração róseo-pardacento ao pardo-avermelhado-claro, uniforme ou com veios longitudinais. Alburno espesso, branco-amarelado. Superfície pouco lustrosa, textura lisa a grossa, grã normalmente reversa. Gosto e odor indistintos. Ocorre desde o sul do México até a Bahia, nas matas de terra firme de solo argiloso e várzeas altas. A madeira de jatobá pode ser classificada como de alto peso específico, baixa retratibilidade e alta resistência mecânica. Difícil a moderadamente fácil de trabalhar, pode ser desenrolada, aplainada, colada, parafusada e pregada sem muitos problemas. Apresenta resistência para tornear e faquear. O acabamento é agradável. Aceita pintura, verniz, lustre e emassamento. Utiliza-se construções externas (obras hidráulicas, postes e vigas), construções pesadas, laminados, móveis, cabos de ferramentas, também em implementos agrícolas, carrocerias e vagões, dormentes, cruzetas e construção civil em geral (pisos, assoalhos, revestimentos, estrutural, decking).
Devido á grã normalmente reversa, podem-se ocorrer torções devido a uma secagem mal conduzida. Possui tendência a trincas superficiais.
A massa específica básica em média está em torno dos 750 kg/m³ e sua massa específica aparente em 15% de umidade é de 910 kg/m³. O jatobá possui coeficiente de contração radial de 3,1%, tangencial de 7,2% e volumétrico de 10,7%. Seu coeficiente de anisotropia é de 2,32 %/%, considerado alto.
2.2- TEOR DE UMIDADE
Consideram-se como verde as peças de madeira ao início da secagem. Desta forma, para o dimensionamento dos equipamentos, utiliza-se uma umidade inicial de 80%.
Em função das especificações do produto final, utiliza-se para fins de dimensionamento a umidade de 15%.
2.3- ESPECIFICAÇÕES PERTINENTES AO PRODUTO FINAL
Definiu-se como produto final especificado a produção de decking. Este produto aceita umidade de até 18%, porém utiliza-se uma média em torno de 15% em função da base seca. Não aceita torções ou encurvamentos, tampouco trincas e rachaduras.
2.4- TEMPO DO PROCESSO DE SECAGEM
Com base em conhecimentos práticos, estima-se o tempo de secagem em 345 horas. O tempo de carregamento e descarregamento por empilhadeira não deverá exceder de 5 horas.
2.5- CARTA DE PROCESSO
Em função do material utilizado, a carta de processo deve ser realizada sob certos parâmetros de temperatura e umidade relativa. Para a realização do processo de secagem da espécie estudada, utiliza-se de temperatura de bulbo seco (TBS) de 45°C no inicio da secagem, elevando-se esta até 60°C à fase final. Sugere-se para potencial de secagem, um valor de 2. Veja na TABELA 01 a carta do processo de secagem e seus parâmetros.
TABELA 01 – CARTA DE PROCESSO
ESTÁGIO FASES TBS (°C) TBU (°C) UR (%) UE (%) PS * TEMPO* (h)
1º Aquecimento 45 45 100 28 - 10
2º Verde – 40 45 43 92 20 2 180
3º 40 – 30 50 47 82 15 2 50
4º 30 – 20 55 47 65 10 2 50
5º 20 – 15 60 47 52 7,5 2 25
6º Condicionamento 60 57 84 15 1 30
*PS – Potencial de Secagem é um parâmetro adimensional
*TEMPO – Tempo estimado para cada estágio da secagem
A carta de processo foi desenvolvida em função de temperaturas de bulbo seco inicial e final e do potencial de secagem sugerido. As informações de temperatura de bulbo úmido (TBU), umidade relativa (UR) e umidade de equilíbrio da madeira (UE) foram obtidas através de cálculos e tabelas.
3- PROJETO E EQUIPAMENTO UTILIZADO
3.1- CÂMARAS DE SECAGEM
A seleção do processo de secagem para madeira serrada depende de algumas variáveis, dentre elas podemos citar as mais importantes como sendo as propriedades físicas da madeira, a propensão desta aos defeitos, requisitos de qualidade do produto final e aspectos econômicos e financeiros.
Considerando-se estes aspectos, definiu-se a secagem convencional, como sendo a mais adequada. O controle da secagem se da em função da temperatura e umidade relativa do ar. Com o intuito de minimização de custos, pode-se também ser controlada a vazão do ar.
Para questões de dimensionamento de equipamentos, estão sendo utilizadas como condições de ambiente externo temperatura média anual de 25 °C e umidade relativa média de 80%.
3.1.1- CAPACIDADE E DIMENSÕES INTERNAS
Tem-se a necessidade de secar 100 metros cúbicos por ciclo. Sugere-se para questões financeiras e de melhoria do controle do processo, duas estufas semelhantes, com capacidade efetiva de 50 metros cúbicos cada. Esta divisão em menores estufas facilita a manter constante o fornecimento de vapor da caldeira e torna esta com disponibilidade de vapor para aquecer com maior eficiência o secador e a madeira.
Em função do tempo de cada ciclo e da capacidade de cada secador, pode-se estimar em torno de 200 metros cúbicos de madeira seca por mês.
Na TABELA 02 demonstram-se as principais dimensões das câmaras de secagem utilizadas.
TABELA 02 – PRINCIPAIS DIMENSÕES INTERNAS DO SECADOR
DIMENSÃO VALOR (m)
Profundidade Interna 6,60
Largura Interna 7,50
Altura até o Sub-Teto 4,00
Altura Total Interna 5,10
Altura da Porta 4,10
Largura da Porta 7,65
Largura do Plenum 1,40
3.1.2- CONSTRUÇÕES
Quanto às construções adotam-se as seguintes definições:
- Visando a redução de espaço físico, redução de investimentos e redução de perdas energéticas do processo, adota-se construções geminadas, ou seja, um secador ao lado do outro, utilizando-se da mesma parede.
- Cobertura, sub-teto, piso, estrutura e fundações deverão ser construídas em concreto. Para as paredes utiliza-se alvenaria. Utilizar tijolos furados, com no mínimo 20 centímetros de largura. Os furos dos tijolos aprisionam ar, que é um excelente isolante térmico.
- O plenum deve ter 1,4 metros de largura.
- A posição dos termômetros de bulbo seco e úmido deve ser na parte traseira da estufa, havendo a necessidade de apenas um termômetro de bulbo seco próximo a porta, na lateral, com sistema retrátil.
- Porta de inspeção ao lado do sistema de termômetros na parte traseira do secador, também uma porta de inspeção na porta de carregamento, na parte frontal da estufa. Porta de manutenção na parte superior da estufa, dando acesso aos ventiladores.
- Porta de carregamento feita de isolamento em lã de rocha, estruturada e revestida com duas folhas, em alumínio, vedada com silicone. Sistema de engate rápido e retirada lateral por carro com mecanismo de elevação.
- Demais acessórios construtivos deverão ser construídos com material com baixo grau de corrosão.
- Utilizar cobertura para carregamento e descarregamento de madeiras dos secadores em estruturas metálicas e telhas de fibrocimento.
3.1.3- CARREGAMENTO
A forma de carregamento utilizada é por empilhadeira. Cada pilha de madeira deve conter 23 camadas de tábuas, totalizando aproximadamente 1,2 metros de altura e 1,2 metros de largura. O comprimento é em função do comprimento das tábuas, 2,4 metros. Serão empilhados 27 pacotes de madeira dentro do secador, totalizando aproximadamente 50 metros cúbicos de madeira. Estes 27 pacotes deverão estar dispostos em 3x3x3 em largura, profundidade e altura.
3.1.4- VENTILAÇÃO
Para facilitar a manutenção, aconselha-se a utilização de ventilação superior. Motorização interna, dimensionados e construídos para suportar condições agressivas de temperatura e umidade. Utilização de defletores na parte superior da pilha, com o intuito de direcionar a vazão entre as camadas de tabiques. Espessura dos tabiques dimensionada em 22 milímetros.
É possível ser determinado o volume total de ar necessário para a secagem em cada estágio em função da umidade específica e da quantidade de umidade a ser absorvida pelo ar. Para se ter melhor uniformidade na umidade da carga de madeira, adota-se um valor máximo para queda do potencial de secagem (P.S.) no decorrer da passagem de ar pela pilha de 20%. Como utilizou-se um P.S. na entrada da pilha de 2, na saída deve-se ter um valor de 1,6.
TABELA 03 – PROPRIEDADES UTILIZADAS E VOLUME TOTAL DE AR NESSESÁRIO
EST. EVAPORAÇÃO
(kg/h) TBS PILHA
(°C) TBU PILHA (°C) UMIDADE ESPECÍFICA
(kg água/m³ ar seco) VOLUME TOTAL NECESSÁRIO DE AR (m³/h)
Entrada Saída Entrada Saída Diferença (Ent.-Saída)
1º 0 45 45 45 - - - -
2º 88,3 45 44 43 0,06023 0,05927 0,00096 91.979
3º 79,5 50 48 47 0,06799 0,06645 0,00154 51.623
4º 79,5 55 52 47 0,06771 0,06637 0,00134 59.328
5º 79,5 60 56 47 0,06757 0,06210 0,00547 14.534
6º 0 60 - 57 - - - -
Para alcançarmos uma vazão na pilha de 91.979 m³/h, utilizar-se-ão 3 ventiladores axiais de acionamento direto, com diâmetro de 950 milímetros e vazão unitária de 35.000 m³/h, uma vez que se institui um fator de segurança de 15%. Assim teremos por secador uma vazão total de 105.000 m³/h. Tendo-se a área livre de passagem de ar pelos tabiques de 9,6 m², tem-se uma velocidade de circulação do ar pela pilha de 2,65 m/s.
Em função da velocidade do ar (2,65 m/s), da largura da pilha (3,6 m), da constante de fricção para madeira bruta (12,2x10-9), da espessura do tabique (22 mm) e uma segunda constante (Ke=4,4x10-8), encontra-se a pressão estática entre a entrada e saída da pilha igual a 1,84 mmH2O. Este valor serve apenas como parâmetro de comparação, porém utiliza-se um valor de aproximadamente 25 mmH2O para o cálculo da potência requerida. Com esta pressão, a vazão necessária e a eficiência do ventilador, calcula-se a potência necessária total, igual a 29 CV.
Usa-se então três motores com potência unitária de 10 CV, 380 volts e capacidade de reversão de fluxo de ar para os dois lados.
Aconselha-se a utilização de um inversor de freqüência por câmara de secagem, o que nos deixa a opção de variarmos a vazão de ar. Isto reduziria para este caso, 22% do consumo de energia elétrica nos ventiladores, significando 6.791 kWh por mês.
3.1.5- RENOVAÇÃO DE AR
Para o cálculo da renovação de ar, utilizam-se as propriedade do ar de entrada, e a massa total de água que este ar deverá absorver em certo período.
O ar de entrada está a 25°C e possui 80% de umidade relativa, o que oferece uma condição de conter 0,01908 kg de água absorvida por metro cúbico de ar. Este valor é utilizado no cálculo da capacidade de absorção de água pelo ar. Veja na TABELA 04 as propriedades utilizadas para cálculo e a vazão necessária de renovação de ar em cada estágio de secagem.
TABELA 04 – PROPRIEDADES UTILIZADAS E VAZÃO DE RENOVAÇÃO DE AR NECESSÁRIA
ESTÁGIO EVAPORAÇÃO
DE ÁGUA (kg/h) TEMP.
(°C) UMIDADE
REL. (%) CAPAC. ABSORSÃO
DO AR (kg/m³) VAZÃO DE AR
NECESS. (m³/h)
1º 0 45 100 0 0
2º 88,3 45 92 0,04256 2.074,7
3º 79,5 50 82 0,04890 1.625,8
4º 79,5 55 64 0,04908 1.619,8
5º 79,5 60 52 0,04857 1.636,8
6º 0 60 84 0,09021 0
Encontra-se uma necessidade de vazão máxima de 2.047,7 m³/hora de entrada de ar nos dumpers. Para isto utilizar-se-ão 12 dumpers, sendo 6 para entrada e 6 para saída de ar. Estes deverão ter as dimensões de 400 x 400 milímetros, construídos em chapas de alumínio, com batente e telhado superior. Seu acionamento deverá ser proporcional (sistema de rosca sem fim), com regulagem de abertura máxima.
Sugere-se o acompanhamento durante o processo e verificação de vazão. Para a abertura máxima, a velocidade de entrada de ar destes dumpers deverá ser igual a 1,56 m/s em cada. Caso contrário, este deverá ser estrangulado.
3.1.6- AQUECIMENTO
Para se determinar o aquecimento de um secador, é necessário se conhecer a energia necessária para aquecer e manter o secador em funcionamento. Para isto dividimos este item em quatro fases de cálculo: Energia Para Aquecimento do Secador, Energia Para Manter o Secador, Dimensionamento da Tubulação de Alimentação dos Secadores e Dimensionamento dos Trocadores de Calor.
a) Energia Para Aquecimento do Secador
A energia para se aquecer o sistema é calculada em função do material, de sua massa e a variação de temperatura a qual se submete este material. A variação de temperatura que se submete este material é dada por estágios de secagem, sendo eles:
1º Estágio – de 25°C até 45°C – 10 horas de aquecimento;
2º Estágio – manter em 45°C – sem aquecimento;
3º Estágio – de 45°C até 50°C – 10 horas de aquecimento;
4º Estágio de 50°C até 55°C – 10 horas de aquecimento;
5º Estágio de 55°C até 60°C – 10 horas de aquecimento e
6º Estágio - manter em 60°C por 30 horas sem aquecimento.
Veja nas TABELAS 05, 06, 07, 08, 09 e 10 os valores utilizados para cálculo e a energia necessária para o aquecimento do secador, de seus equipamentos, do ar e da madeira dispostos internamente, para cada estágio de secagem, respectivamente.
TABELA 05 – VALORES DE CÁLCULO E ENERGIA NECESSÁRIA PARA AQUECIMENO DO SECADOR NO 1º ESTÁGIO
TIPO MASSA (kg) CALOR ESPECÍFICO(kcal/kg°C) ENERGIA (kcal)
Água (1000 kg/m³) 31.800,0 1,000 636.000,0
Madeira (750 kg/m³) 39.750,0 0,420 333.900,0
Concreto (2400 kg/m³) 58.017,6 0,210 243.673,9
Tijolos Furados (1200 kg/m³) 22.768,8 0,220 100.182,7
Reboco (1500 kg/m³) 5.596,8 0,200 22.387,2
Ar (1,2 kg/m³) 227,5 0,240 1.092,0
Alumínio (2700 kg/m³) 2.000,0 0,219 8.760,0
Lã de Rocha (32 kg/m³) 100,4 0,160 321,3
Ferro (8.900 kg/m³) 2.000,0 0,117 4.680,0
Total - - 1.350.997,1
O 1º Estágio refere-se ao aquecimento da madeira verde, correspondente a uma massa de água igual a 31.800,0 kg e uma variação de temperatura igual a 20ºC. Tem-se um total de 1.350.997,1 kcal de energia necessária. Para o 1º Estagio considera-se um período de 10 horas de aquecimento, correspondente a 135.099,7 kcal/h, para cada secador.
TABELA 06 – VALORES DE CÁLCULO E ENERGIA NECESSÁRIA PARA AQUECIMENO DO SECADOR NO 2º ESTÁGIO
TIPO MASSA (kg) CALOR ESPECÍFICO(kcal/kg°C) ENERGIA (kcal)
Água (1000 kg/m³) 31.800,0 1,000 0
Madeira (750 kg/m³) 39.750,0 0,420 0
Concreto (2400 kg/m³) 58.017,6 0,210 0
Tijolos Furados (1200 kg/m³) 22.768,8 0,220 0
Reboco (1500 kg/m³) 5.596,8 0,200 0
Ar (1,2 kg/m³) 227,5 0,240 0
Alumínio (2700 kg/m³) 2.000,0 0,219 0
Lã de Rocha (32 kg/m³) 100,4 0,160 0
Ferro (8.900 kg/m³) 2.000,0 0,117 0
Total - - 0
Para o cálculo do 2º Estágio, não há energia necessária para aquecimento, pois não se tem aumento na temperatura.
TABELA 07 – VALORES DE CÁLCULO E ENERGIA NECESSÁRIA PARA AQUECIMENO DO SECADOR NO 3º ESTÁGIO
TIPO MASSA (kg) CALOR ESPECÍFICO(kcal/kg°C) ENERGIA (kcal)
Água (1000 kg/m³) 15.900,0 1,000 79.500,0
Madeira (750 kg/m³) 39.750,0 0,420 83.475,0
Concreto (2400 kg/m³) 58.017,6 0,210 60.918,5
Tijolos Furados (1200 kg/m³) 22.768,8 0,220 25.045,7
Reboco (1500 kg/m³) 5.596,8 0,200 5.596,8
Ar (1,2 kg/m³) 227,5 0,240 273,0
Alumínio (2700 kg/m³) 2.000,0 0,219 2.190,0
Lã de Rocha (32 kg/m³) 100,4 0,160 80,3
Ferro (8.900 kg/m³) 2.000,0 0,117 1.170,0
Total - - 258.249,3
No 3º Estágio, variamos a temperatura em 5°C e utilizamos para fins de cálculo uma massa de água de 15.900,0 kg. Assim temos um total de 258.249,3 kcal necessárias. Divide-se este total em aproximadamente 10 horas e temos 25.824,9 kcal de energia necessária por hora.
TABELA 08 – VALORES DE CÁLCULO E ENERGIA NECESSÁRIA PARA AQUECIMENO DO SECADOR NO 4º ESTÁGIO
TIPO MASSA (kg) CALOR ESPECÍFICO(kcal/kg°C) ENERGIA (kcal)
Água (1000 kg/m³) 11.925,0 1,000 59.625,0
Madeira (750 kg/m³) 39.750,0 0,420 83.475,0
Concreto (2400 kg/m³) 58.017,6 0,210 60.918,5
Tijolos Furados (1200 kg/m³) 22.768,8 0,220 25.045,7
Reboco (1500 kg/m³) 5.596,8 0,200 5.596,8
Ar (1,2 kg/m³) 227,5 0,240 273,0
Alumínio (2700 kg/m³) 2.000,0 0,219 2.190,0
Lã de Rocha (32 kg/m³) 100,4 0,160 80,3
Ferro (8.900 kg/m³) 2.000,0 0,117 1.170,0
Total - - 238.374,3
No 4º Estágio temos um total de 10 horas de aquecimento e aproximadamente 23.837,4 kcal/h de necessidade de vapor.
TABELA 09 – VALORES DE CÁLCULO E ENERGIA NECESSÁRIA PARA AQUECIMENO DO SECADOR NO 5º ESTÁGIO
TIPO MASSA (kg) CALOR ESPECÍFICO(kcal/kg°C) ENERGIA (kcal)
Água (1000 kg/m³) 7.950,0 1,000 39.750,0
Madeira (750 kg/m³) 39.750,0 0,420 83.475,0
Concreto (2400 kg/m³) 58.017,6 0,210 60.918,5
Tijolos Furados (1200 kg/m³) 22.768,8 0,220 25.045,7
Reboco (1500 kg/m³) 5.596,8 0,200 5.596,8
Ar (1,2 kg/m³) 227,5 0,240 273,0
Alumínio (2700 kg/m³) 2.000,0 0,219 2.190,0
Lã de Rocha (32 kg/m³) 100,4 0,160 80,3
Ferro (8.900 kg/m³) 2.000,0 0,117 1.170,0
Total - - 218.499,3
No 5º Estágio temos um total de 10 horas de aquecimento e aproximadamente 21.849,9 kcal/h de necessidade de vapor.
TABELA 10 – VALORES DE CÁLCULO E ENERGIA NECESSÁRIA PARA AQUECIMENO DO SECADOR NO 6º ESTÁGIO
TIPO MASSA (kg) CALOR ESPECÍFICO(kcal/kg°C) ENERGIA (kcal)
Água (1000 kg/m³) 6.926,25 1,000 0
Madeira (750 kg/m³) 39.750,0 0,420 0
Concreto (2400 kg/m³) 58.017,6 0,210 0
Tijolos Furados (1200 kg/m³) 22.768,8 0,220 0
Reboco (1500 kg/m³) 5.596,8 0,200 0
Ar (1,2 kg/m³) 227,5 0,240 0
Alumínio (2700 kg/m³) 2.000,0 0,219 0
Lã de Rocha (32 kg/m³) 100,4 0,160 0
Ferro (8.900 kg/m³) 2.000,0 0,117 0
Total - - 0
Como não se varia a temperatura neste ultimo estágio, teremos apenas perdas de energia para manter o secador, portanto a energia de aquecimento é zero.
A energia total consumida para o aquecimento de um secador é de 2.066.120 kcal.
b) Energia Para Manter o Secador
Para a manutenção do secador, consideram-se os mesmos estágios do aquecimento, porém os parâmetros são:
- Evaporação de Água;
- Perdas Para o Ambiente Externo e
- Renovação de Ar.
Para a água, utiliza-se no cálculo a massa evaporada e o calor latente de vaporização (540 kcal/kg). Nas perdas para o ambiente, utiliza-se a condutibilidade térmica para cada material, sua área de troca térmica com o meio, espessura e a variação de temperatura que está submetido o sistema. Para a renovação de ar, utiliza-se o volume de ar de reposição para cada estágio, as características do ar de entrada e a energia necessária para aquecê-lo.
Utilizou-se para cálculo das perdas para o ambiente os coeficientes de condutibilidade térmica vistos na TABELA 11.
TABELA 11 – COEFICIENTES DE CONDUTIBILIDADE TÉRMICA UTILIZADOS
MATERIAL COEFICIENTE (kcal/h*m*°C)
Argamassa 0,75
Alumínio 175
Concreto Armado 1,30
Lã de Rocha 0,035
Tijolo Furado 0,35
Veja nas TABELAS 12, 13, 14, 15, 16 e 17 os valores utilizados para cálculo e a energia necessária para a manutenção da secagem, para cada estágio de secagem, respectivamente.
TABELA 12 – ENERGIA NECESSÁRIA PARA MANTER O SECADOR NO 1º ESTÁGIO
PARÂMETRO ENERGIA (kcal)
Evaporação de Água 0
Perdas Para o Ambiente Externo 92.641,6
Renovação de Ar 0
Total 92.641,6
No 1º Estágio, não se tem evaporação de água, portanto é nula a quantidade de energia para este fim. Para as perdas, temos uma variação média de temperatura entre a parte interna e externa da estufa de 10°C, consideramos 10 horas e temos uma necessidade de energia de 92.641,6 kcal. Não se tem renovação de ar neste estágio. Totalizou-se para manter o 1º Estágio de secagem, um valor total de energia de 9.264,2 kcal/h.
TABELA 13 – ENERGIA NECESSÁRIA PARA MANTER O SECADOR NO 2º ESTÁGIO
PARÂMETRO ENERGIA (kcal)
Evaporação de Água 8.586.000,0
Perdas Para o Ambiente Externo 3.335.098,9
Renovação de Ar 2.293.556,0
Total 14.214.654,9
No 2º Estágio evapora-se 15.900 kg de água, portanto 8.586.000 kcal. Com um total de 14.214.654,9 kcal necessárias em 180 horas, temos 78.970,3 kcal/h de necessidade de energia neste estágio.
TABELA 14 – ENERGIA NECESSÁRIA PARA MANTER O SECADOR NO 3º ESTÁGIO
PARÂMETRO ENERGIA (kcal)
Evaporação de Água 2.146.500,0
Perdas Para o Ambiente Externo 1.158.020,4
Renovação de Ar 624.447,2
Total 3.928.967,6
No 3º Estágio evapora-se 3.975 kg de água, portanto 2.146.500 kcal. Totalizou-se 3.928.967,6 kcal de energia para este estágio, significando 78.579,4 kcal/h, nas 50 horas decorrentes.
TABELA 15 – ENERGIA NECESSÁRIA PARA MANTER O SECADOR NO 4º ESTÁGIO
PARÂMETRO ENERGIA (kcal)
Evaporação de Água 2.146.500,0
Perdas Para o Ambiente Externo 1.389.624,5
Renovação de Ar 746.112,3
Total 4.282.236,8
Para as 50 horas de decorrência deste estágio são necessárias 85.644,7 kcal/hora para manutenção.
TABELA 16 – ENERGIA NECESSÁRIA PARA MANTER O SECADOR NO 5º ESTÁGIO
PARÂMETRO ENERGIA (kcal)
Evaporação de Água 1.073.250,0
Perdas Para o Ambiente Externo 810.614,3
Renovação de Ar 439.800,0
Total 2.323.664,3
Para as 25 horas do 5 estágio, são necessárias 92.946,6 kcal/hora, em manter.
TABELA 17 – ENERGIA NECESSÁRIA PARA MANTER O SECADOR NO 6º ESTÁGIO
PARÂMETRO ENERGIA (kcal)
Evaporação de Água 0
Perdas Para o Ambiente Externo 972.737,2
Renovação de Ar 0
Total 972.737,2
No 6º Estágio, não se tem evaporação de água, portanto é nula a quantidade de energia para este fim. Nas 30 horas decorrentes, utilizam-se 32.424,6 kcal/hora, apenas com perdas para o ambiente externo.
A energia gasta em manter um secador é de 25.953.864,9 kcal.
c) Dimensionamento da Tubulação de Alimentação dos Secadores
Para o dimensionamento da tubulação de alimentação dos secadores, utilizam-se os valores obtidos nos itens “a” e “b” de energia necessária. Na TABELA 18 segue as energias totais e por horas necessárias para aquecer e manter cada secador.
TABELA 18 – ENERGIA TOTAL E POR HORA, NECESSÁRIAS PARA CADA SECADOR
ESTÁGIO ENERGIA P/ AQUECER ENERGIA P/ MANTER ENERGIA TOTAL
(kcal) (kcal/h) (kcal) (kcal/h) (kcal) (kcal/h)
1º 1.350.997,1 135.099,7 231.604,1 9264,2 1.582.601,2 144.363,9
2º 0 0 14.214.654,9 78.970,3 14.214.654,9 78.970,3
3º 258.249,3 25.824,9 3.928.967,6 78.579,4 4.187.216,9 104.404,3
4º 238.374,3 23.837,4 4.282.236,8 85.644,7 4.520.611,1 109.482,1
5º 218.499,3 21.849,9 2.323.664,3 92.946,6 2.542.163,6 114.796,5
6º 0 0 972.737,2 32.424,6 972.737,2 32.424,6
Total 2.066.120,0 - 25.953.864,9 - 28.019.984,9 -
Como o 1º estágio de secagem é o com maior necessidade de energia, não se trabalha este estágio em conjunto para os dois secadores. Assim existirá uma necessidade de disponibilidade máxima de energia de 259.160,4 kcal/h, ao se conciliarem os estágios “1º” e “5º”, entre as duas câmaras de secagem. Segue na TABELA 19 as propriedades do vapor a ser utilizado.
TABELA 19 – PROPRIEDADES DO VAPOR REQUERIDO PELOS SECADORES
PROPRIEDADE VALOR
Pressão 1,5 kg/cm²
Temperatura 110,8 °C
Volume Específico 1,180 m³/kg
Calor Latente de Condensação 531,9 kcal/kg
Para que não haja corrosão interna na tubulação, utiliza-se uma velocidade do vapor de no máximo 25 m/s para a tubulação principal e de 30 m/s para a secundária. Para estas velocidades encontram-se as dimensões da tubulação necessária. Veja na TABELA 20 os diâmetros necessários em cada seção da tubulação. A tubulação principal está dimensionada para uma vazão máxima de 487,3 kg de vapor por hora e a tubulação secundária para uma vazão de 271,5 kg de vapor por hora.
TABELA 20 – DIÂMETRO DOS TUBOS DE ALIMENTAÇÃO DE VAPOR AOS SECADORES
TUBO DIÂMETRO (pol)
Tubulação Principal 4”
Tubulação Secundária 2 ¾”
Retorno Condensado Principal 3 ¾”
Retorno Condensado Secundário 2 ½”
d) Dimensionamento dos Trocadores de Calor
Para o dimensionamento da área de troca térmica dos trocadores de calor, são necessários os valores de demanda térmica máxima consumida no secador, o coeficiente global de troca térmica e a média logarítmica das diferenças de temperatura. Para o cálculo do coeficiente global de transmissão de calor, são utilizados os valores de coeficiente laminar de vapor, coeficiente laminar do ar, coeficiente de condutibilidade térmica do material que é feito o trocador e a espessura da parede do trocador de calor. Para a média logarítmica da diferença de temperatura são utilizados os valores de temperatura antes do trocador, depois do trocador e temperatura do vapor, para o 1º Estágio, por este requerer maior necessidade de troca térmica. Podem ser vistos na TABELA 21 os parâmetros, seus valores e suas respectivas unidades.
TABELA 21 – PARÂMETROS UTILIZADOS NO CÁLCULO DA ÁREA DE TROCA TÉRMICA
PARÂMETRO UNIDADE VALOR
Coeficiente Laminar do Vapor (kcal/h*m²*°C) 5.000
Coeficiente Laminar do Ar (kcal/h*m²*°C) 50
Coeficiente de Condutibilidade Térmica do Aço (kcal/h*m²*°C) 46,1
Espessura da Parede do Trocador (mm) 3
Eficiência da Aleta (%) 80
Temperatura do Vapor (°C) 110,8
Temperatura do Condensado (°C) 100
Temperatura Antes do Trocador (ambiente) (°C) 25
Temperatura Depois do Trocador (°C) 45
Fator de Segurança (%) 30
Velocidade do Ar no Trocador (m/s) 5,2
Quantidade de Aletas por Metro (un./m) 125
Diâmetro do Tubo (mm) 33,3
Diâmetro da Aleta (mm) 73,3
Comprimento dos Tubos (m) 1,250
Coef. de Condutibilidade Térmica da Aleta (kcal/h*m²*°C) 46,1
Largura do Secador (m) 7,5
Seguem na TABELA 22 os valores calculados para o dimensionamento dos trocadores de calor necessários para cada secador.
TABELA 22 – VALORES CALCULADOS PARA O DIMENSIONAMENTO DOS TROCADORES DE CALOR DE CADA SECADOR
DIMENSIONAMENTO UNIDADE VALOR
Demanda Térmica Máxima (kcal/h) 145.000
Coeficiente Global de Troca Térmica (kcal/h*m²*°C) 49,35
Média Logarítmica das Diferenças de Temp. (°C) 30,53
Área de Troca Térmica Eficaz (m²) 125,1
Área Total por Metro de Tubo Aletado (m²) 0,9418
Eficiência do Tubo (%) 77,4
Desta forma, encontra-se uma necessidade de área de troca térmica de 161,6 m², sendo esta distribuída em 69 tubos de 1,25 m na parte frontal e 69 tubos na parte traseira do secador, assim se obterá uma demanda térmica de 145.000 kcal. A distância entre eixos dos tubos deve ser de 105 mm. Utilizam-se radiadores de aço carbono e aletas em aço galvanizado, com posicionamento diagonal em 45°, na parte superior do sub-teto. Devem resistir a uma pressão mínima de teste de 15 kg/cm². Estes devem ser dispostos entre os ventiladores e a linha de dumpers. Utilizam-se válvulas de acionamento proporcional, permitindo o controle de vazão.
3.1.7- SISTEMA DE UMIDIFICAÇÃO
Utilizar-se-á de umidificação por vaporização direta. Este sistema será utilizado nos estágios 1º e 6º da secagem. Para cálculo da necessidade de vapor utiliza-se a capacidade de absorção de água pelo ar nas condições ambientes, e a capacidade após aquecimento. Para que em 30 minutos sejam alcançadas as condições necessárias nos 1º e 6º estágios, seguem na TABELA 23 as necessidades do sistema de umidificação.
TABELA 23 – NECESSIDADE DO SISTEMA DE UMIDIFICAÇÃO
ESTÁGIO NECESSIDADE DE ABSORÇÃO (kg/m³) VOLUME DE AR POR HORA (m³/h) FLUXO DE VAPOR (kg/h)
1º 0,04639 394,9 18,4
6º 0,04157 394,9 16,4
Para isto são utilizados uma válvula de acionamento on/off e uma tubulação de ¾” de diâmetro. O próprio tubo de ¾” pode ser utilizado na distribuição deste vapor no interior do secador. Deve ter 7 metros de comprimento e ter furos de 2 mm de diâmetro a cada 8 cm. Este tubo deve ser localizado no interior da estufa, próximo aos ventiladores, para facilitar a homogeneização do ambiente.
3.1.8- AUTOMAÇÃO
Permitindo controlar o processo de secagem, o sistema de controle deverá ser automatizado. Este deve atuar sobre as variáveis de temperatura, umidade relativa do ar e rotação dos ventiladores. O sistema deve proporcionar algumas condições básicas: Inclusão da carta de processo e fácil alteração desta a qualquer momento; Display em português; Inversão do sentido dos ventiladores; Condução completa do ciclo de secagem; Possibilidade de operação manual; Registro contínuo das informações; Medição de oito pontos de medição da umidade da madeira; Medição de dois pontos de TBS e um de TBU; Monitorar e controlar temperaturas e umidade relativa de acordo com a carta de processo, em função do teor de umidade da madeira. Será utilizado um micro computador com impressora.
3.2- UNIDADE DE GERAÇÃO DE VAPOR
3.2.1- CALDEIRA
Para fornecer a demanda de energia necessária de 259.160,4 kcal, deverá ser utilizada uma caldeira de 1,5 kg/cm² de pressão, temperatura do vapor saturado de 110,8°C. Caso estivéssemos em uma situação de condições ideais, precisaríamos de uma disponibilidade de produção de vapor 487,3 kg/h. Como existem perdas de pressão e temperatura neste processo, atribui-se para efeito de cálculo, cerca de 30 % de perdas no percurso do vapor, 15 % de perdas nos trocadores de calor em função do abrir e fechar dos purgadores e mais 15 % de margem de segurança. Assim teremos uma necessidade de geração de vapor máxima de 780 kg/h.
3.2.2- CONSUMO DE LENHA
Para queima nesta caldeira será utilizada lenha como fonte de energia primária. Esta lenha estará com 15% de umidade e tem uma massa específica em torno dos 970 kg/m³.
Deve-se entrar com 487.831,3 kcal de energia em forma de lenha para a produção de 780 kg/h de vapor, com a eficiência da caldeira sendo 85%. Visto que o poder calorífico desta lenha é de 3.921,7 kcal/kg, temos uma necessidade máxima de 124,4 kg de lenha por hora.
Em média existirá um consumo de 152.879,7 kcal/h de lenha, significando um consumo médio de 39,0 kg de lenha por hora, totalizando 26,9 ton de lenha por mês. Ou, respectivamente, 0,04 m³ em média por hora e 27,7 m³ mensais de lenha.
4- ESPECIFICAÇÕES
Estas especificações foram obtidas em cálculo e dimensionamento no item três (PROJETO E EQUIPAMENTO UTILIZADO) deste documento, onde se detalha a forma de obtenção destes valores. Na TABELA 20 se apresenta a relação de equipamentos necessários suas especificações e instalações para o projeto básico.
TABELA 24 – ESPECIFICAÇÕES DOS EQUIPAMENTOS E INSTALAÇÕES
ITEM SUB-ITEM ESPECIFICAÇÕES
Secagem 2 Câmaras de Secagem Convencional Capacidade de aprox. 50 m³ por câmara
Carregamento Empilhadeira
Construções Secadores Profundidade Interna 6,60 m
Largura Interna 7,50 m
Altura até o Sub-Teto 4,00 m
Altura Total Interna 5,10 m
Largura do Plenum 1,40 m
Fundações Concreto
Piso Concreto
Teto Concreto
Sub-Teto Concreto
Paredes Alvenaria com tijolo de 6 furos deitados
Porta Revestida em alumínio com isolamento de lã de rocha e vedação em silicone. Dimensões de 7,65x4,10 m e espessura de 100 mm.
Cobertura para carregamento e descarregamento Estrutura metálica e telhas em fibrocimento
Sala de Controle Alvenaria com 30 m² e sanitário de 6 m².
Caldeira Alvenaria com 60 m², 6x10 m.
Sistema de Ventilação Ventiladores 3 ventiladores axiais Com acionamento direto e diâmetro de 950 mm. Vazão unitária de 35.000 m³/h e vazão total de 105.000 m³/h
Motores 3 motores de 10 CV de potência Tensão de entrada de 380V e capacidade de reversão para ventilação em ambas direções.
Inversor de Freqüência 1 por câmara Para atender a 30 CV.
TABELA 24 – ESPECIFICAÇÕES DOS EQUIPAMENTOS E INSTALAÇÕES (CONTINUAÇÃO)
ITEM SUB-ITEM ESPECIFICAÇÕES
Sistema de Aquecimento Tubulação Principal Diâmetro 4”
Tubulação Secundaria Diâmetro 2 ¾”
Válvulas Proporcionais
Radiadores Tubos com 1,25 metros de comprimento, 125 aletas por metro, totalizando 161,6 m² de área de troca térmica. Diâmetro de 33,3 mm e diâmetro da aleta de 73,3 mm. Espessura da aleta de 0,7mm. Dispostos em diagonal na parte superior do sub-teto.
Retorno de Condensado Tubulação Principal Diâmetro 3 ¾”
Tubulação Secundária Diâmetro 2 ½”
Purgadores 1 por secador 2 ½”
Sistema de Umidificação Tubulação Diâmetro de ¾”
Válvula Tipo solenóide on/off
Tubo de Distribuição Com 7 m de comprimento e furos de 2 mm de diâmetro distanciados 80 mm um do outro.
Sistema de Renovação de Ar Dumpers 6 entrada + 6 saída Em alumínio, com dimensões de 400x400 mm. Com batente e telhado superior.
Acionamento Motorizado Proporcional Com eixo central e distribuição independente para cada par de dumpers. Sistema proporcional, com rosca sem fim e regulagem de abertura máxima.
Sistema de Controle CLP Com display digital alfanumérico. Possibilidade de intervenção no caso de falha do sistema automático.
Supervisório Monitoramento e controle de temperatura, umidade relativa e velocidade do ar. Acompanhamento da umidade da madeira com base na carta de processo. Micro computador.
Termômetros Tipo PT 100 Três termômetros, sendo dois localizados nos fundos do secador, estes com caixa de água para TBU, e um na parte frontal, próximo à porta.
Pinos Sensores Sistema Resistivo Oito pares de pinos sensores com cabos dimensionados para atender as necessidades de posicionamentos destes nas pilhas de madeira.
Caldeira Pressão Manométrica 1,5 kg/cm²
Temperatura Vapor 110,8 °C
Vazão de Vapor 780 /h
5- PLANTAS DAS EDIFICAÇÕES
A FIGURA 01 mostra o layout simplificado da área de secagem de madeiras desenvolvida. Encontram-se neste, a área da caldeira, sala de controle com banheiro, os dois secadores e uma área coberta, utilizada na gradeação da madeira e carregamento e descarregamento das estufas.
FIGURA 01 – LAYOUT SIMPLIFICADO
São mostradas a seguir as vistas superior, lateral e frontal do secador. Tais vistas especificadas estão em escala de 1:50.
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Autor: *Ernesto Augusto Garbe* EAGARBE
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