AQUECIMENTO SOLAR PARA FABRICAÇÃO DE QUEIJO.DIMENSIONAMENTO E ESTUDO DE PREVIABILIDADE DE

PROTÓTIPO

Juan José Verdesio BentancurtFaculdade de Agronomia e Medicina Veterinária – Universidade de Brasília

Instituto Central de Ciências Ala Sul - Caixa Postal 4.508 - CEP: 70.910-970. Brasília-DF Tel: (61) 368-9011Fax: (61) 2739-6593 Email: verdesio@unb.br. Home Page: http://usr.solar.com.br/~verdesio

RESUMO

O artigo apresenta um protótipo desistema de aquecimento solar para fabricação dequeijo em pequena escala: 200 l leite/dia. Aenergia para o aquecimento do leite até os 60ºC, é fornecida por coletor solar de 3 m2. Asimulação de funcionamento nos meses demaior e de menor insolação mostra que osistema proposto é viável tecnicamente. Oscustos de instalação do sistema de aquecimentosolar tem retorno em 3 anos e meio de economiano fornecimento da eletricidade.

ABSTRACT

The article presents a prototype ofsystem of solar heating for cheese production insmall scale: 200 l milk/day. The energy for theheating of the milk to 60 ºC, it is supplied bysolar collector of 3 m2. The operation simulationin months of smaller and highest insolation itshows than the proposed system is viabletechnically. The costs of installation of thesystem of solar heating have return in 3 and ahalf years of economy in the supply of theelectricity.

INTRODUÇÃO

A sustentabilidade dos agro-ecosistemas deve ter em conta asustentabilidade energética. As energiasrenováveis tem um importante papel a cumprirno sentido de aumentar a sustentabilidadeenergética nacional. É cada vez mais urgenteuma maior difusão das energias renováveis. Istodevido à crescente dependência mundial nofornecimento de petróleo do Oriente médio

(Verdesio,2002), ao volume insuficiente derecursos petrolíferos do Brasil como paramanter um crescimento econômico sustentado ede longo prazo, somado à premência dediminuir as emissões de gases de efeito estufa.

Existem várias barreiras para aintrodução em maior escala das energiasrenováveis. Jannuzzi e Swisher (1997), citam asseguintes barreiras:

a) falta de informação de todos os atores :consumidores, vendedores,administradores, etc.;

b) legais e institucionais;c) financeiras;d) tecnológicas e de infra-estrutura;e) tarifa e preços energéticos;f) diversidade de atores e de expectativas

deles

As mudanças introduzidas, no Brasil,na regulação e organização das industriasenergéticas podem ter efeitos positivos para adifusão das energias renováveis. O aumento dastarifas dos energéticos para os consumidoresrurais, devido a eliminação de subsídioscruzados pode ser um incentivo para a adoçãode outras técnicas de racionalização energética,ou da adoção das energias renováveis como oaquecimento solar. A energia solar paraaquecimento está já bem desenvolvida e testadapara aquecimento de água em residências. Ela éainda de pouca aplicação na agroindústriaembora já existam experiências de sucesso emoutros países onde já existem agroindústriasequipadas com aquecimento solar de água. Asdificuldades principais no Brasil são as barreirasmencionadas de falta de informação e da

ausência de políticas de financiamento claras ebem estruturadas.

Na Índia existe uma instalaçãoindustrial para processamento de ovos comaquecimento de água solar e complementadopor aquecimento com óleo combustível quefornece 110.000 l/dia de água a 85 ºC (Nagarajuet alii, 1999). A temperatura de entrada da águaé de 22ºC e as quantidades de calor requeridaspara o processo industrial atingem os 8058kWh/dia de 8 horas. A temperatura máximaatingida pelo sistema solar é de 94 ºC no mêsmais ensolarado e de 67ºC no mês menosensolarado. São condições de insolação muitosimilares às encontradas em todo o Centro-oestee Nordeste do Brasil.

O sistema se compõe de 2560 m2 decoletores e 4 tanques de 57,5 m3 isoladostermicamente. Todo o sistema e monitorado econtrolado por um sistema digital deprocessamento de dados que opera as bombaselétricas e os registros pneumáticos. Existe umsistema de controle de falhas. Uma avaliaçãoeconômica simples mostra que a economia decombustível atinge a 78 % do consumo caso nãoexistisse o aquecimento solar. As economiasgeradas com o sistema solar permitem que ainstalação do sistema solar se pague em 5 anosde economia de combustível. Este é um casoemblemático já que esta agroindustria deprocessamento de ovos consegue, com seuaquecimento solar, uma importante economia deóleo combustível: 260.000 l/ano. Além do maisé evitada a poluição decorrente da emissão de9,45 tons de SO2, 675 tons de CO2 e 562 tons deCO. O investimento necessário para umaindustria do porte e das características damencionada é pesado: US$ 355.000, masperfeitamente abordável por industrias destadimensão econômica.

O objetivo principal do estudo desistemas heliotérmicos na nossa instituição, é ade iniciar, o desenvolvimento e a difusão deequipamentos adaptados às condições reais detrabalho dos produtores rurais da região Centro-oeste. A extensão dos conhecimentos geradosna Universidade poderá servir então para tentaracabar com a barreira da falta de informação.

Há ainda outras razões que fazem comque o aquecimento solar seja uma tecnologia defácil adoção no meio rural. Depoimentos deprodutores mostram que, na região, as

dificuldades de fornecimento de energia sãograndes. A distribuição da energia elétrica assimcomo de botijões de GLP é difícil e irregular.As distâncias a percorrer são grandes tanto narede elétrica como no transporte decombustíveis. Na época das chuvas os cortes defornecimento de eletricidade devido àsdescargas elétricas, são freqüentes e duradourose algumas estradas podem apresentardificuldades para o transporte do GLP. Muitasatividades rurais esbarram com sériosproblemas operacionais e financeiros devido aestes problemas apontados: o da eliminação dossubsídios a energia no meio rural, e àirregularidade no fornecimento. Além do mais,os produtores rurais poderiam agregar valor amuitos produtos que podem ser produzidos naregião caso o fornecimento de energia fosseautônomo e garantido. Assim poderiam sercomercializadas mais frutas, bulbos outubérculos se dessecadas com equipamentos desecadores solares, ou processados excessos deleite localmente para produzir queijo ouderivados.

Optou-se primeiro por estudar umprotótipo de pequena escala para poder noutraetapa das pesquisas, desenvolver equipamentosde escalas maiores como os mencionados naÍndia.

No trabalho e apresentada a concepçãode sistema simples de aquecimento solar deágua para tanque de fabricação de queijo de 200l de leite aplicável para a região Centro-Oeste eNordeste. Aqui a insolação é alta em boa partedo ano com variação de intensidade, na média,menor do que 15 % (Colle e Pereira, 1998). Oaquecimento solar é dimensionado para fornecerágua quente para o banho-maria do tanque deleite a 60-65 ºC. A regulagem fina datemperatura de trabalho é feita por sistema deaquecimento elétrico regulado por termostatoeletrônico.

O mercado de coletores solarestérmicos para uso de aquecimento de águaresidencial apresenta taxas de crescimentonotáveis nos últimos anos. Mesmo sem ofantasma da crise de abastecimento deeletricidade, o crescimento foi de 10,2 % porano nos últimos 5 anos (Freidenraich, 2002). Ascifras absolutas de vendas acumuladas sãosimilares as dos países que mais se utilizamdesses sistemas. O Brasil acumula vendas desde1983 de 2,037 x106 de m2. A Alemanha, paísque mais utiliza coletores solares, acumuloudesde 1975 1,07 x106 m2.

No meio rural, no Brasil, estesequipamentos são quase inexistentes. Nosreferimos tanto aos usos residenciais como aosusos úteis à produção em pequena escala comoaquecimento de água até os 60 ou 80 ºC parapasteurização do leite, fabricação do queijo,aquecimento de ambientes, secagem deprodutos agrícolas como madeira, frutas,sementes, e tubérculos. Também sãopraticamente inexistentes os equipamentos deuso agro-industrial de grande escala como oaquecimento de água para processos industriaisde, óleos vegetais, ovos e carnes, fabricação dequeijo, pasteurização, desinfeção de frutas paraexportação, etc.

É apresentado no artigo, o diagrama dosistema completo para um protótipo a serconstruído para ser testado em condições reaisde funcionamento. Também serão apresentadosos cálculos de dimensionamento completo dosistema, o balanço de energia prevista com oaquecimento solar tendo em conta todas asperdas energéticas do sistema, e cálculosfinanceiros demonstrando a viabilidadeeconômica do sistema.

SISTEMA DE AQUECIMENTOSOLAR DE ÁGUA PROPOSTO

O sistema proposto pretende sersimples de construção, barato e fácil de operar.O modelo básico serve para aquecer o banho-maria de um tanque de fabricação de queijo de200 l de leite. Ele se compõe de um coletorsolar com cobertura de vidro convencional. Ocoletor deve estar localizado ao exteriororientado ao norte e a um nível do terrenoinferior de onde se localiza o tanque defabricação do queijo. Desta forma teremoscirculação da água por termosifão. Nasimulação do balanço energético no foiconsiderada a possibilidade de que a circulaçãopor termosifão seja cortada durante a noite. Istopoderá ser feito com sistema de controleacoplado entre temporizador e termostato. Aresistência elétrica seria ligada pelotemporizador a partir do horário maisconveniente de madrugada, toda vez que atemperatura de serviço não seja atingida. Otemporizador também ativaria registros elétricosque se fechariam as 18 horas e se abririam aonascer do sol. Nesta primeira modelagemevitamos incluir os registros elétricos paradiminuir os custos do equipamento.

O coletor solar está ligadohidraulicamente em circuito fechado com obanho-maria do tanque. Tanto os encanamentos

como o tanque e sua respectiva tampa sãoisolados termicamente. A tampa fica cobrindo otanque quando o sistema não está em uso. Oaquecimento suplementar é fornecido porresistência elétrica de 2000 Wh instalada nobanho-maria.

Nas figuras 2 e 3 onde se apresenta a simulaçãoenergética, aparece o suplemento elétrico comoaquecimento externo.

SIMULAÇÃO ENERGÉTICA

O sistema foi simulado com osseguintes parâmetros:

Volume de água no banho-maria 30 lÁrea do coletor solar classe A 3 m2

Ângulo azimutal com relação ao Norte 0 ºInclinação do coletor 15 ºTa Temperatura ambiente janeiro 25 ºCTa Temperatura ambiente agosto 20 ºCP Perda calórica do sistema 15 Wh/ºCQ Irradiância solar no coletor Wh/m2η Eficiência do coletor solar 0,568C Calor específico da água 4190 J/ºCTbm Temperatura em ºC da água no banho–mariaTbm

+ Temperatura em º C da água no banho–maria uma hora depois de receber oaquecimento solar ou a complementaçãoelétrica

O balanço energético horário (Dufie eBeckman, 1980) foi calculado pela equação (1):

)()36003(30

1abmbmbm TTPQ

CTT −−⋅⋅⋅

⋅+=+ η

(1)

A simulação de funcionamento dosistema ao longo do dia, toma em conta aequação anterior e foi desenvolvido para osmeses de janeiro e agosto. Esses meses são,respectivamente, os meses de menor e de maiorinsolação para Brasília. Os valores deirradiância solar diária para esses meses forambaseados no modelo Klucher utilizado noprograma de cálculo desenvolvido peloLaboratório de Energia Solar da UFRGSchamado de RADIASOL (verhttp://www.mecanica.ufrgs.br/solar) Oprograma está disponível em:ftp://ftp.mecanica.ufrgs.br/solar/.

O resultado do cálculo de balançoenergético para os meses de janeiro e agostopode ser visto nas figuras nºs. 2 e 3. Estesgráficos mostram que é possível manter umatemperatura interna do banho-maria, de pelo

menos 60 ºC. A temperatura necessária para afabricação do queijo é de, pelo menos 65 ºC. Atemperatura de operação é mantida dentro doslimites necessários para a fabricação do queijoentre as 6:30 e as 9:30 horas. É necessária umapequena complementação energética paracompensar as perdas que ocorrerão quando da

abertura da tampa do tanque, do despejo do leitee da formação dos coalhos. Normalmente é feitoo queijo nesse intervalo horário. Se o queijofosse feito mais tarde, a temperatura do banho-maria teria que ser rebaixada com adição deágua fria.

Figura 1 Esquema do sistema de aquecimento solar para tanque de fabricação de queijo de 200 l

Figura Nº 2 Simulação do funcionamento do aquecedor solar em janeiro.

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Tem

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Irradiância Solar no coletor Temperatura no Banho-maria

Temperatura ambiente = 25ºC

Aquecimento externo

Figura Nº 3 Simulação do funcionamento do aquecedor em agosto.

ESTIMATIVA DE CUSTOS

Os custos adicionais em R$ doequipamento de aquecimento solar, incluindo amão de obra, são (tabela nº 1):

TABELA Nº 1

ITEM Quantidade Preço CUSTOColetor solarCanos de cobreIsolamento canoIsolamentotanqueTemporizador etermostato

3 m2

20 m20 m

280/m2

8,60/m1,00/m

840,00172,0020,00

600,00

150,00Total 1.782,00

ECONOMIA OBTIDA PELOAQUECIMENTO SOLAR

Os custos energéticos evitados com osistema de aquecimento solar correspondem aoaquecimento elétrico evitado. Para aquecer os 30l,contando com as perdas do sistema, sãonecessários, no mínimo, uns 7 kWh/dia ou seja210 kWh/mês. Com uma tarifa de R$ 0,22/kWh aeconomia anual é de R$ 479,00. Como o custo doinvestimento adicional para instalar o aquecedorsolar é de R$ 1.782,00 o tempo de recuperação doinvestimento é de 3 anos e meioaproximadamente. Isto torna muito viável oaquecimento solar já que a vida útil doaquecimento solar é de 25 anos.

CONCLUSÕES

Tanto a simulação do Balanço energéticocomo o cálculo de custos adicionais mostram queo sistema de aquecimento solar proposto pode serviável para um produtor de queijo de pequenaescala. O balanço energético mostra que o

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Irradiância Solar no coletor Temperatura no Banho-maria

Aquecimento externo

Temperatura ambiente = 20ºC

fornecimento da energia solar no Centro-oeste ésuficientemente alto como para garantir umagrande independência energética. Além do maisas incertezas de fornecimento são muito baixasporque a variabilidade sobre as médiasestimadas de insolação não ultrapassam os 15%. Além do mais, tem a vantagem de não exigirdo operador do equipamento nenhuma outraoperação adicional a não se de manter a tampafechada durante a noite.

O sistema pode ser aproveitar maiseficientemente a radiação solar e a energiaelétrica suplementar com a inclusão dedispositivos de controle automático da entrada esaída da água entre o coletor e o tanque, bemcomo com a programação de liga-desligaautomatizadas e temporizadas da resistênciaelétrica que fornece o aquecimento suplementar.

PALAVRAS CHAVES:

Aquecimento Solar

Queijo

Agroindustrias

Energias Renováveis

REFERÊNCIAS

[1] VERDESIO, J. J. Conflitos no OrienteMédio. Correio Braziliense. Seção Opinião. In:http://usr.solar.com.br/~verdesio/reno/Conflitosno Oriente Médio.pdf. 28/02/2002. Ver tambémhttp://www2.correioweb.com.br/cw/EDICAO_20020429/pri_opi_290402_93.htm.

[2] JANNUZZI, G. DE M.; SWISHER, J. N. P.Planejamento Integrado de Recursos. MeioAmbiente, Conservação de Energia e FontesRenováveis. Campinas, Autores Associados.1997

[3] NAGARAJI J..; GARUD, S.S; ASHOKKUMAR, K.; RAMAKRISHNA RAO, M. 1MWth industrial solar hot water system andits performance; Solar Energy; Vol. 39; Num.5/6, pp 415-420. Elsevier Science Ltd.;Londres; 1999.

[4] COLLE, S.; PEREIRA, E. B. Atlas deIrradiação Solar do Brasil. Inhttp://www.labsolar.ufsc.br/portug/atlas/Arquiv

o/atlas98.pdf.

[5] FREIDENRAICH, N,Tecnologia Solar noBrasil. Os próximos 20 anos. In: Conferênciasobre Sustentabilidade na geração e uso da

energia no Brasil: os próximos 20 anos. 18 a 20de Fevereiro de 2002 Centro de Convenções daUNICAMPCampinas, SP. 11 pp2002.http://www.cgu.rei.unicamp.br/energia2020/papers/paper_Fraidenraich.pdf

[6] DUFIE, J.A.; BECKMAN, W. A. SolarEngineering of Thermal Processes. John Wileyand Sons. 762 pp. New York. 1980

[7] BEZERRA, A. M. Energia Solar.Aquecedores de água. Ed. LITEL. Curitiba.1982. 129 pp.