AQUECIMENTO SOLAR PARA FABRICAÇÃO DE QUEIJO. RESULTADOS PRELIMINARES DE TESTE DE PROTÓTIPO1

Juan José Verdesio Bentancurt Faculdade de Agronomia e Medicina Veterinária – Universidade de Brasília

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Bernardo Costa Ferreira Bolsista DTI do CNPq

Faculdade de Agronomia e Medicina Veterinária – Universidade de Brasília E-mail: bernardocf@unb.br

Felipe Moreira Lima Bolsista DTI do CNPq

Faculdade de Agronomia e Medicina Veterinária – Universidade de Brasília

Resumo

O artigo apresenta os resultados preliminares do estudo de eficiência energética de um sistema de aquecimento solar e a gás de refinaria (GLP - gás liquefeito de petróleo) para pasteurização e fabricação de queijo em uma unidade de banho-maria de 300 litros de capacidade de leite. Foi observado que, com um equipamento convencional de aquecimento a gás e solar, há grandes variações de consumo de gás e as perdas de calor que ocorrem no sistema são muito grandes. Com estes resultados a pesquisa vai continuar sendo desenvolvida com o objetivo de modificar tanto o sistema convencional como a sua operação, para assim poder obter uma economia no consumo de gás de pelo menos 50 %.

Abstract

The article presents the preliminary results of the study of energy efficiency of a system of solar heating and refinery gas (LPG – liquefied petrol gas) for pasteurization and cheese production in unit of bain-marie of 300 liters of capacity of milk. It was observed that, with a conventional equipment of heating by gas and solar collectors, there are great variations of consumption of gas and the losses of heat are very big. With these results the research will continue being developed with the objective of modifying as much the conventional system as his operation, for like this to obtain an economy in the consumption of gas of at least 50%.

1 Introdução

Em Verdesio (2002) foi proposta a construção de um protótipo de sistema de aquecimento solar para complementar a calor fornecido por GLP necessário para a pasteurização do leite. Atualmente, devido à liberação dos preços do GLP, o aquecimento por gás de refinaria está se tornando inviável para os produtores de queijo de pequeno e mediano porte. Francisco Hercílio da Costa Matos (com. pers.), diretor do Departamento de Arranjos Produtivos Locais para a Inclusão social do Ministério da Ciência e Tecnologia nos informou que estudos feitos mostraram, para

1 Pesquisa desenvolvida com o apoio financeiro do CNPQ-CTENERG. No. Processo 551437/01-4. Esta pesquisa tem como objetivo desenvolver e testar em condições reais, protótipos de aquecedores solares para água em processos de pasteurização e ar para secagem de frutas, ervas e condimentos.

2004, que a eletricidade tinha se tornado mais barata, em termos de custos, do que o aquecimento a GLP na fabricação do queijo. Considerando que a tarifa da eletricidade rural é subsidiada e que muitos locais de produção não contam com eletricidade da rede pública, esta alternativa pode se tornar também inviável para muitos produtores caso os subsídios diminuam. Com as mudanças organizacionais do setor elétrico espera-se que os subsídios sejam cada vez menores ou desapareçam. O aceso à rede pública de distribuição de eletricidade em locais rurais terá então que ser equacionada por programas específicos que podem não atingir a todos os interessados. Visto isto se torna premente tentar encontrar soluções tecnológicas que procurem uma maior independência energética dos produtores rurais. O aquecimento solar é uma tecnologia já madura e que pode satisfazer uma grande parte das necessidades de calor abaixo dos 100 ºC de boa parte dos produtores situados no Brasil do Centro-Oeste, Sudeste e Nordeste. A radiação solar é abundante a maior parte do ano (Colle e Pereira, 1998). Falta ainda poder responder as seguintes questões:

a) que tipo de sistema atenderia melhor as necessidades de energia térmica do processo específico de fabricação do queijo onde há uma rotina que começa nas horas mais frias do dia;

b) qual é a melhor sistemática de operação do sistema de aquecimento que permita diminuir ao mínimo o consumo de combustível.

O experimento aqui apresentado pretende responder a estas questões de tal forma que a produção de queijo seja mais sustentável do ponto de vista econômico e ambiental e favoreça a continuidade, no tempo, da unidade produtiva.

Os próximos passos nesta pesquisa serão: instalação de hidrômetros eletrônicos para assim conhecer o balanço de massa, uso de uma mini-bomba hidráulica que faça circular com fluxo constante, a água entre o coletor solar e o boiler nos horários com sol. Instalados estes equipamentos poderemos medir a eficiência do sistema seguindo as normas ABNT. As medidas de eficiência serão feitas no sistema como ele está instalado convencionalmente e com melhorias como anteparos para evitar perdas de calor pelo vento, melhorar o isolamento dos diversos componentes como o boiler, canos e banho-maria.

2 Sistema de aquecimento solar testado

O sistema instalado, da marca SOLETROL é convencional sem nenhuma modificação para aumentar a sua eficiência. Ele é composto de 5 coletores solares classe A de 1,58 m2 de área e um reservatório (boiler) convencional em aço inox com 600 litros de água quente. A propriedade onde são realizados os testes está localizada numa propriedade rural situada dentro do Distrito Federal, no Núcleo Rural Taquara. A propriedade dedica-se exclusivamente a produção de leite e fabricação de queijo tipo Minas, requeijão, queijo tipo mussarela e manteiga de garrafa. Processa uma média de 5000 l de leite por mês.

O tanque de banho-maria em aço inox sem isolamento térmico utilizado para pasteurizar o leite, tem uma capacidade de 300 l de leite e utiliza 120 l de água confinados entre as paredes duplas do tanque. Na parte inferior existe um queimador de gás de refinaria (butano-propano) que é abastecido por botijões de 13 kg de GLP.

3 Sistema de medida do desempenho energético do aquecimento solar

O desempenho técnico foi estimado por coleta de dados de temperatura em 9 pontos diferentes do sistema com termopares ligados a um multiplexer. Um datalogger armazena os dados colhidos de temperatura a cada 5 minutos além de dados ambientais de temperatura do ar, umidade relativa, irradiância solar incidente, velocidade e direção do vento, chuva e temperatura do solo a 20 cm de profundidade. Estes dados também são armazenados no datalogger com freqüência de 5 em 5 minutos. A marca do sistema eletrônico é CAMPBELL. Uma vez por semana os dados recolhidos

são transferidos para um computador e transformados em tabelas e gráficos. A localização dos termopares encontra-se na figura nº 1. Também foi adicionado um hidrômetro convencional para medir a intensidade do fluxo de água por termo-sifão entre os coletores solares e o reservatório.

Figura 1 Localização dos termopares no sistema de aquecimento solar

4 A operação do sistema de aquecimento em condições reais

A análise da sistemática utilizada pelo produtor mostrou que a fabricação se realiza três dias por semana começando o aquecimento do leite entre as 6:00 e 7:00 da manhã. A quantidade de leite processada por dia varia de 390 l e 600 l de leite. O leite é colocado no pasteurizado a uns 10 ºC de temperatura. O leite é despejado nesta temperatura no tanque de banho-maria até completar a capacidade de 300 l. A seguir se abre à entrada da água quente do reservatório do aquecedor solar até completar os 120 l e depois se acende o gás até que o leite atinja os 65 ºC necessários para a pasteurização e a formação da pasta para o queijo. Isto leva em torno de 1 hora. Depois disto o leite é resfriado. A lavagem ainda não é feita se utilizando a água quente do boiler. Futuramente isto será feito para se evitar o uso de produtos químicos na lavagem. O produtor pretende terminar de desenvolver ações que permitam a certificação do derivados de leito como produto orgânico aumentando assim a sua renda. A água quente solar utilizada na lavagem vai ao encontro deste objetivo.

Com aquecimento exclusivamente a gás são consumidos entre 11 e 15 gramas de gás por litro de leite. Usando-se a água do aquecedor solar no banho-maria o consumo de gás cai para 9 a 11 gramas por litro de leite. Pareceria então que a economia máxima que se obtém no consumo de gás, pelo uso do aquecedor solar, é da ordem do 40 %. Ainda não existem dados estatísticos suficientes como para determinar mais precisamente qual é a economia real no consumo de gás pelo uso da água quente solar. Há grandes variações de consumo segundo o botijão esteja cheio ou no final de seu conteúdo. Estas variações poderiam ser estabilizadas por uma regulação no fluxo de gás e pela utilização de botijões de maior tamanho. Há um trabalho de pesquisa que está sendo feito junto a este e outros produtores para levantar a planilha de custos e determinar o peso financeiro da economia na matriz de custos.

Figura Nº 2 Sistema de aquecimento solar de água e banho-maria para pasteurização do leite.

Figura Nº 4 Torre meteorológica situada ao lado dos coletores solares

Figura Nº 5 Datalogger e multiplexer para colher e armazenar os dados.

5 Perdas de calor detectadas no sistema de aquecimento solar

As perdas de calor de maior importância que foram detectadas para um dia típico ensolarado do mês de maio (figura nº 1 e 6) foram as seguintes:

a) o horário em que o conteúdo do boiler atinge a temperatura máxima vai das 15:00 as 20:30 horas; perdas no boiler, da ordem dos 20 ºC, ocorrem entre as 20:30 e as 11:00 sendo a metade dessa perda ocorre entre 7:00 e 11:00 devido ao efeito do vento matinal;

b) entre a entrada da água dos coletores solares num extremo do boiler e a saída no outro extremo do boiler há diferenças de temperatura de até 15 ºC; estas perdas são devidas ao tipo de isolamento térmico usado pelo fabricante do boiler;

c) há uma diminuição do aquecimento no boiler entre as 15:00 e as 17:30 devido a presença de nuvens, mais freqüentes no período vespertino.

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Entrada coletorSaída coletorInterior BoilerSaída Boiler Entrada banho-maria

Início da pasteurização do leite

Figura Nº 6 Evolução das temperaturas em diferentes locais do sistema de aquecimento solar entre 2 de maio e 5 de maio de 2004.

6 Conclusões

A primeira conclusão da análise destes dados preliminares sugere que a eficiência energética do sistema instalado é muito baixa devido aos seguintes fatores:

a) o aquecimento a gás tem uma eficiência aproximada de 35 a 36 %;

b) as perdas de calor solar são muito grandes devido ao isolamento pouco eficiente do boiler2 e a falta de proteção dos ventos;

c) o aproveitamento do calor solar para a pasteurização, seria mais eficiente se fosse mudado o horário de trabalho para após as 13:30;

2 Considere-se que o sistema é concebido para o aquecimento de água residencial onde não há muita preocupação com a eficiência do sistema. Para aplicações industriais há necessidade de fazer modificações.

Podem ser diminuídas as perdas de calor e aumentada as contribuições do calor solar no sistema de aquecimento, se forem feitas as seguintes modificações:

a) o aquecimento a gás deve ser confinado e o encaminhamento dos gases queimados deve ir para o exterior do recinto; o fluxo do gás desde os botijões deve ser melhor regulado;

b) instalar um isolamento térmico do banho-maria;

c) melhorar o isolamento térmico de canos e boiler;

d) colocar anteparos contra o vento no sistema de aquecimento solar que está no exterior;

e) os coletores solares devem funcionar com bomba de recalque e não em termo-sifão.

Palavras chaves:

Aquecimento Solar

Queijo

Agroindustrias

Energias Renováveis

Agradecimentos

Queremos agradecer especialmente aos produtores Aluisio Vasconcelos Martins e Socorro Oliveira Martins por terem permitido a instalação e teste do protótipo.

Referências

[1] BEZERRA, A. M.; Aplicações térmicas da Energia Solar; Ed. Universitária UFPB; João Pessoa; 1998; 242 pp.

[2] COLLE, S.; PEREIRA, E. B.; Atlas de Irradiação Solar do Brasil; In http://www.labsolar.ufsc.br/portug/atlas/Arquivo/atlas98.pdf; 1998

[3] JANNUZZI, G. DE M.; SWISHER, J. N. P.; Planejamento Integrado de Recursos. Meio Ambiente, Conservação de Energia e Fontes Renováveis; Campinas; Autores Associados; 1997

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

[5] FREIDENRAICH, N,;Tecnologia Solar no Brasil. Os próximos 20 anos; In: Conferência sobre Sustentabilidade na geração e uso da energia no Brasil: os próximos 20 anos; 18 a 20 de Fevereiro de 2002; Centro de Convenções da UNICAMP; Campinas, SP. 11 pp; 2002; http://www.cgu.rei.unicamp.br/energia2020/papers/paper_Fraidenraich.pdf

[6] DUFIE, J.A.; BECKMAN, W. A.; Solar Engineering of Thermal Processes; John Wiley and Sons; 762 pp.; New York; 1980

[7] VERDESIO, J. J.; Aquecimento solar para fabricação de queijo. Dimensionamento e estudo de pré-viabilidade de protótipo; Anais AGRENER 2002; 2002