PT108482A - Método para a automatização do funcionamento de um secador solar hibrido de plantas - Google Patents

Abstract

MÉTODO PARA A AUTOMATIZAÇÃO DO FUNCIONAMENTO DE UM SECADOR SOLAR HIBRIDO DE PLANTAS, ATRAVÉS DE UM ALGORITMO DE CÁLCULO QUE, A PARTIR DA LEITURA E PROCESSAMENTO DE DADOS FISICOS A TEMPERATURA E A HUMIDADE RELATIVA DO AR NO INTERIOR E NO EXTERIOR DA CÂMARA DE SECAGEM PERMITE A OTIMIZAÇÃO DA UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR, EM DETRIMENTO DE OUTRA FONTE DE ENERGIA NÃO RENOVÁVEL, TORNANDO O PROCESSO DE SECAGEM ENERGETICAMENTE EFICIENTE, AO REDUZIR OS CUSTOS DE SECAGEM E AS EMISSÕES DE CO2, E AUMENTANDO A QUALIDADE DE SECAGEM DO MATERIAL VEGETAL. O MÉTODO INVENTADO PERMITE, EM FUNÇÃO DO DIFERENCIAL TÉRMICO VERIFICADO ENTRE O AR EXTERIOR E INTERIOR, O CONTROLO DA ABERTURA E FECHO DE REGISTOS DE ENTRADA DE AR PROVENIENTE DE COLETORES SOLARES E O ACIONAMENTO DOS RESTANTES DISPOSITIVOS DO SECADOR, DE MODO A FORNECER CONTINUAMENTE BOAS CONDIÇÕES DE TEMPERATURA E HUMIDADE RELATIVA DO AR NA CÂMARA DE SECAGEM, INDEPENDENTEMENTE DA AUSENCIA DE RADIAÇÃO SOLAR À NOITE OU DIMINUIÇÃO DA MESMA QUANDO EM CONDIÇÕES ATMOSFÉRICAS ADVERSAS.

Description

Método para a automatização do funcionamento de um secador solar híbrido de plantas

DESCRIÇÃO

1. ÁREA TÉCNICA DA INVENÇÃO

A SECAGEM A secagem é um processo físico que consiste na eliminação de água por evaporação, de modo a melhorar a conservação de um produto.

Permite: • Diminuir a velocidade de deterioração do material, devido à redução do teor de água e consequente estabilização da atividade microbiológica e regressão das reações químicas e enzimáticas. • Dispor do produto durante todo o ano; • Reduzir o peso dos produtos e consequentemente os custos de transporte e de armazenamento. A eliminação da água é o principio de vários processos de conservação de alimentos: secagem, desidratação, liofilização. A secagem distingue-se dos outros por se limitar à eliminação da água por evaporação. Ou seja, é um processo termodinâmico pelo qual uma substância volátil (a água) se evapora e deixa, sob a forma gasosa, o meio de que fazia parte. Diz-se secagem por arrastamento porque um gás vector (geralmente o ar) transporta até ao produto o calor necessário à vaporização e depois arrasta o vapor emitido pelo produto (este fica a uma temperatura ligeiramente inferior à temperatura de ebulição da sua água) (Bimbenet et al., 1994). A secagem com sucesso depende do equilíbrio de vários parâmetros e condicionantes: se, por um lado, o fornecimento de calor deve ser lento para assegurar que o produto seca do interior para o exterior; por outro, uma secagem rápida permite conservar os princípios ativos dos produtos e evitar a sua deterioração; mas se a secagem for rápida de mais, haverá tendência para a formação de crosta nos produtos pela migração de solutos para a superfície e, se a tempratura for demasiadamente elevada, o produto desnatura-se e escurece.

Assim sendo, na secagem é necessário dominar vários parâmetros fundamentais: • A energia térmica fornecida que aquece o produto e provoca a migração de água para a superfície e a sua posterior transformação em vapor; • A capacidade do ar ambiente para absorver o vapor de água libertado pelo produto, função da sua humidade relativa e da sua temperatura; • A velocidade do ar de secagem responsável pela remoção do vapor de água da superfície do produto. • A duração da operação

PARÂMETROS DA SECAGEM TEOR DE HUMIDADE A água é o factor de maior relevo na taxa de deterioração (Fellows, 1996). O conhecimento do teor de humidade não é suficiente para prever a estabilidade dos alimentos. Alguns alimentos são instáveis a baixos teores de humidade (0,6 % para o óleo de amendoim), enquanto outros são estáveis a teores de humidade relativamente elevados (20% para amido de batata). É a disponibilidade da água para a actividade química ou dos microrganismos ou das enzimas que determina a vida útil de um produto.

Quando um produto seca, é a humidade da superfície que se evapora. Uma corrente de ar permite arrastar o vapor. A humidade contida no interior migra para a superfície onde é evaporada (Couturier et al., 1989). O movimento da humidade para a superfície do produto é provocado por várias forças (Fellows, 1996): capilaridade e difusão (devida a diferenças de concentração de solutos, gradientes de tensão de vapor e adsorção).

Nos tecidos vegetais, a água encontra-se sob a forma de água livre - nos poros e nos instersticios de maior dimensão - e na forma de água ligada - retida por forças mais fortes de capilaridade, de adsorção fisica e adsorção quimica. A energia necessária para a vaporização (calor latente de vaporização) da água ligada é muito superior à da água livre - 6000 a 10000 kJ/kg para a primeira e apenas 2384 kJ/kg, para a segunda. Várias operações reduzem a disponibilidade da água nos alimentos: as que removem fisicamente a água (desidratação, evaporação e liofilização ou concentração por congelação) e as que imobilizam a água no alimento (pela adição de sal comum ou de açúcar, ou pela formação de cristais de gelo na congelação) (Fellows, 1996).

FASES DA SECAGEM A secagem compreeende duas fases distintas: uma primeira - secagem a taxa constante - em que a secagem é fácil, pois evapora-se a água livre; e uma segunda fase - secagem a taxa decrescente - em que se tem que evaporar a água ligada, mais dificil de extrair (Couturier et al., 1989).

Na primeira fase da secagem (a taxa constante), a resistência interna ao movimento da água é menor que a resistência externa à remoção do vapor de água da superfície do produto. Sendo assim a secagem é equivalente à evaporação da água livre na superfície do produto. A taxa de secagem nesta fase é determinada pela diferença entre a tensão de vapor do ar e a do produto, dependente da temperatura, humidade e velocidade do ar. Uma taxa constante de evaporação na superfície do produto mantém a superfície do mesmo a uma temperatura constante. Outros factores afectam ainda a taxa de evaporação nesta fase: a área de permuta, a diferença de humidade entre o ar e a superfície do produto, o coeficiente de transferência de massa e a velocidade do ar de secagem.

Nesta primeira fase, a taxa de secagem pode ser aumentada pelo aumento da superfície do produto (menor dimensão dos pedaços), pelo aumento da temperatura do ar, pela diminuição da humidade do ar, e/ou pelo aumento da velocidade do ar, com o consequente aumento do coeficiente de transferência de calor (Brennan et al., 1976; Sodha et al., 1987a).

Na segunda fase, a secagem desenvolve-se a taxa decrescentes. A resistência interna ao movimento da água (que agora se faz por capilaridade) supera a resistência externa à evaporação do vapor de água da superfície do produto. A contracção do produto, o aumento da viscosidade dos líquidos internos e da concentração dos solutos dificultam ainda mais a migração da humidade para a superfície. A taxa de secagem cessa quando o produto atinge a humidade de equilíbrio - definida pelo equilíbrio entre a humidade perdida pelo produto e a humidade absorvida pelo ar circundante.

Durante esta segunda fase, a temperatura do produto aumenta devido à diminuição da taxa de evaporação da água (Sodha et al., 1987a). Os maiores estragos provocados pelo calor ocorrem durante esta fase (Fellows, 1996). Quando a secagem se aproxima do seu termo, forma-se uma camada impermeável à superfície do produto, que diminui ainda mais a taxa de secagem. A sua formação pode ser devida à migração de solutos e à temperatura elevada da superfície, resultando em alterações físicas e químicas na camada superficial (Brennan et al., 1976). Em certos casos a formação dessa camada pode mesmo impedir que o produto atinja a humidade de equilíbrio, ficando com a superfície seca e o interior húmido (Bimbenet e Lebert, 1990; Fellows, 1996). O valor da humidade de equilíbrio pode ser reduzido se a humidade relativa do ar circundante sofrer um abaixamento - por aquecimento ou por desumidificação.

TEMPERATURA O ar ambiente contem água sob a forma de vapor: por exemplo, a 22 °C um metro cúbico de ar contém até 19,2 g de vapor, mas a 26 °C já pode conter até 24,5 g - quantidades máximas, correspondentes à saturação do ar. Para que um metro cúbico de ar possa absorver mais água ou se aumenta a temperatura, aumentando a capacidade recetora, ou se diminui parte do vapor que contem, desumidificando-o. Na prática, por cada °C de aumento da temperatura do ar consegue-se aumentar a sua capacidade receptora em 0,35 g/m3 (Couturier et al., 1989). A taxa de secagem pode ser aumentada pela elevação da temperatura do ar. Porém, a temperatura elevada pode afectar grandemente as características da qualidade, tais como a taxa de germinação, a cor, o teor em vitaminas e aminoácidos, a taxa de reconstituição, o poder de panificação, etc. As reacções enzimáticas e não enzimáticas assim como os processos de oxidação são principalmente influenciados pela temperatura máxima do produto, pelo tempo de exposição a essa temperatura e pelo teor de humidade do produto (Múhlbauer, 1988).

As características nutricionais e sensoriais dum produto são menos afectadas pelo uso de temperaturas mais elevadas e períodos de tempo mais reduzidos, durante o processamento térmico; a textura, pelo contrário, é menos afectada quando se usam temperaturas e taxas de secagem mais moderadas (Fellows, 1996).

A SECAGEM E A QUALIDADE DOS PRODUTOS A quantidade necessária de energia térmica para secar um determinado produto depende de muitos factores, como a humidade inicial, a humidade final, a temperatura, a humidade relativa e o caudal do ar de secagem (Sodha e Chandra, 1994). A optimização do processo de secagem, em termos de capacidade, consumo energético e qualidade do produto, só é conseguida se controlados todos os parâmetros de secagem. A secagem excessiva reduz o valor nutritivo do produto enquanto a secagem insuficiente, não uniforme ou demasiado lenta leva à deterioração da qualidade do produto por acção dos fungos e bactérias. A cor, o sabor, o aroma e a textura, além da capacidade de rehidratação, são também afetados pela secagem. O excesso de temperatura é responsável por duas reações com efeitos indesejáveis: o escurecimento não enzimático e a formação de uma crosta, podendo esta última impedir que a secagem prossiga correctamente.

Os maiores impactos nas características da qualidade são a temperatura máxima que o produto atinge, o tempo de exposição a essa temperatura, o estado de maturação e o teor de humidade; e são os seguinte: • Reacções bioquímicas - reacções de Maillard, desnaturação das proteínas, oxidação dos lípidos ou das vitaminas; e consequente perda de valor nutritivo ou desenvolvimento de odores indesejáveis. • Modificações mecânicas - a secagem provoca deformações do produto - contração, fissuras; • Outras modificações físicas - migração de solutos, de lípidos, perda de aromas (Bimbenet et al., 1994).

2. O ESTADO DA TÉCNICA

SECADORES A secagem diretamente ao sol tem os inconvenientes de expor os alimentos às intempéries, às poeiras, fungos e insectos, a ataques de pássaros e outros animais; por outro lado, a exposição direta aos raios solares diminui significativamente as qualidades nutritivas e organoléticas dos alimentos (a fotodecomposição da clorofila provoca descoloração e degrada os componentes químicos do material vegetal, causando alteração do cheiro, sabor e textura e possivel diminuição da concentração dos princípios ativos).

Desenvolveram-se ao longo do tempo vários tipos de secadores: a nivel industrial, foram sendo criados secadores alimentados por energias tradicionais não renováveis (combustíveis fósseis ou eletricidade); paralelamente, ao nível das pequenas explorações agrícolas e em países em desenvolvimento, foram sendo aperfeiçoados secadores alimentados a energia solar. Contudo, se os primeiros representam um investimento elevado com longos períodos de amortização e implicam custos energéticos muito grandes (p.ex. os custos energéticos da secagem de plantas aromáticas representa 90% dos custos da produção); os segundos, têm o inconveniente da descontinuidade da radiação solar, seja pelas horas da noite , seja pela imprevisibilidade das condições atmosféricas.

Nos últimos anos, realizaram-se variados estudos sobre o desenvolvimento e otimização de secadores solares que servem de base para a seguinte descrição do estado da técnica; nomeadamente, em 2012 "A review of solar drying technologies" de S. Vijaaya Venkata Raman descreve e enumera exaustivamente todos os processos conhecidos a nível mundial; sobre o panorama nacional existem trabalhos académicos recentes que dão conta do estado da técnica em Portugal (Lopes, João F.D., FCT da Universidade Nova de Lisboa, Setembro 2014), inclusivamente modelos de secadores solares híbridos desenvolvidos pela Estação Agronómica Nacional, em Oeiras, e pelo Instituto de Investigação Científica Tropical (IICT) Centro de Estudos de Produção e Tecnologia Agrícolas (CEPTA).

Os secadores solares podem classificar-se quanto ao tipo de secagem (Rozis, 1995); segundo o tipo de energia utilizada (Dudez, 1996, Ekechukwu and Norton, 1997 e Imre, 1997) e segundo o tipo de funcionamento (Sodha e Chandra, 1994; Sodha et al., 1987): 1. Diretos - quando o produto recebe a incidência directa dos raios solares através de uma cobertura transparente de vidro ou polietileno; 2. Indiretos - quando os produtos estão dentro de uma câmara protegida dos raios solares e o ar é aquecido num colector a montante, ou então pelo efeito do corpo negro (paredes da câmara pintadas de negro); 3. Mistos - quando o produto recebe a incidência dos raios solares e o ar aquecido num colector; 4. Passivos - quando a ventilação é natural (convecção natural); 5. Activos - quando os secadores possuem um ventilador/exaustor para forçar a passagem do ar (convecção forçada); 6. Híbridos - quando além da energia solar também possuem uma fonte complementar de energia (electricidade, gás, biomassa ou outra).

O SECADOR SOLAR HÍBRIDO

Dois dos problemas da aplicação da energia solar como uma energia alternativa às fontes convencionais são a sua intermitência e baixa densidade. Estes factores tornam difícil a obtenção dum sistema de secagem fiável, ou seja, capaz de operar a temperaturas razoavelmente constantes. Para que o processo de secagem continue durante a noite e em períodos nebulosos, é necessário armazenar a energia térmica, produzi-la ou incorporar desumidificadores no sistema. O secador solar hibrido é genericamente constituído por um ou mais coletores solares que captam e convertem a radiação solar em calor; por uma câmara de secagem com estantes de tabuleiros onde se dispõem os produtos para secagem; condutas de admissão e de exaustão do ar e chaminé; tem, como elementos complementares, um sistema de circulação forçada de ar e um sistema de aquecimento que pode ser utilizado durante a noite ou com condições atmosféricas adversas, isto é, com aumento significativo da humidade relativa do ar e fraca ou nula incidência de radiação solar. A produção orientada para a comercialização requer secadores solares de convecção forçada, equipados com ventilador ou exaustor, nos quais se utiliza outra fonte energética para suplementar a energia solar e que tem em conta os custos de produção, a protecção do ambiente e a eficácia da secagem. Esta é a única maneira de assegurar a extracção da humidade mesmo sob más condições climatéricas, e manter as reacções enzimáticas e a infestação por microrganismos no mínimo absoluto (Hàuser e Esper, 1996).

Secadores de exposição indireta com convecção forçada permitem um maior controlo, qualidade e rapidez no processo de secagem, pois conseguem em períodos com baixa insolação ou durante a noite utilizar sistemas de retenção de calor ou termoventiladores que permitem a continuidade do processo, neste último caso os secadores solares são considerados híbridos (Ekechukwu e Norton, 1999; Fudholi et al., 2010; Sharma et al., 2009).

Neste sentido, no estado da técnica estão descritos secadores solares com • Suporte de armazenamento térmico - o material mais comumente utilizado é a água, rocha e areia; podem ainda ser utilizados metais, água salgada, tijolos entre outros (Bal et al, 2011; Ekechukwu e Norton, 1999; El-Sebaii e Shalaby, 2012; Fudholi et al., 2010; Hasnain, 1998; Sharma et al., 2009). Estão descritos ainda casos de utilização do calor latente da cera de parafina. • Com unidade de aquecimento auxiliar - equipados com sistemas de aquecimento elétrico, de biomassa, gás de petróleo liquefeito (GPL) e diesel (Ekechukwu e Norton, 1999; Fudholi et al., 2010). Estão descritos secadores que, através de dispositivos eletrónicos, controlam a temperatura do ar de secagem e que, ao detetarem temperatura de 50°C, deixam de funcionar, e voltam a trabalhar quando a câmara de secagem está abaixo dessa temperatura. Existem também secadores onde o coletor de energia solar é o telhado que serve de coletor de calor e é auxiliado por um ventilador elétrico que para além de elevar a temperatura ajuda no fluxo de ar até à câmara de secagem. • Incorporação de dissecantes - São descritos (Thoruwa et al. 2000 e Shanmugam e Natarajan 2007) trabalhos desenvolvidos com materiais solidos dissecantes como as argilas (CaCI2) com baixos custos e elevada capacidade de absorção e adsorção -bentonite com sorção de 45% de peso seco; caulinite 30%). Também foram desenhados e testados secadores com unidades de adsorção de silica gel. Em ambos os casos o tempo de secagem, a taxa de secagem e o consumo de energia foram reduzidos consideravemente quando integrados num sistema hibrido. • Com painéis solares fotovoltaicos - a energia solar é convertida em energia térmica e em energia elétrica. Os dois sistemas podem utilizar coletores distintos - o térmico pode ser conseguido por coletores planos e o elétrico por painéis fotovoltaicos - ou conjuntos, gerando energia térmica e elétrica simultaneamente, através do painel fotovoltaico, tornando-se energeticamente autosufientes (Bennamoun, 2013; Fudholi et al., 2010).

Estão descritos exemplos de secadores solares com um coletor normal de captação de radiação solar para gerar energia térmica para aquecer o ar do sistema e um painel fotovoltaico para fazer trabalhar a ventoinha necessária à convecção forçada do ar. Este sistema tem um sistema de exaustão do ar no topo da chaminé, que funciona com uma ventoinha elétrica também alimentada pelo painel fotovoltaico (Fudholi et al., 2010). A utilização de painéis fotovoltaicos pode apenas ser efetuada com o intuito de produzir apenas energia elétrica para uma ventoinha que pode simultaneamente gerar fluxo de ar e provocar o aquecimento do ar (Bennamoun, 2013; Fudholi et al., 2010). • Com outros auxiliares - São descritos secadores solares que acopolam bombas químicas para aquecimento do ar (Fudholi et al., 2010; Hasnain, 1998). A bomba de calor química tem um reator, um condensador e um evaporador. É no reator que se processam as duas fases da reação entre um sal e o gás CaCI2-2NH3 + 6NH3 -> CaCI2-8NH3 + 6AHr. Na primeira fase (adsorção), há produção de frio no evaporador com a transformação de amónia do estado liquido para gasoso; na segunda fase (dessorção), a reação entre a amónia gasosa e o sólido liberta calor, podendo assim o ar ser aquecido (Fudholi et al., 2010). • Com utilização de desumidificadores integrados - permitem que sejam utilizadas temperaturas mais baixas durante a secagem; isto é especialmente importante na secagem de ervas aromáticas e medicinais, uma vez que a maior parte dos seus compostos são voláteis a altas temperaturas. Este tipo de secador que consiste num coletor solar, um tanque de armazenamento de energia, um aquecedor auxiliar, dois ventiladores, duas colunas de adsorção, dois permutadores de calor água-ar, duas bombas de circulação de água e uma câmara de secagem, permitiu efetuar uma secagem com qualidade, a baixa temperatura e humidade, de plantas medicinais, com uma grande contribuição de energia solar (Fudholi et al., 2010; Yahya et al. 2008). O estado da técnica apresenta métodos que procuram optimizar o funcionamento de um secador solar em função de dados reais da temperatura do ar. Porém, não são conhecidos casos que permitam a interação de dados da temperatura com os da humidade relativa. Não se conhecem secadores que integrem estas duas grandezas fisicas - temperatura e humidade relativa do ar - num algoritmos capaz de automatizar o funcionamento do secador, num processo de autoregulação para a manutenção ou reposição das condições ótimas de secagem. A temperatura do ar é um indicador suficiente da radiação solar disponível mas está longe de ser suficiente para avaliar acerca das condições ótimas de secagem dentro da câmara. Como se viu atrás, há essencialmente dois parâmetros que controlam a taxa de secagem: a taxa à qual o calor é fornecido ao produto e a taxa de remoção do ar húmido envolvente do produto. A taxa de secagem pode ser controlada quer pela humidade relativa do ar envolvente quer pelo calor fornecido ou por ambos (Sodha e Chandra, 1994). É o equilíbrio entre a temperatura e a humidade relativa do ar que proporciona uma secagem de qualidade.

Os secadores solares descritos no estado da técnica são, contudo, resultado de estudos e publicações académicas com diminuta aplicabilidade comercial e industrial.

3. DESCRIÇÃO A invenção refere-se a um método para a automatização do funcionamento de um secador solar hibrido de plantas, através de um algoritmo de cálculo que, a partir da leitura e processamento de dados fisicos - a temperatura e a humidade relativa do ar no interior e no exterior da câmara de secagem - permite a otimização da utilização da energia solar, em detrimento de outra fonte de energia não renovável, tornando o processo de secagem energeticamente eficiente ao reduzir os custos de secagem e as emissões de CO2 e aumentando a qualidade de secagem do material vegetal. O método inventado permite, em função do diferencial térmico verificado entre o ar exterior e interior, o controlo da abertura e fecho de registos de entrada de ar proveniente de coletores solares e o acionamento dos restantes dispositivos do secador, de modo a fornecer continuamente boas condições de temperatura e humidade relativa do ar na câmara de secagem, independentemente da ausência de radiação solar à noite ou diminuição da mesma quando em condições atmosféricas adversas. O método inventado contribui para o desenvolvimento da técnica da secagem e conservação de alimentos, nomeadamente de Plantas Aromáticas e Medicinais, frutos e cogumelos.

Pese embora exista uma vasta bibliografia sobre o tema da secagem solar de alimentos, constituída sobretudo por estudos e publicações académicos a nível mundial, infelizmente não se vêem espelhados estes conhecimentos teóricos em aparelhos implementados comercial e industrialmente. A secagem solar continua a ser encarada como um processo associado à agricultura dos países em desenvolvimento, com caráter artesanal e fabrico rudimentar.

No polo oposto, a industria transformadora alimentar dos países desenvolvidos encontra nos secadores industriais de alto rendimento e elevados consumos energéticos (energias fósseis não renováveis) a solução para a produção de alimentos secos, liofilizados e desidratados como cereais para grão, sopas, papas infantis, concentrados, etc.

No meio termo destas duas posições extremas, existe uma enorme lacuna de soluções de secagem, tecnologicamente desenvolvidas, associadas a baixos consumos energéticos, com preocupações ecológicas de preservação do ambiente, alimentadas por energias renováveis e que, simultaneamente, sejam capazes de servir os elevados padrões de qualidade de produtos alimentares a que o mercado obriga. Nesta categoria, incluem-se as explorações agrícolas de pequena e média dimensão, muitas vezes com certificação para modo de produção biológico, geridas maioritariamente por empresários com formação superior, numa agricultura em renovação de mentalidade e geracional, de países desenvolvidos, onde Portugal e a União Europeia se inserem. O secador solar hibrido que agora se apresenta reflete a aplicabilidade prática dos resultados da experimentação e do conhecimento ciêntifico publicado académicamente e traduz-se num método inventado para a automatização do funcionamento de um secador solar hibrido de plantas que permite a otimização da utilização da energia solar, em detrimento da energia suplementar não renovável, tornando o processo de secagem energeticamente eficiente e económico e minimizando o impacto ambiental, através da leitura e processamento de dados físicos - a temperatura e a humidade relativa do ar, no interior e no exterior da câmara de secagem - e consequente ativação dos dispositivos do secador. A presente invenção é constituída por: • Um módulo informático (software) - o algoritmo de cálculo que consiste no MÉTODO de funcionamento de um secador solar hibrido de plantas • Um módulo físico que consiste no SISTEMA que permite a execução do método. MÓDULO FÍSICO (sistema) • Estrutura exterior do secador hibrido solar O secador solar hibrido que permite a aplicação do método agora inventado é constituído pela conjugação de um ou mais unidades do módulo-base com as dimensões unitárias de 6.21m de comprimento por 2.44m de largura e uma altura de 2.61m e volume util interior de 32.83m3. O módulo-base é constituído uma estrutura metálica revestida por painéis com caracteristicas isotérmica. A estrutura metálica é composta por perfis laminados a quente UPN 140 e perfis colocados transversalmente normalizados UPN 80; a cobertura é constituída por dois perfis em chapa de aço galvanizado dispostos longitudinalmente; os quatro pilares que constituem a ligação entre a estrutura de piso e a de cobertura são realizados em chapa de aço com 3mm de espessura, quinada em L. Os painéis que revestem a estrutura são constituídos por mousse rígida de poliuretano 41mm injetada entre duas chapas de aço nervuradas de 0.55mm, galvanizadas. Este revestimento permite o isolamento térmico da câmara de secagem: conserva a temperatura acumulada durante o dia durante largos períodos de tempo e isola o interior das temperaturas noturnas, mais baixas. O módulo base tem dois acessos ao interior, cada um em seu topo do secador: uma porta de homem e uma porta dupla para manuseamento dos tabuleiros de secagem. O exterior do módulo é pintado de preto mate (corpo negro). • Coletores solares

Dois coletores captam a energia do Sol e transformam-na em calor que é introduzido na câmara de secagem: um painel vertical, montado na parede voltada a sul e ocupando a totalidade da sua dimensão e outro horizontal cobrindo a totalidade do teto do secador.

Os coletores solares são caixas com espessura de 100mm, constituídas na base pelo próprio material de revestimento do secador - que atua como placa negra coletora de calor - e por uma cobertura transparente (placa de policarbonato alveolar de 8mm de espessura) montada em calha metálica. É esta característica da cobertura - a transparência à radiação visivel e a opacidade à radiação infravermelha - que permite a entrada da radiação solar na caixa e o aquecimento do ar no seu interior: a placa coletora absorve a radiação e, logo de seguida, emite-a sob a forma de calor que é impedido de sair do coletor, aprisonado pela cobertura de policarbonato. O efeito de estufa produzido pelo processo de absorção/emissão da energia solar dentro do coletor resulta no aumento sucessivo da temperatura da placa coletora que é simultaneamente o revestimento do proprio secador. É esta energia térmica acumulada na placa coletora e no ar contido no coletor que fica disponível para entrar na câmara de secagem, seja por transferência direta (contacto), no primeiro caso, ou por condutas de admissão no segundo. A diferente posição dos coletores (um vertical e outro horizontal) permite que o fluxo de ar quente que entra na camara de secagem provenha alternadamente do coletor solar lateral ou do teto, em função da inclinação e altura do Sol e consequente energia térmica armazenada em cada um. A área total de 28 m2 de coletores solares Painel de parede 6.21m x 2.10m Painel de teto 6.21m x 2.44m • Admissão / Escape A admissão e escape do ar na camara de secagem processa-se através de condutas de ventilação, equipadas na extremidade com registos de caudal e extratores centrífugos axiais em resina termoplástica equipados por motores de controle eletrónico que garantem uma eficácia energética particularemte elevada e garantem a convecção forçada do ar na câmara de secagem.

Caudal 990m3/h (275 l/s) e potência llOw. • Sensores de Temperatura e Humidade Relativa O secador é equipado com sensores de alta precisão e estabilidade para medição de temperatura e de humidade relativa do ar dentro dos dois coletores solares (ar exterior) e dentro da câmara de secagem (ar interior), incorporados em transmissores que convertem os valores medidos em sinais de saída para interface de comunicação e software. A leitura destes dados fisicos é feita continuamente e incorporada no algoritmo de cálculo. • Aquecedor auxiliar - termoventilador de resistência de 1500w • Ventilador - ventoinha helicoidal de 200w • Desumidificador por condensação com capacidade extrativa de 701 água / dia e caudal 1500m3/hora • Tabuleiros de secagem - 36 tabuleiros amovíveis e empilháveis com estrutura metálica inoxidável e base em malha plástica que permite a passagem do ar aquecido através do produto a secar • MÓDULO INFORMÁTICO (método) O algoritmo de cálculo que constitui o programa de secagem é o garante da automatização do secador solar hibrido acima descrito e que o diferencia de todos os secadores existentes. Permite o controlo da temperatura e da humidade relativa do ar dentro da câmara de secagem, através da leitura e processamento dos dados fornecidos pelos respetivos sensores dos coletores (ar exterior) e da câmara de secagem (ar interior). Os dados são transmitido em continuidade ao algoritmo de cálculo que, em função dos parâmetros inicialmente definidos como otimos para uma secagem de qualidade, controla a abertura dos registos de caudal das condutas de admissão e escape e aciona os respetivos motores, promovendo a entrada e a saída de ar de modo a criar (ou a repôr) as condições ótimas de secagem. Quando as condições do ar exterior (nos coletores) não é favorável, o algoritmo resulta no fecho dos registos de entrada e desativação dos motores e no acionamento dos dispositivos de desumidificação e de aquecimento suplementar. O método agora inventado prevê o processamento dos dados fisicos em função de três tipos de secagem: • Secagem por diferencial térmico • Secagem por desumidificação • Secagem por convexão forçada com aquecimento suplementar

Como já visto, uma secagem de qualidade exige o controlo de parâmetros fundamentais como a energia térmica fornecida que aquece o produto e provoca a migração de água para a superfície e a sua posterior transformação em vapor; a capacidade do ar ambiente para absorver o vapor de água libertado pelo produto, função da sua humidade relativa e da sua temperatura; e a velocidade do ar de secagem responsável pela remoção do vapor de água da superfície do produto.

DESCRIÇÃO DO ALGORITMO DE CÁLCULO • sempre que o ar exterior tem qualidade para a secagem - ou seja sempre que a temperatura do ar exterior (nos coletores solares,Ti e/ou T2) é superior à temperatura do ar dentro da câmara de secagem (Tr) - o algoritmo resulta na ordem de abertura dos registos, fazendo entrar ar quente pela conduta de admissão; perante a leitura dos dados nos sensores dos dois coletores, o algoritmo vai escolher o ar provindo do coletor solar que oferece melhores condições de humidade relativa. Neste sentido, são abertos o registo de admissão do coletor que reune melhores condições de H e T e o registo de escape da câmara de secagem, bem como os motores das respetivas condutas de admissão e escape. • esta situação irá manter-se durante a maior parte do dia, mesmo quando a radiação solar diminui por força da nebulosidade, pois os coletores solares têm capacidade não só para captar a energia radiante como, e principalmente, para a transformar em energia térmica, retendo-a e armazenando-a por largos períodos além das horas de sol. • quando a temperatura do ar exterior em ambos os coletores (Τχ e T2) deixa de reunir as condições exigidas para uma boa secagem, ou seja, quando desce para valores inferiores ao da temperatura no interior da camara de secagem (T,), o algoritmo ordena o fecho dos registos e dos motores de admissão e escape e liga o desumidificador. • durante o período de tempo em que a secagem está a operar apenas por desumidificação com os registos de ar fechados, a temperatura no interior da câmara de secagem vai naturalmente aumentar com o calor produzido pelo proprio funcionamento do desumidificador. • este processo de desumidificação será interrompido sempre que se atinja uma temperatura no interior da camara de secagem superior à permitida pelo desumidificador para realizar a sua tarefa (TmaxDES); esta temperatura máxima tolerável para o funcionamento do desumidificador depende da capacidade de contraste do aparelho e é definida no algoritmo (ou parametrizável pelo utilizador); nessa altura será promovida uma reciclagem do ar no interior da camara para o recolocar a temperatura do ar no interior da camara em níveis favoráveis ao funcionamento eficaz do desumidificador o promover um abaixamento da humidade relativa no interior da camara, não só pela saida do ar húmido (vetor de arrastamento da humidade da secagem), como também pela entrada de ar mais frio que, ao aquecer, se expande, reduzindo a humidade relativa. • quando a temperatura interior na camara de secagem (Ti) cai para valores abaixo da temperatura minima (Tmin) definida pelo algoritmo para a secagem (ou parametrizada pelo utilizador), é ativado o aquecedor, coadjuvado pela ventoinha para circulação do ar. • assim que se voltem a verificar as condições favoráveis a uma boa secagem, de H e T do ar exterior nos coletores, o ciclo reinicia-se com a abertura dos registos para entrada de ar quente. O processamento dos dados pelo algoritmo de cálculo pode ser implementado em qualquer suporte de hardware com os requisitos de memória, capacidade de processamento, entradas e saídas e comunicações necessárias.

Em virtude do maior consumo energético suplementar ocorrer predominantemente quando a radiação solar é inexistente, ou seja, durante a noite, o método inventado proporciona a adoção da tarifa bi-horária, aproveitando a variação do preço da eletricidade ao longo do dia, usando-a quando é mais abundante na rede, logo mais barata, com notável redução dos custos energéticos. A presente invenção prevê a interação do utilizador no processo de secagem através de três vertentes: monitorização, parametrização e instruções pontuais, in loco ou através de internet e smartphone.

Monitorização: é possível através do acesso aos registos da secagem em tempo real, da temperatura, humidade relativa e dispositivos em funcionamento (extratores, aquecedores, etc). O utilizador tem também acesso ao histórico dos registos e a possibilidade de traçar os gráficos da evolução da secagem e o tratamento estatístico dos dados.

Parametrização: em função dos dados consultados e da experiência adquirida, o utilizador tem a possibilidade de calibrar os parâmetros iniciais do algoritmo de calculo e, assim, adaptar o processo de secagem.

Instruções pontuais: o utilizador pode ativar ou desativar algum dos dispositivos e alterar parâmetros definidos.

Claims (18)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Método para a automatização do funcionamento de um secador solar hibrido de plantas, controlado por um algoritmo de cálculo que, a partir da leitura de dados fisicos - a temperatura e a humidade relativa do ar no interior e no exterior da câmara de secagem optimiza a utilização da energia solar, em detrimento de outra fonte de energia não renovável, através da abertura e fecho de registos de entrada e saida de ar e activação do desumidificador e aquecedor e restantes dispositivos do secador.
2. 2. Método para a automatização do funcionamento de um secador hibrido solar que, de acordo com a reivindicação 1, activa a abertura dos registos de entrada de ar proveniente de colectores solares sempre que a temperatura exterior é superior à temperatura interior Tp>Ti, em que Tp representa a temperatura do ar nos colectores solares e Ti representa a temperatura interior na câmara de secagem.
3. 3. Método para a automatização do funcionamento de um secador hibrido solar que, de acordo com as reivindicações 1 e 2, compara a humidade relativa do ar nos colectores solares e activa o fecho do registo do painel com humidade relativa mais elevada e mantém aberto o painel com humidade relativa do ar mais baixa.
4. 4. Método para a automatização do funcionamento de um secador hibrido solar que, de acordo com as reivindicações 1, 2, e 3, fecha os registos de entrada de ar proveniente dos colectores solares e activa o desumidificador sempre que Tp<Ti, em que Tp representa a temperatura do ar nos colectores solares e Ti representa a temperatura interior na câmara de secagem.
5. 5. Método para a automatização do funcionamento de um secador solar hibrido que, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3 e 4, activa o aquecedor sempre que a TicTemperatura, em que Ti representa a temperatura interior na câmara de secagem e Temperatura representa a temperatura minima definida para a secagem.
6. 6. Método para a automatização do funcionamento de um secador hibrido solar que, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4 e 5, activa a abertura dos registos e respectivos extractores de entrada e sarda de ar, forçando uma reciclagem do ar, quando a Ti>TmaxAQ, em que Ti é a temperatura do ar no interior da câmara de secagem e TmaxAQ representa a temperatura máxima tecnicamente admitida para o funcionamento do desumidificador e inicialmente definida no algoritmo de cálculo.
7. 7. Método para a automatização do funcionamento de um secador hibrido solar que, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 e 6, permite ao utilizador a possibilidade opcional de interacção no processo de secagem através da parametrização, monitorização ou instruções pontuais, in loco ou através de internet ou smartphone.
8. 8. Método para a automatização do funcionamento de um secador hibrido solar que, de acordo com a reivindicação 1 e 7, permite ao utilizador, fruto da sua experiência ou de condições excepcionais, a definição dos parâmetros iniciais da secagem ou a sua alteração pontual com incorporação dos mesmos no algoritmo de cálculo, e/ou activar ou desligar dispositivos.
9. 9. Método para a automatização do funcionamento de um secador hibrido solar que, de acordo com as reivindicações 1, 7 e 8, permite ao utilizador monitorizar a secagem através do conhecimento em tempo real dos dispositivos em funcionamento e dados de temperatura e humidade relativa do ar nos colectores solares e no interior da câmara de secagem, e acesso ao histórico dos dados de secagem e tratamento estatístico do mesmo com desenho da curva de secagem.
10. 10. Método para a automatização do funcionamento de um secador híbrido solar que, de acordo com a reivindicação 1, em modo standby (IDLE), quando a câmara de secagem está vazia, opera uma reciclagem de ar, sempre que se verifique nos colectores solares temperatura do ar igual ou superior a 7 0°C, de modo a evitar a deterioração dos mesmos por sobreaquecimento.
11. 11. Método para a automatização do funcionamento de um secador híbrido solar que, de acordo com as reivindicações de 1 a 10, serve para a secagem de bens alimentares, tais como, mas não excluindo, plantas aromáticas e medicinais, frutos e cogumelos.
12. 12. Secador que implementa a aplicação do método descrito de acordo com as reivindicações de 1 a 11, e que constitui um secador solar hibrido caracterizado por um módulo de programação, uma câmara de secagem, dois colectores solares, sensores de temperatura e humidade relativa do ar, condutas de ventilação e sistemas de desumidificação, aquecimento suplementar e circulação do ar.
13. 13. Secador que implementa a aplicação do método descrito de acordo com as reivindicações de 1 a 11 e, de acordo com a reivindicação 12, com um módulo de programação constituído por hardware controlado por um microprocessador capaz de implementar o algoritmo, com ligação a uma porta de ethernet e um endereço de IP associado, um quadro de controlo com disjuntor e sinalizador de corrente e possibilidade de ligação a uma fonte UPS.
14. 14. Secador que implementa a aplicação do método descrito de acordo com as reivindicações de 1 a 11 e, de acordo com a reivindicação 12, com uma câmara de secagem, no interior da qual se dispõem os tabuleiros de secagem, caracterizada por um módulo de cor negra, revestido por painéis com caracteristicas isotérmicas de mousse rígida de poliuretano injectada entre duas chapas de aço nervuradas.
15. 15. Secador que implementa a aplicação do método descrito de acordo com as reivindicações de 1 a 11 e, de acordo com as reivindicação 12 e 14, com dois colectores solares - um vertical na parede voltada a sul e com as dimensões totais da parede e outro horizontal de tecto com as dimensões totais do tecto do secador - caracterizados por placas negras colectoras de calor cobertas por placas transparentes de policarbonato alveolar, montadas em calha metálica e formando, entre si, caixa de ar.
16. 16. Secador que implementa a aplicação do método descrito de acordo com as reivindicações de 1 a 11 e, de acordo com a reivindicação 12, com sensores de alta precisão e estabilidade para a medição da temperatura e da humidade relativa do ar nos colectores solares e no interior da câmara de secagem, incorporados em transmissores microprocessados capazes de converter os valores medidos em sinais de saida para interface de comunicação e software, introduzindo-os no algoritmo de cálculo.
17. 17. Secador que implementa a aplicação do método descrito de acordo com as reivindicações de 1 a 11 e, de acordo com a reivindicação 12, com condutas de ventilação para admissão na câmara de secagem do ar quente proveniente dos colectores solares e escape do ar húmido da câmara de secagem para o exterior do secador, com registos de caudal montados nas respectivas extremidades, acoplados a motores extractores com controlo electrónico.
18. 18. Secador que implementa a aplicação do método descrito de acordo com as reivindicações de 1 a 11 e, de acordo com a reivindicação 12, constituído por desumidificador por condensação, aquecedor por termoventilação e ventoinha.