Melhoria energética de secadores por ciclo de aquecimento-pulso de vácuo de pequena escala para processamento agroindustrial: integração de fontes renováveis e avaliação econômica

Abstract

A agregação de valor e qualidade dos produtos desidratados beneficia os pequenos produtores, reduzindo perdas e aumentando a renda através da produção de frutas desidratadas crocantes, seguras, saudáveis e saborosas. No entanto, o processo de secagem é uma das etapas que mais consome energia. Além do impacto nos custos energéticos, a legislação ambiental referente à poluição e a crescente demanda por tecnologias sustentáveis impulsionam a busca por processos de secagem energeticamente eficientes. O objetivo desta tese é analisar detalhadamente as dimensões tecnológicas e econômicas, visando aprimorar a eficiência energética de um secador de aquecimento-pulso de vácuo de pequena escala voltado para pequenos produtores, incorporando fontes de energia renovável. O procedimento incluiu uma auditoria energética detalhada e propostas de intervenções em pontos críticos para redução do consumo de energia e emissões de gases de efeito estufa. As análises energéticas alcançaram 53,6% de eficiência no equipamento de secagem já validado, com consumo diário de 134,8 kWh, totalizando 49.067 kWh anuais e custo médio de produção de US$ 18,29 por quilo de banana desidratada por ciclo de aquecimento-pulso de vácuo com auxílio de coletores solares. Resultados indicam alta viabilidade econômica, com período de recuperação do capital em menos de 17 meses e indicadores de benefício-custo favoráveis. O controle de temperatura usando água quente oferece precisão, mas pode ser desvantajoso para pequenos produtores devido a desafios como tempo de aquecimento e trocas térmicas noturnas. A análise ambiental mostrou uma emissão entre 2,48 e 3,99 toneladas de CO2 equivalente anuais. Um novo sistema de aquecimento foi desenvolvido, alcançando eficiência de 52,5%, porém reduzindo os custos de produção para $11,02 por quilo de banana desidratada. O novo sistema envolveu a utilização de resistências elétricas posicionadas diretamente sob a bandeja de secagem, com o suporte da energia fotovoltaica. O sistema fotovoltaico de 8,5 kWp, com investimento de $12.222,00 e período de recuperação de 4,3 anos, tornou-se viável. A vantagem do aquecimento elétrico direto é o menor custo de construção e o aquecimento rápido do sistema. A estratégia de incorporar a geração distribuída de energia solar fotovoltaica ao processo de secagem é valiosa, proporcionando retorno do capital em menos de 15 meses e redução significativa nas emissões de carbono, que oscilaram entre 0,7 e 1,13 toneladas de CO2 equivalente. Energias renováveis em secadores de pequena escala são economicamente e tecnologicamente viáveis, promovendo uma produção mais sustentável.

Abstract: The addition of value and quality to dehydrated products benefits small-scale producers by reducing losses and increasing income through the production of crispy, safe, healthy, and tasty dehydrated fruits. However, the drying process is one of the stages that consumes the most energy. In addition to the impact on energy costs, environmental legislation related to pollution and the growing demand for sustainable technologies drive the search for energetically efficient drying processes. The objective of this thesis is to analyze in detail the technological and economic dimensions, aiming to enhance the energy efficiency of a small-scale vacuum pulse heating dryer focused on small producers by incorporating renewable energy sources. The procedure involved a detailed energy audit and proposals for interventions at critical points to reduce energy consumption and greenhouse gas emissions. The energy analyses achieved 53.6% efficiency in the previously validated drying equipment, with a daily consumption of 134.8 kWh, totaling 49,067 kWh annually, and an average production cost of $18.29 per kilogram of dehydrated banana using a vacuum-pulse heating cycle with the assistance of solar collectors. The results indicate high economic viability, with a capital payback period of less than 17 months and favorable cost-benefit indicators. Temperature control using hot water offers precision but may be disadvantageous for small producers due to challenges such as heating time and nocturnal thermal exchanges. The environmental analysis showed emissions ranging from 2.48 to 3.99 tons of CO2 equivalent annually. A new heating system was developed, achieving 52.5% efficiency and reducing production costs to $11.02 per kilogram of dehydrated banana. The new system involved the use of electric resistances positioned directly under the drying tray, supported by photovoltaic energy. The 8.5 kWp photovoltaic system, with an investment of approximately $12,222.00 and a payback period of 4.3 years, became feasible. The advantage of direct electric heating is the lower construction cost and rapid heating of the system. The strategy of incorporating distributed solar photovoltaic energy generation into the drying process is valuable, providing a capital return in less than 15 months and a significant reduction in carbon emissions, ranging from 0.7 to 1.13 tons of CO2 equivalent. Renewable energies in small-scale dryers are economically and technologically feasible, promoting a more sustainable production.