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Previous issue date: 2009-04-17 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The national crop production of grains from 2007 to 2008 was the largest in the history of Brazil, reaching 143.87 million of tons. Among this amount, maize grains respond for 40.7% (58.58 million of tons). The pest control in stored grains is carried out mainly by fumigation with fosfine. It is verified in literature that some insects has been developed resistance to fosfine, and there is no practical fumigant available. The ozone gas is a strong oxidant and it consists on a new technology with great potential for pest control in stored grains. Due to the size of the Brazilian structures for grain storage, experimental tests with alternative fumigants are essentially costly, so the computational fluid mechanics (CFD) arises as a powerful tool for prediction and design injection systems for ozone gas. The aim of this study was the modeling and simulation of injection systems for ozone gas for maize grains stored in a commercial bin using the CFD technique applied to porous media. Two one-dimensional cases of mass transport by convection-diffusion and diffusion-reaction, in which the exact solutions were known, were employed to validate the CFD model. The effects of Péclet number and Thiele modulus on the mass transfer along the porous media were investigated. It was verified that for smaller Péclet numbers the gradient concentration tend to be smooth and constant along the porous media, and when the Péclet number increase, a mesh refinement should be made near the outlet. When the Thiele modulus increases, the concentration gradient for the ozone gas also increases due to its fast consumption by reaction when compared to the axial diffusion transport. The Thiele modulus for the ozone is 41, which means that the decomposition rate is greater than the diffusion rate in the grains mass. Thus, different from the application of fumigants such as the fosfine, the ozone should be injected by convection into the grains mass. For the convectiondiffusion- reaction transport of ozone gas in porous media, the decomposition and saturation kinetics were modeled and used in the CFD model. The ozone gas transport in the model was used to simulate the ozone gas in a fixed bed and the concentration profile was compared to experimental data reported by Kells et al. (2001). The simulation results show good agreement to experimental results and the associated error norm was low. Therefore, the proposed CFD model can be used for simulation of gas ozone injection systems in maize grains. The performance of two injection systems of ozone gas was compared using CFD simulation in a commercial storage bin. Two injection systems were simulated: injection at the base of the silo and using probes. A minimum injection rate of 1.27 kg s-1 and 9.50 kg s-1, for injection at the base and by probes, respectively, was required to reach 50 ppm of ozone in more than 95% of the grain mass. Thus, the injection by the base of the bin is more efficient since it require a smaller mass flow. The proposed model for the ozone transport in porous media is valid and it can be used in other studies of injection systems of ozone in stored grains. / A safra nacional de grãos 2007/2008 foi uma das maiores na história do Brasil, atingindo uma marca em torno de 143,87 milhões de toneladas, com destaque para o milho que responde por, aproximadamente, 40,7% (58,58 milhões de toneladas) deste total. O controle de pragas em grãos armazenados tem sido feito por meio de fumigação e a fosfina é o principal produto usado. São muito escassas as opções para substituir a fosfina, o que representa um grande risco de desenvolvimento de resistência dos insetos a esse produto. O gás ozônio, um forte oxidante, é uma nova tecnologia com potencial para o controle de pragas. Diante deste contexto e devido aos sistemas nacionais de armazenamento que tornam os testes experimentais essencialmente dispendiosos, a mecânica dos fluidos computacional (CFD) desponta como uma importante técnica para predição, manipulação e estudo dos processos de injeção do gás ozônio em sistemas de armazenamento de grãos. Sendo assim, objetivou-se com este trabalho modelar um sistema de injeção de gás ozônio para utilização em armazéns a granel utilizando a técnica de CFD aplicada a meios porosos. Foram modelados dois casos unidimensionais de transporte de massa por convecção-difusão e difusão-reação com soluções analíticas conhecidas. As simulações foram realizadas variando-se o número de Péclet (Pe), no primeiro caso, e o módulo de Thiele (λ), no segundo. Foram sugeridos e ajustados os modelos para a cinética de decomposição e saturação do ozônio. O terceiro caso foi um estudo do transporte de O3 em um leito fixo em que as medidas experimentais de Kells et al. (2001) foram comparadas com os resultados obtidos nas simulações. O quarto caso estudado foi um problema de transporte de ozônio em um leito fixo de milho em que foram avaliadas duas formas de injeção do gás ozônio em um silo de armazenamento. Para o primeiro caso, verificou-se que quanto menor o valor de Pe maior é o gradiente de concentração entre a entrada e saída da coluna (predomínio do termo difusivo). Observou-se que para elevados valores de Pe, um refinamento de malha deve ser efetuado. No segundo caso, verificou-se que, para altos valores do λ, os gradientes de concentração de ozônio são elevados e ocorre rápido consumo devido à reação (predomínio do fenômeno reativo em relação ao difusivo). O módulo de Thiele para o ozônio é 41, o que decorre em maior taxa de decomposição em relação à taxa de difusão na massa de grãos. Desta forma, diferente da aplicação de fumigantes tais como a fosfina, o ozônio deve ser aplicado por um fluxo convectivo. Os resultados obtidos pelo modelo proposto no terceiro caso apresentam um bom ajuste em relação aos resultados experimentais. O erro associado é baixo e a diferença em relação aos dados experimentais pode ser explicada pela diferença nas propriedades físicas do milho utilizadas. O modelo proposto é válido e possibilita a simulação de sistemas de injeção de ozônio em colunas. Foram simulados dois sistemas de injeção de ozônio: pela base do silo e por sondas. Para atingir a concentração de 50 ppm de ozônio (dose letal para insetos) em mais de 95 % da massa de grãos é necessária uma injeção mínima de ozônio pela base e por sonda de 1,27 kg s-1 e 9,50 kg s-1, respectivamente. Desta forma, conclui-se que a injeção pela base do silo é mais eficiente, pois requer um menor fluxo de massa. O modelo proposto para o transporte de ozônio em meios porosos é válido e pode ser utilizado em outros estudos de sistemas de injeção de ozônio em grãos.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:localhost:123456789/3544 |
| Date | 17 April 2009 |
| Creators | Pereira Júnior, João Rodrigues |
| Contributors | Faroni, Lêda Rita D'antonino, Queiroz, Daniel Marçal de, Martins, Márcio Arêdes, Campos, Júlio César Costa, Coimbra, Jane Sélia dos Reis, Martins, José Helvécio, Figueiredo, Kátia Cecília de Souza |
| Publisher | Universidade Federal de Viçosa, Mestrado em Engenharia Agrícola, UFV, BR, Construções rurais e ambiência; Energia na agricultura; Mecanização agrícola; Processamento de produ |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFV, instname:Universidade Federal de Viçosa, instacron:UFV |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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