Clique aqui para ver este artigo!
Transcrição
Clique aqui para ver este artigo!
II Congresso Brasileiro de Plantas Oleaginosas, Óleos, Gorduras e Biodiesel Realização: Universidade Federal de Lavras e Prefeitura Municipal de Varginha DETERMINAÇÃO DO MÓDULO DE ELASTICIDADE APARENTE DE SEMENTES DE MAMONA IAC 80 (Ricinus communis L.), EM TRÊS TEMPERATURAS. Daniel Albiero1 Antonio José da Silva Maciel2 Claudia Assad Mello3 Inácio Maria Dal Fabbro4 Rodrigo Amaral Minamisawa5 Osvaldo Candido Lopes6 Leandro Morais7 RESUMO Atualmente a cultura da mamona tem estado no foco dos interesses governamentais principalmente em relação à produção de Biodiesel e a inclusão social. No entanto a semente da mamona não é descrita e caracterizada em termos de seus parâmetros de engenharia dos materiais biológicos, como o Módulo de Elasticidade Aparente. Este trabalho teve como objetivo a determinação do Módulo de Elasticidade Aparente de sementes de mamona, em suas três direções principais, como parâmetro adicional foi avaliada a influência da temperatura no Módulo. Para a determinação do Módulo de Elasticidade as sementes foram comprimidas nas respectivas direções, e foram determinados a deformação e a tensão gerada pela solicitação. Com os gráficos tensão x deformação obtidos, foi determinado o coeficiente angular da curva, que representa o Módulo de Elasticidade Aparente, com valores médios para a direção X no intervalo de 30,8 a 50,1 MPa; na direção Y no intervalo de 16,6 a 18,6 MPa e na direção Z no intervalo de.3,7 a 5,1. Foi constatado que a temperatura influencia de forma inversamente proporcional o Módulo de Elasticidade Aparente, indicando uma possível forma de diminuir custos na operação de extração de óleo de mamona. Palavras-chave: Módulo de Elasticidade; Testes de compressão; Mamona. ______________________ 1- Engenheiro Agrícola. UNICAMP-Campinas-SP. email: [email protected] 2- Prof. Dr. Engenheiro Agrícola. UNICAMP-Campinas-SP. email: [email protected] 3- Prof. Dr. Engenheiro Agrícola. UNICAMP-Campinas-SP. email: [email protected] 4- Engenheira Agrícola. UNICAMP-Campinas-SP. email: [email protected] 5- Aluno de Graduação. UNICAMP-Campinas-SP. email: [email protected] 6- Prof. Ms. Químico. UNIMEP-Piracicaba-SP. email: [email protected] 7- Técnico Eletrônica. UNICAMP-Campinas-SP. email: [email protected] 399 II Congresso Brasileiro de Plantas Oleaginosas, Óleos, Gorduras e Biodiesel Realização: Universidade Federal de Lavras e Prefeitura Municipal de Varginha 1 INTRODUÇÃO Com as recentes promulgações de leis e de programas governamentais nas esferas municipais, estaduais e federais, visando o desenvolvimento da cultura da mamona com fins energéticos gerou-se grande interesse nacional sobre a ricinocultura. A cultura da mamona apresenta um grande potencial para a produção de biodiesel, possuindo esta, relativa familiaridade com agricultor, possibilidade do uso de tecnologias mais simples para a sua produção, maior resistência à seca e um elevado teor de óleo. A produção de biodiesel, através da mamona, traz significativo impacto no processo de inclusão social, gerando emprego e renda no meio rural. A produtividade média nacional desta cultura gira em torno de 462 kg/ha, contudo São Paulo consegue 1.547 kg/ha e Minas Gerais tem 1.778 kg/ha. Atualmente, as áreas a disposição exclusiva para a produção de biodiesel em São Paulo e Minas Gerais são, respectivamente, de 46 e 19 mil hectares (CONAB, 2005)O cultivar de mamona IAC 80 possui frutos deiscentes, porte alto, altura média de 2,50 a 3,50 m, ciclo vegetativo de 240 dias, potencial produtivo de 1.500 a 4.000 kg/ha, quatro a cinco repasses de colheita, 47% de óleo nas sementes, e peso de 100 sementes de 43 g.(IAC,2005). Embora os produtos e subprodutos das sementes da mamona possuam grande valor agregado, poucas pesquisas foram feitas no âmbito de propriedades físicas e mecânicas desta. Parâmetros básicos de engenharia de materiais biológicos como Módulo de Elasticidade, Módulo de Poisson, Módulo de Elasticidade Transversal, Módulo Volumétrico, entre outros (DAL FABBRO, 2004), são desconhecidos em relação a tão nobre semente. Supõe-se que através do conhecimento destes parâmetros, seja possível otimizar o projeto de equipamento voltados para o processamento eficiente deste produto. Neste trabalho focou-se a determinação do Módulo de Elasticidade Aparente de sementes de mamona, através de testes de compressão nas três direções principais da geometria do objeto, avaliou-se também variações do Módulo de Elasticidade em relação a temperaturas diferentes, o objetivo foi de quantificar o Módulo, e qualificar a existência de influência da temperatura. Para a determinação de qualquer parâmetro de engenharia, faz necessário tomar simplificações para evitar modelos muito complexos, e de resolução difícil ou impossível, tanto analiticamente como experimentalmente, mas estas simplificações não podem descaraterizar o parâmetro em relação ao material. A determinação do Módulo de Elasticidade de materiais biológicos não se furta à estas simplificações, a primeira delas é a consideração de que este material é contínuo, segundo FUNG (1994) um material contínuo é aquele cujas densidade de massa, momento, e energia existem de tal forma que entre dois valores sempre 400 II Congresso Brasileiro de Plantas Oleaginosas, Óleos, Gorduras e Biodiesel Realização: Universidade Federal de Lavras e Prefeitura Municipal de Varginha existirá um terceiro e assim infinitamente formando um continuum. O módulo Elástico é definido com a constante de proporcionalidade entre o tensor de tensões e o tensor de deformações (FUNG, 1994), esta definição subentende comportamento linear, no entanto esta descrição somente abarca um grupo de materiais, segundo DAL FABBRO (2004) a linearidade ou não do comportamento de um corpo de prova pode estar associada apenas a sua geometria ou então ao comportamento intrínseco do material. Outro ponto segundo MASE(1999) é que materiais biológicos seguem leis constitutivas da elasticidade linear e não linear, bem como a viscoelasticidade. Essencialmente todo material biológico segue um regime elástico dependendo do tempo em que a solicitação é aplicada, subentendendo velocidade de aplicação, assim dependendo desta velocidade o material tem comportamento viscoelástico. Segundo CHRISTENSEN (1982) a teoria de elasticidade trata de materiais que tem capacidade de armazenar energia mecânica, mas não à dissipa, enquanto que a teoria de fluídos viscosos newtonianos em tensão não hidrostática dissipam a energia mecânica mas não a armazenam, materiais que tenham características de ambas teorias são viscoelásticos. Neste contexto teórico fica patente que a determinação do Módulo de Elasticidade de sementes de mamona depende essencialmente das condições experimentais à que as sementes são testadas, segundo DAL FABBRO (2004) a determinação do Módulo de Elasticidade de materiais biológicos são obtidos a partir de ensaios experimentais uniaxial. Para a determinação do Módulo de Elasticidade de materiais com superfícies curva, DAL FABBRO (2004) alerta para a necessidade de se considerar tensões de contato, segunda a teoria de Hertz, quando dois corpos sendo pelo menos um de geometria esférica entram em contato, no ponto de contato gera-se uma superfície deformada no corpo esférico de contorno circular, chamada superfície de contato (TIMOSHENKO, 1970), este fenômeno gera um comportamento não linear mesmo em materiais elásticos. Neste aporte teórico a ASAE (1997), definiu uma metodologia para estimar o Módulo de Elasticidade Aparente, sendo baseada nas equações da teoria de Hertz, assumindo que as deformações são muito pequenas e no regime elástico, esta metodologia tem a limitação de exigir o valor do Módulo de Poisson. Foram caracterizadas três amostras de sementes de mamona, uma para cada temperatura especificada, estas sofreram compressão nas direções X, Y e Z, através de analisador de textura e computador pessoal, os dados foram armazenados e processados, sendo obtido os valore das solicitações, deformações, tensões e Módulo de Elasticidade Aparente, devido a não existência na literatura do Módulo de Poisson para a mamona, optouse por não utilizar a metodologia da ASAE, mas utilizar os gráficos Tensão x Deformação, para o cálculo do Módulo, via calculo do coeficiente linear da parte aproximadamente linear 401 II Congresso Brasileiro de Plantas Oleaginosas, Óleos, Gorduras e Biodiesel Realização: Universidade Federal de Lavras e Prefeitura Municipal de Varginha do gráfico. Outra simplificação utilizada foi a consideração da superfície de contato como a retângulo delimitado pelas dimensões da semente ortogonais à direção de compressão. 2 MATERIAL E MÉTODOS A fase experimental deste trabalho foi realizada no Laboratório de Propriedade Mecânicas de Materiais Biológicos da Faculdade de Engenharia Agrícola da Universidade Estadual de Campinas-SP. Foram utilizadas sementes de mamona IAC 80. O Equipamento utilizado para a determinação do Módulo de Elasticidade Aparente (E), foi um Analisador de Textura da marca Lloyd Instruments , Modelo TA500, equipado com célula de carga com capacidade máxima de 500 N com precisões 0,01 N, a interface analógica-digital foi realiazada por um microcomputador IBM Pentium 2, e software Lloyd Nexygem 3.0, o equipamento utilizado para aquecer a água foi um Aquecedor Agitador Magnético Fisatom Molelo 752A, com faixa de temperatura de 50 oC a 300 oC, a temperatura foi medida com um termômetro digital Minipa Modelo ET 2042, com faixa de operação de –200 oC até 1260oC, precisão de 0,1 oC, a Umidade Relativa do ar no dia do experimento foi obtida através de dados do CEPAGRI/UNICAMP, a massa das sementes foi obtida com uma balança analítica BioPrecisa Modelo BB 3000, com capacidade de 3000 g, e precisão de 0,1 g. Foram realizados experimentos de compressão nas direções X, Y e Z, indicadas na Figura 1, à 3 temperaturas distintas: temperatura ambiente (22 oC e Umidade Relativa do Ar de 90%), temperatura de 50oC e 80oC, as sementes foram mergulhadas em água, e esta foi aquecida na 2 temperaturas ( 50 oC e 80 oC). A taxa de compressão aplicada foi de 0,6 mm/s. O arranjo experimental é mostrado na Figura 2. A amostragem realizou-se aleatoriamente, sendo tomadas 90 sementes divididas em 9 grupos de 10, sendo que os grupos foram separados e classificados segundo a técnica estatística de blocos casualizados, apresentada na Tabela 1. As dimensões das sementes são apresentadas na Tabela 2, e foram obtidas com paquímetro digital Mitotoyo, com precisão de 0,0025 mm. 402 II Congresso Brasileiro de Plantas Oleaginosas, Óleos, Gorduras e Biodiesel Realização: Universidade Federal de Lavras e Prefeitura Municipal de Varginha Y Z Z X X Y (a) (b) Figura 1. Direções principais da semente da mamona. (c) Figura 2. Arranjo Experimental, Analisador de Textura AT500. Tabela 1. Divisão dos Grupos. Temperatura 22 Compressão em X Grupo 1 Compressão em Y Grupo 2 Compressão em Z Grupo3 Temperatura 50 Grupo 4 Grupo5 Grupo 6 Tabela 2. Dimensões médias das sementes. Direção X Direção Y (mm) (mm) 15.0 9,4 Média 0,4 0,2 D.P. 403 Direção Z (mm) 6,5 0,3 Temperatura 80 Grupo 7 Grupo 8 Grupo 9 Massa (g) 0,40 0,01 II Congresso Brasileiro de Plantas Oleaginosas, Óleos, Gorduras e Biodiesel Realização: Universidade Federal de Lavras e Prefeitura Municipal de Varginha Foram feitos testes de normalidade nos grupos, para certificar a validade das análises estatísticas realizadas sobre a hipótese de normalidade da distribuição. Os testes utilizados foram o terceiro momento da média (simetria) e quarto momento da média (curtose) (SNEDECOR, 1989), como valor de hipótese nula foi tomado um valor de ± 2 para a simetria e a curtose. Para determinar se existe diferença entre os grupos de amostras que sofreram compressão na mesma direção, foi realizada uma análise de variância utilizando o teste F, com intervalo de confiança de 95%, e valor p menor que 5% (NETO, 2003).Para determinar quais grupos que sofreram compressão na mesma direção, são diferentes entre si, fez-se o teste de mínima diferença significativa com risco de chamar um par de grupos diferentes quando iguais de 5% (SNEDECOR, 1989). 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO O comportamento da solicitação sobre as sementes nas respectivas direções são exemplificados nos Gráficos 1, 2 e 3. Os dados médios obtidos são apresentados na Tabela 3. Os testes de normalidade dos dados são apresentados na Tabela 4. Solicitação na Direção Y 45 40 35 Carga (N) 30 25 20 15 10 5 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 -5 Deformação (mm) Gráfico 1. Comportamento da Solicitação na Direção X. Solicitação na Direção Z 80 70 60 Carga (N) 50 40 30 20 10 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 -10 Deformação na Direção Z (mm) Gráfico 2. Comportamento da Solicitação na Direção Y. 404 1,4 1,6 1,8 II Congresso Brasileiro de Plantas Oleaginosas, Óleos, Gorduras e Biodiesel Realização: Universidade Federal de Lavras e Prefeitura Municipal de Varginha 70 Solicitação na Direção X 60 Carga (N) 50 40 30 20 10 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Deformação na Direção X (mm) Gráfico 3. Comportamento da Solicitação na Direção Z. Tabela 3. Valores médios das solicitações e Módulo de Elastcidade Aparente. Temper. Direção (oC) Deform. Carga Deform. Carga Carga Limite Limite Ruptura Ruptura Máxima Máxima (N) (mm) (mm) (N) Area (mm²) Tensão limite de Ruptura (MPa) Tensão Máxima Carga (MPa) Módulo Elastastic Aparente (MPa) Média X D.P. X 22 0,5 14,0 6,9 5,0 49,4 0,3 4,5 0,6 0,2 65,9 3,2 0,2 0,1 0,7 0,1 50,1 14,9 Média Y D.P. Y 22 0,5 11,6 6,0 2,8 42,5 0,1 9,1 0,6 0,2 104,1 2,8 0,1 0,1 0,4 0,1 17,6 7,9 Média Z D.P. Z 22 0,5 42,9 8,7 1,9 70,8 0,1 15,7 1,1 0,1 146,6 10,6 0,3 0,1 0,5 0,1 5,1 0,7 Média X D.P. X 50 0,5 12,4 6,0 4,5 48,7 0,1 17,2 1,4 1,0 61,2 3,7 0,2 0,1 0,9 0,2 26,7 10,1 Média Y D.P. Y 50 0,5 18,8 6,4 2,9 34,7 0,2 10,6 1,1 0,8 97,4 7,9 0,3 0,1 0,3 0,1 18,6 12,0 Média Z D.P. Z 50 0,5 36,5 10,6 2,1 66,1 0,2 11,0 1,5 0,2 142,4 10,8 0,3 0,1 0,5 0,1 4,4 2,1 Média X D.P. X 80 0,5 11,7 0,4 4,7 40,9 0,1 12,5 0,8 0,4 56,4 2,2 0,2 0,0 0,7 0,2 30,8 7,7 Média Y D.P. Y 80 0,5 19,2 6,9 2,8 46,2 0,1 8,2 0,9 0,3 97,7 10,6 0,2 0,1 0,5 0,1 16,6 10,5 Média Z D.P. Z 80 0,5 39,9 10,8 2,0 66,7 0,1 7,6 1,7 0,1 144,9 8,1 0,3 0,1 0,4 0,1 3,7 0,4 405 II Congresso Brasileiro de Plantas Oleaginosas, Óleos, Gorduras e Biodiesel Realização: Universidade Federal de Lavras e Prefeitura Municipal de Varginha Tabela 4. Teste de normalidade da distribuição dos dados, valor de corte ± 2 Simetria Curtose Compressão em X Temperatura 22 -0,981 -0,551 Temperatura 50 0,610 0,353 Temperatura 80 0,316 -0,688 Compressão em Y Temperatura 22 0,106 -0,768 Temperatura 50 -0,768 -0,628 Temperatura 80 0,864 -0,517 Compressão em Z Temperatura 22 0,451 -1,320 Temperatura 50 1,017 -0,478 Temperatura 80 -0,727 -0,257 Tabela 5. Análise de Variância, segundo teste F, a 95 % de intervalo de confiança, e valor p menor que 0,05. Razão F Valor p Existência de Diferença entre média Compressão em X 16,7 0,00 Sim Compressão em Y 0,03 0,969 Não Compressão em Z 2,68 0,086 Não Tabela 6. Diferença entre média segundo teste de Mínima Diferença Significativa a intervalo de confiança de 95%, e risco de erro de 5%. Temperatura 22 Temperatura 50 Temperatura 80 Compressão em Temperatura 22 --Não Não X Temperatura 50 Existe --Não Temperatura 80 Existe Não --Compressão em Temperatura 22 --Não Não Y Temperatura 50 Não --Não Temperatura 80 Não Não --Compressão em Temperatura 22 --Não Existe Z Temperatura 50 Não --Não Temperatura 80 Existe Não --- Pelo experimento realizado obteve-se como média para o Módulo de Elasticidade Aparente na direção X de 50.1, 26.7 e 30.8 MPa para 22, 50 e 80 oC respectivamente, para direção Y de 17.6, 18.6 e 30,8 MPa para 22, 50 e 80 oC respectivamente, e para direção Z de 5.1, 4.4 e 3.7 MPa para 22, 50 e 80 oC respectivamente. A análise estatística indicou que na direção X a temperatura influiu no Módulo, mas somente em relação a temperatura inical e as demais, em relação as temperaturas de 50 e 80oC, não houve diferença estatisticamente significativa. Na direção Y a temperatura não influiu no Módulo, já me relação a direção Z, o Módulo à temperatura inicial não se mostrou diferente a temperatura de 50oC, mas diferiu da temperatua de 80oC, já o Módulo a temperatura de 50oC não diferiu da temperatura a 80oC. 406 II Congresso Brasileiro de Plantas Oleaginosas, Óleos, Gorduras e Biodiesel Realização: Universidade Federal de Lavras e Prefeitura Municipal de Varginha Dois fenômenos ocorreram neste experimento: o primeiro foi a umidificação das sementes, pois as mesmas foram aquecidas em água; o segundo tratou-se do amolecimento das macro-estruturas da semente, devido ao aumento da temperatura, ambos os fenômenos interagiram criando situações de inflexão na variação do Módulo de Elasticidade Aparente, nas direções X e Y, Gráficos 4 e 5 respectivamene. O ideal seria que o aquecimento fosse realizado em estufa. Outra consideração importante é em relação o valor da superfície de contato, pois formam calculadas em função apenas das dimenções médias, não levando em conta a não linearidade geométrica das sementes, esta questão se torna importante em objetos de curvatura acentuada (DAL FABBRO, 2004), como no caso das extremidades que sofreram compressão nestas direções. Na direção Z isto foi menos notado, pois nesta direção a curvatura é muito menos acentuada, daí o comportamento ser mais previsível, Gráfico 6. Módulo Aparente de Elasticidade Direção X 60,0 50,0 Eap (MPa) 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Temperatura 22 Temperatura 50 Temperatura 80 Gráfico 4. Médias dos Módulos de Elasticidade Aparente na direção X para diversas temperaturas. 407 II Congresso Brasileiro de Plantas Oleaginosas, Óleos, Gorduras e Biodiesel Realização: Universidade Federal de Lavras e Prefeitura Municipal de Varginha Módulo de Elasticidade Aparente na Direção Y 19 18,5 Eap (MPa) 18 17,5 17 16,5 16 15,5 Temperatura22 Temperatura50 Temperatura80 Gráfico 5. Médias dos Módulos de Elasticidade Aparente na direção Y para diversas temperaturas. Módulo Aparente de Elasticidade Direção Z 6 5 Epa (MPa) 4 3 2 1 0 Temperatura 22 Temperatura 50 Temperatura 80 Gráfico 6. Médias dos Módulos de Elasticidade Aparente na direção Z para diversas temperaturas. Para trabalhos futuros pretende-se determinar o módulo de Poisson da mamona, assim como os raios de curvatura nas três direções da semente, e com este valores utilizar metodologias mais precisas, o aquecimento será realizado via estufa. 408 II Congresso Brasileiro de Plantas Oleaginosas, Óleos, Gorduras e Biodiesel Realização: Universidade Federal de Lavras e Prefeitura Municipal de Varginha 4 CONCLUSÃO Neste trabalho foi possível constatar a influência da temperatura sobre o Módulo de Elasticidade Aparente de Sementes de Mamona. O aquecimento das sementes com água não se mostrou ideal, atrapalhando a análise da variação do Módulo, no entanto, é interessante notar que todos os Módulos tiveram tendência a diminuir após tal aquecimento, indicando uma possível forma de diminuir custos na operação de extração de óleo de rícino, pois quanto menor o Módulo de Elasticidade, menor a energia necessária para esmagar as sementes, com a ressalva de que deve ser estudada a viabilidade econômica do gasto energético no aquecimento em relação ao gasto de energia para esmagamento à temperatura ambiente. 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: AMERICAM SOCIETY OF AGRICULTURAL ENGINEERS. Standards 1997. Compression Test of Food Materials of Convex Shape, ASAE S368.3MAR95. ASAE, St. Joseph, 1997. CHRISTENSEN, R. M. Theory of Viscoelasticity: An introduction. Academic Press,New York, 1982. COMPANHIA NACIONAL DE ABASTECIMENTO, <www.conab.sp.gov.br>, acessado em 29/052005. DAL FABBRO, I.M., et al. Comportamento Mecânico do Tecido Vegetal. Editora da UFLA, Lavras, 2004. FUNG, Y. C. A First Course in continuum Mechanics. Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1994. INSTITUTO AGRONÔMICO DE CAMPINAS., <www.iac.sp.gov.br>, acessado em 01/06/2005 MASE, G. T.; MASE, G. E. Continuum Mechanics for Engineers. CRC Press, Boca Raton, 1999. NETO, B. B.; SCARMINIO, I. S.; BRUNS, R. E. Como Fazer Experimentos. Editora da Unicamp, 2003. TIMOSHENKO, S. P.; GOODIER, J. N. Theory of Elasticity. Mc Graw Hill, New York, 1970. SNEDECOR, G. W.; COCHRAN, W. G. Statistical Methods. Iowa State University Press, Ames, 1989. 409