2 REVISÃO DE LITERATURA
3.1 Procedimento experimental
3.1.2 Variáveis analisadas e equipamentos de medição
3.1.2.2 Temperatura superficial
Para medição da temperatura superficial das amostras grandes foram utilizados sensores do tipo termopar, que possibilitam o cálculo da temperatura com base na tensão elétrica gerada em um par de metais. Isso é possível graças ao fenômeno conhecido como Efeito de Seebeck, pelo qual a junção de dois metais gera uma tensão elétrica em função da diferença de temperatura das suas extremidades. Sendo assim, um termopar é constituído de dois metais distintos, unidos em suas extremidades, e conectados a um instrumento de leitura de tensão (um voltímetro ou um multímetro). Nesta pesquisa foram utilizados termopares do tipo T, que são compostos pelos metais Cobre e Constantan.
Uma das extremidades de cada termopar foi soldada na superfície inferior, próximo ao centro, de cada amostra grande. A outra extremidade dos termopares foi posicionada em um local protegido, configurando uma junta de referência com temperatura monitorada. Essa extremidade de cada termopar posicionada na junta de referência foi soldada a um fio comum, e este fio foi
ligado a um multímetro. Os dados foram adquiridos com auxílio de um multímetro da marca Agilent modelo 34970a (do Laboratório de Meios Porosos e Propriedades Termofísicas, LMPT, do Departamento de Engenharia Mecânica da UFSC), ligado a um computador onde os dados foram armazenados. A Figura 10 mostra um esquema desse sistema de monitoramento e a Figura 11 mostra fotos do sistema.
Figura 10 – Esquema do sistema de monitoramento da temperatura superficial das amostras.
Figura 11 – Sistema de monitoramento da temperatura superficial das amostras: (a) amostras com termopares posicionadas na plataforma; (b)
multímetro e computador para aquisição e armazenamento dos dados.
Os valores da temperatura da junta de referência e da variação da tensão elétrica de cada termopar são utilizados para o cálculo da temperatura superficial da amostra (temperatura verificada na extremidade do termopar soldada à amostra). Tal cálculo foi realizado conforme as Equações 1 a 3 (baseado em Calvet e Prat, 1956).
j j
j
T
T
V
0,0302
240,3099
Equação 1Onde: Vj é a tensão elétrica correspondente à junta de
referência (V);
Tj é a temperatura da junta de referência (°C),
obtida na medição.
va j
a
V
V
V
Equação 2Onde: Va é a tensão elétrica referente ao termopar soldado na amostra (V).
Vj é a tensão elétrica correspondente à junta de
referência (V);
(b)
Vva é a variação de tensão elétrica
correspondente ao termopar soldado na amostra (V), obtida na medição. a a a a
V
V
T
8,230610
12
34,538910
7V
22,509510
2
Equação 3Onde: Ta é a temperatura superficial da amostra (ºC);
Va é a tensão elétrica referente ao termopar
soldado na amostra (V).
3.1.2.3 Refletância
A refletância espectral das amostras pequenas foi medida através de dois Espectrofotômetros: o Lambda 750 (Figuras 12 e 13), que pertence ao Laboratório de Filmes Finos e Superfícies (LFFS) do Departamento de Física da UFSC, e o Lambda 1050 (Figuras 14 e 15) do Centro Brasileiro de Eficiência Energética em Edificações (CB3E) do Departamento de Engenharia Civil da UFSC.
Os espectrofotômetros são equipamentos compostos, em geral, por uma ou mais fontes de radiação eletromagnética, um conjunto de componentes ópticos que levam esta radiação até a amostra (espelhos), um compartimento para posicionamento da amostra e um ou mais detectores que medem a intensidade da radiação refletida (DORNELLES, 2008). No caso dos espectrofotômetros utilizados, as fontes de radiação eletromagnética são lâmpadas de deutério e de tungstênio, que emitem feixes de luz em comprimentos de onda que abrangem grande parte do espectro solar. O feixe de luz incide sobre a amostra e é por ela refletido. Com auxílio de uma esfera integradora, é medida a intensidade do feixe refletido pela amostra. Cada vez que os equipamentos são utilizados é preciso inicialmente realizar um procedimento padrão, com uma amostra de referência chamada Spectralon®. Tal material é a referência das medições e é adotado por se tratar do material conhecido com maior refletância difusa nas regiões do ultravioleta, visível, e infravermelho-próximo. Para garantir a qualidade das medições,
os equipamentos realizam uma auto-calibração uma vez por mês. O manual dos aparelhos não informa a precisão dos valores de refletância medidos. Os resultados obtidos possuem resolução de 10-6.
Figura 12 – Espectrofotômetro Lambda 750.
Figura 13 – Interior do espectrofotômetro Lambda 750.
O uso de dois equipamentos foi necessário em decorrência de problemas verificados ao longo dos experimentos. Nos primeiros três meses do monitoramento foi utilizado o espectrofotômetro Lambda 750. Porém, quando os dados das medições destes meses foram analisados, perceberam-se inconsistências nos resultados do segundo e terceiro mês. Após
Esfera integradora de 60 mm
Amostra Amostra
uma verificação detalhada dos dados e do equipamento, verificou-se que o Spectralon® utilizado em tal equipamento teve suas propriedades alteradas por sujeira, possivelmente pelo mau uso anterior. Sendo assim, os resultados obtidos no segundo e terceiro mês tiveram que ser descartados (mais detalhes são mostrados no Apêndice 1). Como consequência disto, foi necessário utilizar outro equipamento que pudesse realizar medições confiáveis. A partir do quarto mês de monitoramento o espectrofotômetro Lambda 1050 passou a ser utilizado. A fim de garantir que não houvesse discrepâncias entre os resultados das medições nos dois espectrofotômetros, foram realizados testes comparativos. Tais experimentos são apresentados no Apêndice 2.
Figura 14 – Espectrofotômetro Lambda 1050.
Figura 15 – Interior do espectrofotômetro Lambda 1050.
Esfera integradora de 150 mm Compartiment o para amostra Compartimento para amostra
Todas as medições de refletância foram realizadas nos comprimentos de 280 a 2500 nm (Figura 16), adquirindo os dados a cada 2 nm. Com os dados de refletância espectral, obtidos pela medição, foi calculada para cada amostra a refletância solar (280 a 2500 nm) e também as refletâncias para as regiões do ultravioleta (280 a 380 nm), visível (381 a 760 nm) e infravermelho (761 a 2500 nm). Esses cálculos foram feitos considerando a intensidade da radiação solar para cada comprimento de onda, obtida no espectro solar padrão da norma ASTM G173-03 (ASTM, 2012).
Tal procedimento é necessário, pois, conforme detalhado por Dorneles (2008), os dados de refletância obtidos pelo espectrofotômetro caracterizam o comportamento ótico das amostras quando expostas a uma energia constante ao longo de todo o espectro solar. Porém, a intensidade da radiação solar não é constante no espectro (conforme mostrado anteriormente na Figura 4). Dessa forma, para se obter a refletância solar das superfícies, os valores de refletância espectral obtidos para cada amostra devem ser corrigidos de acordo com a intensidade da radiação solar para cada comprimento de onda, a partir do espectro solar padrão adotado.
Figura 16 – Comprimentos de onda abrangidos na medição da Refletância.
O espectro padrão da ASTM G173-03 (ASTM, 2012) apresenta os valores espectrais da irradiação solar hemisférica global, em W/m².nm, (composta pela radiação direta, somada à radiação difusa que é dispersa pela atmosfera e refletida pelo solo) para uma superfície orientada ao Sul e com inclinação de 37°, em condições atmosféricas médias representativas do território dos Estados Unidos. Tais valores são apresentados
para comprimentos de onda de 280 a 4000 nm. Sabe-se que para um trabalho referente ao clima brasileiro o ideal seria obter um espectro solar padrão específico para o Brasil, a partir das condições atmosféricas observadas no país. Porém, na falta de dados específicos para o Brasil, considerou-se adequado utilizar nesta pesquisa os dados da ASTM.
A seguir descreve-se o procedimento adotado para ajuste da refletância das amostras ao espectro solar padrão, baseado nos cálculos descritos por Santos et al. (2009).
1. A refletância espectral da amostra, obtida na medição em porcentagem (%), é dividida por 100, resultando no valor adimensional.
2. Para cada comprimento de onda, a refletância espectral é multiplicada pela irradiação solar global espectral (obtida na ASTM G173-03), obtendo-se assim a irradiação do espectro solar padrão que seria refletida pela amostra, por comprimento de onda (Equação 4). ) ( ) ( ) (
G
G
refletida
Equação 4 Onde:G()refletida é a Irradiação solar global espectral refletida
pela amostra (W/m².nm);
() é a Refletância espectral da amostra (adimensional);G()é a Irradiação solar global espectral (W/m².nm).
3. A irradiação refletida pela amostra é integrada para um intervalo de comprimento de onda desejado (intervalo entre os dados medidos) por meio da Erro! Fonte de referência não ncontrada..
)
(
)
2
)
((
( ) ( ) )( x y refletida
G
y refletidaG
x refletida y xI
Onde:
I(x-y)refletida é a Intensidade de irradiação solar global
refletida pela amostra no intervalo (W/m²);
G(x)refletida é a Irradiação solar global refletida pela amostra
no comprimento de onda x (W/m².nm);
G(y)refletida é a Irradiação solar global refletida pela amostra
no comprimento de onda y, (W/m².nm);