UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE DUAS
CONFIGURAÇÕES DE UM FORNO SOLAR DO TIPO
CAIXA FABRICADO A PARTIR DE UM ORELHÃO EM
DESUSO
Edykellton da Silva Souza
NATAL- RN, 2019
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Estudo comparativo entre duas configurações de um forno
solar do tipo caixa fabricado a partir de um orelhão em
desuso
Edykellton da Silva Souza
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico, orientado pelo Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza.
NATAL – RN
2019
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE DUAS
CONFIGURAÇÕES DE UM FORNO SOLAR DO TIPO
CAIXA FABRICADO A PARTIR DE UM ORELHÃO EM
DESUSO
EDYKELLTON DA SILVA SOUZA
Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso
Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza
Universidade Federal do Rio Grande do Norte – Orientador Me. Aldo Paulino de Medeiros Junior
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno Me. Mário Cesar Oliveira Spinelli
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno
Dedicatória
Dedico este trabalho à Deus, aos meus pais, que me deram toda base de educação e compreensão ao longo do curso, aos meus irmãos, à minha noiva Taliane Paz e ao professor Dr. Luiz Guilherme.
Agradecimentos
Agradeço primeiramente à Deus por tudo que tem proporcionado na minha vida até hoje.
Agradeço aos meus pais por todo incentivo em toda minha trajetória, pela educação que me deram, pela compreensão da minha ausência em muitos momentos pelo fato de estar dedicado
ao curso.
Agradeço à minha noiva Taliane Paz, que ao longo do curso inteiro me motivou, foi compreensiva em muitos momentos de ausência e perseverou orando por mim.
Aos meus amigos de curso, pelos incentivos nas horas difíceis. Ao Professor Luiz Guilherme, pela paciência e disposição em ajudar.
Souza, ESS. Estudo comparativo entre duas configurações de um forno solar do tipo caixa fabricado a partir de um orelhão em desuso. 2019. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2019.
Resumo
A utilização da energia solar para assamento e assamento de alimentos é uma realidade no mundo. São utilizados os fornos (assamento) e os fogões solares(assamento) de vários tipos, princípios e materiais. No LMHES/UFRN há mais de trinta anos a assamento de alimentos tem sido estudada e para tanto já foram fabricados e estudados inúmeros protótipos solares. Esse trabalho apresenta um novo modelo de forno solar, para o assamento de alimentos, fabricado a partir de um orelhão em desuso. O forno foi estudado para duas configurações: forno negro e forno misto (negro + espelhado). Será apresentado um estudo comparativo entre essas duas configurações, destacando-se a que apresenta maior viabilidade de utilização por parte de comunidades carentes. Para o estudo comparativo foram realizados testes de assamento para vários alimentos, sendo a configuração de forno negro a mais eficiente e viável nos campos térmico e econômico. As principais características do forno solar fabricado foram seus fáceis processos de fabricação, montagem e operação, baixo custo e reutilização de materiais. O objetivo principal do estudo foi repassar as tecnologias de fabricação, montagem e operação do forno para ajudar comunidades carentes na alternativa para o uso do GLP, de alto custo, e também minimizar o uso da lenha para a operação de assamento de alimentos.
Palavras-chave: energia solar, forno solar, assamento de alimentos, reutilização de materiais, baixo custo.
Souza, ESS. Comparative study between two bands of a box type solar oven made from a disused telephone booth. 2019. Graduation in Mechanical Engineering - Federal University of Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2019..
Abstract
The use of solar energy for baking and roasting food is a reality in the world. Ovens (roasting) and solar cookers (cooking) of various types, principles and materials are used. In the LMHES / UFRN for more than thirty years the cooking of food has been studied and for that have already been manufactured and studied countless solar prototypes. This work presents a new model of solar oven, for the food roasting, made from a disused telephone booth. The oven was studied for two configurations: black oven and mixed oven (black + mirrored). A comparative study will be presented between these two configurations, highlighting the one that presents greater viability of use by poor communities. For the comparative study, bake tests were performed for various foods, the black furnace configuration being the most efficient and viable in the thermal and economic fields. The main characteristics of the solar oven manufactured were its easy manufacturing processes, assembly and operation, low cost and reuse of materials. The main goal of the study was to review furnace fabrication, assembling and operation technologies to help underprivileged communities in the alternative to use high-cost LPG, and also to minimize the use of firewood for the food roasting operation.
Lista de Figuras
Figura 1. Caixa solar constrída por Horace de Saussure ... 3
Figura 2. Bárbara Kerr e Shery Cole com um dos modelos de seus fogões Solares .. 5
Figura 3. Sam Erwin e o seu forno solar ... 5
Figura 4 . Mapa solar mundial ... 7
Figura 5. Processos de aproveitamento da energia solar ... 9
Figura 6. Radiação solar global no Brasil ... 10
Figura 7. Esquema de funcionamento de um fogão tipo caixa ... 11
Figura 8. Modelo de fogão tipo caixa ... 12
Figura 9. Esquema de um fogão/forno solar tipo caixa... 12
Figura 10. Concentrador Parabólico ... 12
Figura 11. Concentrador Cônico ... 13
Figura 12. Forno solar tipo painel ... 13
Figura 13. Fogão solar de placa plana construído na Universidade Federal do Ceará ... 14
Figura 14. Princípio de assamento de um forno solar ... 14
Figura 15. Laboratório de Maquinas de Fluxo – Acervo pessoal ... 16
Figura 16. Orelhão utilizado no experimento – Acervo pessoal ... 16
Figura 17. Forno solar configuração mista – Acervo pessoal ... 17
Figura 18. Forno solar configuração mista – Acervo pessoal ... 17
Figura 19. Forno solar configuração corpo negro – Acervo pessoal ... 18
Figura 20. Termômetro utilizado... 18
Figura 22. Radiômetro utilizado ... 19 Figura 23. Forno tipo caixa posicionado - Acervo Pessoal ... 22
Lista de Gráficos
Gráfico 1. Tempos de assamento ... 24
Gráfico 2. Comparativo temperaturas na base - Sem carga ... 25
Gráfico 3. Comparativo Temperatura do Ar Sem Carga ... 25
Gráfico 4. Temperaturas ambiente nos testes ... 26
Gráfico 5. Comparativo Radiação Térmica nos Testes ... 26
Gráfico 6. Comparativo Assamento de Bolo em Configurações Distintas... 27
Gráfico 7. Comparativo Assamento de Pizza em Configurações Distintas ... 28
Gráfico 8. Comparativo Assamento de Empanado em Configurações Distintas... 28
Gráfico 9. Comparativo Assamento de Pães na nata em Configurações Distintas ... 29
Lista de Tabelas
Tabela 1 . Classificação de fontes energéticas - Goldemberg e Lucon (2012) ... 7
Tabela 2 . Configuração corpo negro sem carga ... 20
Tabela 3. Tempo do assamento do bolo - Tipo Corpo Negro ... 20
Tabela 4. Tempo do assamento da pizza - Tipo Corpo Negro ... 21
Tabela 5. Tempo do assamento do empanado - Tipo Corpo Negro ... 21
Tabela 6. Tempo do assamento da calabresa - Tipo Corpo Negro ... 21
Tabela 7. Tempo do assamento dos pães na nata - Tipo Corpo Negro ... 21
Tabela 8. Dados configuração mista sem carga ... 22
Tabela 9. Tempo de assamento do bolo - Configuração Mista ... 22
Tabela 10. Tempo de assamento da pizza - Configuração Mista ... 23
Tabela 11. Tempo de assamento do empanado - Configuração Mista ... 23
Tabela 12. Tempo de assamento da calabresa - Configuração Mista ... 23
Tabela 13. Tempo de assamento dos pães na nata - Configuração Mista ... 23
Tabela 14. Comparativo configuração mista e configuração caixa sem carga ... 24
Tabela 15. Comparativos tempo de assamento configuração mista e configuração caixa com carga ... 26
Sumário
Dedicatória... iv Agradecimentos ... v Resumo ... vi Abstract ... vii Lista de Tabelas ... xi Sumário ... xii 1 Introdução ... 1 2 Revisão Bibliográfica ... 32.1 Histórico dos Fogões Solares ... 3
2.2 Energias Renováveis ... 6
2.3 Energia Solar ... 7
2.4 Principais Tipos de Fornos e Fogões Solares ... 10
2.5 Processo de Transferência de Calor no Forno Solar ... 14
2.5.1 Radiação ... 14
2.5.2 Condução ... 15
2.5.3 Convecção ... 15
2.6 Efeito Calorífero do Forno ... 15
3 Materiais e Métodos ... 16
3.1 Fabricação ... 16
3.2 Avaliação ... 18
4 Resultados e Discussões ... 20
4.1 Testes configuração corpo negro ... 20
4.2 Testes configuração tipo misto (corpo negro + reflexivo) ... 22
5. Comparativo ... 24
6. Conclusões ... 30
1
1 Introdução
Devido à problemas no relacionado ao meio ambiente constantemente são discutidas alternativas de energia limpa para diminuição de emissão de gases e novas tecnologias. A captação de energia solar não é algo recente a pelo menos dois séculos antes de Cristo, quando Arquimedes havia repelido um ataque romano a Siracusa os estudos tem se intensificado cada vez mais, embora o foco maior esteja em energia eólica, a energia solar é um grande potencial aqui no Brasil e principalmente na região Norte/Nordeste.
Segundo Beyer et al. 2004 os primeiros experimentos relacionados com fornos solares tipo caixa para a preparação de alimentos foram descritos por Nicholas de Saussure, a mais de 200 anos, por volta de 1770. Saussure desenhou um fogão que consistia numa caixa retangular isolada e com a parte de cima envidraçada. A tampa da caixa, refletora, encarrega-se de concentrar a radiação dentro da caixa. Quando essa radiação entra na caixa, é absorvida pelo seu fundo que é pintado de preto mate, quando é libertada por este, já tem um comprimento de onda infravermelho, o que não permite que volta a passar pelo vidro (este é opaco aos infravermelhos). Este aparelho atinge cerca de 160 ºC.
Seria mais sensato aproveitarmos mais a maior fonte de energia renovável do planeta, o sol, pois ela é abundante, permanente, renovável, limpa e pode ser captada em qualquer parte do planeta.
A verdade é que todos os combustíveis fósseis começaram como luz solar. A energia solar é por excelência a mais ecologicamente correta. Trabalhando como um imenso reator à fusão, o sol irradia na terra todos os dias um potencial energético extremamente elevado, incomparável a qualquer outro sistema de energia (RAMOS, 2011)
O sol irradia anualmente o equivalente a 10 mil vezes a energia consumida pela população mundial neste mesmo período. Apenas do seu grande potencial para gerar energia, o sol ainda não é referência no contexto elétrico brasileiro (BEM, 2012).
Em alguns países com Índia, China e Peru é bem utilizada essa prática econômica de uso de fogões solares para assamento de alimentos, na Índia e China superando 100.000 unidades.
No Estado do Rio Grande do Norte, de acordo com a matéria da Tribuna do Norte do dia 8 de abril de 2007, a lenha ainda é o principal combustível do RN, superando eletricidade e derivados de petróleo. Pesquisas comprovam que, quando se fala em oferta, o maior peso é do petróleo, que, em 2005, representava 45,2% da energia disponível no estado. Entretanto, a lenha que responde por 25,4% do consumo no estado, é o combustível mais usado entre industrias e
2 residências. Cálculos do coordenador do Grupo de Estudos Energéticos (Green) da UFRN, João Hélio Gomes, que integrou equipe de pesquisadores, mostram que são consumidas cerca de um milhão de toneladas de madeira anualmente no RN (TRIBUNA DO NORTE, 2007).
Com todos os avanços da tecnologia ainda, o uso de energia solar ainda precisar ser bem melhor visto como benefício para a sociedade, principalmente áreas carentes do nosso país e do mundo, o gás de cozinha tradicional (GLP) vem cada vez mais ficando mais custoso e inviável para famílias de baixa renda, ou até mesmo para pessoas que moram no sertão ou o acesso à compra do mesmo é difícil.
Há muitos benefícios envolvidos em um uso de forno solar como a questão financeira que já foi relatada, o baixo custo do equipamento que pode ser facilmente montado com materiais recicláveis, a questão de saúde quando tratamos o caso de pessoas que utilizam lenha para assamento dos seus alimentos e evitar a poluição.
Nneste trabalho será apresentado um projeto de forno solar em duas configurações do tipo caixa, a partir de um orelhão em desuso, um na configuração corpo negro e outro na configuração tipo misto (corpo negro + reflexiva), realizar os comparativos e verificar qual obterá o melhor desempenho e melhor viabilidade para uso de comunidades carentes.
1.1
Objetivo Geral
Comparativo entre dois tipos de forno solar do tipo caixa, um de configuração corpo negro e na configuração do tipo misto(corpo negro + reflexivo)xiva, e outro de configuração tipo mista para produzir o assamento de alimentos.
1.2
Objetivos Específicos
• Realizar testes de assamento de alimentos • Comparar resultados com outros já testados • Comparar resultados das duas configurações
3
2 Revisão Bibliográfica
2.1 Histórico dos Fogões Solares
Como já dito anteriormente, a confecção de forno solar não é uma tecnologia atual, ela vem se aprimorando já de muito tempo, para entendermos essa importância traremos um breve histórico sobre forno solar.
Passado um longo período de anos, no final do século XVIII o cientista francês Lavoisier, em seus experimentos usando uma lente grande de 52 polegadas, e outra de 8, conseguiu atingir temperaturas próximas de 1.750 ºC, por pouco não conseguindo fundir a platina. Foi, indubitavelmente, a maior temperatura atingida naquela época pelo homem (OLIVEIRA, 2009).
Desde a mais remota antiguidade os povos já utilizavam a energia do sol para aquecer água, secar frutas e cozinhar vegetais, porém a primeira cozinha solar e/ou fogão solar com tecnologia moderna se atribui ao franco-suíço Horace de Saussure, considerado o avô da energia solar, que projetou e construiu uma pequena caixa solar entre outros inventos relacionados com esta fonte de energia no ano de 1767. Ele cozinhou frutas em um fogão solar do tipo caixa primitivo em que alcançava temperaturas de 190 °F (88°C) (RAMOS FILHO, 2011).
Figura 1. Caixa solar constrída por Horace de Saussure Fonte: http://solarcooking;org/portugues/hitory-pt.htm
Importantes invenções no campo do fogão solar no século XIX:
• 1830: O astrônomo britânico John Herschel utilizou uma cozinha solar de sua invenção durante sua viagem ao sul da África.
4 • 1860: Mouchot, na Argélia cozinhou com um refletor curvado, concentrando os raios solares sobre uma pequena panela.
• 1881: Samuel P. Langley utilizou uma cozinha solar durante a subida ao monte Whitney nos Estados Unidos.
• Charles Abbot desenhou um espelho concentrador e conseguiu alcançar com o mesmo a temperatura em torno de 200ºC, em que esquentava azeite, retendo parte do calor por várias horas após o por do sol, conseguindo cozinhar alguns alimentos durante a noite.
Só após 1950 é que os fornos solares tiveram um melhor andamento pois nesse período o mundo ainda estava envolvendo em conflitos e guerras, após isso buscavam meio de criar um futuro melhor.
No século XX houve utilização massiva dos combustíveis fósseis, possibilitando a obtenção de energia abundante e relativamente barata em quase todas as camadas da população; o mundo industrializado esqueceu as antigas e simples técnicas naturais e somente no último terço desse século, quando começaram a surgir os problemas resultantes da destruição dos produtos petrolíferos e pela crescente contaminação dos seus derivados, a energia solar voltou a ser usada, ainda que de forma incipiente (LION, 2007)
Em 1960 a ONU realizou um estudo para avaliar as reais possibilidades de implantação e desenvolvimento das cozinhas solares nos países desenvolvidos e em desenvolvimento, concluindo que sim, eram viáveis, mas que necessitava apenas uma mudança nos costumes para uma adaptação a sua utilização em grande escala. (LION FILHO, 2007).
Tivemos a contribuição também da engenheira Maria Telkes que criou inúmeros desenhos de cozinhas solares que remetem muito ao nosso objetivo do uso de forno solares como baixo custo, viáveis e portanto serem utilizados em países pobres.
Em 1970 no Arizona Sherry Cole e Bárbara Kerr desenvolveram modelos de fogões solares que atraíram muita atenção por conta dos baixos preços. Simultaneamente, Dan Hallcy, um pioneiro no campo da energia solar, fabricou a cozinha solar 30-60, esse nome se dá devido a sua construção baseada em ângulos cujas medidas em graus eram essas (LION, 2007).
5
Figura 2. Bárbara Kerr e Shery Cole com um dos modelos de seus fogões Solares Fonte (http://solarcooking.wikia.com/wiki/Barbara_Kerr)
Em 1992 a associação Solar Cookers International promoveu a Primeira Conferência Mundial sobre a Cozinha Solar, um acontecimento histórico e marcante sobre esse tema, que reuniu pesquisadores e entusiastas de 18 países. Essa Conferência repetiu-se em 1995, 1997, 2006 e recentemente, no ano de 2008, na Espanha (GOMES,2009).
Nos meados nos anos 80 houve a popularização do Solar Chef, de Sam Erwin, tornando-se o mais eficiente forno solar doméstico. O mais simples era o Sunspot de BudClevette juntamente com o Sun Oven, alcançado, portanto, uma maior difusão.
Figura 3. Sam Erwin e o seu forno solar Fonte: (www.solar-chef.com/solar-chef-inventor)
6 No Brasil o estudo de fogões solares teve seu início e pioneirismo no Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal da Paraíba (UFPB), na década de 1980, através do Pesquisador Arnaldo Moura Bezerra, que construiu vários tipos de Fogões à Concentração, utilizando materiais diversos para a superfície refletora (LION FILHO, 2007).
No Rio Grande do Norte, o Laboratório de Máquinas Hidráulicas e Energia Solar (LMHES) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) foi o local promissor nessa linha de pesquisa, fornos/fogões solares, o qual tem merecido destaque em mais de 20 anos de estudos nessa área sob orientação do Prof. Dr. Luiz Guilherme Meire de Souza, no qual vem desenvolvendo inúmeros modelos de fornos solares auxiliando também vários discentes principalmente da área de Engenharia Mecânica (RAMOS FILHO, 2011).
2.2 Energias Renováveis
Nas fontes de energia renováveis o “uso pela humanidade não causa uma variação significativa nos seus potenciais e se suas reposições a curto prazo são relativamente certas” (JANNUZZI; SWISHER, 1997).
Na Tabela 1, mostra os exemplos das diferentes fontes de energia definidas anteriormente. Pode-se observar na tabela que são muitas as fontes de energia que podem ser exploradas, chamam atenção a diversificação de possibilidades de obtenção de energia por fontes renováveis.
7
Tabela 1 . Classificação de fontes energéticas - Goldemberg e Lucon (2012)
2.3 Energia Solar
Os Países tropicais são os mais favoráveis ao uso de equipamentos solares devido a sua posição geográfica que consequentemente recebem maiores quantidades de radiação solar, mais dias de sol que países em outras regiões do hemisfério. Na Figura a baixo podemos constatar isso.
Figura 4 . Mapa solar mundial Fonte: LOSTER, 2006
8 O sol é a estrela mais próxima de nosso planeta e também a mais estudada. Esta esfera de gás, que em seu núcleo reações termonucleares, com maior destaque para a fusão, converte 600 milhões de toneladas de hidrogênio em hélio por segundo (GRIMM, 2007).
A Energia solar pode ser indireta ou diretamente utilizada, as energias biomassa, eólica, maremotriz, o fenômeno da fotossíntese, o crescimento dos seres vivos e mesmo as fontes não renováveis são, em última análise, uma forma indireta de utilização da energia solar (BEZERRA, 1998,p 16).
A energia irradiada pelo sol, para a atmosfera terrestre é praticamente constante. Esta energia irradiada ou intensidade de radiação é descrita como a constante solar relativa a uma área de 1m². O valor médio da constante solar é E0 = 1.367 W/m² (LOPO, 2009).
A energia solar pode ter vários tipos de aproveitamento como na iluminação, aquecimento de fluidos, geração de potência mecânica e elétrica, fonte de energia térmica, entre outros. O que nos deixa mais entusiasmado para o uso desse tipo de fonte é o os benefícios que se traz à população, como economia, sem falar de uma fonte limpa e renovável.
Com isso nós temos 3 tipos de aproveitamento de transformação da energia de acordo com a aplicação (ALDABÓ, 2002; BEZERRA, 2001):
• Processo térmico, que utiliza diretamente o calor da radiação do sol como energia, dividindo-se em baixa temperatura (até 100ºC), média temperatura (de 100ªC a 1000ºC), alta temperatura (acima de 1000ºC);
• Processo elétrico, que transforma a radiação solar diretamente em energia elétrica através do processo fotovoltaico;
• Processo químico, que transforma a radiação solar em energia química por meio de fotólise ou fotossíntese (energia bioquímica)
9
Figura 5. Processos de aproveitamento da energia solar Fonte: (RAMOS FILHO, 2011)
O mapeamento da distribuição do recurso solar permite reconhecer áreas em que o aproveitamento dessa energia é potencialmente significativo. Alguns municípios do nordeste, como Petrolina (PE), Floriano (PI) ou Bom Jesus da Lapa (BA), tem valores de radiação solar diária comparáveis aos das regiões mais ensolaradas no mundo como Dongola, no Deserto Arábico (Sudão) E Dagget, no Deserto de Mojave (Califórnia/EUA). Na figura 1 visualiza-se a distribuição de radiação global solar diária no Brasil. Os menores índices são observados no Litoral Sul-Sudeste, mas mesmo com menores índices de radiação, ainda sim apresentam grande potencial de aproveitamento energético.
10
Figura 6. Radiação solar global no Brasil Fonte: Tiba, 2000.
Tratando-se de Natal, capital do Rio Grande do Norte, local de estudo, considera-se uma radiação solar global média entre 0,5 a 0,7 kW/m2, com nível de iluminação médio da ordem de oito horas por dia (BEZERRA, 2001). Essa radiação atinge valores máximos de 1,2 kW/m2 no intervalo das 11 às 13h (INPE, 2015).
2.4 Principais Tipos de Fornos e Fogões Solares
Existem vários tipos de fornos solares, dentre eles os principais são: fornos do tipo caixa, fogões concentradores, fogões do tio painel e coletores de placa plana aplicados a cozinhas. • Forno tipo caixa
11 O objetivo principal desse tipo de forno é gerar uma atmosfera ao redor do alimento que provocará o chamado efeito estufa. Podendo ser feito de diversos tipos de materiais, o que realmente é necessário é possuir um vidro ou algum outro tipo de material transparente que permita a passagem dos raios solares para seu interior e mantenha boa parte do calor que é necessário para assar o alimento. Pinta-se de preto também para caracterizar um corpo negro com maior absorção.
Este tipo de forno pode ter distintos número de refletores externos, planos ou levemente côncavos, colaborando para uma aceleração na temperatura interna, diminuindo o tempo de assamento conforme podemos analisar nas figuras abaixo (SOCIEDADE DO SOL)
Figura 7. Esquema de funcionamento de um fogão tipo caixa Fonte: Sociedade do sol
12
Figura 8. Modelo de fogão tipo caixa Fonte: (http://fogaosolar.net)
Figura 9. Esquema de um fogão/forno solar tipo caixa Fonte: Moura, 2007
• Fogões Concentradores
Fogões que captam a radiação solar e a concentram numa região focal, onde se posiciona o absorvedor ou forma, promovendo o assamento dos alimentos. É necessário refletores para a captação e reflexão da luz solar, geralmente espelhos (LION, 2007)
13
Figura 11. Concentrador Cônico
• Fogão Painel
Pode ser desmontado e montado de maneira prática. O forno solar tipo painel, como mostrado na figura abaixo, a panela fica localizada no centro do painel com superfície interna refletora. A reflexão acontece devido a utilização de papel alumínio ou espelhos (SANTOS FILHO, 2008). O mais conhecido desses fogões é o de Bernad, desenvolvido posteriormente por Barbara Kerr, justamente o da figura abaixo.
Figura 12. Forno solar tipo painel Fonte: solarcooking.org
• Coletores de placa plana aplicada a cozinha
São cozinhas que promovem o assamento do alimento por meio de aquecimento através de coletores de placa plana. Esses coletores aquecem algum fluido de trabalho como óleo ou ar (QUEIROZ, 2005; LION, 2007)
14
Figura 13. Fogão solar de placa plana construído na Universidade Federal do Ceará Fonte: LION, 2007
2.5 Processo de Transferência de Calor no Forno Solar
O calor dentro de um forno é transferido a partir de três processos básicos: Condução, Radiação e Convecção, Observe a figura 7 (INCROPERA, 2003).
Figura 14. Princípio de assamento de um forno solar Fonte: solarcooking.org
2.5.1 Radiação
É a designação dada à energia radiante emitida pelo Sol, em particular que é transmitida sob a forma de radiação eletromagnética.
15 O forno solar faz o processo de assamento dos alimentos graças à radiação fornecida pelo sol, mas essa radiação também é emitida pelos objetivos no interior do forno até mesmo pelo alimento.
2.5.2 Condução
Condução é a transferência de calor através de um corpo, de molécula a molécula, o corpo mais quente cede calor ao menos quente. A constante Adição de calor favorece o choque entre as moléculas transferindo energia das mais energéticas para as menos energéticas.
A panela que é aquecida por radiação, transmite o calor ao alimento e a água através de condução, transmitindo o mesmo a partir de suas moléculas para as moléculas do material que está em contato com essa fonte de calor.
2.5.3 Convecção
É o processo de transferência de calor que ocorre através do deslocamento de camadas de um fluido, ou seja, ocorre com líquidos e gases.
O ar quente aquecido no fundo da panela, ou do próprio forno tende a subir e trocar calor com o ar frio que desce, promovendo uma circulação de ar, aquecendo o ambiente.
2.6 Efeito Calorífero do Forno
Combinando os efeitos de radiação no corpo negro e efeito estufa, temos um efeito duplo na geração e armazenamento de calor que são essenciais para o assamento de alimentos, uma parte da que energia entra no forno é refletida para o ambiente externo e boa parte é absorvida continuamente pelo ar e pelos materiais no interior do forno.
Ao se colocar um corpo negro nessa região interna estará se aproveitando ainda mais desse calor contido no interior do forno. Esse calor emitido por infravermelho é transmitido ao vidro e retorna ao corpo negro sendo absorvido novamente, promovendo uma elevação na temperatura até atingir um ponto de equilíbrio entre o ganho e a perda de calor.
16
3 Materiais e Métodos
O trabalho divide-se em quatro etapas: Fundamentação teórica, fabricação, análise e comparativo.
Essa primeira etapa da pesquisa contou com o estudo teórico baseado em bibliografias que tratam da propagação de calor e da construção de fornos solares para que a escolha dos materiais e a disposição dos mesmos fossem da melhor maneira possível, possibilitando a maior absorção de calor e a mínima emissão.
3.1 Fabricação
Os dois tipos de forno solar foram fabricados no Laboratório de Máquinas Hidráulicas e Energia Solar, como indicado na figura 7, utilizando praticamente todo material reciclável.
Figura 15. Laboratório de Maquinas de Fluxo – Acervo pessoal
O diferencial desse trabalho se constitui em um comparativo de um forno fabricado a partir de um orelhão em desuso em dois tipos de configuração e realizar um comparativo entre eles.
17
Figura 17. Forno solar configuração mista – Acervo pessoal
18
Figura 19. Forno solar configuração corpo negro – Acervo pessoal
3.2 Avaliação
Para este trabalho utilizamos os seguintes equipamentos: • Termômetro
• Cronômetro • Radiômetro • Termopar
19
Figura 21. Cronômetro utilizado
Figura 22. Radiômetro utilizado
Foram realizados procedimentos de posicionamento dos fornos onde havia maior captação da radiação solar, ajustando os refletores e os termômetros de maneira favorável para obtenção das leituras com a preocupação que não houvesse nenhum dano no equipamento. A leitura e anotação dos dados foram coletados no intervalo de 15 minutos, a temperatura ambiente e da parede interna do forno e da chapa.
20 Foram realizados testes nos dois tipos de configuração durantes vários dias e apresentaram resultados satisfatórios.
Algumas considerações foram tomadas como: ✓ Velocidade do vento desprezível
✓ Localização geográfica aberta, livre de interferência de sombras
4 Resultados e Discussões
4.1 Testes configuração corpo negro
• Sem carga
Tabela 2 . Configuração corpo negro sem carga
SEM CARGA
CONFIGURAÇÃO CORPO NEGRO HORÁRIO Tª NA BASE (°C) Tª AR (°C) Tº AMBIENTE (°C) RADIAÇÃO GLOBAL (W/m²) 10:30 29 29 29 865 10:45 77 70 29 910 11:00 80 65,8 29 860 11:15 83 65 30 840 11:30 92 58 29 870 11:45 105 62,7 29 900 12:00 109 71,7 31 955 12:15 112 73,5 31 885 o Assamento do bolo
Tabela 3. Tempo do assamento do bolo - Tipo Corpo Negro
BOLO Horário Inicial Horário Final Tempo(min) Configuração Corpo
21 o Assamento da Pizza
Tabela 4. Tempo do assamento da pizza - Tipo Corpo Negro
PIZZA Horário Inicial Horário Final Tempo(min) Configuração Corpo
Negro 11:55 12:19 24
o Assamento do Empanado
Tabela 5. Tempo do assamento do empanado - Tipo Corpo Negro
Empanado Horário Inicial Horário Final Tempo(min) Configuração Corpo
Negro 12:05 12:34 29
o Assamento da Calabresa
Tabela 6. Tempo do assamento da calabresa - Tipo Corpo Negro
Calabresa Horário Inicial Horário Final Tempo(min) Configuração Corpo
Negro 12:33 13:38 65
o Assamento Pães com nata
Tabela 7. Tempo do assamento dos pães na nata - Tipo Corpo Negro
Pães com nata Horário Inicial Horário Final Tempo(min) Configuração Corpo
22
Figura 23. Forno tipo caixa posicionado - Acervo Pessoal
4.2 Testes configuração tipo misto (corpo negro + reflexivo)
o Sem carga
Tabela 8. Dados configuração mista sem carga
CONFIGURAÇÃO MISTA HORÁRIO Tª NA BASE (°C) Tª AR (°C) Tº AMBIENTE (°C) RADIAÇÃO GLOBAL (W/m²) 10:30 29 29 29 998 10:45 86,8 62,2 29 1072 11:00 93,8 70 29 1184 11:15 115 78,1 30 947 11:30 114 90 29 1038 11:45 114 92 29 1000 12:00 115 93 31 981 12:15 115 95 31 1040 o Assamento do bolo
Tabela 9. Tempo de assamento do bolo - Configuração Mista
BOLO Horário Inicial Horário Final Tempo(min)
23
o Assamento da Pizza
Tabela 10. Tempo de assamento da pizza - Configuração Mista
PIZZA Horário Inicial Horário Final Tempo(min)
Configuração Mista 11:12 11:38 26
o Assamento do Empanado
Tabela 11. Tempo de assamento do empanado - Configuração Mista
Empanado Horário Inicial Horário Final Tempo(min)
Configuração Mista 11:00 11:33 33
o Assamento Calabresa
Tabela 12. Tempo de assamento da calabresa - Configuração Mista
Calabresa Horário Inicial Horário Final Tempo(min)
Configuração Mista 11:49 12:58 69
o Assamento Pães na nata
Tabela 13. Tempo de assamento dos pães na nata - Configuração Mista
Pães com nata Horário Inicial Horário Final Tempo(min)
24
Gráfico 1. Tempos de assamento
5. Comparativo
Tabela 14. Comparativo configuração mista e configuração caixa sem carga
90 84 26 24 33 29 69 65 25 20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tempo(min)
BOLO PIZZA EMPANADO CALABRESA PÃES
Assamentos
Configuração Mista Configuração Corpo Negro
25
Gráfico 2. Comparativo temperaturas na base - Sem carga
Gráfico 3. Comparativo Temperatura do Ar Sem Carga
29 86,8 93,8 115 114 114 115 115 29 77 80 83 92 105 109 112 0 20 40 60 80 100 120 140 10:30 10:45 11:00 11:15 11:30 11:45 12:00 12:15
Tª NA BASE - SEM CARGA
Tª NA BASE (°C) CONF. MISTA Tª NA BASE (°C) CONF. CORPO NEGRO
29 62,2 70 78,1 90 92 93 95 29 70 65,8 65 58 62,7 71,7 73,5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10:30 10:45 11:00 11:15 11:30 11:45 12:00 12:15
Tª AR - SEM CARGA
26
Gráfico 4. Temperaturas ambiente nos testes
Gráfico 5. Comparativo Radiação Térmica nos Testes
Tabela 15. Comparativos tempo de assamento configuração mista e configuração caixa com carga
BOLO Horário Inicial Horário Final Tempo(min) Configuração Mista 12:00 13:30 90 Configuração Caixa 11:10 12:34 84 29 29 29 30 29 29 31 31 29 29 29 30 29 29 31 31 28 28,5 29 29,5 30 30,5 31 31,5 10:30 10:45 11:00 11:15 11:30 11:45 12:00 12:15
Tª AMBIENTE - SEM CARGA
Tº AMBIENTE (°C) CONF. MISTA Tº AMBIENTE (°C) CONF. CORPO NEGRO
998 1072 1184 947 1038 1000 981 1040 865 910 860 840 870 900 955 885 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 10:30 10:45 11:00 11:15 11:30 11:45 12:00 12:15
RADIAÇÃO TÉRMICA
27 PIZZA Horário Inicial Horário Final Tempo(min) Configuração Mista 11:12 11:38 26 Configuração Caixa 11:55 12:19 24 Empanado Horário Inicial Horário Final Tempo(min) Configuração Mista 11:00 11:33 33 Configuração Caixa 12:05 12:34 29 Calabresa Horário Inicial Horário Final Tempo(min) Configuração Mista 11:49 12:58 69 Configuração Caixa 12:33 13:38 65
Pães com nata Horário Inicial
Horário
Final Tempo(min)
Configuração Mista 12:27 12:52 25
Configuração Caixa 12:35 12:55 20
A seguir mostraremos uma visão geral do comparativo das duas configurações em relação à um forno convencional:
Gráfico 6. Comparativo Assamento de Bolo em Configurações Distintas
90 84 40
0 20 40 60 80 100
Configuração Mista Configuração Corpo Negro Convencional
28
Gráfico 7. Comparativo Assamento de Pizza em Configurações Distintas
Gráfico 8. Comparativo Assamento de Empanado em Configurações Distintas
26 24 15
0 5 10 15 20 25 30
Configuração Mista Configuração Corpo Negro Convencional
PIZZA
33 29 15 0 5 10 15 20 25 30 35 Configuração MistaConfiguração Corpo Negro Convencional
29
Gráfico 9. Comparativo Assamento de Pães na nata em Configurações Distintas
Gráfico 10. Tempos de assamento Comparativo
25 20
7
0 5 10 15 20 25 30
Configuração Mista Configuração Corpo Negro Convencional
PÃES COM NATA
90 84 40 26 24 15 33 29 15 69 65 50 25 20 7 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tempo(min)
BOLO PIZZA EMPANADO CALABRESA PÃES
Tempos de Assamento
Configuração Mista Configuração Corpo Negro Convencional
30
6. Conclusões
A cerca de todos os dados coletados e análise realizados, pôde-se constatar que os dois tipos de configuração são totalmente viáveis para utilização, obteve-se dados satisfatórios para essa comprovação. Porém, é certo que em comparação a um forno convencional o tempo de assamento dos fornos apresentados são maiores, mas há vantagens como em não utilizar gás(GLP), não necessitar de energia elétrica e sim utilização de uma fonte de energia renovável (sol) conseguimos ter resultados aceitáveis.
Os dois tipos mostram melhor eficiência em horários pré-definidos entre 10:00 às 13:30 horas, sob boas condições solares.
No comparativo entre o forno solar do tipo corpo negro e do tipo configuração mista, o forno de configuração tipo corpo negro obteve melhores resultados em relação ao tempo de assamento dos alimentos, com uma diferença de 2 à 4 minutos de diferença de ganho em tempo em relação ao de configuração mista. Conclui-se que fica mais viável a confecção do forno solar na configuração tipo corpo negro, pois obteve melhores resultados e a sua fabricação necessita de menos passos que o de configuração mista, pelo fato de não necessitar da colocação dos espelhos, ou superfície reflexiva no forno.
31 7. Referências
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