UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
RAIMUNDO VICENTE PEREIRA NETO
ALIMENTOS
Por
Raimundo Vicente pereira Neto
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
como Requisito Parcial Para obtenção do Grau de
Bacharel em Engenharia Mecânica.
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
A Comissão Examinadora Abaixo Assinada, Aprova o Trabalho de Conclusão:
ESTUDO DE UMA NOVA CONFIGURAÇÃO DE UM FORNO SOLAR FABRICADO A PARTE DE ESTANTE METÁLICA PARA O ASSAMENTO DE
ALIMENTOS Elaborado Por
RAIMUNDO VICENTE PEREIRA NETO Como Requisito Parcial Para
Obtenção do Grau de
Bacharel em Engenharia Mecânica.
___________________________________________
__________________________
Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Sousa (Orientador) __________________________
Prof. Ms: Salomão Sávio Batista __________________________ Ms: Mário César Oliveira Spinelli
SUMÁRIO SUMÁRIO ... 1 LISTA DE FIGURAS ... 4 LISTA DE TABELAS ... 5 LISTA DE SÍMBOLOS ... 6 RESUMO ... 7 ABSTRACT ... 8 1. INTRODUÇÃO ... 9 1.1 Apresentação do trabalho ... 9 1.2 Objetivos ... 11 1.3 Objetivo geral ... 11 1.4 Objetivos específicos ... 11 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 12 2.1 Radiação Solar ... 12
2.2 Aplicações da Radiação Solar ... 13
2.2.1 Aplicações Térmicas ... 13
2.2.2 Força Motriz ... 13
2.2.3 Eletricidade ... 13
2.2.4 Energia Química ... 14
2.3 Potencial Solar ... 14
2.4 Calor e Formas de Transmissão ... 14
2.5 Sistema Atmosfera- Radiação Solar ... 16
2.6 Mapas Solarimétricos ... 17
2.7 Forno solar tipo caixa ... 19
2.7.1 Teoria do Forno Tipo Caixa ... 24
2.7.2 Princípios de Aquecimento ... 25
2.7.3 Projeto ... 28
3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 31
3.1 Procedimentos para o cálculo da energia ... 36
3.1.1 A energia que entra no forno ... 36
3.1.2 Energia perdida ... 36
3.1.4 O rendimento interno do forno ... 39
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 40
5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES ... 52
5.1. Conclusões ... 52
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar, a Deus pela dádiva da vida e por estar comigo em todos os momentos, assim permitindo a concretização de mais um sonho.
Aos meus familiares, em especial, aos meus amados pais, Sr. José Vicente Pereira e Sra. Gildete Batista Pereira, sem os quais essa conquista não seria possível, e a minha namorada, Heuise Karoliny Firmino pelo amor e apoio e compreensão nos momentos difíceis.
Ao meu amigo e orientador, Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza, pelo suporte, orientação e atenção no desenvolvimento deste trabalho, tanto durante a fabricação, quanto nos testes e elaboração da monografia; ao meu amigo e técnico do LMHES/UFRN, pelas orientações e suporte durante a construção e testes do forno e aos demais integrantes da família LMHES que contribuíram diretamente ou indiretamente para o sucesso deste trabalho.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1. Diagrama simbólico dos processos de interação da radiação solar com a atmosfera terrestre
Figura 2.2. Média anual do total diário de irradiação solar global no território Brasil Figura 2.3. Média sazonal da irradiação global dias nos meses de dezembro a fevereiro Figura 1. Primeiro Forno solar fabricado na UFRN
Figura 2.5. Forno solar fabricado a partir de uma sucata de fogão convencional Figura 2.62. Forno solar estudado por Varela
Figura 3.7. Forno fabricado a partir de chapas de material compósito de baixa condutividade
Figura 4.8. Forno solar estudado por Gomes Figura 2.95. Forno solar estudado por Araújo Figura 2.106. Forno solar estudado por Spinelli
Figura 2.11. Efeito estufa gerado no forno solar tipo caixa Figura 2.12. Orientação do vidro em fornos solares
Figura 2.13. Refletores para aumento da energia de entrada no forno Figura 2.14. Calor da panela transferido para o cabo
Figura 2.15. Calor irradiado em forno tipo caixa aquecido Figura 2.16. Ar aquecido escapando por frestas do forno solar Figura 2.17 - Massa térmica dentro do fogão
Figura 2.18 - Fornos solares mais largos captam mais luz solar no sentido Leste-Oeste Figura 3.1-Antigo forno com heliostato e novo heliostato fixo.
Figura 3.2. Bolos durante o processo de assamanto Figura 3.4-Termômetro associado aos termopares Figura 3.3-Termômetro Digital
Figura 3.4-Radiômetro digital
Figura 4.1. Variação temperatura X Tempo. Figura 4.2. Temperaturas externas
Figura 4.3, Vista superior do desenho esquemático do forno Figura 4.4 Os seis bolos após o processo de assamanto.
LISTA DE TABELAS
Tabela 4.1. Temperaturas sem Cargas Tabela 4.2. Temperaturas externas laterais Tabela 4.3. Temperaturas externas, face inferior Tabela 4.4. Temperaturas externas do vidro Tabela 4.5. Temperaturas externas e áreas Tabela 4.6. Relação de energias
Tabela 4.7. Temperaturas das laterais externas
Tabela 4.9. Tempo de assamento, quantidade e peso dos alimentos Tabela 4.10. Temperaturas externas e áreas
LISTA DE SÍMBOLOS
𝐴𝑣 = Área do vidro
𝐴𝑎𝑢 = Área útil dos espelhos
se
A
= Área da superfície𝐸𝑒𝑓 = Energia que entra no forno
𝐸𝑔 =Energia da radiação solar global que incide diretamente no forno
𝐸𝑟𝑒 = Energia da reflexão dos espelhos localizados na parte superior do forno 𝐸𝑝𝑓 = Energia perdida pelo forno
𝐸𝑎𝑏𝑠 = Energia total fornecida ao forno
𝐸𝑝𝑓𝑆= Energia perdida pelo forno pela região sul 𝐸𝑝𝑓𝑂= Energia perdida pelo forno pela região oeste 𝐸𝑝𝑓𝑁 = Energia perdida pelo forno pela região norte 𝐸𝑝𝑓𝐿= Energia perdida pelo forno pela região leste 𝐸𝑝𝑓𝑉 = Energia perdida pelo forno pela região vidro 𝐸𝑝𝑓𝐼 = Energia perdida pelo forno pela região inferior
c
h
= coeficiente de transferência de calor, convectivor
h = coeficiente de transferência de calor, radioativo
𝐼𝑔 = Radiação instantânea global 𝐼𝑑 =Radiação instantânea a direta 𝑡 =Tempo em horas
𝑇𝑎𝑏𝑠 = Temperatura do absorvedor no interior do forno 𝑇𝑎𝑟 = Temperatura do ar no interior do forno.
s
T
= temperatura da superfícieamb
T
= temperatura ambienteTsky = temperatura da abóbada celeste 𝜏𝑣 = Transmissividade do vidro
v
v
= velocidade do vento 𝜌𝑒 = Refletividade do espelho 𝜂𝑅𝐼 = Rendimento interno do fornoRESUMO
Apresenta-se uma nova configuração de um forno solar fabricado a partir de uma estante de aço em desuso destinando ao assamento de alimentos, tais como: bolos, pizza, pães, queijo, linguiças, empanados e outros. São apresentados os processos de otimização, fabricação e montagem de tal forno, além do balanço térmico e das eficiências com e sem carga, que tem como principais características o baixo custo, facilidade de operação e possibilidade de assamento de vários alimentos simultaneamente. São apresentados resultados de testes de assamento dos alimentos escolhidos, que demonstraram sua elevada eficiência térmica. Os tempos de assamento foram competitivos com outros fornos já fabricados e testados no LMHES e abordados pela literatura solar para assamento de alimentos. Foi também demonstrada a viabilidade econômica do forno solar proposto. O forno solar estudado produziu o assamento de seis bolos, com carga de 4500g em apenas 80 minutos. Com superioridade em relação ao forno convencional a gás que apresenta capacidade de assamento de no máximo quatro bolos. Tal forno pode proporcionar a socialização do uso da energia solar por comunidades carentes, podendo constituir-se em possibilidade concreta de geração de emprego e renda
Palavras chaves: energia solar, forno solar, reutilização de materiais, baixo custo, socialização da energia.
ABSTRACT
It presents a new configuration of a solar oven made from a disused steel shelf for food baking, such as: cakes, pizza, breads, cheese, sausages, breaded and others. The processes of optimization, manufacture and assembly of such an oven are presented, as well as the thermal balance and the efficiencies with and without load, whose main characteristics are the low cost, ease of operation and the possibility of baking several foods simultaneously. Results of roasting tests of the selected foods are presented, which demonstrated their high thermal efficiency. The baking times were competitive with other furnaces already manufactured and tested in the LMHES and approached by the solar literature for food roasting. The economic viability of the proposed solar furnace was also demonstrated. The studied solar oven produced the baking of six cakes, with load of 4500g in just 80 minutes. With superiority compared to the conventional gas oven that has a baking capacity of at most four cakes. Such an oven can provide the socialization of the use of solar energy by needy communities, and may constitute a concrete possibility of generating employment and income
Keywords: solar energy, solar furnace, reuse of materials, low cost, energy socialization.
1. INTRODUÇÃO
1.1 Apresentação do trabalho
Almejando a manutenção de seus padrões de qualidade de vida, o homem contemporâneo se volta para a natureza, buscando em seus elementos natural alternativas energéticas.
Todavia, devido ao aumento significativo da população e dos padrões estabelecido pelas sociedades atuais, tal objetivo tem sido cada vez mais difícil de ser alcançado. Isso tornou-se evidente após a crise do petróleo ocorrida na década de 70, pois confirmou- se que as tradicionais fontes energéticas (petróleo e carvão mineral) eram incapazes de garantir um futuro promissor para a humanidade.
Segundo (Bezerra, 2008), após a crise de recursos petrolíferos eclodida na década de 70, países de I Mundo aceleraram as suas pesquisas na obtenção de novas tecnologias alternativas e elegeram a energia solar como a mais promissora.
Tanto isto é verdade que surgiram na França e nos Estados Unidos, principalmente, projetos grandiosos de geração de energia elétrica via sol, como é o caso do Projeto THEMIS de 2 MW, localizado em Targassone no sul da França e o Projeto BARSTOW de 10 MW e 35 MW solar, construído nos Estados Unidos, além de outros.
Entretanto, essa mudança de paradigma dos países de primeiro mundo não significa, necessariamente, uma mudança de suas matrizes energéticas, pois o que motiva o desenvolvimento tecnológico em energia renováveis é a garantia de obter de uma dependência, tecnológica e comercial, por parte dos países menos desenvolvido, como é o caso do Brasil, por exemplo.
Pode-se constatar dois fatos preocupantes: o primeiro é que países de terceiro mundo não podem competir, tecnologicamente, com países de primeiro mundo, acarretando em mais uma dependência tecnológica; e outro, não menos importante, é que nosso atual meio desenvolvimento (capitalismo) faz com que as pesquisas em qualquer fonte energética sejam de forma centralizadas. Consequentemente, só quem terá acesso aos meios produtivos serão os detentores do capital.
Exemplificando o exposto, atualmente no Brasil, estão instaladas grandes centrais solares (Parque Solar Lapa, localizado em Bom Jesus da Lapa-BA; a maior usina solar do Brasil com capacidade de geração de 80 MW) e parques eólicos (Complexo Eólico Alto Sertão I - localizado no semiárido baiano, maior parque gerador de energia eólica do Brasil).
Nota-se que o capitalismo pode até buscar desenvolver tecnologias limpas, entretanto, sempre no mesmo contexto, de lucrar. Em consequência disso, a parte mais carente da população sofre por não poder usufruir dessa tecnologia. Pois, mesmo as fontes energéticas solares e eólicas possuindo como característica a socialização da energia, ou seja, energia para todos, os meios produtivos são centralizadores.
Em contrapartida ao que é incentivado pelo sistema capitalista, existem as tecnologias sociais, que podem contribuir para a minorações de problemas energéticos das populações mais carentes, atendendo aos quesitos de simplicidade, baixo custo, fácil aplicabilidade e re-aplicabilidade e impacto social comprovado. Para o caso da energia solar, destacam-se fornos e fogões solares, pois além de democratizarem a energia solar, diminuem o sofrimento da população menos favorecida.
Este trabalho tem como objetivo estudar, fabricar e demonstrar a viabilidade de um forno solar tipo caixa construído partir de elementos recicláveis (prateleiras de estantes metálicas); visto que, após serem corroídas, as estantes metálicas são descartadas.
O forno é constituído de um recinto de assamento com geometria retangular, fabricado a partir de uma estante de aço em desuso e uma superfície refletora externa, heliostato, localizada acima do recinto de assamento.
Pretende-se demostrar a viabilidade técnica e econômica do forno que tem como principais características seu baixo custo e a possibilidade de produzir o assamento de vários alimentos simultaneamente, além da possibilidade de ter sua tecnologia de fabricação repassada para comunidades carentes, podendo gerar emprego e renda.
1.2 Objetivos 1.3 Objetivo geral
Otimizar, re-fabricar, estudar e demonstrar a viabilidade térmica de um forno solar tipo caixa a partir de uma estante metálica em desuso e avaliar suas viabilidades térmica e econômica.
1.4 Objetivos específicos
Descrever e analisar todas as etapas dos processos de fabricação, montagem e operação do forno solar proposto;
Realizar ensaios com e sem carga para aferir a capacidade de assamento de alimentos do forno solar fabricado;
Desenvolver um balanço térmico para cada teste a fim de comparar suas eficiências em diferentes situações
Demonstrar que o forno solar foi capaz de assar todos os alimentos testados .
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Radiação Solar
A energia que provem do sol, chamada radiação solar, é a nossa principal fonte energética e por meio dela é que originam –se as outras de energia, tais como: eólica, petróleo, carvão mineral, dentre outras; tal energia chega à superfície terrestre após passar por consideráveis interações com a nossa atmosfera. E em consequência disso, a radiação solar divide-se em radiação direta e radiação global.
Sabe-se que o Sol é uma estrela de tamanho médio de corpo quase esférico com diâmetro de D=1,39*109 m e massa M=2*1010 kg, localizada a uma distância média de L=1,50*1011 m da Terra. Além disso, a energia irradiada por ele é consequência das reações de fusão nuclear dos átomos de Hidrogênio (representam cerca de 75% da composição do Sol) para formar Hélio (cerca de 25% da composição da estrela).
A energia de radiação emitida pelo Sol a uma taxa contínua é cerca de ESol=3,8*1026 W, todavia, menos de um bilionésimo dessa energia, cerca de 1,7*1017 W, atinge a Terra. Entretanto, a energia que é captada pela Terra, é o suficiente para aquece-la e manter a vida, mesmo que essa quantidade seja insignificante perante a quantidade de energia liberada pelo Sol. Essa energia que atinge a terra é chamada de irradiação solar total e, seu valor é cerca de Gsol=1373 W/m2. Çengel (2012)
Sendo assim, radiação solar constitui uma fonte, virtualmente, inesgotável de energia, responsável pela manutenção da vida terrestre. Além do mais, outras fontes de energia, também são provenientes da radiação solar, seja de forma direta ou indireta. Dessa forma, energia solar apresenta um grande potencial de utilização que por meio de captação e conversão em outras formas de energia.
A exemplo disso é a produção de eletricidade por meio de hidroelétrica, no qual só é possível graças à evaporação da água oriunda de lagos e oceanos e posterior represamento. Assim também é para a energia eólica; a energia proveniente do Sol faz com que haja uma circulação da massa atmosférica, em larga escala, ocasionando o vento. Sabe-se também que devido ao processo conhecido por fotossíntese, seres clorofilados, são capazes de converter energia luminosa em energia química, armazenada na glicose. Desse modo, plantas e animais que obtiveram essa energia são capazes de desenvolver-se; de forma que após morrem, seus resíduos, sob condições adequadas de
temperatura e pressão, são convertidos em outras fontes de energia, sendo as mais importantes economicamente: petróleo, carvão e gás natural.
Pelo exposto, nota-se que a radiação solar pode ser convertida em vários outros tipos de energia, entretanto o termo “radiação solar” é, com frequência, usado para designar somente a forma de aproveitamento de energia solar na forma direta.
2.2 Aplicações da Radiação Solar
O uso da radiação solar, pode ser dividida em quatros grupos distinto: aplicações térmicas em geral, obtenção de força motriz diversa, obtenção de eletricidade e obtenção de energia química.
2.2.1 Aplicações Térmicas
Calor é o objetivo final para as aplicações térmicas, como o aquecimento de água, destilação, secagem de frutas e grãos, refrigeração por absorção e adsorção, calefação e o cozimento de alimentos através de fogões e fornos solares.
2.2.2 Força Motriz
Quando se é necessário utilizar-se de alguma aplicação de energia mecânica, por exemplo, acionamento de bomba d’água, irrigação, moagem de grãos, elevação de cargas, ou qualquer outro processo que exija trabalho mecânico, existem dois métodos disponíveis; sendo eles: obtenção de eletricidade por painéis fotovoltaicos e posterior acionamento de uma máquina elétrica, e por aproveitamento da energia térmica para acionar um motor de ciclo térmico e posterior aproveitamento do trabalho mecânico. 2.2.3 Eletricidade
Quando o objetivo final é obtenção da energia elétrica, os métodos de conversão, são semelhantes aos processos para a obtenção de foça motriz. Dessa forma, os mais utilizados são a conversão termoelétrica indireta e direta, sendo que aquele utiliza o efeito da termoconversão para obter calor e posterior acionamento de uma máquina térmica ligada a um gerador, e esse utiliza-se de vários fenômenos físico-químico que permitem que a energia solar seja convertida diretamente em eletricidade por meio de painéis fotovoltaicos.
2.2.4 Energia Química
Para obter-se energia química; procura-se métodos semelhantes ao da fotossíntese (converte energia luminosa em energia química), os quais exigem reações químicas muito complexas; estudos são realizados por universidades e empresas no setor de P&D, entretanto, tal conversão ainda não se mostra economicamente viável.
2.3 Potencial Solar
Segundo (LION,2007), cada metro quadrado da superfície do Sol emite cerca de 64,16MW de energia eletromagnética, que são lançados no espaço. A origem desta energia está em um conjunto de reações de fusão termonucleares que ocorrem no interior do Sol causando uma diminuição na ordem de 4,25 milhões de tonelada por segundo. Embora esse seja avaliado como uma perda inimaginável, seria necessário 147 bilhões de anos (o sistema solar tem cerca de 8 bilhões de anos) de atividade solar, neste mesmo ritmo, para que a sua massa diminuísse em 1%( um por cento).
A superfície terrestre recebe do Sol cerca de 1KW/m2 de radiação eletromagnética. Excluindo-se as regiões Ártica e Antártica, a Terra recebe em média 3,6 kWh/m2.Dia. Considerando-se que o restante das massas continentais somam uma área de aproximadamente de 132,5 x 1012 m2 e que a incidência solar sobre essas massas continentais é 4,77 x 108GWh/dia. Logo, a incidência em um ano é de 1,74 X 1011GWh. Assumindo-se que o consumo energético anual atual corresponde a 1,5 x 108GWh, conclui-se que a energia solar disponível nas massas continentais representa mais de 1.000 vezes o consumo da humanidade. Portanto, menos de 1% da energia solar disponível nas massas continentais seria suficiente para suprir de energia à humanidade. Considerando-se toda a área da Terra, a disponibilidade aumenta para 1,02 X 1013GWh.
2.4 Calor e Formas de Transmissão
Algumas definições são necessárias a fim de compreender os processos posteriormente descritos, seguem abaixo as definições de calor, condução, radiação e convecção.
I. Calor;
É definido como a transferência de energia térmica entre corpos com temperaturas distintas. Por exemplo, quando colocamos dois corpos com temperaturas diferentes em contato, podemos observar que a temperatura do corpo "mais quente" diminui, e a do corpo "mais frio" aumenta, até o momento em que ambos os corpos apresentem temperatura igual. Esta reação é causada pela passagem de energia térmica do corpo "mais quente" para o corpo "mais frio".
II. Condução;
É definido com a transferência de energia das partículas mais energéticas de uma substância para partículas vizinhas adjacentes menos energéticas, como resultado da interação entre elas. A condução pode ocorrer em sólidos, líquidos ou gases.
Em líquidos e gases, a condução deve-se às colisões das moléculas em seus movimentos aleatórios. Nos sólidos, ela acontece por causa da combinação das vibrações das moléculas em rede, e a energia é transportada por elétrons livres.
Por exemplo, caso uma lata com bebida gelada esteja em um ambiente quente, normalmente ela aquecerá até a temperatura do ambiente como resultado da transferência de calor do ambiente para a bebida por meio da condução térmica pelo metal da lata.
III. Radiação
Definida como sendo a energia emitida pela matéria sob a forma de ondas eletromagnéticas (fótons) como resultado das mudanças nas configurações eletrônicas de átomos ou moléculas. Ao contrário da condução e da convecção, a transferência de calor por radiação não exige a presença de um meio interveniente. Além disso, todos os corpos a uma temperatura superior ao zero absoluto emitem radiação térmica; ela é um fenômeno volumétrico, todos os sólidos, líquidos e gases emitem, absorvem ou transmitem radiação em diferentes graus. No entanto, a radiação é geralmente considerada um fenômeno superficial para os sólidos opacos à radiação térmica, como metais, madeira e rochas, uma vez que a radiação emitida pelas regiões do interior
desses materiais não pode nunca chegar à superfície, e a radiação incidente sobre esses corpos normalmente é absorvida por alguns mícrons a partir da superfície.
IV. Convecção
A convecção consiste na transferência de energia entre a superfície sólida e a liquida ou gás adjacente, que está em movimento e que envolve os efeitos combinados de condução e de movimento de um fluido.
Considerando-se o resfriamento de um bloco quente por ar frio soprado sobre sua superfície superior, o calor será transferido primeiro para a camada de ar adjacente ao bloco por condução. Esse calor é, então, transportado para longe da superfície por convecção, isto é, pelos efeitos combinados de condução dentro do ar causados pelo movimento aleatório das moléculas de ar e por movimento da massa do ar, que remove o ar quente próximo à superfície e o substitui por um ar mais frio.
2.5 Sistema Atmosfera- Radiação Solar
A radiação solar origina-se das reações termonucleares no interior do Sol, após passar pelo processo de convecção, ela chega à superfície da estrela e em seguida é irradiada para o espaço. Entretanto, apenas uma pequena fração de energia chegar à Terra. Ao atravessar a atmosfera, a radiação solar, é atenuada por processos físicos de espalhamento e absorção com os constituintes atmosféricos e a superfície do planeta. Na Figura 2.1 estão representados, de forma bastante simplificada, os principais processos de interação da radiação solar e da radiação térmica no sistema Atmosfera-Terra.. Os valores numéricos representam a fração de energia em cada processo radiativo na atmosfera. Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar
Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar
Figura 2.1: Diagrama simbólico dos processos de interação da radiação solar com a atmosfera terrestre
As nuvens, os gases, partículas atmosféricas e a superfície refletem cerca de 30% da radiação incidente no topo da atmosfera. Os 70% restantes são absorvidos produzindo aquecimento do sistema e causando evaporação de água (calor latente) ou convecção (calor sensível).
A energia absorvida pelo sistema Terra-Atmosfera é reemitida na faixa do infravermelho do espectro de radiação eletromagnética - 4 a 100µm - sendo que 6% é proveniente da superfície e 64% tem origem em nuvens e constituintes atmosféricos, após a remissão da radiação na faixa do infravermelho, parte da energia fica aprisionada, pois a atmosfera que outrora fora transparenta apara a radiação solar; torna-se opaca perante a radiação térmica (infravermelho).
2.6 Mapas Solarimétricos
O mapa apresentado na abaixo figura 2.2. apresenta a média anual do total diário de irradiação solar global incidente no território brasileiro. Apesar das diferentes características climáticas observadas no Brasil, pode-se observar que a média anual de irradiação global apresenta boa uniformidade, com médias anuais relativamente altas em todo país. O valor máximo de irradiação global – 6,5kWh/m2.
Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar
Figura 2.2. Média anual do total diário de irradiação solar global no território Brasil
A Figura 2.3.. Apresenta o mapa de média sazonal da irradiação global diária, nos meses de dezembro a fevereiro. Os meses do ano foram classificados em 4 estações de modo que o período de dezembro a fevereiro refere-se ao Verão, de março a maio ao Outono, de junho a agosto ao Inverno e de setembro a novembro refere-se à Primavera.
A região Norte recebe menor incidência de radiação solar durante o Verão do que a região Sul, apesar de sua localização próxima à linha do Equador. Durante os meses de Inverno, ocorre o inverso e a região amazônica recebe maior irradiação solar global. Isso se deve às características climáticas da região amazônica que apresenta fração de cobertura de nuvens e precipitação elevadas durante o Verão devido à forte influência da Zona de Convergência Intertropical (ZCIT). A variação da incidência de radiação solar entre o Inverno e Verão é menor na região Norte do que nas regiões Sul e Sudeste.
Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar
A Figura 2.3. Média sazonal da irradiação global dias nos meses de dezembro a fevereiro
2.7 Forno solar tipo caixa
Existem, basicamente, dois tipos de fornos solar: O tipo caixa espelhado, que usa o fenômeno da reflexão para assar os alimentos; e o tipo caixa com superfície absorvedora enegrecida, que simula o efeito estufa para alcançar o mesmo objetivo. Enquanto este constitui-se, basicamente, de uma caixa com isolante nas laterais e na superfície inferior externa; superfície interna inferior enegrecida; vidro na parte superior da caixa e de um heliostato. Aquele diferenciará pela implementação de espelhos nas superfícies interna e a inexistência de uma superfície enegrecia. Mesmo que os fornos possuam geometria semelhantes, seus princípios de funcionamentos são completamente distintos.
Dentre as várias linhas de pesquisas desenvolvidas pelo LMHES/UFRN, destaca-se o dedestaca-senvolvimento e estudo de fornos solares, os quais já foram tema de várias tedestaca-ses de mestrado e doutorado, além de serem apresentados em congressos nacionais e internacionais. Segue abaixo alguns dos trabalhos mais pertinentes.
O primerio forno solar foi fabricado em madeira com quatro segmentos de inox unidos constituindo a superfície refletora que concentrava a radiação solar e a enviava para o recinto de assamento. Construído em 1986, os ensaios demonstraram a baixa eficiência do forno em função de um nível de absortividade do inox muito maior que o espelho, apesar de sua boa refletividade. A Figura 2.4 mostra o primeiro forno solar fabricado na UFRN.
Fonte: Sousa (1986)
Figura 7 – Primeiro Forno solar fabricado na UFRN.
Melo (2008) fabricou e estudou um forno solar a partir de uma sucata de fogão convencional a gás. O forno do fogão convencional foi utilizado como recinto de assamento onde o absorvedor (panela) do forno solar ficou localizado, sendo recoberto por uma lâmina de vidro para a geração do efeito estufa e tendo fundos e laterais isolados por um compósito à base de gesso e isopor. Segmentos de espelhos planos foram colocados nas laterais do forno para prover a concentração da radiação e uma parábola refletora foi introduzida no recinto de assamento. Foram demonstradas as viabilidades térmicas, econômica e de materiais do fogão em estudo. A temperatura interna média do absorvedor ficou em torno de 150°C e a temperatura interna do forno em torno de 120°C. A Figura 2.5 mostra o forno estudado.
Fonte: Melo (2008)
Figura 2.5 – Forno solar fabricado a partir de uma sucata de fogão convencional
Varela (2013), em sua dissertação de mestrado, estudou um forno solar destinado a assar alimentos, no período de 9:00 às 14:00 horas, construído a partir da utilização de três pneus usados. A principal inovação do trabalho foi a utilização de pneus usados que passaram por um processo de viramento para propiciar um aumento do volume do forno, facilitar a operação de fixação de espelhos no seu interior e proporcionar um melhor isolamento térmico, no caso uma camada de ar confinado. Foram testados os assamentos para pizza e lasanha, obtendo-se tempos competitivos com outros modelos de fornos/fogões solares testados no mundo. A Figura 2.6 mostra o forno estudado por Varela.
Fonte: varela (2013)
Figura 2.68 – Forno solar estudado por Varela.
Sousa, et al. (2013) apresentaram um forno solar de baixo custo fabricado com blocos de material compósito, a partir de EPS em pó, gesso e cimento. Acima da caixa do forno localizava-se uma superfície refletora para concentrar os raios incidentes, enviando-os ao seu interior. Os blocenviando-os que constituíam o forno apresentavam baixa condutividade térmica, eram leves e apresentavam boa resistência mecânica. Foram realizados ensaios para assamento de pizzas, bolos, empanados e quibes, com boa eficiência. O bolo foi assado em apenas cinquenta minutos. O forno proposto pode ajudar a população mais carente de nossa região, podendo constituir-se numa opção de geração de emprego e renda. A Figura 2.7 mostra o forno solar fabricado em material compósito.
Fonte: Sousa (2013)
Figura 9.7 – Forno fabricado a partir de chapas de material compósito de baixa condutividade.
Gomes (2015), em sua Tese de Doutorado do PPGEM, estudou um forno solar destinado a assar alimentos, construído a partir de resíduos de Medium Density
Fiberboard (MDF). A principal inovação do trabalho foi a fabricação do forno utilizando
resíduos de MDF da indústria moveleira. O MDF, por ser um derivado da madeira, apresenta uma baixa condutividade térmica, se mostrando um bom isolante térmico, propriedade importante para a minimização das perdas térmicas, e se apresenta como um material sustentável. Os resultados de ensaios de assamento para vários alimentos demonstraram a viabilidade do forno fabricado para esse fim. A Figura 2.8 mostra o forno solar estudado.
Fonte: Gomes (2015)
Figura 10.8 – Forno solar estudado por Gomes.
Araújo (2015), em sua Dissertação de Mestrado do PPGEM, apresentou um estudo comparativo da capacidade de assamento de dois fornos solares tipo caixa, fabricados a partir de um caixote para transporte de equipamentos. Os dois fornos tinham configurações internas diferentes, predominando o efeito estufa ou a concentração da
radiação solar incidente. As principais características dos fornos fabricados eram seu baixo custo, o reaproveitamento de materiais, os fáceis processos de fabricação e montagem, a simples operacionalidade e a capacidade de assamento de vários alimentos simultaneamente. A fabricação e a operacionalidade dos fornos estudados podem ser repassadas para pessoas de quaisquer níveis sociais e intelectuais. Foi demonstrada a viabilidade de utilização dos dois fornos para produzir o assamento dos alimentos testados, comprovando-se a supremacia do forno espelhado. Os resultados obtidos para as duas configurações testadas foram competitivos até mesmo com o forno convencional a gás. Produziu-se o assamento de três bolos de 750g cada em apenas 80 minutos. A Figura 2.9 mostra o forno solar estudado por Araújo.
.
Fonte: Araújo (2015)
Figura 2.911 – Forno solar estudado por Araújo
Spinelli (2016), em sua Dissertação de Mestrado, estudou um forno solar fabricado a partir de chapas de MDF com capacidade de assar vários alimentos
simultaneamente. Foram realizados ensaios para o assamento de vários alimentos, com variadas cargas. Em um desses ensaios foi produzido o assamento de oito bolos em apenas oitenta minutos e seus resultados comparados com os vários tipos de fornos solares já existentes mostrados pela literatura especializada. Foram analisadas a viabilidade térmica, onde foram alcançadas temperaturas máximas de 140,5ºC, e econômica de tal forno, que pode proporcionar a socialização do uso da energia solar por comunidades carentes, podendo se tornar uma fonte de geração de emprego e renda. A Figura 2.10 mostra o forno estudado por Spinelli.
.
Fonte: Spinelli (2016)
Figura 2.1012 – Forno solar estudado por Spinelli
2.7.1 Teoria do Forno Tipo Caixa
As configurações dos fornos tipo caixa podem apresentar variações na quantidade de refletores externos, podendo variar de 0 a 4, com superfícies planas ou levemente côncavas. Assim as temperaturas de trabalho deste tipo de forno podem atingir até 150oC, com aquecimento lento, mas de fácil operação. Este aspecto colabora para que o alimento se mantenha aquecido por longo período de tempo sem a presença do operador. Também é importante ressaltar que é mínimo os riscos de operação devido não haver concentração de reflexos de luz solar e não apresentar riscos a geração de chama durante o cozimento dos alimentos.
Normalmente, os projetos tendem para utilização de materiais de baixo custo, de fácil transporte e de dimensões reduzidas.
Esse tipo de fogão encontra ampla aplicação em todo mundo, principalmente na Ásia e na África, destacando-se a Índia e a China, como sendo os países que mais tem investido em programas sociais que viabilizam a construção de fogões solares a baixo custo, para uma utilização significativa por parte de seu povo (ARAÚJO, 2015).
2.7.2 Princípios de Aquecimento
Segundo AALFS (2013) o propósito básico de um fogão de caixa solar é aquecer as coisas - cozinhar alimentos, purificar água e esterilizar instrumentos - para mencionar alguns.
Sendo possível com uma caixa solar graças ao seu aquecimento interno devido à radiação solar, ou seja, a energia sol. A radiação solar que incide sobre o forno, diretamente ou refletida, entram na caixa pela tampa de vidro ou outro material transparente, transformando-se em energia de calor que é absorvida por uma placa preta (absorvedor) e pelo recipiente que contém o alimento.
O aumento de temperatura interna do forno acontece até que o ganho de calor se iguale as perdas de energia do mesmo. Assim, um forno tipo caixa terá uma temperatura interna mais elevada, quando ocorra uma incidência de raios solares, com adicional dos raios com auxílio de um refletor ou com um melhor isolamento térmico.
Este tópico e os dois seguintes serão baseados nas observações feitas por AALFS (2013), DE ARAÚJO (2015), ARAÚJO (2015) e SPINELLI (2016).
a) Ganho de calor - Efeito estufa
Baseado no efeito estufa, que acontece em ambientes fechados devidos seu aquecimento interno devido à incidência de luz solar através de uma superfície transparente, como plástico ou vidro. Esta luz solar é formada por duas partes: luz do espectro visível e raios infravermelho. A luz visível passa tranquilamente pelo vidro, sendo absorvida pela panela e placa absorvedora do forno e refletida para dentro do ambiente fechado.
A energia absorvida se converte em energia de calor com comprimento de onda mais longa também é irradiada no interior do forno, como grande parte desta energia é radiante, com comprimento de onda maior, não consegue passar pelo vidro para o lado externo, ficando aprisionada no ambiente. Quanto à luz refletida também e absorvida dentro do forno ou passa de volta para fora do ambiente por não sofre alteração no comprimento de onda.
Portanto, o desempenho do fogão solar está diretamente associado ao calor absorvido pela placa absorvedora e pela panela, que serão conduzidos para aquecer e cozinhar os alimentos. A Figura 2.11 ilustra o efeito estufa.
Fonte: Aalfs, 2013.
Figura 2.11 - Efeito estufa gerado no forno solar tipo caixa.
A orientação do vidro em relação aos raios solares influencia no ganho de calor. Este será maior. A Figura 2.12 demostra duas caixas, 1 e 2, onde a caixa 2 recebe a luz solar de forma mais direta que na caixa 1, favorecendo o aquecimento.
Fonte: Aalfs, 2013.
Figura 2.12 . Orientação do vidro em fornos solares.
A Figura 2.13 demostra que a utilização de refletores simples ou múltiplos ajudam a direcionar um adicional de luz solar adicional através do vidro, na caixa solar. Também contribuindo para temperatura mais alta do forno solar devido a entrada extra de energia solar.
Fonte: Aalfs, 2013.
Figura 2.13. Refletores para aumento da energia de entrada no forno.
A perda de calor em um forno solar tipo caixa ocorre por condução, radiação e convecção.
A Figura 2.14 demostra um exemplo de transferência de calor onde o fogo transfere calor para o material da panela e para o material do cabo. Este tipo de transferência de calor ocorre no forno solar tipo caixa, causando perdas por condução pelo vidro, isolamentos laterais e de fundo, do ar, entre outros.
Fonte: Aalfs, 2013.
Figura 2.14 - Calor da panela transferido para o cabo.
Elevar o anteparo do fundo do forno é uma forma comum de proporcionar um espaço isolante e minimizar a perda de calor por condução entre ambos. A Figura 2.15 demostra isto.
Fonte: Aalfs, 2013.
Figura 2.15 - Calor irradiado em forno tipo caixa aquecido.
Com o ganho de calor no interior do forno, tanto as superfícies aquecidas e a panela passam a liberar calor, irradiando calor nas suas redondezas. Uma grande parte do calor irradiado fica retido dentro do forno solar porque é refletido pelo vidro e paredes, mas uma parte consegue atravessar o vidro (obstáculo translucido) em destino ao ambiente externo, ocorrendo assim a perda de calor por radiação.
As moléculas de ar movem-se para fora e para dentro do forno pelas frestas, sofrendo convecção. As frestas são em decorrência de rachaduras ou imperfeiçoes de construção, por isto devem ser minimizados na faze de projeto para reduzir este tipo de perda. A Figura 2.16 demostra a perda de calor.
Fonte: Aalfs, 2013.
Figura 2.16 - Ar aquecido escapando por frestas do forno solar.
c) Estocagem de Calor
Segundo AALFS, 2013, à medida que a densidade e o peso dos materiais dentro do invólucro isolado de um fogão de caixa solar aumentam, a capacidade da caixa para manter o calor aumenta. O interior de uma caixa, incluindo materiais pesados, como pedras, tijolos, panelas pesadas, água ou alimentos pesados, levará mais tempo a aquecer devido a essa capacidade adicional de armazenamento de calor. A energia entrante é armazenada como calor nesses materiais pesados, diminuindo o aquecimento do ar na caixa. Esses materiais densos, carregados com calor, irão irradiar esse calor dentro da caixa, mantendo-o quente durante um período mais longo no final do dia. Figura 2.17.
Fonte: Aalfs, 2013. Figura 2.17 - Massa térmica dentro do fogão.
Os fatores importantes para um projeto de um fogão solar tipo caixa são: Materiais, o tamanho da caixa, a razão entre a área de coleta e o volume da caixa, as dimensões e a quantidade de refletores.
a) Materiais
Para um projeto de um forno solar uma propriedade que deve ser considerada na seleção de materiais é a resistência à umidade. Pois a maioria dos alimentos utilizados em forno solar tipo caixa contém umidade, criando pressão de vapor que conduz umidade de dentro para fora do forno. Parte desta umidade pode ficar aprisionada dentro e, caso não tenha uma boa barreira interna, pode agredir os materiais de isolamento e estruturais. Materiais da estrutura são usados para dar forma, devem ser duráveis e por serem materiais densos não servem como isolante térmico.
Assim deve-se utilizar outro material como isolante que envolva o espaço interno destinado para o assamento em todos os lados, exceto o lado da tampa. Existem vários materiais que podem ser utilizados como isolante, o importante que permita uma condução mínima de calor de dentro para fora do forno. Pois quanto menor a perda pelo isolamento maior será a temperatura de cozimento.
O material utilizado na parte superior deve ser transparente e encarar o sol para garantir aquecimento pelo “efeito estufa”, sendo o vidro e plásticos são os mais comuns. Dependo do material o ganho de calor pode ser reduzido em 5-15%.
b) Tamanho da caixa
Segundo AAFSL, 2013, um forno tipo caixa deve ser dimensionado em função dos seguintes fatores:
O tamanho deve permitir a maior quantidade de alimentos comumente cozidos. Se a caixa precisa ser movida com frequência, não deve ser tão grande que esta tarefa é difícil.
O design da caixa deve acomodar o utensílio de cozinha disponível ou comumente usados.
c) Razão entre a área de coleta e o volume da caixa
Aumentando a área de coleta de luz em relação à área de perda serão atingidas temperaturas mais altas de cozimentos. Como exemplo, ao comparar duas caixas com
mesma área e dimensão de coleta de luz solar, a caixa com menor profundidade é a que apresentará a maior capacidade de reter calor, pois apresenta menor área de perda de calor.
d) Dimensões da caixa solar
Um forno tipo caixa solar sob o sol ao meio dia deve ter a sua dimensão mais longa no sentido leste/oeste. Assim faz melhor uso do refletor durante o assamento por várias horas, pois à medida que o sol se move no céu, resulta em temperatura mais consistente. Já em fogões quadrados ou de maior dimensão no sentido norte/sul uma maior parte do sol da manhã e entardecer é refletida para o chão, reduzindo a energia incidente no forno. A Figura 2.18 demostra o uso do refletor no intervalo de várias horas.
Fonte: Aalfs, 2013.
Figura 2.18 - Fornos solares mais largos captam mais luz solar no sentido Leste-Oeste.
e) Refletores
O uso de um ou mais refletores para direcionar luz solar adicional ao forno aumenta as temperaturas internas. Ainda que exista a possibilidade de utilizar o forno solar sem refletores em zonas equatoriais, onde a radiação solar é bastante uniforme e intenso, tais refletores contribuem, significativamente, no aumento da temperatura nas zonas temperadas do mundo contribuindo para ganhos na eficiência do forno.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Com o objetivo de otimizar o forno, foi construído um heliostato fixo ao forno, que embora seja menor que o anterior, apresenta a vantagem de maior mobilidade e menor custo de produção. As etapas de construção são descritas a seguir.
Fonte: Filho, M. J. (2014) e Arquivo pessoal
Figura 3.1-Antigo forno com heliostato e novo heliostato fixo.
3.1. Restauração do Forno e Confecção do Heliostato
a) No processo de restauração, foram descartados materiais que não puderam ser reutilizados, como por exemplo, a madeira que ficava na parte inferior do forno e os isopores que serviam como isolantes térmicos que ficavam na parte inferior e nas laterais do forno.
b) Em seguida, foi realizado o processo de lixamento das partes corroídas; como prateleiras e cantoneiras.
c) Após o lixamento, o antigo forno passou pelo processo de pintura. No qual, como pode ser visto na figura (figura que mostra o forno), a superfície absorvedora foi pintada de preto e as demais foram pitadas de laranja.
d) Após a pintura, foi proposto pelo orientador a diminuição do volume de cozimento, aumento assim a relação área/volume; saindo de 10 cm para 8 cm. Para isso utilizou-se uma furadeira para retirar os rebites que prendiam a superfície absorvedora e em seguida foram feitas novas furações e em seguida a rebitação na nova configuração.
e) Para construção da estrutura do heliostato, foi reaproveita do uma placa metálica de formato retangular 90X90 cm e de, aproximadamente, 2cm de espessura; ela passou por alguns dos processos anteriormente descritos (lixamento e pintura). Além do mais, foram rebitadas duas cantoneiras de alumínio de dimensões, 1,38 m de comprimento e 3mm de espessura, na parte externa, afim de dar maior rigidez.
Após a rebitação das cantoneiras, contatou-se que a rigidez obtida, ainda era insuficiente para evitar a quebra dos espelhos; para eliminar esse inconveniente, os espelhos foram colados em madeira de compensado, para só assim, ser fixado na estrutura metálica, formando assim o heliostato.
3.2. Procedimento Experimental
Para o primeiro dia de teste, sem carga, foram coletadas as temperaturas em três pontos na superfície absorvedora e em dois pontos no ar no interior do forno; tais pontos foram coletados em intervalos de 10 min (dez minutos); tendo início às 10h (dez horas) e finalizado as 11h (onze horas). Além disso, foram adquiridos também as temperaturas nas superfícies externas laterais e inferior; e também as temperaturas do vidro, interna e externa.
No segundo dia teste, com carga, foram introduzidos no forno os 6 seis bolos de sabor chocolate com 750 g cada um. O teste teve início às 10:38; com uma temperatura de 133°C na superfície absorvedora e 100 °C no ar. Os bolos foram retirados com a seguinte ordem.
Ás 11:38 foram retirados os dois primeiros bolos;
As 11:54 foram retirados outros dois bolos;
As 12:02 foram retirados os últimos bolos.
Fonte: Arquivo pessoal
Figura 3.2. Bolos durante o processo de assamanto.
Para o terceiro dia de testes foram colocados no formo os seguintes alimentos: dois bolos, 10 dez empanados, 6 seis pães e 1 uma pizza. Os testes tiveram início as 11:05 e finalizaram as 12:10, com as seguintes ordem de retiradas.
Às 11:20 foi retirada a pizza;
Às 11:35 foram retirados os pães;
Às 11:55 foram retirados os empanados;
Às 12:10 foram retirados os bolos.
Fonte: Arquivo pessoal
Figura 3.3 Alimentos durante o processo de assamento.
Para o registro e acompanhamento da elevação da temperatura, foram utilizados 5 (cinco) termopares, sendo 2 (dois), instalados no ar e os outros 3 (três) instalados na superfície absorvedora. Para isso, utilizou-se o termopar TH 1000, com faixa de -40ºC à 1000 ºC com precisão de 0,1ºC. A Figura 3.4 mostra o equipamento.
Fonte: arquivo pessoal
Figura 3.4-Termômetro associado aos termopares.
Para a medição das temperaturas das laterais externas, do inferior e do vidro foi utilizado um medidor de temperatura laser infravermelho HM-88C HIGHMED. A Figura 3.5 mostra o equipamento.
Fonte: arquivo pessoal Figura 3.3-Termômetro Digital.
E para a medição da radiação global, foi utilizado o radiômetro MES-100, a Figura 3.4 mostra o equipamento.
Fonte: arquivo pessoal Figura 3.4-Radiômetro digital.
3.1 Procedimentos para o cálculo da energia
Os procedimentos para o cálculo da energia encontram-se mostrados nas equações a seguir.
3.1.1 A energia que entra no forno
A energia que entra no forno provém de duas fontes: da radiação solar global incidente na cobertura do forno e da radiação solar direta refletida nos espelhos externos situados no topo do forno. A equação 3.1 mostra a energia total que entra no forno.
𝐸𝑒𝑓 = 𝐸𝑔+ 𝐸𝑟𝑒 3.1
Onde:
𝐸𝑒𝑓= energia que entra no forno (W);
𝐸𝑔= energia da radiação solar global que incide diretamente no forno (W);
𝐸𝑟𝑒 = energia da reflexão dos espelhos localizados na parte superior do forno (W).
Para o cálculo das energias de entrada no forno utilizam se as equações mostradas a seguir.
𝐸𝑔 = 𝐼𝑔𝜏𝑣𝐴𝑣 3.2
𝐸𝑟𝑒 = 𝐼𝑑𝜌𝑒𝜏𝑣𝐴𝑎𝑢 3.3
Onde:
𝐼𝑔= Radiação instantânea global que entra no forno; 𝐼𝑑= Radiação instantânea direta que entra no forno;
Para condições de céu limpo com poucas nuvens 𝐼𝑑 = 0,8𝐼𝑔; 𝜌𝑒 = Refletividade do espelho = 0,95;
𝜏𝑣= Transmissividade do vidro = 0,85; 𝐴𝑣= Área do vidro = 0,70 m2;
𝐴𝑎𝑢 = Área útil dos espelhos = 0,83 m2.
Como não existe um isolante ideal, sempre haverá perdas de energia, sendo que para o caso do forno; a energia será perdia pelas lateria e porte inferior; por convecção. Enquanto que para o espelho, a perda dar-se-á tanto por convecção, como também por radiação.
Energia é perdida por convecção (𝐸𝑝𝑓 = 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣, ) pelas laterais, parte inferior por convecção e pelo vidro por radiação.
𝐸𝑝𝑓 = 𝐸𝑝𝑓𝑆+𝐸𝑝𝑓𝑂+ 𝐸𝑝𝑓𝑁 + 𝐸𝑝𝑓𝐿+ 𝐸𝑝𝑓𝑉+ 𝐸𝑝𝑓𝐼 3.4 Onde:
𝐸𝑝𝑓𝑆= Energia perdida pelo forno pela região sul (W); 𝐸𝑝𝑓𝑂= Energia perdida pelo forno pela região oeste (W); 𝐸𝑝𝑓𝑁 = Energia perdida pelo forno pela região norte (W); 𝐸𝑝𝑓𝐿= Energia perdida pelo forno pela região leste (W); 𝐸𝑝𝑓𝑉 = Energia perdida pelo forno pela região vidro (W); 𝐸𝑝𝑓𝐼 = Energia perdida pelo forno pela região inferior (W).
Para a quantificação da energia perdidas, usaremos a lei de Newton para o resfriamento, no caso da convecção, equação 3.4, e a derivação da lei de Stefan-Boltzmann, para a radiação, equação 3.5.
) .( . se s amb c convec f p Q h A T T E 3.5 ) .( . se s amb r rad f p Q h A T T E 3.6 Onde: c
h
= coeficiente de transferência de calor por convecção, em W/m²K;r
h = coeficiente de transferência de calor por radiação, em W/m²K;
se
s
T
= temperatura da superfície, em K;amb
T
= temperatura ambiente, em K;O coeficiente de transferência de calor, por convecção, entre a superfície externa e o ar ambiente, pode segundo Duffie & Beckman (1991), ser determinado por:
v a ve c
v
h
( )
2
,
8
3
.
3.7 Onde: vv
= velocidade do vento, em m/s.Esta equação é válida para velocidades de vento compreendidas entre 0,0 e 7,0 m/s. No local onde foram feitos os testes, de acordo com a central meteorológica do LMHES, foram constatados velocidade de 0.5 m/s. Spinelli (2016).
O coeficiente de troca térmica radiativa entre a superfície externa da cobertura e a abóbada celeste, conforme Duffie & Beckman (1991), é função das condições climáticas do local considerado podendo ser determinado através da equação 3.7.
ℎ𝑟(𝑣𝑒−𝑎)= 5,16 ∗ 10−8 𝑇
𝑣𝑒4−𝑇𝑠𝑘𝑦4
𝑇𝑣𝑒−𝑇𝑎𝑚𝑏 3.8 Onde:
Tve = temperatura externa do vidro, em K. Tsky = temperatura da abóbada celeste, em K. Tamb = temperatura ambiente, em K.
Sem incorrer em erros significativos, pode-se obter o valor de Tsky, a partir de Tamb, através da equação 3.8.
𝑇𝑠𝑘𝑦 = 0,0552 ∗ 𝑇𝑎𝑚𝑏 1,5
3.9 3.1.3 A energia absorvida pelo forno
𝐸𝑎𝑏𝑠 = 𝐸𝑒𝑓− 𝐸𝑝𝑓 3.10
Onde:
𝐸𝑝𝑓 = Energia perdida pelo forno (W); 𝐸𝑒𝑓 = Energia que entra no forno (W);
𝐸𝑎𝑏𝑠 = Energia total absorvida pelo forno (W).
3.1.4 O rendimento interno do forno
O rendimento interno do forno será calculado pela razão entre a energia absorvida pelo alimento e a energia total que entra no forno.
𝜂𝑅𝐼 = 𝐸𝑎𝑏𝑠
𝐸𝑒𝑓 ∗ 100 3.10
Onde:
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 Teste sem Carga
Na manhã de 30 de novembro de 2018, foram realizados os ensaios, sem carga, com a finalidade de aferir o desempenho do forno. Após a aquisição dos dados (temperaturas e radiações), eles foram organizados na tabela 4.1, como será mostrado.
Tabela 4.1. Temperaturas sem Cargas Hora TSAB1 °C TSAB2 °C TSAB3 °C TAR1 °C TAR2 °C Ig W/m2 Id W/m2 Cond. Tempo 10:00 95,5 102,5 105,2 85,5 85,0 914,00 731,20 Sol 10:10 118,1 121,6 123,0 101,9 102,3 925,00 740,00 Sol 10:20 129,3 130,9 124,2 102,8 111,3 922,50 738,00 Sol 10:30 132,8 131,0 118,3 101,0 106,2 915,70 732,56 Sol 10:40 138,3 139,4 134,4 110,2 115,6 920,40 736,32 Sol 10:50 136,3 137,7 133,4 108,0 116,4 928,40 742,72 Sol 11:00 133,7 137,7 135,6 107,0 118,6 930,40 744,32 Sol
Com a elaboração da tabela 4.1, foi possível gerar a Figura 4.1 de um gráfico das temperaturas do absorvedor e do ar em função do tempo, bom como da radiação global em função do tempo. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 50 100 150 Tem p e ratu ra ( o C) Tempo (min) Variação temperatura absorvedor X Tempo Variação temperatura ar X Tempo
Figura 4.1. Variação temperatura X Tempo.
Figura 4.2. Variação da radiação solar X tempo
Além de aferir as temperaturas na superfície absorvedora, também foram medidas as temperaturas das superfícies laterais externas, com a finalidade de mensurar as taxas de perda de energia. Com os dados obtidos foi elaborado a tabela 4.2 das temperaturas externas.
Tabela 4.2. Temperaturas externas laterais
Superfície Ta (oC) Tb (oC) Tc (oC) Média (oC) Des.Padrão (oC) Cond. Tempo Sul 52,8 58,2 53,8 54,93 2,87 Sombra Oeste 52,0 55,4 54,3 53,90 1,73 Sol Leste 52,5 57,9 54,5 54,96 2,73 Sol Norte 57,1 57,5 53,3 55,96 2,31 Sol
As temperaturas foram coletadas em três pontos em cada lateral (Sul, Oeste, Leste e Norte). A Figura 4.2 é uma representação esquemática do forno (vista isométrica), em que é possível identificar os pontos cadeias.
Figura 4.2. Temperaturas externas.
Para quantificar a perda pela face externa inferior do forno, foram coletadas as temperaturas em oito pontos. Com os dados obtido, foi elaborado a Tabela 4.3, na qual é possível identificar a maior temperatura, que foi no ponto D, TD=42 °C.
Tabela 4.3. Temperaturas externas, face inferior Superfície TA (oC) TB (oC) TC (oC) TD (oC) TE (oC) TF (oC) TG (oC) TH (oC) Média (oC) Des.Pa (oC) Cond. Tempo Inferior 40,4 39,9 39 42 41 40 38,1 37,2 39,7 1,55 Sombra
Com a finalidade de quantificar as taxas de perda de energia pelo vidro, foram coletadas temperaturas. Com os dados coletados foi possível a elaboração da Tabela 4.4 das temperaturas externas do vidro.
Tabela 4.4. Temperaturas externas do vidro Superfície Ta (oC) Tb (oC) Tc (oC) TD (oC) TE (oC) TF (oC) TG (oC) TH (oC) TI (oC) Média (oC) Des.Padrão (oC) Cond. Tempo Externa 72,6 80,3 70 72,1 85,1 74,2 71,5 81,1 71,1 75,3 5,40 Sol
A Figura 4.3 representa esquematicamente os pontos que foram medidas as temperaturas externas do vidro.
Figura 4.3, Vista superior do desenho esquemático do forno
Após a análise da tabela 4.4 das temperaturas externas do vidro, fica em evidência que a região de maior concentração de energia, encontra-se entorno dos pontos B (80,3 °C), E (85,1 °C) e H (81,1°C), visto que nessa região a concentração de energia dar-se-á pela soma da radiação solar global, que incide quase que diretamente na superfície do forno e a radiação solar refletida pelo heliostato.
Após a aquisição das temperaturas e das radiações global e direta, será feito o balaço de energia, afim de quantificar as taxas de energia adquiridas e perdidas pelo forno, além de sua eficiência.
a) A energia que entra no forno
Para o cálculo da energia efetiva que adentra ao forno, faz-se necessário que seja considerada a soma entre a irradiação global e a irradiação direta, como segue abaixo.
Eg = 922,30 ∗ 0,85 ∗ 0,70 = 548,77 W
Ere = 737,84 ∗ 0,95 ∗ 0,85 ∗ 0,83 = 494,53 W
Logo a energia efetiva que entra no forno é dada pela soma a seguir: 𝐸𝑒𝑓 = 548,77 + 494,53 = 1043,89 W
b) Analise pela energia perdida pelas laterais, fundo e pelo vidro de cobertura (Epf = Qconvec e Qrad).
Para quantificar-se a taxa de energia perdia ocorrida durante os testes do forno; será realizada a soma das perdas entre as parcelas de ambos processo, convecção e radiação.
) .( . se s amb c convec f p Q h A T T E ) .( . se s amb r rad f p Q h A T T E
Com a finalidade de calcular o coeficiente convectivo hc, foi mensurado no
LMHES/UFRN, a velocidade média do vento Vv =0,5 m/s à uma temperatura média
ambiente de 31,8 °C. Dessa forma, com a obtenção da velocidade, chegou-se ao coeficiente convectivo. Como demostrado a seguir.
ℎ𝑐(𝑣𝑒−𝑎) = 2,4 + 3 ∗ 0,5 = 3,9 W/m2K
Para o cálculo das perdas, foi necessário celular as médias das temperaturas nas partes laterais externas, bem como também, nas superfícies externa do vidro e
inferior do forno, além de suas respectivas áreas. Com os dados obtido, foi montado a Tabela 4.5.
Tabela 4.5. Temperaturas externas e áreas
Superfície Ts (OC) Ase (m2) Sul 54,93 0,086 Oeste 53,90 0,086 Leste 54,96 0,086 Norte 55,96 0,086 Externa do Vidro 75,3 0,73 Inferior 39,7 0,73
Para o cálculo da temperatura do céu, faz-se necessário converter a temperatura ambiente, media em Celsius, para Kelvin, de modo que , 31,8°C será 304,95 K. Logo a temperatura do céu 𝑇𝑠𝑘𝑦 é fornecida por:
𝑇𝑠𝑘𝑦 = 0,0552 ∗ 304,861,5= 293,83 𝐾
E o coeficiente radiativo, ℎ𝑟(𝑣𝑒−𝑎) assume o valor de:
ℎ𝑟(𝑣𝑒−𝑎) = 5,16 ∗ 10−8348,45
4− 293,834
348,45 − 304,86 = 8,63 𝑊 𝑚2𝐾
Agrupando-se os devidos termos na equação geral de perdas chega-se aos respectivos valores para cada superfície:
𝐸𝑝𝑓𝑆 = 3,9 ∗ 0,0728 ∗ ((54,93 − 31,8 )) = 6,58 W 𝐸𝑝𝑓𝑂 = 3,9 ∗ 0,0728 ∗ ((53,90 − 31,8 )) = 6,27 W 𝐸𝑝𝑓𝑁 = 3,9 ∗ 0,0728 ∗ ((55,96 − 31,8 )) = 6,86W 𝐸𝑝𝑓𝐿 = 3,9 ∗ 0,0728 ∗ ((54,96 − 31,8 )) = 6,58 W 𝐸𝑝𝑓𝑉 = 8,63 ∗ 0,70 ∗ ((75,3 − 31,8 )) = 262,78 W 𝐸𝑝𝑓𝐼 = 3,9 ∗ 0,70 ∗ ((39,7 − 31,8 )) = 21,57 W Obs.: temperaturas em Celsius.
Logo a energia perdida será de:
𝐸𝑝𝑓 = 6,58 + 6,27 + 6,86 + 6,58 + 262,78 + 21,57 = 310,64 W c) A Energia Absorvida Pelo Forno
Após a computação das entrada das taxas de energia no forno e suas respectivas taxas de perda; será descrito agora a taxa de energia absorvida pelo forno, que nada mais é que a diferença entre a taxa de entra e de saída, como será demonstrado a seguir.
𝐸𝑎𝑏𝑠 = 1043,31 − 310,64 = 732,62 W
d) Rendimento Interno Do Forno
O rendimento interno do forno, basta fazer a razão entre as taxas de energia absorvidas e a de entrada. Logo, teremos:
𝜂𝑅𝐼 =
732,62
Após a aquisição das taxas de energia do forno, e de sua eficiência, foi elaborada a Tabela 4.6 com a finalidade de demostrar, de forma percentual, a contribuição de cada parcela da entrada e saída de energia, além da absorvida.
Tabela 4.6. Relação de energias
Discriminação Energia
(W)
Porcentagem (%) 1. Energia que entra no
forno
1043,31 100%
2. Perdas 310,64 29,8%
1-2. Energia absorvida 732,62 70,2%
4.2 Teste Com Carga
4.2.1 Primeiro Dia de Teste Com Carga
Na manhã de 30 de Novembro de 2018, foi realizado o teste de assamento de seis bolos, com carga total de 4500g. Os bolos foram colocados as 10:30, quando a temperaturas do absorvedor era de 136 °C e a do ar cerca de 110°C; os bolos foram retirados com cerca de 80 min após o início do teste. A Figura 4.4 apresenta os alimentos após o processo de assamento.
Fonte: Arquivo pessoal
Figura 4.4 Os seis bolos após o processo de assamanto. 4.2.2 Segundo dia de Teste Com Carga
Na manhã de 4 dezembro de 2018 foi realizado o teste do forno solar com as seguintes alimento: dois bolos, dez empanados, uma pizza e seis pães. O teste teve início às 11:03 com uma temperatura do absorvedor Tab=125°C e temperatura do ar em torno de Tar=110°C.
Antes de inserir os alimentos no forno, foram realizadas as medições das temperaturas laterais, de fundo e radiação global Ig=910 W/m2; com os quais foi possível a elaboração da Tabela 4.7 da tabela.
Tabela 4.7. Temperaturas das laterais externas
Após decorrido quinze minutos do início do experimento, foram realizadas uma nova aquisição, no qual foram aferidos novos dados de temperatura e de irradiação global Ig= 903,7 W/m2. Com os dados obtidos foi construído a Tabela 4.8.
Tabela 4.8. Temperaturas das laterais externas
Após a aquisição dos dados, foram retirada dos alimentos e medidos o tempo de assamento, com o qual foi elaborado a Tabela 4.9.
Superfície Ta (oC) Tb (oC) Tc (oC) Média (oC) Des.Padrão (oC) Cond. Tempo Leste 55 60 56 57 2,65 Sombra Sul 58 60,1 57,8 58,6 1,27 Sol Oeste 57,4 61 59,5 59,3 1,81 Sol Norte 61 60 57,5 59,5 1,80 Sol Superfície Ta (Oc) Tb (Oc) Tc (Oc) Média (Oc) Des.Padrão (Oc) Cond. Tempo Leste 49,3 47,8 45,8 47,6 1,75 Sombra Sul 52,3 53,4 51,5 52,4 0,95 Sol Oeste 50 47,4 49 48,8 1,31 Sol Norte 49,2 49,2 49,2 49,2 8,7*10-15 Sol
Tabela 4.9. Tempo de assamento, quantidade e peso dos alimentos
Alimento Tempo de assamento Quantidade Peso
Bolo 65 min 2 900g
Pizza 15 min 1 1000g
Pão 30 min 6 50g
Frango empanado 50 min 10 100g
A Figura 4.5 apresenta os alimentos após o término dos testes de assamento.
Fonte: Arquivo pessoal
Figura 4.5. Apresenta todos os alimentos após o término do teste
a) A energia que entra no forno
Eg= 906,85 ∗ 0,85 ∗ 0,70 = 539,58 W
Ere= 725,48 ∗ 0,95 ∗ 0,85 ∗ 0,83 = 486,23 W
Logo a energia efetiva que entra no forno é dada pela soma a seguir: 𝐸𝑒𝑓 = 539,58 + 486,23 = 1025,81 W
As temperaturas externas, com carga, para as laterais, vidros e parte inferior como também as respectivas áreas estão tabeladas a seguir:
Tabela 4.10. Temperaturas externas e áreas
Superfície Ts (OC) Ase (m2) Leste 47,6 0,086 Sul 52,4 0,086 Oeste 48,8 0,086 Norte 49,2 0,086 Externa Do Vidro 60,45 0,73 Inferior 38,3 0,73
E ℎ𝑟(𝑣𝑒−𝑎) assume o valor de:
ℎ𝑟(𝑣𝑒−𝑎) = 5,16 ∗ 10−8
333,64− 293,834
336,6 − 304,86 = 8,02 𝑊 𝑚2𝐾
Agrupando-se os devidos termos na equação geral de perdas chega-se aos respectivos valores para cada superfície:
𝐸𝑝𝑓𝑆= 3,9 ∗ 0,0728 ∗ ((52,4 − 31,8 )) = 5,85 W 𝐸𝑝𝑓𝑂= 3,9 ∗ 0,0728 ∗ ((48,8 − 31,8 )) = 4,83 W 𝐸𝑝𝑓𝑁 = 3,9 ∗ 0,0728 ∗ ((49,2 − 31,8 )) = 4,94W 𝐸𝑝𝑓𝐿= 3,9 ∗ 0,0728 ∗ ((47,6 − 31,8 )) = 4,49 W 𝐸𝑝𝑓𝑉 = 8,02 ∗ 0,70 ∗ ((60,45 − 31,8 )) = 160,84 W 𝐸𝑝𝑓𝐼= 3,9 ∗ 0,70 ∗ ((38,3 − 31,8 )) = 17,75 W
Logo a energia perdida é:
𝐸𝑝𝑓 = 5,85 + 4,83 + 4,94 + 4,49 + 160,84 + 17,75 = 198,7 W
b) A energia absorvida pelo forno 𝐸𝑎𝑏𝑠 = 1025,81 − 198,7 = 827,11 W c) O rendimento interno do forno
𝜂𝑅𝐼 =
827,11
1025,81∗ 100 = 80,63%
Tabela 4.11. Relação de energias
Discriminação Energia
(W)
Porcentagem (%) 1. Energia que entra no
forno
1043,31 100%
2. Perdas 198,7 19,37%
