CONSTRUÇÃO E TESTE DE FORNO SOLAR por EDÉSIO ANUNCIAÇÃO SANTOS FILHO e VALDEMIR CONCEIÇÃO DA SILVA, Notas de estudo de Engenharia Florestal
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CONSTRUÇÃO E TESTE DE FORNO SOLAR por EDÉSIO ANUNCIAÇÃO SANTOS FILHO e VALDEMIR CONCEIÇÃO DA SILVA, Notas de estudo de Engenharia Florestal

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Descrição
O Sol é fonte gratuita e limpa de energia e ainda apenas na metade de sua existência que se cogita seja no total cerca de onze bilhões de anos. Sua energia banha o planeta Terra com força energética equivalente a quase 4.000 vezes toda a energia que se consome de outras origens. Diante dessa realidade e da gama de conhecimentos desenvolvidos pela ciência e criatividade humanas, propostas alternativas vêm surgindo para o melhor aproveitamento da energia solar disponível. Apresenta-se a seguir um quadro potencial de aplicação da energia solar no Brasil e a utilização de um forno solar de baixo custo para aplicações domésticas, com o intuito de conscientização da viabilidade do uso da energia solar.
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FACULDADE DE ARACRUZ

FACULDADE DE ARACRUZ

CONSTRUÇÃO E TESTE DE FORNO SOLAR

EDÉSIO ANUNCIAÇÃO SANTOS FILHO

VALDEMIR CONCEIÇÃO DA SILVA

Orientador: Profº. M.Sc Johnson Pontes de Moura

Aracruz-ES

Novembro de 2008

EDÉSIO ANUNCIAÇÃO SANTOS FILHO

VALDEMIR CONCEIÇÃO DA SILVA

CONSTRUÇÃO E TESTE DE FORNO SOLAR

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Aracruz – FAACZ, como requisito parcial para a obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Mecânica.

Orientador: Professor M.Sc Johnson Pontes de Moura

Aracruz-ES

Novembro de 2008

EDÉSIO ANUNCIAÇÃO SANTOS FILHO

VALDEMIR CONCEIÇÃO DA SILVA

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia

Mecânica da Faculdade de Aracruz – FAACZ, como requisito parcial para a

obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Mecânica.

Aprovado em____________de_______

Comissão examinadora

________________________________________

Orientador: MSc Johnson Pontes de Moura

_______________________________________

Examinador: Profº Dr. Rodolfo Jesús R. Silvério

________________________________________

Examinador: Profº Dr. Marcos Roberto T. Halasz

SANTOS FILHO, Edésio Anunciação; DA SILVA, Valdemir Conceição. – Construção e Teste de Forno Solar. Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia

Mecânica da Faculdade de Aracruz – FAACZ.

Orientador: Profº. MSc Johnson Pontes de Moura

RESUMO

O Sol é fonte gratuita e limpa de energia e ainda apenas na metade de sua

existência que se cogita seja no total cerca de onze bilhões de anos. Sua energia

banha o planeta Terra com força energética equivalente a quase 4.000 vezes toda a

energia que se consome de outras origens. Diante dessa realidade e da gama de

conhecimentos desenvolvidos pela ciência e criatividade humanas, propostas

alternativas vêm surgindo para o melhor aproveitamento da energia solar disponível.

Apresenta-se a seguir um quadro potencial de aplicação da energia solar no Brasil e

a utilização de um forno solar de baixo custo para aplicações domésticas, com o

intuito de conscientização da viabilidade do uso da energia solar.

Palavras-chaves: Abastecimento Energético; Energia limpa; Forno Solar

SANTOS FILHO, Edésio Anunciação;DA SILVA, Valdemir Conceição – Novembro/2008

I

SANTOS FILHO, Edésio Anunciação; DA CONCEIÇÃO, Valdemir – Construction e tests de of solar oven.

ABSTRACT

The sun energy cover the Earth with an energetic power equivalent to almost four

thousand times all the energy consumed from another sources. Before this reality

and the quantity of knowledge developed by all the science and human creativity,

some alternative proposals have been developed to get a better use of the solar

energy available. Show below a place potential of solar energy application in Brazil

and the utilization of solar oven household applications, with the objective to

sensetize of the local community of the viability of the use of solar energy.

Keywords: Energetic Supplying; Clean Energy; Solar Oven

SANTOS FILHO, Edésio Anunciação;DA SILVA, Valdemir Conceição – Novembro/2008

II

DEDICATÓRIA

Á Deus, por sua graça sempre presente em nossas vidas;

Aos pais, esposas e familiares de ambos;

Aos amigos e companheiros de classe da Engenharia Mecânica;

Á minha mãe, D. Carlota Pereira de Souza, te amo!

Á minha querida namorada Josiane e sua filha Emily,

super companheiras em todos os momentos. Amo vocês!

Edésio Anunciação Santos Filho

Á meus pais, Valdeir e Irene, e irmãos!

Á minha esposa e filhos, Cláudia, Guilherme e Vinícius

pela compreensão e apoio. Amo vocês!

Valdemir Conceição da Silva

In memorian:

Alex Devens da Silva;

Isaac Vivaldi dos Santos.

SANTOS FILHO, Edésio Anunciação;DA SILVA, Valdemir Conceição – Novembro/2008

III

AGRADECIMENTOS

Ao professor MSc Johnson Pontes de Moura por sua orientação;

Ao professor Dr. Rodolfo Jesús R. Silvério pelo compromisso e colaboração;

A Coordenação do Departamento de Pesquisas e Pós-Graduação na pessoa do

Professor Dr. Marcos Roberto T. Halasz;

À Coordenação do Departamento de Engenharia Mecânica na pessoa do

Professor Dr. Wisley Falco Sales;

A todos os companheiros de sala de aula do Departamento de Engenharia

Mecânica da FAACZ;

A Coordenação do Departamento de Engenharia Química na pessoa da

Professora Dra. Flávia Pereira Puget;

Aos todos os funcionários da FAACZ, em especial aos que nos acompanharam e

nos deram suporte para a realização desse projeto.

SANTOS FILHO, Edésio Anunciação;DA SILVA, Valdemir Conceição – Novembro/2008

IV

ÍNDICE

ÍNDICE

SANTOS FILHO, Edésio Anunciação;DA SILVA, Valdemir Conceição – Novembro/2008

RESUMO I ABSTRACT II DEDICATÓRIA III AGRADECIMENTOS IV LISTA DE FIGURAS VII LISTA DE TABELAS VIII Capítulo 1 – Introdução 01 1.1.Contextualização 02 1.2.Justificativa 03 1.3.Objetivos 03 Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 04 2.1. A Energia Solar 05 2.2. Aplicações da Energia Solar 06 2.2.1. Energia Solar Fototérmica 06 2.2.2. Energia Fotovoltaica 07 2.2.3. Energia Bioclimática 07 2.3. Viabilidade do Uso de Energia Solar no Brasil 07 2.3.1. Disponibilidade Solar no Estado do Espírito Santo 09

V

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1. Radiação solar global diária- média anual típica (MJ/m2. Dia). 08

SANTOS FILHO, Edésio Anunciação;DA SILVA, Valdemir Conceição – Novembro/2008

Capítulo 3 – Estado da Arte 10 3.1. Os Fornos Solares 11 3.1.1. Forno Solar Tipo Caixa 11 3.1.2. Forno Solar Tipo Olla 12 3.1.3. Forno Solar Tipo Painel 12 3.1.4. Forno Solar Tipo Parabólico 13 3.2. Princípio de Funcionamento 14 3.2.1. Ganho de Calor 14 3.3. Materiais Construtivos 18 3.4. Mecanismos de Transferência de Calor 19 3.5. Viabilidade de Uso do Forno Solar Proposto 26 Capítulo 4 – Materiais e Métodos 28 4.1. Materiais 29 4.2. Aplicação dos Conceitos Teóricos 32 4.3. Métodos e testes 34 Capítulo 5 – Análise dos Resultados 39 5.1. Análise dos Resultados Experimentais 40 5.2. Análise da Eficiência do Forno Solar Proposto 45 Capítulo 6 – Conclusão 50 Apêndices 52 REFERÊNCIAS 56

VI

(TIBA, 2000).

Figura2.2. Insolação média anual diária (h) no território brasileiro (TIBA,2000). 09 Figura3.1. Forno solar com e sem refletor. Fonte: http://www.energyquest.ca.gov/projects/index.html#solar

11

Figura 3.2. A radiação sobre diferentes superfícies. Fonte: (http://solarcooking.org/solar-l.htm)

11

Figura 3.3. Forno Tipo Olla. Fonte: (http://solarcooking.org/solar-l.htm)

12

Figura 3.4. Fornos Tipo Painéis Solares. Fonte: http://solarcooking.org/solar-l.htm

12

Figura 3.5. Cozinha solar comunitária Scheffler, a primeira desse tipo no México. Fonte:http://www.sunoven.de/Scheffler-Jiutepec.html 13

Figura 3.6. Fogões parabólicos e semi-parabólicos. Fonte: http://solarcooking.org/images/scr/nov04/photou.jpg

13

Figura 3.7. Estrutura básica de um forno solar tipo caixa Fonte: Pedro Horta (Guia da Energia Solar, 2004)

14

Figura 3.8. Influencia da geometria da área coletora na captação da energia solar. Fonte: http://solarcooking.org/portugues/sbcdes-pt.htm 15

Figura 3.9. Refletores laterais. Fonte: http://solarcooking.org/portugues/sbcdes-pt.htm

15

Figura 3.10(a). Incidência típica no verão Figura3.10(b). Espelho auxiliar para o inverno

16

Figura 3.11. Espelhos refletores com ângulo de 90º na vertical. 16 Figura 3.12. Espelhos refletores aplicados á caixa inclinada. Fonte: (JOHNSON, 2007)

17

Figura 3.13. Arranjo utilizando dois espelhos refletores. 17 Figura 3.14. Materiais construtivos. Fonte: http://solarcooking.org/portugues/sbcdes-pt.htm

18

Fig. 3.15. Tipos de ondas eletromagnéticas utilizadas no cotidiano. Fonte: (JOHNSON, 200)

22

Figura 3.16. A curva de radiação para diferentes temperaturas. 23 Figura 3.17. Efeito da convecção entre o ar uma parede plana. 25

LISTA DE FIGURAS

Figura 4.1. Materiais coletados para construção do forno solar. Fonte própria. 29

SANTOS FILHO, Edésio Anunciação;DA SILVA, Valdemir Conceição – Novembro/2008

VII

Figura 4.2. Ferramentas utilizadas na montagem. Fonte própria. 29 Figura 4.3. Protótipo forno proposto. Fonte própria. 30 Figura 4.4. Forno posicionado de acordo com a trajetória do Sol. 31 Figura 4.5. Elaboração e aplicação do compósito isolante. Fonte própria. 32 Figura 4.6. Fixação dos espelhos refletores. Fonte própria. 33 Figura 4.7. Superfície coletora. Área total 0,2016 m2. 33 Figura 4.8. Forno Solar proposto. Fonte própria. 34 Figura 5.1. Banana assada no forno Proposto. Fonte própria. 41 Figura 5.2. Torradas preparadas no forno solar proposto. Fonte própria. 42 Figura 5.3. Assando biscoitinhos no forno solar proposto. Fonte própria. 43 Figura 5.4. Assando bolo de massa pronta, no forno solar proposto. Fonte própria.

44

Figura 5.5. Temperturas iniciais e finais da água em teste. 47 Figura 5.5. Gráfico da radiação solar média no período de 10 a 12 de Dezembro de 2008. 48

LISTA DE TABELAS

Tabela 4.1. Dimensões do forno solar proposto. 31 Tabela 5.1. Tempo x Temperatura (Experimento do dia 15/11/2008). 41 Tabela 5.2. Tempo x Temperatura Experimento do dia 16/11/2008) 42 Tabela 5.3. Tempo x temperatura (Experimento do dia 17/11/2008). 43 Tabela 5.4. Tempo x temperatura (Experimento do dia 13/12/2008). 44 Tabela 5.5. Radiação média horária dos dias 10 á 12 de Dezembro de 2008 46 Tabela 5.6. Temperaturas médias horária dos dias 10 á de Dezembro de 2008. 46 Tabela 5.7. Eficiência média do forno proposto. 47 Tabela I.1. Aquecimento de água. (Experimento do dia 10/12/2008). 52 Tabela II.1 – Aquecimento de água. (Experimento do dia 10/12/2008). 53 Tabela III.1 – Aquecimento de água. (Experimento do dia 10/12/2008). 54

Capítulo 1

SANTOS FILHO, Edésio Anunciação;DA SILVA, Valdemir Conceição – Novembro/2008

VIII

Introdução

SANTOS FILHO, Edésio Anunciação;DA SILVA, Valdemir Conceição – Novembro/2008

IX

1. Introdução

1.1. Contextualização

A utilização da energia solar vem de longa data sendo mencionado em trabalhos

científicos; registros históricos mencionam o uso de espelhos solares utilizados

como armamento bélico já na época do império Romano, isso, a pelo menos dois

séculos antes de Cristo. Segundo a ABRAVA (Associação Brasileira de Ar

Condicionado, Ventilação e Aquecimento), desde 1960 a tecnologia do aquecedor

solar já vem sendo utilizada em nosso país, foi quando surgiram as primeiras

pesquisas no Brasil e que a partir de 1973 já era empregada de forma comercial.

Atualmente estimam-se acima de 600.000 coletores solares instalados no Brasil

distribuídos em residências, hotéis, motéis, hospitais, restaurantes industriais,

aquecimento de piscinas e outros (ABRAVA 2001).

Experimentos com fogões solares segundo Beyer et al. (2004) remontam a mais de

230 anos atrás, quando Horace de Saussure utilizou os conhecimentos da Física em

sua época (por volta de 1776) para a construção de uma caixa preta retangular com

a parte superior composta de um tampo de vidro, com três lâminas afastadas umas

das outras e uma tampa refletora como concentrador de radiação solar no interior

dessa caixa, batizada de “caixa quente”. Tal equipamento obteve temperaturas em

torno de 118 ºC.

Outro experimento clássico que foi realizado pelo astrônomo inglês John Herschel

(1837) também consistia de uma caixa de interior enegrecido, inserida na areia

como isolante térmico e seu tampo possuía camada dupla de vidro. O conceito

comum nesses casos é a absorção da radiação solar para o interior do dispositivo.

No Brasil e demais países do continente americano há um potencial invejável de

irradiância solar. Seu uso proporciona conforto térmico com economia de energia

elétrica, diminui a retirada de madeira para cocção de alimentos e constitui fonte de

renda com a secagem e comercialização de alimentos.

1

1.2. Justificativa

Este trabalho busca avaliar o uso da Energia Solar como fonte alternativa e

auxiliadora ao gás de cozinha (GLP - Gás Liquefeito de Petróleo) e á eletricidade

(Forno de micro-ondas, fornos elétricos, etc) no preparo de alimentação doméstica.

1.3. Objetivos

1.3.1. Objetivo Geral

Construir um forno solar utilizando materiais de baixo custo que possa ser utilizado

na cozinha doméstica, auxiliando outros métodos de cocção de alimentos.

1.3.2. Objetivos Específicos

• Utilizar conceitos de transferência de calor para determinar a construção e

eficiência do forno solar proposto;

• Reaproveitar materiais considerados resíduos sólidos destinados a aterro

sanitário para construção do forno proposto;

• Realizar testes de cocção e desidratação de alimentos.

2

Capítulo 2

Fundamentação Teórica

3

2. Fundamentação Teórica

2.1. A Energia Solar.

A energia do Sol provém da fusão termonuclear de elementos leves, principalmente

o hidrogênio, que num processo complexo origina hélio e transforma parte da massa

das partículas que interagem em energia térmica, ou solar, como normalmente

chamamos e que chega até a Terra na forma de energia eletromagnética,

especialmente luz visível (http://www.creaes.org.br/balancoenergetico/1/11.htm).

De acordo com Duffie e Beckman (1991, p. 4): a radiação solar que atinge o topo da

atmosfera terrestre provém da região da fotosfera solar com aproximadamente 300

km de espessura e temperatura superficial da ordem de 5800 K (aproximadamente

5.527 ºC).

Segundo artigo divulgado pelo CRESESB (Centro de Referência para Energia Solar

e Eólica Sérgio de Salvo Brito – Energia Solar Princípios e Aplicações, pg. 7), dados

recentes da WMO (World Meteorological Organization) indicam um valor médio de

1.367 W/m2 para a radiação extraterrestre. Fórmulas matemáticas permitem o

cálculo, a partir da “Constante Solar”, da radiação extraterrestre ao longo do ano,

fazendo a correção pela órbita elíptica. A radiação solar é radiação eletromagnética

que se propaga a uma velocidade de 300.000 km/s.

De acordo com Oliveira Filho e Saraiva (2005), “a constante solar varia, dependendo

da época no ciclo de 11 anos, de 1.364,55 a 1.367,86 W/m”. O valor adotado para

verificação do rendimento de coletores solares planos é de 1353 W/m.

Segundo ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica - 2005, p. 29), quase todas

as fontes de energia – hidráulicas, biomassas, eólicas, combustíveis fósseis e

4

energia dos oceanos – são formas indiretas de energia solar que vão desde a

realização da fotossíntese até a evaporação das águas criando energia potencial.

2.2. Aplicações da Energia Solar

Historicamente, o homem faz uso da energia solar de maneira intuitiva desde

simples aplicações como conservação de alimentos através da secagem ao ar livre,

beneficiamento de couro de animais para confecção de vestimentas e utensílios á

aplicações mais elaboradas do tipo utilizá-la como artefato bélico.

Atualmente, com o desenvolvimento das ciências e pesquisas voltadas para a

necessidade de obtenção de novas fontes de energia renováveis, o homem vem

buscando formas alternativas e eficientes para melhor aplicação da energia solar.

Dessa maneira, classifica-se a utilização da energia solar com Ativa e Passiva,

sendo a Ativa definida como Energia Solar Fototérmica e Fotovoltaica e a Passiva

como Energia Solar Bioclimática.

2.2.1. Energia Solar Fototérmica

A radiação solar pode ser utilizada diretamente como fonte de energia térmica, O

aproveitamento térmico para aquecimento de fluidos é feito com o uso de coletores

ou concentradores solares. Os coletores solares são classificados como

Concentradores e Planos, sendo mais usados em aplicações residenciais e

comerciais (hotéis, restaurantes, clubes, hospitais etc.) para o aquecimento de água

(higiene pessoal e para lavar utensílios e ambientes) proporcionando redução no

consumo de energia elétrica (CRESESB, 2003).

Os concentradores solares destinam-se a aplicações que requerem temperaturas

mais elevadas, como a secagem de grãos e a produção de vapor para acionamento

de turbinas geradoras de eletricidade.

5

2.2.2. Energia Solar Fotovoltaica

É a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade (Efeito

Fotovoltaico). Relatado por Edmond Becquerel, em 1839, é o aparecimento de uma

diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor,

produzida pela absorção da luz. A célula fotovoltaica é a unidade fundamental do

processo de conversão, são normalmente produzidas em Silício amorfo e possuem

custo elevado para aquisição residencial (GREEN et al., 2000)

2.2.3. Energia Solar Bioclimática

Chamada de forma passiva, onde harmoniza as construções ao clima e

características locais, pensando no homem que habitará ou trabalhará nelas, tirando

partido da energia solar através de correntes convectivas luminosidade naturais.

2.2.4. Viabilidade do Uso de Energia Solar no Brasil

Segundo Martins (Ciência Hoje, Nov. 2003), “o mapeamento da distribuição do

recurso solar permite reconhecer áreas em que o aproveitamento dessa energia é

potencialmente significativo”. Uma contribuição importantíssima é o Atlas

Solarimétrico do Brasil, uma iniciativa da Universidade Federal de Pernambuco

(UFPE) e a CHESF (Companhia Hidrelétrica do São Francisco) em parceria com o

CRESESB. Na Fig. 2.1 visualiza-se a distribuição da radiação global solar diária no

Brasil.

6

FIGURA 2.1 - Radiação solar global diária- média anual típica (MJ/m2. Dia) (tiba, 2000)

A possibilidade da utilização de equipamentos solares depende primeiramente do

potencial de energia solar da região. O potencial de energia solar de uma região é

uma característica que está relacionada fundamentalmente a quantidade de

radiação disponível no local durante o ano e a quantidade de horas de insolação por

dia.

Essas informações são disponibilizadas pelo Atlas de Irradiação Solar no Brasil

elaborado pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) em parceria com o

Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal de Santa Catarina

7

(LABSOLAR/UFSC) e o mapa da insolação média anual diária no território Brasileiro

(Fig. 2.2)

Figura 2.2 - Insolação média anual diária [h] no território Brasileiro (Tiba, 2000)

2.2.5. Disponibilidade Solar no Estado do Espírito Santo

O Espírito Santo figura entre os estados onde a insolação diária está na faixa de 6 h

diárias com irradiância da ordem de 16 MJ/m2. dia (Fig. 2.2 e 2.3). Apesar dessa

condição o uso da energia solar limita-se a sistemas de aquecimento direto de água

para uso doméstico. A ausência estatística desse setor no Estado demonstra pouca

8

difusão dessa tecnologia, cabendo assim iniciativas que o insiram nessa realidade

energética crescente no Brasil, que segundo Alessandra Batista (Apud FARIA, 2004)

até o ano de 2004 registrava entre 650.000 e 700.000 m2 instalados por todo o país.

Capítulo 3

Estado da Arte

9

3. Estado da Arte

3.1. Os Fornos Solares

Os fornos solares são utilizados na conversão térmica da radiação solar para cozer

alimentos ou para produzir água destilada, através do “efeito estufa”. Dentre os tipos

mais utilizados atualmente, este trabalho apresenta quatro tipos, a saber:

3.1.1. Forno Solar Tipo Caixa:

De construção simples e fácil manuseio; pode ser dotado de espelho refletor auxiliar

(Fig. 3.1). Sua operação não oferece riscos de segurança ao usuário. Tem como

principal atrativo o fato de poder ser construído com material de fácil aquisição e

abundante em cada região onde pretende ser utilizado. Pode ser dimensionado para

atender famílias de quatro ou mais pessoas.

Figura 3.1 – Forno com e sem refletor. Fonte:(http://solarcooking.org/solar-l.htm)

O processo de cozimento, pasteurização ou outros é mais eficaz com utensílios de

cor preta do que aqueles prateados tais como alumínios e aços, conforme mostra a

Figura 3.2 abaixo:

10

Figura 3.2 – A radição sobre diferentes superfícies. Fonte:. (http://solarcooking.org/solar-l.htm)

3.1.2. Forno Solar Tipo Olla

Difere do forno tipo caixa basicamente por não necessitar de estrutura de apoio, os

alimentos são depositados numa panela ou utensílio de cor preta envoltos por uma

superfície transparente tal como sacos plásticos ou recipientes de vidro. Como

mostra a figura 3, a superfície transparente promove o “efeito estufa” (TEIXEIRA et

al., 2007).

Figura 3.3 – Forno Tipo Olla Fonte: (http://solarcooking.org/solar-l.htm)

Atende ao cozimento limitado de um recipiente por vez, devendo ser repetido o

procedimento para tantos recipientes quanto forem necessários.

3.1.3. Forno Solar Tipo Painel

Trata-se de uma variação do forno tipo Olla, com diferença de estar situado no

centro de um “painel” com superfície interna refletora. O material refletor em geral é

composto de folhas de alumínio ou espelhos quando houver disponibilidade, na

figura abaixo (Fig. 3.4) visualiza-se alguns modelos.

11

Figura 3.4 – Fornos Tipo Painéis Solares – Fonte: http://solarcooking.org/solar-l.htm

3.1.4. Forno Solar Tipo Parabólico

São constituídos de parábolas ou semi-parábolas que concentram e direcionam a

radiação solar para um ponto onde se localiza o recipiente de cozimento. São

utilizados onde se requer temperaturas muito altas. Neles, não ocorre o efeito estufa

e sim, alta concentração de radiação solar. Sua construção é um pouco mais

complexa. Pode ser utilizado em cozinhas comunitárias, escolas e cooperativas. Um

exemplo disso ocorre no México, onde o Grupo Scheffler

(http://www.sunoven.de/Scheffler-Jiutepec.html) divulga e constrói fogões como na

cidade de Matutina Juana de Asbaje no México, onde alimenta 150 alunos numa

escola primária (Fig. 3.5).

sasasasas

Figura 3.5 - Cozinha solar comunitária Scheffler, a primeira desse tipo no México.

Requer mão de obra um pouco mais especializada para construção e operação, por

se tratar de um equipamento onde se obtêm temperaturas muito altas, da ordem de

340 á 465 º C (http://digilander.iol.it/giannicrovatto). Como mostra a figura 3.6

12

Figura 3.6 – Fogões parabólicos e semi-parabólicos. Fonte: http://solarcooking.org/images/scr/nov04/photou.jpg

3.2. Princípio de Funcionamento

As relações entre ganho e perda de calor são fatores determinantes para o bom

funcionamento dos fornos solares. Torna-se necessário então conhecer e aplicar de

maneira adequada conceitos da Física e da Engenharia como parâmetros para se

obter melhores resultados possíveis. Relaciona-se a seguir:

3.2.1. Ganho de Calor

Efeito estufa:

Esse efeito resulta do aquecimento em espaços fechados nos quais a luz solar

atravessa um material transparente tal como vidro ou plástico. A luz visível

facilmente passa através do vidro (figura 3.7) onde é absorvida e refletida por

materiais dentro do espaço fechado.

Essa energia luminosa é convertida em energia calorífica, que possui maior

comprimento de onda e não consegue passar de volta através do vidro ficando

presa no espaço fechado. O calor coletado pelo prato absorvente de metal preto e

as vasilhas é conduzido através desses materiais para aquecer e cozinhar a comida

(Mark Aalfs, http://solarcooking.org/portugues/sbcdes-pt.htm).

13

Figura 3.7 - Estrutura básica de um forno solar tipo caixa Fonte: Pedro Horta (Guia da Energia Solar, 2004)

Orientação do vidro:

Quanto mais diretamente o vidro estiver voltado para o sol (figura 3.8), maior será o

ganho de calor solar. Embora o vidro seja o mesmo na caixa 1 e 2, mais luz solar

passa pelo vidro na caixa 2, porque ele está voltado mais diretamente para o sol.

Porém, a caixa 2 também tem uma maior área de parede através da qual o calor é

perdido.

Figura 3.8 - Influencia da geometria da área coletora na captação da energia solar Fonte: http://solarcooking.org/portugues/sbcdes-pt.htm

Refletores, ganho adicional:

Um refletor simples ou múltiplos refletores refletem luz solar adicional através do

vidro e dentro da caixa solar. Essa energia solar adicional resulta em maior tempo de

uso e temperaturas mais altas conforme é ilustrado na figura 3.10.

14

Figura 3.9 – Refletores laterais. Fonte: http://solarcooking.org/portugues/sbcdes-pt.htm

Segundo JOHNSON (Apud TABOR,1966) o uso de espelhos auxiliadores contribui

para o aproveitamento da radiação na mudança de pico ao meio dia. Uma

deficiência de captação ocorre no inverno, mas o espelho auxiliador pode

compensar esse fator, este tipo de aplicação ilustra-se comparando a figura 3.10(a) que mostra a a incidência da radiação solar no verão e a figura 3.10(b) com o refletor auxiliar sendo utilizado no inverno. O espelho auxiliador pode também servir

como tampa para o forno, protegendo-o quando estiver fora de operação.

Figura 3.10(a) – Incidência típica no verão e 3.10(b) – Espelho auxiliar para o inverno Fonte: (JOHNSON, 2007)

Dentre os arranjos possíveis ainda segundo JOHNSON (Apud TABOR,1996) inclui a

configuração do refletor em ângulo de 90º na vertical com a caixa absorvedora na

horizontal (Fig. 3.11) e inclinada em direção ao sol (Fig. 3.12). Considerando que pela manhã a radiação do Sol está concentrada no absorvedor e ao meio-dia não, á

tarde o espelho é ajustado para o lado oposto, novamente em direção ao do Sol.

15

Figura 3.11 – Espelhos refletores com ângulo de 90º na vertical.

Figura 3.12 – Espelhos refletores aplicados á caixa inclinada. Fonte: (JOHNSON, 2007)

A posição relativa e o perfil da curva de concentração perto do meio-dia podem ser

modificados pela rotação dos espelhos auxiliadores horizontais para a vertical. O

problema básico deste modelo está na complicação de mudar o espelho de um lado

do coletor para o outro ao meio-dia.

Como posssível solução JOHNSON (Apud TABOR, 1996) apresenta uma

configuração contendo dois espelho planos conforme a figura 3.13. Como o ângulo solar aumenta com a inclinação, quando este excede o semi-ângulo formado entre

os espelhos, ocorre a projeção da sombra do refletor no interior da caixa

absorvedora e isso diminui a eficiência do forno.

Apesar de oferecer maior captação da radiação, o sistema perde eficiência por não

acompanhar a inclinação solar,

16

Figura 3.13 – Arranjo utilizando dois espelhos refletores.

3.3. Materiais Construtivos

Os materiais utilizados na construção de fornos solares devem ser resistentes à

umidade, dado que durante a cocção dos alimentos é libertado vapor de água, bem

como às temperaturas que se possam atingir no seu interior. Num forno temos

essencialmente quatro tipos de materiais que são especificados na figura 3.14

relacionando a cor dos materiais com sua posição na construção do forno:

• Estruturais – garantem a estabilidade dimensional do conjunto (madeira, plástico, cimento, etc.)

• Isolantes – minimizam as perdas térmicas do conjunto (lã de vidro, isopor, papel de jornal, etc.)

• Transparentes – permitem a criação do efeito de estufa no interior da caixa (vidro, plástico para alta temperatura, etc.)

• Refletores – minimizam as perdas térmicas no interior do forno e podem concentrar a radiação solar no interior (folha de alumínio, espelhos, etc.)

Figura 3.14 – Materiais construtivos. Fonte: http://solarcooking.org/portugues/sbcdes-pt.htm

17

3.3.1. Cálculo da Eficiência de Fornos Solares

De acordo com HORTA (2004, pg. 7), a relação entre a radiação disponível em um

dado intervalo de tempo e o aumento da temperatura da água de um certo volume

no interior de um recipiente de cocção, fornece o rendimento, ou, a eficiência de um

forno solar e calcula-se segundo a equação dada:

( ) dtAI

TTcm

C

ifp

.. . −

=η (1)

Onde:

ma = Massa de água; [Kg]

Cp = Calor específico da água; [J.kg-1. ºC-1]

Tf = Temperatura final; [K]

Ti = Temperatura inicial; [K]

Hi,média = Radiação média do intervalo [w.m-2]

Ac = Área coletora da radiação. [m2]

3.4. Mecanismos de Transferência de Calor

Por experiência, sabe-se que a transferência de energia sob a forma de calor ocorre

da diferença de temperatura entre um sistema e sua vizinhança, e somente na

direção decrescente de temperatura (Moran e Shapiro, Princípios de Termodinâmica Para Engenharia, pág. 34, 2002). Logo, para um sistema onde se

pretende absorver calor e utilizá-lo durante o maior tempo possível, necessita-se

18

conhecer os mecanismos de transporte de calor, tanto para alcançar as

temperaturas desejadas, quanto para não perdê-las durante o processo.

São três os métodos utilizados para avaliação de transferência de energia sob a

forma de calor, a saber:

• Transferência de Calor por Condução;

• Transferência de Calor por Radiação;

• Transferência de Calor por Convecção;

3.4.1. Transferência de Calor por Condução

Pode ocorrer em sólidos, líquidos ou gases. A interação entre as moléculas em

estados de vibração ou estados energéticos diferentes resulta em uma transferência

de parte dessa energia na direção da molécula com menor grau de agitação. E

assim ocorre por toda vizinhança desse corpo e os que estiverem também em

contato com ele (MORAN e SHAPIRO, 2002).

O ar e a maior parte dos líquidos e gases não são bons condutores de calor e são

chamados de isolantes. O ar principalmente, devido ao fato de que as moléculas dos

gases que o compõe não apresentarem contato entre si. Os materiais isolantes

como o Poliestireno expandido ou “isopor®” (nome comercial), lãs e etc., devem sua

boa propriedade entre outras coisas a seus espaços “vazios” onde contêm ar.

Os metais por sua vez possuem seus elétrons externos mais “fracamente” ligados

tornando-os livres para o transporte de energia por meio de colisões, por essa razão

são melhores condutores de eletricidade e calor.

O modelo matemático que quantifica esse mecanismo obedece à lei de Fourier

(MORAN E SHAPIRO, 2002) onde a Temperatura T(x) varia linearmente com a

19

( )xQ

posição x e a taxa de transferência através do plano normal a essa direção é

dada por:

dx dkAQ x

Τ−= •

(2)

Sendo:

k = Constante de proporcionalidade chamada de Condutividade térmica,

que é própria de cada material. O sinal negativo indica que o sentido da

transferência é decrescente.

A = Área da parede ou do plano onde ocorre o fluxo.

dX dT

= Gradiente de temperatura na direção x

No entanto, com o gradiente da temperatura variando linearmente podemos

escrever:

 

  

 Τ−Τ= Ldx

dT 12 (3)

Onde:

T1 = Temperatura da superfície externa

T2 = Temperatura da superfície interna

L = Espessura da placa plana ou parede

Que nos leva a equação da taxa de transferência de calor por condução, onde o

sinal negativo indica decréscimo da temperatura:

[ ]J 12)(  

  

 Τ−Τ−= L

kAQ x (4)

3.4.2. Transferência de Calor por Radiação

A energia vinda do Sol atravessa o espaço, depois a atmosfera terrestre para então,

aquecer a superfície da Terra. Essa energia não é transferida por condução, uma vez

20

que, o ar é mau condutor de calor. O mecanismo presente nesse processo se chama

radiação, mais especificamente radiação eletromagnética, “incluindo a luz visível”.

A energia radiante está na forma de ondas eletromagnéticas. O comprimento de onda

da radiação está relacionado com a sua freqüência. A freqüência é a taxa de vibração

de uma onda. Na figura 3.15 observam-se alguns tipos de ondas eletromagnéticas

utilizadas no cotidiano.

Fig. 3.15 – Tipos de ondas eletromagnéticas utilizadas no cotidiano. Fonte: (JOHNSON, 200)

O modelo matemático que quantifica a taxa de transferência de calor por

radiação vem da Lei de Stefan Boltzmann que mostra que radiação térmica está

associada á quarta potência da temperatura absoluta da superfície TS e está

representado abaixo:

ε σ A Q Se Τ= 4

)( (5)

Onde: TS = Temperatura da superfície

ε = Emissividade, e é uma propriedade que indica a eficiência da superfície irradiante, sendo: (0 ≤ ε ≤ 1,0)

σ = Constante de Stefan Boltzmann = 5,67.10-8 [ W.m-2.k-4] A = Área da superfície radiante

Esse mecanismo de transferência de calor apresenta algumas peculiaridades, dentre

elas, o fato de emitir luz em várias faixas de visualização e comprimento de onda.

21

Sendo assim pode ser gerada, obtida e retida conforme as descrições que se aborda a

seguir.

Emissão de Energia Radiante:

Todas as substâncias a qualquer temperatura acima do zero absoluto emitem energia

radiante. A freqüência de pico f da energia radiante é diretamente proporcional à

temperatura absoluta T do emissor como o apresentado na figura 3.16.

Figura 3.16. A curva de radiação para diferentes temperaturas.

Quando essa energia radiante encontra um objeto, parte dela é absorvida e parte é

refletida. A parte que é absorvida aumenta a energiatérmicado objeto. Se esse objeto é a sua própria pele, você sente a radiação como calor. Quando um objeto está

bastante quente, certa parte da energia radiante emitida está na faixa da luz visível.

Absorção de Energia Radiante

Bons emissores de energia radiante são também bons absorvedores dela; maus

emissores são maus absorvedores. Toda superfície, quente ou fria, tanto absorve

como emite energia radiante.

22

Se a superfície absorve mais do que emite, como é o caso das roupas de cores

escuras, ela é predominantemente um absorvedor e sua temperatura se eleva.

De modo que um bom absorvedor parece escuro e um absorvedor perfeito não reflete

qualquer energia radiante e parece completamente negro.

Reflexão de Energia Radiante

A absorção e a reflexão são processos que se opõem. Bons refletores são maus

absorvedores. Roupas e ambientes de cores mais claras são mais confortáveis sob

condições de temperatura elevada justamente por refletirem a radiação solar.

Portanto, uma superfície que reflete muito pouco ou nada de energia radiante aparece

como escura.

Resfriamento Noturno por Radiação

Existem corpos que irradiam mais energia do que recebem e tornam-se mais frios.

Isso acontece à noite, quando a radiação solar está ausente. Um objeto que é deixado

fora de casa durante a noite irradia energia para o espaço e, devido à ausência de

quaisquer corpos quentes em sua vizinhança, recebe muito pouca energia de volta.

Quando esses corpos perdem mais energia do que ganham, tornam-se mais frios.

Mas se o objeto for um bom condutor de calor haverá condução de calor para ele

vindo do solo, o que às vezes estabiliza sua temperatura.

3.4.3. Transferência de Calor por Convecção

A transferência de energia entre uma superfície sólida a uma temperatura Tsuperfície e um

gás ou liquido adjacente em movimento a uma temperatura Tadjacente, desempenha um

23

papel muito importante na eficiência de muitos dispositivos de interesse prático. Esse

mecanismo de transferência de calor é denominado de Convecção.

Quando se coloca uma superfície plana, por exemplo, uma parede como na figura

3.17, em contacto com um fluído a diferentes temperaturas (supondo o ar) o fluxo de

energia térmica ou calor transmitido por unidade de tempo, é dado pela lei de

Newton para o arrefecimento, descrita a seguir.

A Lei de Newton do Esfriamento

Um objeto relativamente quente perde calor enquanto este é transferido á sua

vizinhança, a taxa de esfriamento de um objeto depende de quanto mais quente ele

está em relação a sua vizinhança.

A parede (Fig. 3.17) de uma casa aquecida perderá calor para o exterior frio a uma

taxa maior quando existir uma grande diferença entre as temperaturas do interior da

casa e do exterior. Manter o interior de sua casa a uma temperatura alta em um dia

frio custa mais caro do que mantê-la a uma temperatura mais baixa.

A taxa de esfriamento de um objeto seja por condução ou convecção é

aproximadamente proporcional à diferença de temperatura ∆T entre o objeto e sua

vizinhança.

Figura 3.17- Efeito da convecção entre o ar uma parede plana.

24

Segundo Moran e Shapiro (Princípios de Termodinâmica Para Engenharia, pg. 35),

A Lei do resfriamento de Newton é dada por:

)-( A hq S ΤΤ= ∞ (6)

Onde: h = é o coeficiente de transferência de calor por convecção e não é uma

propriedade termodinâmica, é um parâmetro empírico relacionado com a natureza do escoamento, propriedades do fluido e a geometria. Sua unidade é dada por:

A = é a área da superfície da parede;

TS = a temperatura da superfície da parede em contato com o fluído

T∞ = temperatura do fluído num ponto afastado da parede.

Sendo:

A qQ = (7)

Temos o fluxo de calor dado por:

)TTh (Q S ∞−= •

(8)

Se um objeto está mais frio do que sua vizinhança, sua taxa de aquecimento será

também proporcional a ∆T.

3.5. Viabilidade de Uso do Forno Solar Proposto

25

no SI K

W   

  

m 2

No Brasil utiliza-se ainda muito pouco a energia solar para cocção de alimentos,

considerando o grande potencial solar disponível. Sua aplicação nos dias modernos

possui limitações tais como a impossibilidade de utilizá-la em períodos chuvosos e o

tempo relativamente longo gasto na cocção dos alimentos.

Em contrapartida, vários fatores positivos como a economia do gás de cozinha e

diminuição do uso de madeira como combustível, já constituem pontos fortes para sua

aplicação de forma mais efetiva. Aliado a esses fatores destaca-se por se tratar de uma

fonte limpa e renovável de energia, além do que, em sua construçao podem ser utilizados

materiais que normalmente são descartados para serem conduzidos a aterros sanitários.

26

Capítulo 4

Materiais e Métodos

27

4. Materiais e Métodos

4.1. Materiais

A construção do forno solar foi á base de materiais recolhidos em diversos pontos da

cidade (figura 4.1); reaproveitados de caçambas municipais de coleta de entulhos e

encontrados em terrenos baldios, evidenciando assim a viabilidade de uso de

resíduos sólidos em sua construção.

Figura 4.1 – Materiais coletados para construção do forno solar. Fonte própria.

4.1.2 Ferramentas

Na fase de construção foram empregadas ferramentas comuns normalmente

utilizadas em pequenos serviços domésticos (Fig. 4.2). No entanto, deve ser

considerada a segurança na manobra das ferramentas em todas as etapas da

construção.

28

Figura 4.2 – Ferramentas utilizadas na montagem. Fonte própria.

4.1.3. Modelo Adotado

O modelo escolhido para construção foi o forno solar tipo caixa. O critério foi

baseado na facilidade de aquisição de material, de construção e manuseio pelo

usuário final. Consiste em uma “gaveta” de madeira revestida de tinta preta e

encaixada numa estrutura metálica de uma “carteira” escolar de formato retangular

com pintura em branco, como mostra a figura 4.3

Figura 4.3 – Protótipo forno proposto. Fonte própria.

4.1.4. Detalhes de Projeto, Influência das Dimensões e Operação

4.1.5. Capacidade e manuseio da caixa

O forno foi dimensionado considerando os seguintes fatores:

• Tamanho que permita uma boa capacidade volumétrica (m3) de alimentos

ou materiais a serem cozidos;

29

• Facilidade para ser transportado;

• Facilidade de adaptação aos utensílios domésticos (panelas, formas de

bolo, etc.)

4.1.6. Influência das dimensões

Observando a trajetória do Sol, conclui-se que a caixa absorvedora do forno deve

possuir uma dimensão maior que possa ser coberta por quantidade maior da

radiação solar e fazer melhor uso do refletor. Como o apresentado na figura 4.4.

Figura 4.4 - Forno posicionado de acordo com a trajetória do Sol.

Com caixas quadradas, um maior percentual da luz solar do começo da manhã e do

final da tarde é refletida do refletor para o chão, não atingindo a área de coleta de luz

da caixa, por esse detalhe escolheu-se uma estrutura retangular já existente, nesse

caso, uma carteira escolar sucateada.

4.1.6.1. Dimensões do forno proposto

Descritas na Tabela 4.1 constam as dimensões do forno proposto.

Tabela 4.1 – Dimensões do forno solar proposto.

30

4.2. Aplicação dos Conceitos Teóricos

4.2.1. Isolamento Térmico

De acordo com a literatura já apresentada as perdas de calor podem ser evitadas

com uso de materiais isolantes, dessa forma, para o modelo proposto de forno solar

foi desenvolvido um compósito a base de gesso e isopor. As perdas térmicas ficaram

na ordem de 15% ( JOHNSON, 2007).

Foram realizados ensaios experimentais para se obter a melhor composição de

mistura, com o intuito de obtenção de um compósito que apresentasse propriedades

satisfatórias de engenharia dos materiais : baixa permeabilidade, boa resistência às

intempéries (radiação solar, chuva, vento, etc.) e leveza para manuseio do forno

solar proposto.

O material foi levado ao fogo nas seguintes proporçoes 60 % de gesso, 20% de

água e 20% de isopor granulado juntamente. A temperatura da composição foi de

aproximadamente de 50 ºC e em seguida aplicado ás paredes da caixa absorvedora

do forno (Fig. 4.5)

Altura [mm]

Largura [mm]

Comprimento [mm]

Estrutura metálica 710,0 600,0 400,0

Caixa absorvedora 140,0 560,0 360,0

Tampo de vidro 4,0 560,0 360,0

31

Figura 4.5 – Elaboração e aplicação do compósito isolante. Fonte própria.

4.2.2. Refletores

No modelo de forno solar proposto foram consideradas a questões de

reposicionamento dos refletores em função da trajetória solar e estética. Dessa

forma, foram aplicados dois refletores (Fig. 4.6) fixados por dobradiças reguláveis,

garantindo a mobilidade para acompanhar o deslocamento do sol e servindo como

tampa superior do forno proposto. Os refletores foram formados por espelhos planos

obtidos como sucata numa vidraçaria local.

Figura 4.6 – Fixação dos espelhos refletores. Fonte própria.

4.2.2.1. Superficíe Coletora

Como montagem final dando assim as características de um forno solar, a superfície

coletora utilizada foi uma placa de vidro com as seguintes dimensões 0,004 m de

32

espessura. A área coletora possui as seguintes dimensões 0,56 m de comprimento

por 0,360 m de profundidade, totalizando 0,2016 m2, como apresentado na figura 4.7

abaixo.

Figura 4.7 - Superfície coletora. Área total 0,2016 m2.

4.3. Métodos e Testes

O teste do forno solar proposto (Fig. 4.8) foi realizado durante vários dias dos meses

de Novembro e Dezembro do ano corrente. Apesar do período ter sido marcado por

chuvas intensas, os teste foram conduzidos de maneira satisfatória.

Figura 4.8 – Forno Solar proposto. Fonte própria.

Limitados aos equipamentos disponíveis, as seguintes medições foram realizadas:

 Radiação solar total na superfície - Hi  ;

33

 Temperatura ambiente do ar – Ta;  Temperatura interna do forno – Ti ;  Temperatura da parede interna – Tpi;  Temperatura da parede externa – Tpe;

Foi considerado:

• Medição das temperaturas a cada 10 minutos.

• A radiação solar na superfície horizontal obtida on line via Estação

Meteorológica da CEUNES (Centro Universitário do Norte do Espírito Santo).

• A velocidade do vento desprezível.

• Localização geográfica em área aberta, de forma a obter melhor exposição e

focalização da radiação solar no interior do forno (CLARK, 1996).

4.3.1. Procedimento Padrão de Teste de Fornos Solares Analisando o Desempenho.

Segundo JOHNSON (2007) os procedimentos de teste existentes tais como o

Indiano baseado em Mullick et. al. (1987) (JONSON, Apud), é mais complicado,

ainda que seja um bom parâmetro. Resolveu-se então aplicar o formato definido em

09 de janeiro de 1997 pelo Comitê de Indiano de Procedimento Experimental

(JOHNSON, 2007) onde reconheceu-se que uma das figuras que melhor representa

o desempenho térmico é a força efetiva de cozimento.

A unidade de força com que maioria das pessoas é familiar é o Watt. A influência das

condições do teste nos resultados pode ser minimizada se as variáveis não

controláveis estiverem no alcance certo. Segundo o comitê (JOHNSON, Apud) para

condições experimentais mais condizentes é importante observar:

4.3.2. Variáveis não-controláveis (tempo)

Vento – Os testes do forno solar proposto foi conduzidos quando o vento estava

a a velocidades variando entre mínima de 0 m/s e máxima de 6,1 m/s, o que deu

34

uma média de 4,2 m/s. O desperdício de calor é fortemente influenciado pela

velocidade do vento, em função disso os dados tabulados onde a velocidade

ultrapassou 2,5 m/s por mais que 10 minutos, foram desconsiderados

(JOHNSON, 2007). As velocidades menores que 1,0 m/s ajudam a manter o

coeficiente de perda de calor perto do coeficiente de perda por convecção

natural. Dessa forma os resultados positivos são mais consistentes e repetitíveis.

Desde que o vento não interfira na radiação total incidente.

Temperatura Ambiente – Os testes do Forno Solar proposto foram conduzidos

quando a temperatura ambiente estava entre 23,0 e 33,0 °C.

Insolação – Os melhores valores foram obtidos com médias diárias de

insolação por volta de 25,66 MJ/m2 considerando a presença de nuvens na maior

parte do tempo.

Altitude solar – Os teste seguiram a recomendação que fossem conduzidos

entre 10 e 14 horas (solar) (JOHNSON, 2007), no entanto considerando a

disponibilidade para a realização dos teste, decidiu-se realizá-los á partir das

9:00 e 14:0 h.

4.3.3. Variáveis controláveis (forno).

Rota – A determinação da rota escolhida experimentalmente,uma vez que os

fornos tipo caixa geralmente requerem ajustes a cada 30 minutos ou 1 hora, o

protótipo foi posicionado utilizando a radiação do nascente do Sol refletindo nas

linhas limites do fundo da caixa absorvedora.

Temperatura percebida – Foram utilizados termômetros de bulbo metálico e

com haste metálica do tipo usado em refrigeração.

35

4.3.4. Protocolo de teste

Registro - A média da temperatura de todos os recipientes em um forno é para

ser registrada a cada 10 minutos, para um décimo da medida se possível. A

insolação (MJ/m2) e a temperatura ambiente são registradas freqüentemente.

Calculando a potencia de cozimento - A mudança na temperatura interna para

cada intervalo de 10 minutos pode ser multiplicado pela massa e capacidade de

calor específico do alimento contido no interior do forno. Dividindo este produto

pelos 600 segundos correspondentes ao intervalo de dez minutos resulta na

potencia em Watts.

Calculando a média dos intervalos - A insolação média, temperatura ambiente

média e a temperatura média devem ser encontradas para cada intervalo.

4.3.4.1. Método de Ensaio do Forno Solar Proposto

Para ensaiar protótipo em questão buscando avaliar seu rendimento, procurou-se

estabelecer as grandezas diretamente relacionadas com a eficiência dos fornos

solares e delimitar parâmetros para cada uma delas para os experimentos seguintes

com cocção de alimentos. Por exemplo:

(a) Equipamentos Utilizados nos testes:

- Termômetros;

- Cronômetro;

36

- Trena;

- Recipiente graduado de 3L;

- Panela de alumínio: diâmetro 250 mm, espessura 0,5mm, preto teflon

( absortividade ≥ 0,86) – ( JOHNSON, 2007);

- Fôrma de vidro.

(b) Procedimentos Preliminares

• Posicionar o forno solar proposto em local aberto, onde haja a melhor

captação da radiação solar pelo maior espaço de tempo possível;

• Posicionar os termômetros de maneira favorável para a obtenção das leituras;

• Inserir o recipiente contendo o liquido padrão para avaliação da eficiência no

caso, um volume de 3 litros de água.

(c) Procedimento Operacional

• Ajustar os refletores para as posiçõe iniciais visando obter o máximo de

radiação solar no interior do forno proposto

• Ler e anotar as temperaturas ambiente e da água.

• Iniciar primeira corridada de leituras á partir do valor mínimo de 35ºC que é

ligeiramente maior que a temperatura máxima ambiente (aproximadamente

33 ºC)

• Ler e anotar com intervalo de tempo de 10 minutos as temperaturas

ambiente, da água, da parede interna do forno e da parede externa do forno.

• Acompanhar os valores de irradiação e velocidade do vento conectados ao

site da Estação Meteorológica da CEUNES.

37

Restrições:

Para efeito de cálculo da eficiência do forno, serão desprezados:

- Valores de temperatura ambiente fora do intervalo entre 25 e 35 ºC porque

abaixo desse limite inferior os resultados preliminares não foram satisfatórios e

acima do limite superior desse intervalo, os fenômenos de trasporte de massa

interferem na avaliação da eficiência.

- Valores de insolação inferiores a 50,0 MJ.m-2.

Capítulo 5

Análise dos Resultados

38

5. Análise dos Resultados

5.1. Análise dos Resultados Experimentais e Práticos

A parte experimental deste Trabalho de Conclusão de Curso foi realizada durante os

períodos de 15 á 18 de Novembro e 10 á 15 de Dezembro de 2008 entre 9:00 e

13:00 h na cidade de Aracruz-ES. Nesse perído diversos outros testes foram

realizados, infelizmente essa época do ano não ofereceu condições climáticas para

que melhores resultados fossem obtidos

39

Para efeito de avaliação da eficiência do forno solar proposto HORTA (2004, pg. 7),

foram realizados teste com evaporação de água á um volume inicial conhecido. As

medições de temperatura forar realizadas com intervalo de 10 minutos, mas, foram

extraídos os valores horários médios para cálculo do rendimento, uma vez que, não

se dispunha de recurso para aquisição dos valores da radiação solar com intervalo

menor de tempo.

Dados da parte experimental:

Local:

Aracruz-ES, Brasil.

Latitude: -19° 49' 13''

Longitude: 40° 16' 24''

Altitude: 60 metros

Temperaturas (ºC):

10/12/2008 Min. 25.4 – Máx. 29,9

11/12/2008 Min. 27,2 – Máx. 30,8

12/12/2008 Min. 28,4 – Máx. 32,8

Umidade relativa do ar variando na média de: 56,6 á 61 %

Velocidade do vento variando na média de: 2,4 á 6,1 m.s-1

Radiação global: 506,2 á 901,9 W.m-2

Uma vez que o objetivo principal desse trabalho de conclusão de curso é oferecer

uma alternativa de cozimento utilizando o forno solar proposto, uma bateria de testes

foi efetuada com alimentos comuns como se descreve abaixo.

Data do Experimento: 15/11/2008

Dados:

• Banana do tipo cultivar prata = 2 unidades

• Temperatura ambiente: 33,0 °C às 10:45 horas (inicial)

• HI = 604,4 W/m2 às 10 horas

40

O primeiro experimento foi realizado utilizando bananas (Fig. 5.1) do cultivar prata,

que é um fruto comestível muito apreciado pelas famílias brasileiras. A temperatura

Tc no interior do fruto (Tabela 5.2) foi tomada utilizando um termômetro próprio para

alimentos.

Tabela 5.1 Tempo x Temperatura (Experimento do dia 15/11/2008).

Tempo total: 45 minutos

Figura 5.1 – Banana assada no forno Proposto. Fonte própria.

• Utilizou-se uma bandeja de aço inoxidável afastada do fundo da caixa, não

contribuindo com perda térmica por condução de calor.

• Período de chuvas no ES - houve nebulosidade em vários momentos.

No experimento seguinte procurou-se testar a performance do forno solar proposto,

no preparo de torradas, foi utilizado pão de forma, conforme a figura 5.2 abaixo:

Data do Experimento: 16/11/2008

Dados:

• Pão de forma = 4 unidades

• Temperatura ambiente: 29,0 °C às 10:00 horas (inicial)

• HI = 582,2 W/m2 às 10 horas

T (horas) TC (°C)

10:45 42,0

11:00 48,0

11:15 55,0

11:30 58,0

41

Tabela 5.2. Tempo x Temperatura Experimento do dia 16/11/2008.

T (horas) TC (°C)

10:00 33,0

10:15 38,0

10:30 41,0

10:35 55,0

10:50 58

Torradas prontas

Tempo total: 50 minutos

Como observa-se na figura 5.1 abaixo, apesar do tempo gasto, pode-se preparar

torradas sem a necessidade do consumo de GLP ou energia elétrica.

Figura 5.2 – Torradas preparadas no forno solar proposto.

Data do Experimento: 17/11/2008

Biscoito “Beijinho de freira”

Dados:

• Massa da mistura para preparo dos biscoitos: 200g • Temperatura ambiente: 28,5 °C às 10:30 horas (inicial) • HI = 725,6 W/m2 às 10 horas

Tabela 5.3 – Tempo x temperatura (Experimento do dia 17/11/2008).

42

Tempo (h) TC (°C) 10 : 30 44,0 10 : 45 52,0 11 : 00 55,0 11 : 15 58,0 11 : 30 61,5 11: 45 65,0 12 : 15 76,0

Tempo total: 1 horas e 45 minutos

FIGURA 5.3 – Assando biscoitinhos. Fonte própria.

Observação:

• Antes de introduzir a massa do biscoito, o forno solar permaneceu exposto ao Sol á partir das 7:00 h da manhã, a fim de alcançar uma temperatura elevada (em torno de 44 ºC) para o início da operação.

Data do Experimento: 13/12/2008

Bolo de “massa pronta”

Dados:

• Massa pronta para bolos, sabor baunilha: 400g • Temperatura ambiente: 29,5 °C às 11 horas (inicial) • I = 105,4 W/m2 às 11 horas

Tabela 5.4 – Tempo x temperatura (Experimento do dia 13/12/2008).

43

Tempo (h) TC (°C) 11:00 44,0 11:30 52,0 12:00 55,0 12:30 58,0 13:00 61,5 13:30 65,0 13:40 76,0

Tempo total: 2 horas e 40 minutos

FIGURA 5.4 – Assando bolo de massa pronta, no forno solar proposto. Fonte própria.

Observação:

• O bolo foi assado com a fôrma fechada, nos dias que se seguiram outros testes foram realizados, e, descobriu-se que melhor resultado para bolos se obtém com a fôrma aberta.

5.2. Análise da Eficiência do Forno Solar Proposto

Utilizando os dados experimentais obtidos através do aquecimento de água

(APÊNDICE I), onde as temperatura foram medidas entre o intervalo de 9:00 da manhã ás 15:00 da tarde durante 3 dias consecutivos, calculou-se a eficiência do

forno solar proposto como segue abaixo:

Datas do teste de Eficiência:

44

10/12/2008

11/12/2008

12/12/2008

Para: ma = Massa de água = 3 litros = 3 Kg

Cp = Calor específico da água = 4.186,0 J.kg-1. ºC-1

T2 = Temperatura final

T1 = Temperatura inicial

Hi,média = Radiação média do intervalo [w.m-2]

Ac = Área coletora da radiação = 0,2016 m2

η = Eficiência do forno solar proposto = ( )

dtAH TTcm

Ci

ifp

.. . −

Onde:

• A variação da perda de massa durante o processo foi considerada

linear e foi dividida ao longo do tempo experimental;

• A radiação global foi obtida com intervalo de 1 hora;

Seguem abaixo os resultados da radiaçao média horária (Tabela 5.5) obtidos nos

período de testes.

Tabela 5.5 – Radiação média horária dos dias 10, 11 e 12 de Dezembro de 2008.

Hora do dia Radiação solar

[W.m-2]

10/12/2008 11/12/2008 12/12/2008

Radiação

Média

[W.m2]

9:00 665,9 575,3 749,5 663,6

10:00 901,9 881,7 930,2 904,6

11:00 788,9 997,7 981,4 922,7

45

12:00 632,7 860,7 1.002,4 832,2

13:00 821,5 739,4 822,5 794,5

14:00 722,3 731,2 696,9 716,8

15:00 577,8 807,9 653,4 79,7

Média diária 730,1 799,1 833,7

Segue também abaixo as temperaturas médias da água em teste (Tabela 5.6 e Fig.

5.6) compreendidos no perído de 10 á 12 de Dezembro do corrente ano para cálculo

do rendimento do Forno Solar proposto.

Tabela 5.6 – Temperaturas médias horária dos dias 10,11 e 12 de Dezembro de 2008.

Hora do dia Temperatura

[K]

Tf Ti

9:00 326,65 300,75

10:00 332,98 316,01

11:00 338,31 326,63

12:00 333,48 332,53

13:00 335,48 331,9

14:00 332,65 333,03

Figura 5.5 – Temperturas iniciais e finais da água em teste.

O cálculo das eficiências médias é apresentado na Tabela 5.7, foram considerados

os valores médios do APÊNDICE I, II e II.

46

Tabela 5.7 – Eficiência média do forno proposto.

t

[h]

Himédia

[W.m-2]

m

[kg]

Tf

[K]

Ti

[K]

η= ( )

100 ..

. x

dtAH TTcm

Ci

ifp

[%]

9:00 663,6 3,0 326,65 300,75 67,75

10:00 904,6 3,0 332,98 316,01 32,00

11:00 922,7 2,90 338,31 326,63 21,90

12:00 832,2 2,970 333,48 332,53 0,95

13:00 794,5 2,970 335,48 331,9 3,58

14:00 716,8 2,970 332,65 333,03 -0,38

Comparando os resultados com a literatura já apresentada chega-se á conclusão de

que o Forno Solar proposto neste trabalho apresenta padrões de rendimento muito

próximo se comparado a outros protótipos tais como o do Laboratório de Máquinas

Hidráulicas e Energia Solar (LMHES) da Universidade Federal do Rio Grande do

Norte (UFRN) que segundo JOHNSON (2007), alcançou temperatura máxima de

105ºC contra os 87 ºC em condições climáticas desfavoráveis do Forno Solar

proposto neste trabalho.

O tempo em que foi assado o bolo nos experimentos deste trabalho (Capítulo 5,

Tabela 5.1) que foi de 2 h e 40 min contra 50 minutos do protótipo do LMHES/UFRN

auxiliado por três espelhos refletores (JOHNSON, 2007) pode ser melhorado em se

considerando a baixa insolação incidente do período de testes conforme o gráfico da

Figura 5.6.

A necessidade de instrumentos de maior confiabilidade e precisão certamente

limitaram a obtenção de dados e resultados mais fiéis face a potencialidade da

energia solar.

47

Figura 5.6 – Gráfico da radiação solar média no período de 10 a 12 de Dezembro de 2008.

Pode-se atestar que o protótipo apresentado apesar de ter oferecido menor

desempenho térmico para as condições do presente trabalho, é viável de ser

aplicado em programas sociais, associações comunitárias, cooperativas e no meio

acadêmico para estudos mais avançados.

Capítulo 6

Conclusão

48

6. Conclusão

Mediante o que foi exposto acerca das possibilidades de aproveitamento da energia

no uso doméstico, onde se especulou que o forno poderia vir a ser um auxiliador de

outras fontes energéticas, pôde-se comprovar que tal aplicação foi validada através

dos testes práticos apresentados.

O forno solar proposto confirmou ser uma boa alternativa na cocção de alimentos

para os quais fora utilizado neste trabalho. Apesar de exigir um tempo longo para

seu funcionamento, a questão financeira e a qualidade de vida em relação ao uso de

fogões á lenha superam esses obstáculos.

49

Com criatividade e disposição o forno solar proposto pode servir como

complementação de renda, o mercado de frutas e legumes desidratados oferece

boas perspectivas.

Quanto á viabilidade econômica o baixo custo de fabricação do forno solar proposto

(em torno de R$ 85,00) pelo uso de energia limpa e gratuita permite que o forno seja

implementado inclusive em programas sociais governamentais.

Ainda sobre os materiais e métodos o forno proposto demonstrou ser de fácil

fabricação e manuseio, além do que, novas implementações podem melhorar ainda

mais outros aspectos tais como design e novas dimensões.

Sobre as considerações acerca da continuidade do projeto, sugere-se mais estudos

de eficiência térmica e o levantamento das temperaturas médias internas do forno

solar.

Apêndice

50

APÊNDICE I

Data do Experimento: 10/12/2008

Tipo de ensaio: Aquecimento de água

Tabela I.1 – Aquecimento de água. (Experimento do dia 10/12/2008).

51

Centro, externo

APÊNDICE II

Data do Experimento: 11/12/2008

Tipo de ensaio: Aquecimento de água.

Tabela II.1 – Aquecimento de água (Experimento do dia 11/12/2008).

Horário Ta [ºC]

Tpi [ºC]

Tágua [ºC]

9:00 26,0 38,0 26,0 9:10 26,0 44,0 32,0 9:10 26,0 46,0 48,5 9:30 26,0 48,5 49,5 9:40 27,0 54,0 50,0 9:50 26,0 56,5 50,5

10:00 27,0 57,5 51,5 10:10 26,5 63,5 53,0 10:20 27,5 65,0 53,5 10:30 27,0 66,0 54,0 10:40 26,5 67,0 54,5 10:50 27,0 68,5 55,5 11:00 27,5 73,0 57,0 11:10 27,0 75,5 58,0 11:20 28,5 77,0 59,5 11:30 28,5 80,5 59,5 11:40 29,5 74,0 58,0 11:50 28,5 71,5 56,5 12:00 27,5 78,0 56,5 12:10 27,5 77,0 57,5 12:20 28,5 79,0 58,0 12:30 29,0 82,0 59,0 12:40 29,0 82,0 59,0 12:50 28,5 78,5 58,5 13:00 27,5 69,0 56,0 13:10 27,0 78,0 58,5 13:20 27,0 72,0 58,5 13:30 26,0 72,0 56,5 13:40 26,5 80,5 57,0 13:50 26,0 74,0 56,5 14:00 26,0 69,0 56,5 14:10 27,0 70,5 58,5 14:20 27,0 71,0 59,0 14:30 27,0 65,5 58,0 14:40 27,0 64,0 58,0 14:50 27,0 65,0 56,5 15:00 27,0 60,0 55,0

52

APÊNDICE III

Data do Experimento: 12/12/2008

Tipo de ensaio: Aquecimento de água.

Tabela III.1 – Aquecimento de água. Experimento do dia 12/12/2008.

Horário Ta [ºC]

Tpi [ºC]

Tágua [ºC]

9:00 26,5 40,0 28,5 9:10 26,0 44,5 35,5 9:20 26,5 48,0 42,5 9:30 26,5 54,0 46,5 9:40 26,5 60,5 51,0 9:50 26,0 65,0 52,5

10:00 27,0 68,5 54,0 10:10 27,5 72,5 58,5 10:20 28,0 74,0 58,5 10:30 30,0 78,0 59,5 10:40 27,5 79,0 60,5 10:50 29,0 80,5 61,5 11:00 30,5 80,5 62,0 11:10 27,0 79,0 61,0 11:20 28,0 75,0 59,0 11:30 30,0 80,5 60,0 11:40 28,0 82,0 61,5 11:50 31,0 85,5 64,5 12:00 30,0 85,5 69,0 12:10 27,0 78,0 59,0 12:20 30,0 74,0 58,5 12:30 30,0 72,5 59,0 12:40 29,5 76,0 59,0 12:50 32,0 74,5 62,0 13:00 31,0 69,0 63,0 13:10 31,0 68,0 58,0 13:20 30,0 78,0 60,5 13:30 31,0 85,0 61,5 13:40 30,0 85,0 62,0 13:50 29,0 83,0 60,5 14:00 31,0 84,5 62,0 14:10 31,5 81,5 59,0 14:20 32,0 87,0 62,0 14:30 30,0 87,0 61,5 14:40 32,0 85,0 61,0 14:50 31,5 84,5 61,0 15:00 30,5 79,0 59,0

53

Centro, externo

Referências

Horário Ta [ºC]

Tpi [ºC]

Tágua [ºC]

9:00 26,5 41,5 28,5 9:10 26,0 44,5 37,5 9:20 27,0 49,5 42,5 9:30 26,5 55,0 46,5 9:40 27,0 60,5 51,0 9:50 26,5 65,0 52,5

10:00 27,0 68,5 55,0 10:10 27,5 72,5 58,5 10:20 28,0 74,0 58,5 10:30 30,0 78,0 59,5 10:40 28,5 79,0 60,5 10:50 29,0 80,5 61,5 11:00 30,5 80,5 66,0 11:10 29,5 79,0 61,0 11:20 28,0 77,0 59,0 11:30 30,0 80,5 64,0 11:40 28,0 83,0 68,5 11:50 31,0 85,5 69,5 12:00 30,0 85,5 69,5 12:10 28,5 79,0 67,0 12:20 30,0 78,0 65,5 12:30 30,0 76,5 63,0 12:40 29,5 76,0 62,0 12:50 32,0 75,5 62,0 13:00 31,5 69,0 61,5 13:10 31,0 70,5 59,0 13:20 30,0 78,0 61,5 13:30 31,0 85,0 61,5 13:40 30,0 85,0 68,0 13:50 29,5 83,0 69,5 14:00 31,0 84,5 69,0 14:10 31,5 81,5 66,5 14:20 32,0 87,0 67,0 14:30 31,5 87,0 69,5 14:40 32,0 85,0 68,0 14:50 31,5 84,5 67,0 15:00 30,5 79,0 63,0

54

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56

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