FABRICAÇÃO E ESTUDO DE UM FOGÃO SOLAR À CONCENTRAÇÃO MONO …

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSODE ENGENHARIA MECÂNICA

FABRICAÇÃO E ESTUDO DE UM FOGÃO SOLAR À

CONCENTRAÇÃO MONO E BIFOCAL

RODRIGO RODRIGUES DE LIMA

NATAL- RN, 2018

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSODEENGENHARIA MECÂNICA

FABRICAÇÃO E ESTUDO DE UM FOGÃO SOLAR À

CONCENTRAÇÃO MONO E BIFOCAL

RODRIGO RODRIGUES DE LIMA

Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao curso de Engenharia

Mecânica da Universidade Federal do

Rio Grande do Norte como parte dos

requisitos para a obtenção do título de

Engenheiro Mecânico, orientado pelo

Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira Souza.

NATAL - RN

2018

i

Agradecimentos

Agradeço primeiramente a Jesus, a pessoa mais importante da minha vida,

por ter me sustentado até aqui, guiando-me e dando forças para concluir o curso de

Engenharia Mecânica.

Sou grato a toda minha família, por ter me ajudado e ter me dado todo o

suporte necessário em todas as etapas da minha vida.

Aos meus amigos e irmãos que direta ou indiretamente, contribuíram na

realização desse trabalho.

À Universidade Federal do Rio Grande do Norte por ter contribuído na minha

formação acadêmica e profissional.

Ao Laboratório de Máquinas Hidráulicas e Energia Solar (LMHES) da UFRN,

que possibilitou a realização desse trabalho.

Ao meu orientador, Luiz Guilherme Meira de Souza, por ter me instruído na

elaboração do trabalho de conclusão de curso e por seu companheirismo aqui na

Universidade.

Ao mestre Aldo pelo apoio em todas as etapas da construção do fogão solar,

além de todos os ensinamentos ao decorrer da fabricação do mesmo.

ii

Resumo

Foi construído um fogão solar à concentração, ajustável para o sistema com um

foco e para dois focos, apresentando todos os procedimentos de construção e montagem

do mesmo a partir de dois segmentos de uma parábola única de 1,82 metros de diâmetro.

Após a fabricação do fogão, foi analisado o desempenho para o sistema com apenas um

foco e para o sistema bifocal, fazendo uma comparação dos resultados obtidos para

ambos os sistemas de cocção. O manuseio do fogão é fácil e qualquer pessoa pode

operar o fogão sem dificuldade e complicações. O equipamento foi capaz de cozinhar

alimentos sem energia fóssil, trazendo uma economia para as famílias, diminuindo os

impactos ambientais e podendo substituir parcialmente a lenha e o gás de cozinha (GLV).

No trabalho serão exibidos dados técnicos, bem como o acompanhamento da radiação

global solar e a evolução da temperatura durante os ensaios realizados no fogão solar

para os dois sistemas de cocção.

Palavras-chave: fogão solar, energia solar, radiação, conjunto de alimentos.

iii

Abstract

A concentrated solar cooker was built, adjustable for the system with a focus and

for two outbreaks, presenting all the procedures of construction and assembly of the same

from two segments of a single parabola of 1.82 meters in diameter. After the stove was

manufactured, the performance was analyzed for the single focus system and the bifocal

system, comparing the results obtained for both cooking systems. Handling the stove is

easy and anyone can operate the stove without difficulty and complications. The

equipment was able to cook food without fossil energy, bringing savings to families,

reducing environmental impacts and partially replacing wood and cooking gas (GLV). In

the work will be exhibited technical data, as well as the monitoring of global solar radiation

and the evolution of temperature during the tests carried out in the solar cooker for the two

cooking systems.

.

Keywords: solar cooker, solar energy, radiation, food set.

iv

Lista de Ilustrações

Figura 1 - Fogão concentrador (Faro, Portugal).........................................................4

Figura 2 - Uso da lenha como combustível por setor no Brasil (2010).....................5

Figura 3 - Procedimento de limpeza das parábolas................................................7

Figura 4 - Ferramenta de corte utilizada .....................................................................8

Figura 5 - Cola utilizada na fixação dos espelhos .......................................................9

Figura 6 - Parábola espelhada ....................................................................................9

Figura 7 - Materiais utilizados ....................................................................................10

Figura 8 - Ferramentas utilizadas ..............................................................................11

Figura 9 - Soldagem do base do suporte ..................................................................11

Figura 10 - Apoio da boca do fogão...........................................................................12

Figura 11 - Produção de cantoneiras e chapas com o esmeril .................................13

Figura 12 - Produção de cantoneiras e chapas com a máquina de corte ................13

Figura 13 - Soldagem do mecanismo “U” do suporte ................................................14

Figura 14 - Alinhamento do mecanismo “U”...............................................................14

Figura 15 - Soldagem das cantoneiras ......................................................................15

Figura 16 - Parábola parafusada ...............................................................................15

Figura 17 - Fixação do equipamento ao suporte .......................................................16

Figura 18 - Ponto de fixação da parábola (Dobradiça)...............................................16

Figura 19 - Análise da altura dos focos ……………………………………….………...17

Figura 20 - Estrutura com o sistema porca-parafuso …………………………...……..18

Figura 21 - Base das panelas......…………………………………...……………………18

Figura 22 - Soldagem das cantoneiras ……………………………..……………...……19

v

Figura 23 - Fabricação dos furos através da furadeira …………………………..……19

Figura 24 - Corte da cantoneira de interligação ……………………………………..…20

Figura 25 - Rasgos da cantoneira de interligação .....................................................20

Figura 26 - Utilização do nível ...................................................................................21

Figura 27 - Furos da parte inferior .............................................................................21

Figura 28 - Sistema de regulagem da rotação do suporte ........................................22

Figura 29 - Materiais utilizados ..................................................................................22

Figura 30 - Processo de pintura ................................................................................23

Figura 31 - Ensaio 19/04/18.......................................................................................24

Figura 32 - Equipamentos utilizado no ensaio ..........................................................24

Figura 33 - Medição da temperatura da água através do termômetro digital ............25

Figura 34 - Béquer utilizado para inserir 1L de água em cada panela ......................26

Figura 35 - Equipamentos em utilização durante o ensaio de 14/05/18....................26

Figura 36 - Cozimento do arroz e do macarrão .........................................................29

Figura 37 - Temperaturas no processo de cozimento dos alimentos ........................29

Figura 38 - Alimentos cozinhados .............................................................................30

Figura 39 - Instrumentos de medição utilizados ........................................................31

Figura 40 - Temperatura no processo de cozimento do macarrão ...........................33

Figura 41 - Macarrão cozido ...................................................................................34

Figura 42 - Temperatura da água no final do processo de aquecimento ..................36

Figura 43 - Temperatura no processo de cozimento do arroz ..................................36

Figura 44 - Arroz cozido ............................................................................................37

Figura 45 - Processo de cozimento dos alimentos ....................................................39

vi

Figura 46 - Feijão verde cozido .................................................................................40

Figura 47 – Macaxeira cozida....................................................................................41

Figura 48 - Carne de charque cozida ........................................................................41

Gráfico 1 - Aumento das temperaturas dos focos em relação ao tempo...................27

Gráfico 2 - Variação da radiação global solar em relação ao tempo .........................28

Gráfico 3 - Aumento das temperaturas dos focos em relação ao tempo ..................32


Gráfico 5 - Aumento das temperaturas do foco em relação ao tempo ......................35


Gráfico 7 - Aumento das temperaturas dos focos em relação ao tempo ..................38


Gráfico 9 - Comparativo do tempo de cozimento do arroz e do macarrão após o

aquecimento da água.........................................................................................43

Gráfico 10 - Comparativo do tempo de cozimento do arroz e do macarrão...............43

vii

Lista de Tabelas

Tabela 1 - Dados obtidos no ensaio de 19/04/18 ...................................................... 25

Tabela 2 - Dados obtidos do ensaio de 14/05/18 ...................................................... 27

Tabela 3 - Temperatura no fundo das panelas ....................................................28

Tabela 4 - Cozimento do arroz (400g) ....................................................................... 29

Tabela 5 - Cozimento do macarrão (280g) ................................................................ 29

Tabela 6 - Cozimento da calabresa (310g) ............................................................... 30

Tabela 7 - Dados obtidos do ensaio de 22/05/18 ...................................................... 31

Tabela 8 - Cozimento do macarrão (280g) ................................................................ 33

Tabela 9 - Dados obtidos no ensaio do dia de 23/05/18 ........................................... 34

Tabela 10 - Cozimento do arroz (400g) ..................................................................... 37

Tabela 11 - Dados obtidos no ensaio do dia de 05/06/18 ......................................... 38

Tabela 12 - Cozimento do feijão verde (300,2g) ....................................................... 40

Tabela 13 - Cozimento da macaxeira (1000g) .......................................................... 40

Tabela 14 - Cozimento da carne de charque (486g) ................................................. 40

Tabela 15 - Tempo de aquecimento da água no sistema mono focal e bifocal ........ 42

Tabela 16 - Tempo de cozimento dos alimentos no sistema mono focal e bifocal ... 42

viii

Sumário

Agradecimentos ............................................................................................... i

Resumo ........................................................................................................... i

Abstract ......................................................................................................... iii

Lista de Ilustrações ........................................................................................ iv

Lista de Tabelas ........................................................................................... vii

Sumário ........................................................................................................viii

1 Introdução .................................................................................................... 1

1.1 Apresentação do trabalho .................................................................... 1

1.2 Objetivos .............................................................................................. 2

2 Revisão Bibliográfica ................................................................................... 3

2.1 Energia solar ........................................................................................ 3

2.2 Fogão solar e a sua importância .......................................................... 3

3 Materiais e métodos .................................................................................... 7

3.1 Fabricação das parábolas espelhadas ................................................. 7

3.2 Construção do suporte do fogão ........................................................ 10

3.3 Fixação das parábolas espelhadas no suporte .................................. 15

3.4 Altura dos focos .................................................................................. 17

3.5 Construção da base das panelas ....................................................... 17

3.6 Construção do sistema de paralelismo da base das panelas em

relação ao piso ...................................................................................................... 18

3.7 Sistema de regulagem da rotação do suporte do fogão ..................... 22

3.8 Pintura do fogão solar ........................................................................ 22

4 Resultados e Discussões .......................................................................... 24

4.1 Comparação do aquecimento da água entre o sistema mono focal e

bifocal .................................................................................................................... 42

ix

4.2 Comparação de cocção dos alimentos entre o sistema mono focal e

bifocal .................................................................................................................... 42

5 Conclusões ................................................................................................ 44

6 Referências ............................................................................................... 45

1

1 Introdução

1.1 Apresentação do Trabalho

Na história da humanidade, nota-se que a geração e obtenção de energia

são temas bastante estudados durante a evolução da civilização, além do

desenvolvimento de métodos e sistemas que melhorassem a utilização da energia

na produção de trabalho, diminuindo perdas e aumentando desempenho.

Na era do vapor, surgi o carvão mineral para substituir a lenha e ser uma

das primeiras fontes de energia utilizada em larga escala por combustão direta para

geração de vapor nas máquinas Watt, dando início a uma nova era, caracterizada

pela revolução industrial. (FARIAS, 2011)

Em seguida, deu-se início à exploração do petróleo, que se tornou a fonte de

energia utilizada nos automóveis. Uma das desvantagens da utilização dos

combustíveis fósseis para realização de trabalho ou para gerar energia elétrica, é a

poluição do meio ambiente, emitindo gases tóxicos como monóxido de carbono (𝐶𝑂),

dióxido de carbono (𝐶𝑂2) e óxidos de nitrogênio (𝑁𝑂𝑥), além da emissão de calor

para atmosfera. (FARIAS, 2011)

Com isso, as energias renováveis surgem como alternativa para gerar

energia elétrica e produzir trabalho. Neste trabalho a fonte de energia renovável

utilizada é a energia solar, uma energia limpa e disponível em todo o planeta,

proveniente da luz e do calor do sol que é aproveitada e utilizada por meio de

diferentes tecnologias.

Atualmente, em nosso país, a utilização de fogão a gás de cozinha, gás

liquefeito de petróleo (GLV), é bastante utilizado para cocção de alimentos em geral,

mas deve-se salientar que o mesmo tem um preço elevado para diversas famílias

brasileiras.

É de grande importância o desenvolvimento de pesquisa e métodos capazes

de estabelecer soluções técnicas e economicamente viáveis para o uso de energias

renováveis pelos setores mais distantes dos grandes centros, onde não tem uma

renda capaz de adquirir os equipamentos fornecidos pelo mercado formal.

2

Este trabalho apresenta um estudo sobre a fabricação e montagem de um

fogão solar que pode ter duas configurações: mono e bifocal. Este fogão se destina

à cocção de alimentos para a alimentação de uma família. Serão apresentados os

processos de fabricação e montagem do fogão, bem como resultados de testes para

diagnosticar a viabilidade de tal protótipo solar para produzir a cocção dos alimentos

de uma refeição típica de uma família nordestina.

Além disso, serão comparados os resultados obtidos para as duas

configurações, no que se refere ao tempo de ebulição da água e cozimento dos

alimentos testados.

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo Geral

Demonstrar a viabilidade de um fogão solar mono e bifocal para a cocção de

alimentos.

1.2.2 Objetivos Específicos

• Projetar o fogão solar à concentração para duas configurações: mono

e bifocal.

• Fabricar o fogão solar proposto.

• Testar o fogão solar fabricado.

• Determinar a configuração mais viável.

• Comparar os resultados obtidos entre as duas configurações

testadas.

3

2 Revisão Bibliográfica

2.1 Energia solar

É uma energia limpa e renovável, também considerada como uma solução

para o problema de produção de energia no mundo. Devido ao grande potencial

energético que a energia solar proporciona, não pode ser desprezado por nenhum

país do mundo, pois em tempos de economia de combustíveis convencionais,

apresenta como uma boa alternativa para a composição da matriz energética do

país. (QUEIROZ, 2005)

Cada metro quadrado da superfície do sol emite cerca de 62,8 MW de

energia eletromagnética, que são lançados no espaço. A origem desta energia está

em um conjunto de reações de fusão termonucleares que ocorrem no núcleo do sol

causando uma diminuição em sua massa da ordem de 4,25 milhões de toneladas

em cada segundo. Embora esse dado seja avaliado como uma perda inimaginável

seriam necessários 147 bilhões de anos (a idade de nosso sistema solar é estimada

em 8 bilhões de anos) de atividade solar, neste mesmo ritmo, para que a sua massa

sofresse uma diminuição de um por cento (QUEIROZ, 2005).

Uma vez que a luz solar está disponível em todas as regiões da Terra e

pode ser usada de forma descentralizada, a opção solar para a geração de

eletricidade dispensa o caro transporte da energia através de redes de distribuição,

inerentes ao sistema convencional.

2.2. Fogão solar e a sua importância

Os fogões solares são dispositivos especiais que por intermédio da luz solar

serve para o cozimento de alimentos e outras utilidades. Classificam-se em três

tipos básicos: cozinhas do tipo caixa, cozinhas concentradoras e cozinhas aquecidas

por meio de coletores de placa plana. Porém, o fogão concentrador é o que terá

mais ênfase, devido ao fato dele ser o foco dessa pesquisa.

Até o momento, muitos estudos têm sido realizados no mundo inteiro com

fogões solares, principalmente em laboratório. No entanto existe uma grande

necessidade de padronização no sentido de tornar o fogão solar um produto com

características, modelos e tipos assimilados e aceitos pela população.

4

2.2.1. Fogão concentrador

São dispositivos que captam a radiação solar e a concentram numa região

focal, onde se posiciona o absorvedor ou panela, onde se realiza a cocção dos

alimentos.

Tem como desvantagens a necessidade de luz solar direta, mecanismo de

acompanhamento da trajetória do sol com reorientação a cada 30 minutos,

esfriamento rápido do alimento se há desvio de foco ou nebulosidade acentuada,

instável a ventos, risco de fogo ou queimaduras, danos aos usuários por raios

refletidos e o fato de ficar exposto ao tempo. Em contrapartida tem a possibilidade

de alcançar altas temperaturas, o que permite realizar frituras ou assados.

Figura 1 – Fogão concentrador (Faro, Portugal)

Fonte: https://ecohospedagem.com

2.2.2. Importância do fogão concentrador

De acordo com o Manual for Solar Box Cooker´s, publicado por

Technology for Life, da Finlândia, cerca de dois terços da população mundial (2

bilhões de pessoas), depende diariamente da utilização de lenha para satisfação de

suas necessidades energéticas direcionadas para cocção de alimentos e

aquecimento, portanto isto representa nos dias atuais um desmatamento anual das

florestas tropicais da ordem de 20 a 25 mil Km2. (BEZERRA, A.M.)

5

De acordo com o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE),

versão de 2010, a extração anual de lenha no nordeste brasileiro é de 18 milhões de

metros cúbicos e que a população nordestina da zona rural é da ordem de 17

milhões de habitantes. Se o fogão solar fosse usado por apenas 30% desta

população a extração de lenha para cocção de alimentos sofreria uma redução

anual de 5,37 milhões de metros cúbicos, cifra este nada desprezível.

O gráfico da figura 1 expõe percentualmente o comportamento da utilização

de lenha no Brasil por setores, mostrando que o uso da mesma para a cocção de

alimentos é ainda bastante significativo, alcançando percentual em torno de 33%.

Figura 2 – Uso da lenha como combustível por setor no Brasil (2010)

Fonte: AIE (Agência Internacional de Energia)

Esses dados apontam para a necessidade de massificar o uso do fogão

solar para a cocção de alimentos, como forma de preservação da natureza, e

contribuição para amenizar o desequilíbrio ecológico pelo uso indiscriminado da

lenha, além do fato de minimizar a emissão de gases poluentes para a atmosfera.

Estudos que viabilizem o uso do fogão solar, através da otimização do seu

processo de construção e dos níveis de temperatura gerados, bem como a melhoria

do conforto de quem o utiliza, deve ter prioridade e são imprescindíveis para uma

política de combate ao desequilíbrio ecológico, que amenizem a matriz energética,

6

contribuam para a fixação do homem no campo e possa dar-lhe uma opção de

geração de renda, através do domínio da construção de fogões solares, para sua

futura comercialização.

7

3 Materiais e métodos

Para o presente trabalho foram reaproveitados materiais do laboratório de

máquinas hidráulicas e energia solar da UFRN, como também toda instrumentação

necessária para que os testes pudessem ser realizados. Foi adquirido cantoneiras,

parafusos, tinta, pincel e chapas de aço para confeccionar o suporte do fogão solar.

Foram utilizadas inúmeras etapas para conseguir confeccionar o fogão solar

de maneira correta, como por exemplo, a elaboração de um mecanismo para

acompanhar o movimento do sol, com isso, foi necessária a construção de um

suporte para a panela que permanecesse paralela ao chão durante o deslocamento

do sol, evitando o derramamento do alimento e acompanhando o foco solar para

evitar a interrupção do cozimento do mesmo.

3.1 Fabricação das parábolas espelhadas

3.1.1 Limpeza

Inicialmente, foi retirado 2/4 de uma parábola única de fibra de vidro com

1,82 metros de diâmetro. Em seguida, foi feita a limpeza das mesmas, retirando a

cola que havia nelas com lixa e solvente. Na figura 3 pode-se observar uma das

partes da parábola nesse processo de limpeza.

Figura 3 – Procedimento de limpeza das parábolas

8

3.1.2 Corte dos espelhos

Depois da limpeza, foram cortados pedaços de espelho com cerca de 5x5

cm e 4 mm de espessura, também foram feitos cortes de pedaços triangulares

utilizando uma ferramenta de corte com diamante visualizada na figura 4. Os

pedaços triangulares foram posicionados nas bordas das parábolas para aproveitar

toda área das mesmas e obter superfícies totalmente espelhadas.

Figura 4 – Ferramenta de corte utilizada

3.1.3 Fixação dos espelhos

A fixação dos espelhos nas parábolas foi realizada com a cola “Adesivo

Amazona” da figura 5, a mesma pôde ser utilizada na fixação de outros materiais,

como madeira e borracha. Cada segmento de parábolas vista na figura 6, possui

área espelhada de 0,635 m².

9

Figura 5 – Cola utilizada na fixação dos espelhos

Figura 6 – Parábola espelhada

10

3.2 Construção do suporte do fogão

Para a construção do suporte, foram utilizadas estruturas metálicas que a

princípio, não estavam sendo utilizadas no LMHES, além de cantoneiras e chapas

de aço visto na figura 7.

Figura 7 – Materiais utilizados

Todas as ferramentas de trabalho utilizadas como, furadeira, máquina de

corte, máquina de solda e esmeril, podem ser visualizadas na figura 8.

11

Figura 8 – Ferramentas utilizadas

3.2.1 Base do suporte

A base do suporte foi construída a partir de eixos metálicos vazados que

foram reaproveitados do laboratório, os mesmos foram lixados para retirar a camada

de oxidação. Em seguida, foi feito o ajuste para que os eixos ficassem

perpendiculares entre si, possibilitando a soldagem da estrutura. Na figura 9 mostra

a soldagem sendo realizada.

Figura 9 – Soldagem da base do suporte

12

3.2.2 Suporte

Inicialmente foram construídos o mancal e o apoio da base das panelas. O

mancal foi elaborado para ser acoplado ao apoio que além de ter a base das

panelas, tem a função de acompanhar o movimento aparente do sol. O apoio foi

elaborado a partir de tubos vazados que foram soldados acoplados ao mancal que

foi feito a partir de dois anéis metálicos soldados no tubo conectado à base do

suporte. O tubo tem a função de rotação do fogão em 360°.

Figura 10 – Apoio da base das panelas

Posteriormente, foram produzidas as cantoneiras e chapas que seriam

utilizadas nas etapas a seguir, usando o esmeril e a máquina de corte, como pode

ser visto nas figuras 11 e 12.

13

Figura 11 – Produção de cantoneiras e chapas com o esmeril

Figura 12 – Produção de cantoneiras e chapas com a máquina de corte

Foi realizada a construção do mecanismo em forma de “U” do suporte.

Através de cantoneiras de aço soldadas, o mecanismo “U” foi fixado no apoio,

analisando a distribuição do peso das parábolas e o centro de massa do mesmo,

para evitar o tombamento do fogão e a flambagem do suporte, como pode ser

visualizado na figura 13 e 14.

14

Figura 13 – Soldagem do mecanismo “U” do suporte

Figura 14 – Alinhamento do mecanismo “U”

Fonte: Elaborada pelo autor

Na figura 15, podemos ver a soldagem das cantoneiras que sustentam as

parábolas espelhadas, depois da fabricação e alinhamento do mecanismo “U”.

15

Figura 15 – Soldagem das cantoneiras

3.3. Fixação das parábolas espelhadas no suporte

Primeiramente foi feito furos na parábola para parafusar o equipamento que

une a parábola ao suporte.

Figura 16 – Parábola parafusada

Depois foi parafusado o equipamento visto na imagem anterior, ao suporte

do fogão, como é visto na figura 16 e 17.

16

Figura 17– Fixação do equipamento ao suporte

Na figura 18, percebemos que o mecanismo “U” recebeu o outro ponto de

fixação das parábolas com o suporte, através da dobradiça, permitindo a alteração

de um foco para dois focos.

Figura 18 – Ponto de fixação da parábola (Dobradiça)

17

3.4. Altura dos focos

Foi realizado o ajuste de altura para que os focos das duas parábolas

coincidissem em um único ponto, estabelecendo assim o ajuste da altura para

cocção de alimentos com um foco, que foi de 61,5 cm em relação à superfície da

parábola, como é visto na figura 19. Essa altura também foi a altura para cocção de

alimentos com dois focos, onde foi fixado a base das panelas.

Figura 19 – Análise da altura dos focos

3.5. Construção da base das panelas

Primeiramente, foram soldadas 4 cantoneiras em um formato retangular,

formando uma estrutura, onde posteriormente foram soldadas 2 porcas com a

função de acoplar um parafuso com uma placa soldada no mesmo, criando assim

um sistema porca-parafuso que permitisse o movimento longitudinal da boca do

fogão. A placa foi soldada no parafuso para unir o sistema ao apoio da base das

panelas, como pode ser observada na figura 20.

18

Figura 20–Estrutura com o sistema porca-parafuso

Depois foi soldada uma grelha à estrutura, permitindo a sustentação das

panelas e o contato dos focos com o fundo da panela.

Figura 21 – Base das panelas

3.6. Construção do sistema de paralelismo da base das panelas em relação ao

piso

Primeiro, foi soldado uma cantoneira na base, bem como no eixo vazado em

que foi soldado o mancal, como é observado na figura 22. A cantoneira soldada na

base das panelas é a parte superior do sistema de paralelismo e a cantoneira

soldada ao eixo vazado é a parte inferior.

19

Figura 22 – Soldagem das cantoneiras

Posteriormente, foi feito os furos na parte superior e na parte inferior do

sistema de paralelismo da base das panelas em relação ao piso, pois entre elas

estaria uma cantoneira que seria parafusada para interligar essas partes.

Para fabricar a cantoneira de interligação foi feito o corte da mesma na

dimensão de 70 cm, furos para unir as partes através de parafusos e rasgos que

permitissem o movimento do sistema.

Figura 23 – Fabricação dos orifícios com a furadeira

20

Figura 24–Corte da cantoneira de interligação

Figura 25 – Rasgos da cantoneira de interligação

Na parte superior foi feito um único furo e na parte inferior foram feitos furos

analisando os padrões de equilíbrio para garantir o paralelismo entre a boca do

fogão e o piso. Os furos da parte inferior foram feitos para acompanhar o movimento

do sol, alternando de um furo para o outro, mantendo o paralelismo entre a boca e o

piso e evitando o derramamento do alimento durante a cocção.

21

Figura 26 – Utilização do nível

Figura 27 – Furos da parte inferior

22

3.7. Sistema de regulagem da rotação do suporte do fogão

Foi feito um furo no pé do suporte e soldado uma porca para ser acoplado

um parafuso que fizesse a regulagem do movimento. Ao apertar o parafuso, o

suporte fica imobilizado, evitando o deslocamento do mesmo devido os ventos

fortes.

Figura 28 – Sistema de regulagem da rotação do suporte

3.8. Pintura do fogão solar

Os materiais utilizados para a pintura do fogão foi tinta amarela “CORALIT” e

pincel.

Figura 29 – Materiais utilizados

23

Cada estrutura foi desacoplada para que pudesse ser feita a pintura,

evitando deixar qualquer região sem pintar, para proteger a estrutura contra

oxidação.

Figura 30 – Processo de pintura

24

4 Resultados e Discussões

O primeiro ensaio realizado no dia 19 de abril de 2018 para aferir a

capacidade de cozimento do fogão solar em estudo. Esse ensaio consistiu em

avaliar o aumento da temperatura da água em relação ao tempo. Foi então medido a

temperatura da água desde o momento que foi inserido na panela, à temperatura

ambiente.

Figura 31 – Ensaio 19/04/18

Para medição da temperatura da água foi utilizado um termômetro digital

portátil TH-060. Para medição da radiação solar global foi utilizado um piranômetro

do modelo MÊS-100.

Figura 32 – Equipamentos utilizados no ensaio

Foi inserido 1L de água em duas panelas para estudar o aumento da

temperatura da água de cozimento para o sistema bifocal. Atingindo uma

25

temperatura acima de 80°C, constatando assim, a capacidade de o fogão cozinhar

alimentos, seja no sistema bifocal como no sistema mono focal.

Figura 33 – Medição da temperatura da água através do termômetro digital

Na tabela 1 abaixo pode-se observar a evolução da temperatura e a

medição da radiação global de um dos focos neste ensaio inicial.

Tabela 1 – Dados obtidos no ensaio de 19/04/18

MEDIÇÃO HORÁRIO TEMPERATURA DA

ÁGUA (°C)

RADIAÇÃO

GLOBAL (W/m²)

0 11:44 28,6 920

1 12:11 79,3 940

2 12:22 83 914

O segundo ensaio foi realizado no dia 14 de maio de 2018, dia parcialmente

nublado com temperatura ambiente máxima de 30°C e mínima de 25°C, humidade

máxima de 95% e mínima de 60%. O fogão borboleta foi colocado ao sol, ajustando

para o sistema bifocal, sendo assim, deu-se início ao ensaio.

A primeira medição de temperatura da água das panelas e da radiação

global foi 7 minutos após ter sido colocado as panelas com 1L de água nos focos

solares, da segunda medição em diante, foi coletado os dados de 5 em 5 minutos

até atingir as temperaturas necessárias para cozimento dos alimentos. Foi medido

também, as temperaturas no fundo das panelas duas vezes neste processo.

26

Figura 34 – Béquer utilizado para inserir 1L de água em cada panela

Figura 35 – Equipamentos em utilização durante o ensaio de 14/05/18

Na tabela 2 a seguir, podemos ver o aumento da temperatura e a radiação

global no processo de aquecimento da água para cozimento dos alimentos.

27

Tabela 2 – Dados obtidos do ensaio de 14/05/18

MEDIÇÃO HORÁRIO TEMPERATURA

DA ÁGUA NA

PANELA DO

FOCO 1 (°C)

TEMPERATURA

DA ÁGUA NA

PANELA DO

FOCO 2 (°C)

RADIAÇÃO

GLOBAL

SOLAR (W/m²)

0 11:00 26,6 26,9 891,7

1 11:07 53,1 49,4 920,6

2 11:12 67,7 67,3 902,5

3 11:17 75,1 71 941,3

4 11:22 70,3 78,3 907,9

5 11:27 90,6 83,7 918,7

6 11:32 89,6 86,1 895,3

7 11:37 95,1 90 901,8

Os dados da tabela acima podem ser compreendidos através dos gráficos

abaixo. No gráfico 1 podemos observar a variação da temperatura e no gráfico 2, a

variação da radiação global.

Gráfico 1 – Aumento das temperaturas dos focos em relação ao tempo

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

11:00 11:07 11:12 11:17 11:22 11:27 11:32 11:37

TEMPERATURA DA ÁGUA (°C)Foco 1 Foco 2

28

Gráfico 2 – Variação da radiação global solar em relação ao tempo

Houve uma variação da radiação global devido a passagem de nuvens,

obstruindo a radiação solar, porém ainda assim houve o aumento da temperatura da

água.

Na tabela 3 a seguir, podemos observar a temperatura no fundo das panelas

no processo de aumento da temperatura da água.

Tabela 3 – Temperatura no fundo das panelas

HORÁRIO TEMPERATURA NO

FUNDO DA PANELA DO

FOCO 1 (°C)

TEMPERATURA NO

FUNDO DA PANELA DO

FOCO 2 (°C)

11:12 91 75

11:27 178,6 99,6

Após os ensaios de medições de temperatura foi feito o teste de cozimento

de alimentos, a fim de comparar o tempo de cozimento dos alimentos feito no fogão

solar tipo borboleta para o sistema bifocal e mono focal. Os alimentos utilizados para

esse ensaio foram: arroz, macarrão e calabresa.

860

870

880

890

900

910

920

930

940

950

11:00 11:07 11:12 11:17 11:22 11:27 11:32 11:37

RADIAÇÃO GLOBAL SOLAR (W/m²)

29

Figura 36 – Cozimento do arroz e do macarrão

Figura 37 – Temperaturas no processo de cozimento dos alimentos

Tabela 4 – Cozimento do arroz (400g)

INICIO FIM DURAÇÃO (min)

11:43 12:19 36

Tabela 5 – Cozimento do macarrão (280g)


11:43 12:01 18

30

Tabela 6 – Cozimento da calabresa (310g)


12:16 12:31 15

Figura 38 – Alimentos cozinhados

O terceiro ensaio foi realizado no dia 22 de maio de 2018, dia bastante

nublado, temperatura ambiente máxima de 30°C e mínima de 25°C, humidade

máxima de 95% e mínima de 60%. O fogão borboleta foi colocado ao sol, ajustando

para o sistema mono focal, sendo assim, deu-se início ao ensaio.

A panela foi colocada no foco solar até atingir uma temperatura de 325°C,

em seguida, foi adicionado à panela, 1L de água à 30°C com o béquer utilizado no

ensaio anterior. A medição de temperatura da água da panela e da radiação global

foi feita de 2 em 2 minutos até atingir as temperaturas necessárias para cozimento

dos alimentos. O instrumento de medição da radiação global foi o mesmo dos

ensaios anteriores, porém foi utilizado outro instrumento de medição da temperatura,

termômetro TH-075.

31

Figura 39 – Instrumentos de medição utilizados



Tabela 7 – Dados obtidos do ensaio de 22/05/18


ÁGUA NA PANELA

DO FOCO (°C)

RADIAÇÃO

GLOBAL SOLAR

(W/m²)

0 11:18 43 970,1

1 11:20 39 987,1

2 11:22 62 894,1

3 11:24 70 887,3

4 11:26 76 920,9

5 11:28 79 893,1

6 11:30 81 931,2

7 11:32 82 703,2

8 11:34 81 490,5

9 11:36 87 935,2

10 11:38 88 971,9

11 11:40 89 891,9

12 11:42 92 907,2

13 11:44 93 557,3

14 11:46 88 923,9

16 11:48 94 927,1




32

Gráfico 3 - Aumento das temperaturas do foco em relação ao tempo


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

11:18 11:20 11:22 11:24 11:26 11:28 11:30 11:32 11:34 11:36 11:38 11:40 11:42 11:44 11:46 11:48

TEMPERATURA DA ÁGUA (°C)

0

200

400

600

800

1000

1200

11:18 11:20 11:22 11:24 11:26 11:28 11:30 11:32 11:34 11:36 11:38 11:40 11:42 11:44 11:46 11:48


33

Houve uma queda na radiação global devido a passagem de nuvens,

gerando uma queda de temperatura da água durante o aquecimento da mesma,

entretanto foi possível aquecer a água.

Após os ensaios de medições de temperatura, foi feito o teste de cozimento

do macarrão, a fim de comparar o tempo de cozimento do alimento para sistema

bifocal e mono focal.

Figura 40 – Temperatura no processo de cozimento do macarrão

Tabela 8 – Cozimento do macarrão (280g)


11:56 12:13 17

34

Figura 41 – Macarrão cozido

O quarto ensaio foi realizado no dia 23 de maio de 2018, dia ensolarado,

temperatura ambiente máxima de 30°C e mínima de 26°C, humidade máxima de

95% e mínima de 60%. O fogão borboleta foi colocado ao sol, ajustando para o

sistema mono focal, sendo assim, deu-se início ao ensaio.

A panela foi colocada no foco solar até atingir uma temperatura de 385°C,

em seguida, foi adicionado à panela, 1L de água à 29°C com o béquer utilizado no

ensaio anterior. A medição de temperatura da água da panela e da radiação global

foi feita de 2 em 2 minutos até atingir as temperaturas necessárias para cozimento

do alimento. O instrumento de medição da radiação global foi o mesmo do ensaio

anterior.



Tabela 9 – Dados obtidos no ensaio do dia de 23/05/18


ÁGUA NA PANELA

DO FOCO (°C)

RADIAÇÃO

GLOBAL SOLAR

(W/m²)

0 10:28 48 879,8

1 10:30 56 890,3

2 10:32 61 877

3 10:34 68 888

4 10:36 75 890,5

5 10:38 79 893

6 10:40 81 895,5

7 10:42 85 887

8 10:44 90 898

9 10:46 95 895

35




Gráfico 5 - Aumento das temperaturas do foco em relação ao tempo


Houve uma variação da radiação global durante o aquecimento da água,

porem foi entre valores elevados e durante o ensaio não teve ventos fortes que

roubassem calor por convecção natural. Sendo assim, houve um aumento da

temperatura da água.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10:28 10:30 10:32 10:34 10:36 10:38 10:40 10:42 10:44 10:46

TEMPERATURA DA ÁGUA (°C)

865

870

875

880

885

890

895

900

10:28 10:30 10:32 10:34 10:36 10:38 10:40 10:42 10:44 10:46


36

Figura 42 – Temperatura da água no final do processo de aquecimento

Após o ensaio, foi feito o teste de cozimento do arroz, a fim de comparar o

tempo de cozimento do alimento para sistema bifocal e monofocal.

Figura 43 – Temperatura no processo de cozimento do arroz

37

Tabela 10 – Cozimento do arroz (400g)


10:50 11:12 22

Figura 44 – Arroz cozido

O quinto ensaio foi realizado no dia 05 de junho de 2018, dia ensolarado,

temperatura ambiente máxima de 28°C e mínima de 24°C, humidade máxima de

95% e mínima de 60%. O fogão borboleta foi colocado ao sol, ajustando para o

sistema bifocal, sendo assim, deu-se início ao ensaio.

As panelas foram colocadas nos focos solares, em seguida, foi adicionado

nas panelas, 1L de água à 22°C com o béquer utilizado no ensaio anterior. A

medição de temperatura da água da panela e da radiação global foi feita de 5 em 5

minutos até atingir as temperaturas necessárias para cozimento dos alimentos. Os

instrumentos de medição da radiação global e da temperatura foram os mesmos do

ensaio anterior.



38

Tabela 11 - Dados obtidos no ensaio do dia de 05/06/18

MEDIÇÃO HORÁRIO TEMPERATURA

DA ÁGUA NA

PANELA DO

FOCO 1 (°C)

TEMPERATURA

DA ÁGUA NA

PANELA DO

FOCO 2 (°C)

RADIAÇÃO

GLOBAL

SOLAR (W/m²)

0 10:50 22 22 908,5

1 10:55 43 45 904,7

2 11:00 54 56 904,4

3 11:05 67 68 900,3

4 11:10 77 77 900,9

5 11:15 84 85 902,8

6 11:20 91 90 905

7 11:25 94 92 896,5




Gráfico 7 - Aumento das temperaturas dos focos em relação ao tempo

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10:50 10:55 11:00 11:05 11:10 11:15 11:20 11:25

TEMPERATURA DA ÁGUA (°C)Foco 1 Foco 2

39


Houve uma variação da radiação global durante o aquecimento da água,

porem foi entre valores elevados e assim como no ensaio anterior, não teve ventos

fortes que roubassem calor por convecção natural. Sendo assim, houve um aumento

da temperatura da água. O tempo de aquecimento da água foi de 35 minutos, 2

minutos mais rápido do que no ensaio realizado no dia 14 de maio de 2018.

Após o ensaio, foi feito o teste de cozimento do feijão verde, macaxeira e

carne de charque a fim de comparar o tempo de cozimento do alimento para sistema

bifocal e mono focal.

Figura 45 – Processo de cozimento dos alimentos

890

892

894

896

898

900

902

904

906

908

910

10:50 10:55 11:00 11:05 11:10 11:15 11:20 11:25


40

Tabela 12 – Cozimento do feijão verde (300,2g)


11:25 12:25 60

Tabela 13 – Cozimento da macaxeira (1000g)


11:26 12:57 91

Tabela 14 – Cozimento da carne de charque (486g)


13:01 13:33 32

A carne foi escaldada por 20 minutos antes do seu cozimento. Nas figuras a

seguir, pode-se observar os alimentos cozidos pronto para consumo.

Figura 46 – Feijão verde cozido

41

Figura 47 – Macaxeira cozida

Figura 48 – Carne de charque cozida

42

4.1 Comparação do aquecimento da água entre o sistema mono focal e bifocal

Na tabela 15 abaixo, podemos verificar o tempo de aquecimento da água no

sistema mono focal, com base no ensaio realizado no dia 23 de maio de 2018, e o

tempo de aquecimento da água no sistema bifocal, com base no ensaio do dia 14 de

maio de 2018.

Tabela 15 – Tempo de aquecimento da água no sistema monofocal e bifocal

SISTEMA INICIO FIM DURAÇÃO (min)

MONOFOCAL 10:28 10:46 18

BIFOCAL 11:00 11:37 37

A água em ambos os sistemas atingiu a temperatura de 95°C, temperatura

satisfatória para cocção dos alimentos. Como esperado, o tempo para aquecer a

água no sistema mono focal foi menor do que para o sistema bifocal, isso ocorre

devido a maior radiação incidente no foco solar.

Para o sistema bifocal temos uma área espelhada de 0,635 m² para cada

foco e para o sistema mono focal, temos apenas um foco com área espelhada de

1,27 m². Com isso, é esperado que no sistema com apenas um foco, a água aqueça

com um tempo menor.

4.2 Comparação de cocção dos alimentos entre o sistema mono focal e bifocal

Na tabela 16 abaixo, podemos verificar o tempo de cozimento do arroz e do

macarrão para o sistema mono focal, com base no ensaio realizado nos dias 22 e 23

de maio de 2018, e para o sistema bifocal realizado no dia 14 de maio de 2018.

Tabela 16 – Tempo de cozimento dos alimentos no sistema mono focal e bifocal

ALIMENTOS SISTEMA MONO FOCAL

(min)

SISTEMA BIFOCAL (min)

ARROZ (1) 22 36

MACARRÃO (2) 17 18

Independe do sistema de cocção, os tempos de cozimento dos alimentos

devem ser próximos. O arroz cozinhou em um tempo maior no sistema bifocal

devido a passagem de nuvens durante o cozimento, diminuindo a radiação do foco

na panela.

43

Gráfico 9 – Comparativo do tempo de cozimento do arroz e do macarrão após o

aquecimento da água

Gráfico 10 – Comparativo do tempo de cozimento do arroz e do macarrão

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1 2

TEMPO DE COZIMENTO (min)Sistema mono focal Sistema bifocal

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 2

TEMPO TOTAL DE COZIMENTO (min)

Sistema mono focal Sistema bifocal

44

5 Conclusões

1. O fogão borboleta construído e analisado é viável, pois é capaz de

cozinhar alimentos para as duas configurações ensaiadas;

2. O sistema mono focal apresentou melhores resultados, com um tempo de

aquecimento da água e cocção menor do que o sistema bifocal;

3. Apesar de a configuração bifocal apresentar níveis de temperatura

menores e tempo de cocção maiores, ela é a mais viável pois permite o

cozimento simultâneo de dois alimentos, o que diminui o tempo de cocção

de uma alimentação familiar, ou seja, consegue preparar uma refeição de

forma mais rápida;

4. Os processos de fabricação e montagem do fogão borboleta são simples,

podendo ser repassadas para pessoas de quaisquer níveis sociais,

intelectuais e culturais.

5. É de fácil manuseio, qualquer pessoa pode operar o fogão sem

dificuldade e complicações;

6. A utilização do fogão solar proposto gera uma diminuição da geração de

poluentes, uma utilização menor da lenha, diminuindo o desmatamento e

o desequilíbrio ecológico. É uma opção ambientalmente correta para

substituir parcialmente, a lenha e o GLV;

7. Os tempos de cozimento dos alimentos foram competitivos com outros

modelos de fogões solares já estudados no LMHES;

8. É importante ressaltar o bom desempenho do fogão solar na configuração

bifocal com 0,635 m² de área espelhada, pois pode realizar a cocção dos

alimentos assim como fogões com mais de 1 m de área espelhada;

9. Verificou-se que o rendimento do fogão está diretamente relacionado à

radiação solar do foco, sendo assim, as condições climáticas influenciam

no resultado final.

45

6 Referências

BEZERRA, A.M. Aplicações Térmicas da Energia Solar, Editora

Universitária - UFPB, João Pessoa, PB, 2001.

Bezerra, A.M. Aplicações Práticas da Energia Solar, Livraria Nobel, São

Paulo,1990.

Bezerra, A.M. “Desenvolvimento de um Protótipo de Fogão Solar

Desmontável destinado ao esporte de “Camping”, Em Atas do 2ª Congresso

Latino-americano de Energia Solar, Vol. II, Universidade Federal da Paraíba, pp.

371-395, João Pessoa, Brasil”. (1979)

CALLISTER, W.D. Materials science and engineering: an introduction,

John Wiley & Sons, Inc., fourth edition, USA, 1997.

CENSOLAR - Instalaciones de energía solar - energética solar, Tomo II,

CENSOLAR (Centro de Estudios de la Energia Solar), Avances en

energía solar, PROGENSA, Sevilla, 2010.

CENSOLAR. Base de Datos Internacional H-World, 2010, <www.

censolar.com>

QUEIROZ, W. F. Construção de um Fogão Solar à Concentração Para

Cozimento Direto e Indireto. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica)

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Universidade Federal do

Rio Grande do Norte, Natal, RN, 2005.

LION, Carlos Alberto Pereira de Queiroz Filho. Construção e análise de

desempenho de um fogão solar à concentração utilizando dois focos para

cozimento direto. 2007. 92 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica)

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Universidade Federal do

Rio Grande do Norte, Natal, RN, 2007.

NETO, M. C. M. Fogão solar à Concentração com Parábola Refletora

Construída em Material Compósito. Dissertação (Mestrado em Engenharia

Mecânica) Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Universidade

Federal do Rio Grande do Norte, Natal, RN, 2010.

46

SOUZA, L. G. M. et al. Fogão solar à concentração construído a partir de

uma sucata de antena parabólica. VI CONEM - Congresso Nacional de

Engenharia Mecânica. Salvador - BA, 2008.

OUTRAS REFERÊNCIAS

FARIAS, L.M.,SELLITO,M.A. Uso da energia ao longo da história:

evolução e perspectivas futuras, Revista Liberato. Novo Hamburgo, v. 12, 2011.

BEZERRA, A.M. UTILIZAÇÃO DA ENERGIA RENOVÁVEL NA COCÇÃO

DE ALIMENTOS. Disponível em:

<http://www.portaldoeletrodomestico.com.br/artigo_fogao_solar.htm>. Acesso em: 20

de abril. 2018.

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FABRICAÇÃO E ESTUDO DE UM FOGÃO SOLAR À CONCENTRAÇÃO MONO …