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Instituto Politécnico de Portalegre Escola Superior de Tecnologia e Gestão EERA – Unidade e transferência V Projecto U.T V Forno Solar Docentes: Discentes: Anabela Oliveira Carla Reia Nº 15436 Rui Pulido Valente Maria Ortiz Nª 12434 Fábio Coelho Nª15435 João Salsa Nº15429 José Macareno Nº 12789 Outubro 2013

Fornos Solar

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Trabalho completo sobre como proceder à montagem de um forno solar e quais as suas carateristicas, bem como o estudo efectuado.

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  • Instituto Politcnico de Portalegre Escola Superior de Tecnologia e Gesto

    EERA Unidade e transferncia V

    Projecto U.T V

    Forno Solar

    Docentes: Discentes:

    Anabela Oliveira Carla Reia N 15436

    Rui Pulido Valente Maria Ortiz N 12434

    Fbio Coelho N15435

    Joo Salsa N15429

    Jos Macareno N 12789

    Outubro 2013

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    ndice

    1. Objetivos ......................................................................................................................... 2

    2. Introduo ...................................................................................................................... 3

    3. Energia Solar ................................................................................................................... 4

    4. Geometria Solar .............................................................................................................. 5

    5. Reflexo e Refrao ........................................................................................................ 9

    6. Forno Solar.................................................................................................................... 11

    7. Tipos de fornos ............................................................................................................. 12

    8. Fornos Solares Definio da soluo ........................................................................... 15

    9. Materiais ....................................................................................................................... 16

    9.1 Materiais estruturais ................................................................................................. 17

    9.2 Materiais de Isolamento ................................................................................................. 18

    9.3 Materiais Refletores ....................................................................................................... 19

    Espelhos .......................................................................................................................... 19

    9.4 Materiais transparentes ................................................................................................. 22

    Lentes .............................................................................................................................. 22

    Vidros .............................................................................................................................. 24

    10. Acumuladores de Calor ................................................................................................. 38

    Sistema de serpentinas para aquecimento do Forno Solar ................................................... 38

    11. Projecto Forno Solar .................................................................................................... 41

    Modo de construo: ........................................................................................................... 41

    Esboo do Forno Solar .......................................................................................................... 46

    Vista frontal do Forno Solar ...................................................................................... 46

    Vista de cima do Forno Solar ..................................................................................... 46

    Vista tridimensional do Forno Solar .......................................................................... 47

    Custos dos materiais ............................................................................................................ 48

    12. Concluso ..................................................................................................................... 49

    13. Bibliografia .................................................................................................................... 50

  • 2

    1. Objetivos

    Este trabalho tem como objetivo principal a construo de um Forno Solar,

    capaz de cozinhar e aquecer alimentos, podendo este ter outras funes, tal como

    secagem de frutos ou ervas aromticas. Este trabalho surge da necessidade cada vez

    maior de utilizar energias renovveis em substituio das energias fsseis, tal como a

    energia solar, enquadrando-se o tema na nossa rea de formao. Assim, um dos

    objetivos secundrios passa por demonstrar o potencial dos forno solares como

    mtodo para cozinhar alternativo aos fornos a lenha/carvo, de forma a sensibilizar as

    pessoas para a utilizao deste tipo de energia renovvel. Este forno ir resultar da

    investigao de tcnicas e modelos j utilizados atualmente, fazendo apenas algumas

    modificaes importantes para aumentar o rendimento do mesmo, tal como aumentar

    a sua Potncia para obter um menor tempo de cozedura dos alimentos e o Isolamento

    Trmico para reduzir as perdas, conservando melhor a energia absorvida.

  • 3

    2. Introduo

    A nossa ideia para o projeto que vai ser apresentado nos workshops a

    construo de um forno solar.

    Com este projeto pretendemos relacionar a parte energtica com a ambiental

    visto que usada apenas a energia solar metendo assim de parte o uso de energias

    provenientes de combustveis fsseis.

    Existem vrios tipos de fornos solares pelos quais poderemos optar,

    dependendo dos recursos monetrios disponveis. Existem fornos bastante simples em

    que apenas so necessrios materiais simples, muitos que temos acesso nas nossas

    casas como por exemplo uma caixa de carto, papel de alumnio, uma cartolina preta e

    um plstico. Outros fornos so um pouco mais complexos uma vez que necessria a

    utilizao de vidros e espelhos que no s so mais caros mas tambm so mais

    difceis de trabalhar, no entanto o seu rendimento bastante mais elevado.

    Um forno solar pode ser construdo por exemplo com a utilizao de uma caixa

    com um fundo preto, e com uma tampa de vidro com abas refletoras, que pode ser

    papel de alumnio ou um espelho. O processo simples, o fundo preto absorve a

    energia e converte-a em radiao infravermelha, esta ao ser refletida no consegue

    atravessar o vidro, uma vez que o seu comprimento de onda maior logo tem menos

    energia. Depois surge o efeito de estufa, a radiao fica retida dentro da caixa e

    transmite a energia sob a forma de calor ao alimento que se encontre dentro do forno.

    Este trabalho vai ser constitudo inicialmente por uma abordagem terica sobre

    energia e geometria solar bem como as propriedades que influenciam a direo solar,

    em seguida vai ser apresentado o tema bem como os materiais possveis para a sua

    concretizao, nos materiais vai ser realizada uma explicao terica cerca de cada

    um dos tipos de materiais. Seguidamente iremos abordar as tcnicas de

    armazenamento de calor no forno, que ser atravs de um acumulador de calor. Por

    fim ser apresentado o mtodo de construo, os materiais escolhidos bem como

    todos os custos envolvidos no projeto.

  • 4

    3. Energia Solar

    A radiao solar a designao dada energia radiante emitida pelo Sol, em

    particular aquela que transmitida sob a forma de radiao eletromagntica. A

    radiao solar fornece anualmente para a atmosfera terrestre cerca de 1,5 x 1018 kWh

    de energia, a qual a principal responsvel pela dinmica da atmosfera terrestre e

    pelas caractersticas climticas do planeta. Esta radiao essencial para as plantas,

    para assim realizarem a fotossntese. As plantas fornecem energia para todo o Planeta

    Terra e mantem este em condies ideais para a sobrevivncia das espcies. Os

    combustveis fosseis, tal como o Petrleo, gs e carvo, so o produto da

    decomposio dos restos de plantas e animais.

    A Energia solar consiste no aproveitamento da radiao solar emitida pelo Sol e

    que chega ao Planeta Terra, atingindo o topo da atmosfera com uma potncia trmica

    mdia de 1370 W/m. Se bem que nem toda a energia que chega ao topo da

    atmosfera a atravesse, ainda assim uma parte significativa dessa energia atinge a

    superfcie terrestre.

    A energia total que atinge a superfcie da terra composta pela radiao

    directa (luz solar directa) e pela radiao solar difusa (energia reflectida pelo meio

    envolvente e pela atmosfera).

    Em Portugal, a energia recebida por m de terreno horizontal por ano , em mdia,

    cerca de 1700 kWh. A energia solar pode ser utilizada directamente para aquecimento

    energia solar trmica ou para a produo directa de electricidade energia solar

    fotovoltaica.

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    4. Geometria Solar

    A energia que o sol radia originada por processos de fuso nuclear e,

    seguidamente, emitida para todas as direes do espao.

    Uma pequena frao correspondente poro de ngulo slido vista do sol

    atinge o limite da atmosfera da Terra.

    Assim os raios solares que incidem num ponto da superfcie terrestre podem

    considerar-se paralelos, pois como se v na figura 30, o ngulo muito reduzido.

    Ilustrao 1 Sol quando atinge a superfcie

    A direo dos raios solares, definida pela posio do sol relativamente

    superfcie onde eles incidem, condiciona a quantidade de energia recebida por essa

    superfcie. Para uma mesma intensidade de radiao, a superfcie recebe maior

    quantidade de energia quando o ngulo de inclinao dos raios menor.

    A posio do sol em relao a um ponto da Terra varia ao longo de um dia e

    tambm durante o ano. Um observador situado num ponto da superfcie da Terra v o

    Sol tomar diferentes posies no seu horizonte visual durante o dia, devido ao

    movimento de rotao da Terra em torno do eixo polar.

    No vero o Sol assume posies mais altas (em relao ao plano horizontal do

    lugar em que se encontra do que no inverno), devido ao movimento de translao.

    Sendo a rbita elptica, a distncia Terra-Sol varia ao longo do ano 1,7%, em

    relao distncia mdia, estando a Terra mais perto do Sol a 21 de Dezembro,

    afastada a 21 de Junho.

    A inclinao do eixo de rotao da Terra em relao ao eixo da elptica origina

    que a durao dos dias e das noites para um dado dia do ano sejam diferentes

    conforme a latitude. Essa mesma inclinao responsvel pela alterao do ngulo

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    formado pelo eixo de rotao e o plano da elptica, durante o ano, o que, excepto no

    Equador, provoca variaes anuais da durao do dia. portanto responsvel pelas

    estaes do ano.

    Dois sistemas de coordenadas permitem referenciar a posio do Sol em

    relao Terra em qualquer ponto dessa trajetria:

    - Sistema equatorial horrio Com um referencial ortogonal definido pelo plano

    do Equador terrestre e pelo eixo dos polos (coordenadas equatoriais).

    - Sistema horizontal Com referencial ortogonal definido e pelo plano

    horizontal do lugar e pela vertical do lugar (coordenadas horizontais).

    As coordenadas equatoriais so:

    A declinao, d : ngulo formado pelo plano da elptica com o plano do Equador

    que varia entre 23,5 a 21 de Dezembro e + 23,5 a 21 de Junho: a sua variao em

    funo do dia do ano, contado a partir de 1 de Janeiro (n) dado por:

    d=23,5 sin (360

    )

    O ngulo horrio, H: ngulo formado pelo plano meridiano passando pelo Sol

    (circulo horrio) e o plano meridiano do lugar. Quando o plano meridiano do lugar

    passa pelo crculo horrio (H=0) meio-dia em tempo solar verdadeiro (TSV). Uma

    rotao da terra (24 horas) corresponde a 360 de ngulo horrio e a cada diferena

    de 15 (360/24) corresponde 1 hora em TSV. Assim encontramos uma relao entre o

    ngulo horrio e o tempo solar: H=15 (TSV-12).

    As coordenadas horizontais so, mais fceis para referenciar a posio do sol a

    um dado local (P) da Terra com latitude (l) e longitude () conhecidas, so:

    - O Azimute, a: ngulo formado pelo plano vertical passando pelo Sol e a

    direco do Norte geogrfico do local, contado positivamente no sentido N E.

    - A altura solar, h: ngulo formado pela direco do Sol e o plano horizontal do

    lugar.

  • 7

    Ilustrao 2 Indicao do Azimute e da Altura Solar

    As coordenadas dos dois sistemas podem ser relacionadas :

    Ao nascer e pr-do-Sol a altura do sol nula. Assim, da primeira equao,

    encontramos:

    Sendo H0 o ngulo horrio ao nascer ou pr-do-Sol ( valor negativo ou positivo,

    respectivamente).

    A durao do dia corresponde diferena entre o nascer e o pr-do-Sol . Como

    vimos anteriormente, a diferena de ngulos horrios pode traduzir-se em tempo solar

    (15-1H) , pelo que podemos calcular o tempo de durao do dia:

    arc cos (-tgl tgd)

    O tempo solar baseado no movimento aparente do sol , sendo definido o

    meio-dia solar quando o sol cruza o meridiano do lugar. Uma vez que a velocidade de

    translao da Terra no constante, os meios dias solares de dois dias consecutivos

    no se verificam no mesmo tempo terrestre.

    O tempo num dado local dependente da longitude desse local, pois 15 de

    longitude equivalente a 1 hora de diferena.

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    Em relao a um meridiano de referncia o de Greenwich temos:

    TSM = TMG + l/15

    Onde a longitude (l) positiva na direco Este.

    TSV= TMG + l/15 +ET

    O tempo legal o tempo oficialmente aceite num Estado. Em Portugal:

    TL= TMG+1 hora (Abril a Setembro)

    TL = TMG (Outubro a Maro)

    A relao entre o tempo solar verdadeiro e o tempo legal :

    TSV = TL+ ET + l/15 1 (entre Abril e Setembro);

    TSV = TL+ ET + l/15 (entre Outubro e Maro)

    Direco dos paineis Reflectores

    O clculo do ngulo de incidncia dos raios solares para qualquer dia e hora

    pode ser obtido pelas expresses analticas, apresentadas anteriormente.

    Relativamente inclinao ptima de um painel solar de modo a captar a maior

    quantidade de energia solar possvel varivel ao longo do ano dado que os raios

    solares tambm variam a sua inclinao durante o ano. A orientao ptima varia ao

    longo do dia onde o painel deveria seguir a trajectria aparente do sol. Estes factos

    deram origem aos sistemas seguidores que se movem em dois planos (Horizontal e

    Vertical) de modo a acompanhar essas variaes de trajctoria do Sol.

    Na tabela, podemos verificar que para uma latitude de 39 (Portalegre) os

    valores da decalagem entre hora legal e hora solar, declinao (ngulo entre a direco

    da radiao e o plano do equador), altura do sol ao meio dia solar e durao do

    perodo diurno para os 12 meses do ano.

  • 9

    5. Reflexo e Refrao

    Reflexo e refrao so fenmenos muito comuns que esto relacionados com

    a propagao da luz. Quando a luz se propaga num determinado meio e atinge uma

    superfcie, como um bloco de vidro transparente, por exemplo, parte dessa luz volta

    para o meio no qual se estava a propagar.

    Este fenmeno chamado de reflexo da luz. J a outra parte da luz que passa

    para o outro meio, a refrao da luz. Esses dois fenmenos ocorrem de forma

    simultnea, no entanto, pode acontecer que um prevalea sobre o outro, mas isso

    depende da natureza dos meios em que a luz esta a incidir bem como das condies

    de incidncia.

    A reflexo pode ser definida de duas formas. Quando a superfcie de incidncia

    da luz totalmente polida, o raio refletido bem definido. Quando isso acontece

    dizemos que ocorreu reflexo especular. Por outro lado, se a superfcie de incidncia

    for irregular, cheia de imperfeies, os raios de luz no so bem refletidos e dessa

    forma, ocorre o que chamamos de reflexo difusa.

    Ilustrao 3. Refleco especular Ilustrao 4. Reflexo difusa

    A reflexo luminosa regida por duas leis que so:

    Primeira Lei - diz que o raio incidente, o raio refletido e a normal

    pertencem ao mesmo plano;

    Segunda Lei diz que o ngulo de reflexo igual ao ngulo de

    incidncia, ou seja, r=i

  • 10

    A refrao da luz responsvel por uma serie de fenmenos ticos que

    acontecem no quotidiano, como por exemplo, o facto de a profundidade de uma

    piscina parecer menor do que realmente . Esse fenmeno acontece devido

    diferena entre os meios de propagao.

    Podemos definir a refrao como sendo o fenmeno que consiste na mudana de

    direo de propagao dos feixes de luz quando esses passam de um meio para outro.

    No ano de 1620, o matemtico e astrnomo holands Snell Descartes descobriu uma

    relao para calcular o ngulo de desvio dos raios solares. Essa relao leva o seu

    nome Lei de Snell e pode ser escrita da seguinte forma:

    n1sen1 = n2sen2

    Onde:

    n1 e n2 so os ndices de refrao;

    1 e 2 so os ngulos de incidncia e de refrao.

    Ilustrao 5 fenmeno de reflexo e refrao

  • 11

    6. Forno Solar

    Um forno solar (concentrador de energia solar) um sistema ptico atravs do

    qual a radiao solar captada e concentrada numa pequena rea (geralmente numa

    caixa), onde so obtidas altas temperaturas capazes de cozinhar alimentos. Os fornos

    solares podem apresentar diversos tamanhos, desde paraboloides de 1 m2 at

    sistemas pticos de milhares de m2 com refletores conhecidos por helistatos. Os

    fornos solares so ferramentas ideais para o estudo de propriedades qumicas, pticas,

    eltricas e termodinmicas dos materiais no mbito de altas temperaturas, como o

    estudo das fases, vaporizao, fuso, purificao e estabilizao de material cermico,

    crescimento de cristais, calor especfico e condutncia trmica.

    O forno solar no geral constitudo de uma caixa com fundo preto e uma

    tampa de vidro capaz de ser atravessada pela radiao solar e possui abas refletoras. O

    fundo preto absorve a luz solar e converte-a em radiao infravermelha, que no passa

    pela tampa de vidro, criando o efeito estufa. Desta forma, possui a capacidade de

    atingir temperaturas na ordem dos 150C sendo capaz de cozinhar e aquecer

    alimentos.

    Ilustrao 6 - Exemplo de um forno solar

  • 12

    7. Tipos de fornos

    Existem trs tipos de fornos pelos quais poderemos optar, nomeadamente,

    forno solar em painel, forno solar em parablica e forno solar em caixa. Estes trs tipos

    de forno apresentam algumas caractersticas diferentes como vamos analisar em

    seguida:

    Forno Solar em Caixa A variedade mais comum e popular , provavelmente,

    o forno de caixa. A sua concepo baseada no conceito de um forno tradicional

    moderno onde o alimento colocado dentro de uma caixa isolada, para fins de

    manuteno ou prendendo os raios solares que foram convertidas em energia

    calorfica.

    Para os raios solares serem convertidos em energia calorfica tm de atingir o

    utenslio de cozinha (panela), geralmente passando por uma cobertura transparente

    (vidro, plstico). A caixa pode ser feita de qualquer tipo de material, tais como,

    madeira, plstico. Normalmente duas caixas de vrios tamanhos so necessrios a fim

    de ser capaz de se adaptar uma menor dentro da maior, criando assim uma abertura

    ou um espao em torno da pequena caixa, que pode ento ser preenchida com l de

    vidro, cortia ou esferovite, para formar uma barreira isolante entre as duas caixas de

    forma a impedir a fuga de calor.

    Por fim, uma tampa transparente no topo da caixa necessria para permitir

    que os raios solares entrem na caixa, e ao mesmo tempo evitar o escape dos raios

    (UV), que j se tornaram energia solar (calor), como possvel observar na fgura2.

    Os painis refletores so adicionados para concentrar os raios solares, para a

    panela de forma a obter-se maiores temperaturas e eficcia.

    Estes fornos podem atingir temperaturas de 150C.

    Ilustrao 7 - Forno Solar em Caixa

  • 13

    Forno Solar Parablico Este tipo de forno, geralmente, o mais difcil de

    construir, devido ao seu design e aos materiais necessrios. O forno parablico tem a

    forma de um prato parablico que direcciona os raios UV para a panela. Esta encontra-

    se no percurso onde a concentrao de energia solar mais alta, como possvel de

    observar na figura 3.

    O forno parablico pode atingir temperaturas elevadas (200C) mais

    rapidamente, por isso, os alimentos so cozinhados de forma mais rpida, no entanto,

    frequentemente tem que se ajustar o angulo da parablica para uma maior eficcia.

    Alguns fornos parablicos so limitados na quantidade de alimentos que

    possvel preparar ao mesmo tempo, uma vez que tm geralmente apenas um

    recipiente que suspenso no centro do caminho da mais alta concentrao de energia

    solar, mas como mencionado anteriormente podem cozinhar mais rpido.

    Ilustrao 8 - Forno Solar Parablico

  • 14

    Forno Solar em Painel Este tipo de forno incorpora elementos do forno de

    caixa e do forno parablico. usado um reflector com painis que concentra os raios

    solares num recipiente de cozinha (panela), que tem que ser escurecida, envolta em

    um saco transparente isolante ou num recipiente de vidro transparente. Estes fornos

    so simples de construir e requerem relativamente poucos materiais e ferramentas.

    Alm disso, estes fornos no exigem tanto de ajuste e de superviso como os fornos

    parablicos, como possvel observar na figura 4.

    Os fornos solares permitem que os alimentos atinjam temperaturas internas

    idnticas s de um fogo com baixa potncia, no entanto, continuam a ter

    temperaturas elevadas (105C a 120C).

    Ilustrao 9 - Forno Solar em Painel

  • 15

    8. Fornos Solares Definio da soluo

    Os fornos solares so utilizados na converso trmica da radiao solar para

    cozinhar ou aquecer alimentos.

    Como tal, depois da pesquisa anteriormente realizada optmos pelo forno em

    caixa constitudo pelos seguintes elementos

    Ilustrao 10 Elementos constituintes do forno

    A escolha foi realizada com base nas vantagens que este possui em relao aos

    restantes tipos de fornos, nomeadamente por este ser mais verstil e apresentar mais

    funcionalidades, tais como o facto de existir a possibilidade de este conservar o calor

    no seu interior por mais tempo, e no apresentar riscos na sua utilizao.

  • 16

    9. Materiais

    Na construo do forno solar, os materiais utilizados so muito importantes.

    Tem que se ter em ateno a sua resistncia, pois estes podem estar em contacto com

    temperaturas muito elevadas. Tambm no se pode descuidar a sua resistncia,

    relativamente humidade, uma vez que libertado vapor de gua.

    Desta forma, existem quatro tipos de materiais:

    Materiais estruturais garantem a estabilidade dimensional do conjunto

    (madeira, carto, plstico, cimento, tijolos refratrios);

    Materiais de isolamento minimizam as perdas trmicas do conjunto (l de

    vidro, esferovite, cortia);

    Materiais refletores minimizam as perdas trmicas no interior do forno e

    podem concentrar a radiao solar no interior (folha de alumnio, espelhos);

    Materiais transparentes permitem a criao do efeito de estufa no interior da

    caixa (vidro, plstico, lentes);

  • 17

    9.1 Materiais estruturais

    Neste projeto fundamental a escolha de um material estrutural que possua

    uma boa resistncia trmica para que o nosso forno tenha o mximo rendimento.

    Propriedades da madeira:

    Higrospicidade

    Leve

    Durabilidade

    Dureza

    Resistncia compresso

    Resistncia traco

    Resistncia flexo

    Propriedades do Plstico:

    Higinico e assptico,

    Leve

    Durvel e fivel

    Resistncia compresso

    Resistncia traco

    Resistncia flexo

    Resistncia trmica

    Propriedades do tijolo refratrio:

    Alta resistncia trmica

    Baixa densidade

    Resistncia mecnica

    Inodoro

    No deteriorvel

    Incombustvel

  • 18

    9.2 Materiais de Isolamento

    Neste projecto fundamental a escolha de um bom isolante trmico para que

    o nosso forno tenha o mximo rendimento.

    Um isolante trmico pode ser definido como um material que dificulta a

    dissipao de calor ou seja, estabelece uma barreira passagem do calor entre dois

    meios que normalmente tenderiam a igualar as suas temperaturas. Neste caso em

    especifico necessrio um bom isolante para que o calor no passe da parte de dentro

    para a parte de fora do forno.

    O esferovite, a l de vidro, a l de rocha e o aglomerado de cortia so alguns

    dos materiais que podem ser utilizados como isolantes por terem uma condutividade

    trmica baixa como se pode observar na tabela seguinte.

    Aps analisadas as condutividades trmicas dos materiais observa-se

    que se destaca a l de rocha e o aglomerado de cortia.

    Material Condutividade Trmica (W.m/K)

    L de vidro 0,065 a 0,056

    Esferovite 0,045 a 0,034

    L de rocha 0,041 a 0,03

    Aglomerado de cortia 0,039

  • 19

    9.3 Materiais Refletores

    tambm de grande importncia a escolha de materiais refletores adequados

    para que a reflexo dos raios solares seja grande e uniforme. Existem vrios tipos de

    materiais que podem ser utilizados nesta funo como por exemplo o alumnio ou

    espelhos.

    Neste caso necessrio ter em ateno os ndices de refleco dos materiais

    para que seja refletida a mxima radiao possvel para a zona onde se encontram os

    alimentos.

    Espelhos

    Espelhos planos

    Quando um raio luminoso reflectido em uma superfcie polida, o ngulo de

    incidncia igual ao ngulo de reflexo, considerados em relao normal. Se a

    superfcie reflectora for plana, o espelho denominado plano.

    Ilustrao 11 Espelho plano

    As principais propriedades de um espelho plano so:

    A simetria entre os pontos do objeto e imagem;

    Maior parte da reflexo que acontece regular.

    Propriedades das imagens nos espelhos planos:

    A imagem se forma atrs do espelho (imagem virtual) atravs do

    cruzamento dos prolongamentos dos raios que incidem o espelho, e a

    mesma tem o mesmo tamanho do objeto;

  • 20

    A distncia do objeto ao espelho igual distncia da imagem ao

    espelho, portanto, so simtricos;

    H reverso da imagem (direita para a esquerda ou vice-versa, mas no

    de baixo para cima);

    Cada imagem corresponde a um objeto;

    A imagem e o objeto no se sobrepem.

    Espelhos Esfricos (Cncavos e Convexos)

    Espelho esfrico toda e qualquer superfcie espelhada (refletora), na forma de

    uma calota esfrica. O espelho esfrico pode ser cncavo ou convexo, dependendo da

    face onde se encontra a superfcie refletora. Se a parte espelhada for externa, ento o

    espelho convexo. Se a parte espelhada for interna, o espelho chama-se cncavo.

    Ilustrao 12 Espelho Esfrico Cncavo Ilustrao 13 Espelho Esfrico Convexo

  • 21

    Focos dos espelhos esfricos

    Para os espelhos cncavos pode ser verificar que todos os raios luminosos que

    incidirem ao longo de uma direo paralela ao eixo secundrio passam por (ou

    convergem para) um mesmo ponto F - o foco principal do espelho.

    No caso dos espelhos convexos, a continuao do raio refletido que passa

    pelo foco. Tudo se passa como se os raios refletidos se originassem do foco.

    A reflexo da luz em espelhos esfricos como a reflexo da luz em espelhos

    planos, isto , as duas leis da reflexo tambm so obedecidas neste tipo de espelho.

    Ilustrao 16 - Reflexo em Espelhos Esfricos

  • 22

    9.4 Materiais transparentes

    Como foi referido no documento inicial, necessria a utilizao de um

    material transparente para que os raios solares entrem para o forno, e ao

    atravessarem o material, a radiao perde energia, o que a impossibilita de voltar a

    sair.

    Existem dois tipos de materiais que podemos utilizar, vidros ou lentes. A

    utilizao de uma lente seria o ideal, uma vez que esta actua como um concentrador

    de radiao e poder aumentar a eficincia do nosso forno. No entanto existe um

    seno para o uso destas, a radiao pode ser excessiva fritando assim os alimentos.

    Lentes

    Lente um meio transparente limitado por duas superfcies curvas. A forma

    mais comum de lentes so as de faces esfricas, ou uma face plana e outra esfrica,

    denominadas por Lentes Simples.

    Para efeito de classificao, pode-se dividir as lentes em dois grupos: as lentes

    convergentes e as divergentes. As lentes convergentes so mais espessas na parte

    central, ao passo que as lentes divergentes so mais espessas nas bordas. O centro de

    curvatura C1 o centro da esfera de raio R1 que origina uma face da lente; o centro C2

    o centro da esfera de raio R2 que origina a outra face da lente. A linha que une os

    dois centros de curvatura denomina-se de eixo principal.

    Uma importante simplificao no tratamento matemtico das lentes abstrair

    a sua espessura. Com este propsito, cria-se a figura da lente delgada, isto , uma

    lente cuja espessura pode ser desprezada para todas as finalidades de formao de

    imagem.

    Um feixe de raios paralelos ao eixo principal, incidindo numa lente

    convergente, refracta-se, convergindo para um ponto denominado foco F. A distncia

    do centro geomtrico da lente ao foco a distncia focal f da lente. Se o feixe incidir

    numa lente divergente, o feixe se refracta, divergindo de um ponto localizado no

  • 23

    mesmo lado do feixe incidente, formando o foco virtual, como possvel verificarmos

    na figura 17 e na figura 18.

    Ilustrao 17 Lentes Delgadas Convergentes Ilustrao 18 Lentes Delgadas Divergentes

    Conhecendo-se o tamanho (O) e a distncia (p) de um objecto em relao a

    uma lente, e a direco de incidncia de dois dos trs raios principais, pode-se

    determinar graficamente o tamanho (I) e a distncia (p') da imagem.

    Os trs raios principais de uma lente convergente so:

    1. Um raio paralelo ao eixo principal refracta-se na lente passando pelo foco;

    2. Um raio que passe pelo centro geomtrico no sofre desvio (porque a

    lente delgada e o centro geomtrico coincide com o centro ptico);

    3. Um raio que passe pelo foco refracta-se na lente e sai paralelamente ao

    eixo principal.

    Ilustrao 19 Raios Principais na Lente Convergente Ilustrao 20 Raios Principais na Lente Divergente

  • 24

    Vidros

    Em cincia dos materiais o vidro uma substncia slida e amorfa que

    apresenta temperatura de transio vtrea. O termo refere-se a um material cermico

    transparente geralmente obtido atravs do arrefecimento de uma massa lquida

    base de slica.

    Na sua forma pura, o vidro um xido metlico de elevada dureza,

    essencialmente inerte e biologicamente inativo. Estas propriedades desejveis

    conduzem a um grande nmero de aplicaes. No entanto, o vidro geralmente frgil.

    O vidro comum obtm-se por fuso do dixido de silcio, (SiO2), carbonato de

    sdio (Na2CO3) e carbonato de clcio (CaCO3), atravs de temperaturas superiores a

    200C.

    O componente bsico do vidro a slica. Entretanto, os problemas de

    manufatura tm historicamente levado introduo de outros materiais de forma a

    facilitar a produo e melhorar a qualidade. Infelizmente esses materiais trouxeram

    com eles um declinador das propriedades que agora procuramos.

    Considerando o nmero de materiais disponveis e necessrios para fabricar o

    vidro, pode-se constatar que o nmero de tipos de vidro que podem ser feitos

    infinito, com composies e desempenhos muito variveis.

  • 25

    Propriedades e Funes do Vidro

    Propriedades Fsicas

    As propriedades intrnsecas e essenciais do vidro so transparncia e

    durabilidade. Outras propriedades tornam-se significantes de acordo com o uso que

    colocado ao material. Os vrios fluidos e modificadores que so introduzidos para

    facilitar a manufatura, tem efeito nessas propriedades, e o desenvolvimento do design

    do vidro tem identificado uma larga srie de composies para permitir a realizao de

    especficas propriedades fsicas. As principais propriedades significantes so:

    Transmisso de luz/radiao, reflexo, absoro

    ndice de Refrao

    Propriedades Trmicas

    Resistncia

    Dureza e Resistncia abraso

    Durabilidade Qumica

    Durabilidade s Intempries

    Densidade

    Resistncia ao Fogo

    Isolamento Acstico

    A Transparncia e o Foto

    O conceito de transparncia exige considerao nos termos de partculas

    interagindo com a estrutura atmica dos materiais. Conhecer como os fotes viajam

    atravs do vidro, e mantm ou perdem a sua energia em relao ao comprimento de

    onda, particularmente importante, no desenvolvimento de novos materiais com o

    prognstico de desempenhos de transmisso.

    O vidro, ao contrrio de outros materiais de construo como o beto, madeira

    e o ao, transparente parte visvel do espectro solar, tornando-o um produto muito

    especial para a arquitectura e para mltiplos usos.

  • 26

    A teoria das partculas da radiao electromagntica prope que a luz consiste

    de fotes de diferentes nveis de energia, e que esses nveis correspondem s cores

    que vemos. A energia do foto inversamente proporcional ao comprimento de onda:

    quanto maior a energia do foto menor o comprimento de onda. Os fenmenos da

    transmisso e da absoro esto relacionados com a aco que os fotes tm nos

    electres dos tomos e molculas dos materiais.

    Quando absorvido por um material, um foto capaz de perder o excesso de

    energia para as vibraes da matriz, resultando no aumento da temperatura do

    material que ento emite esse calor como radiao de ondas longas.

    Para ser perfeitamente transparente, um material deve ser tal que a separao

    da energia de valncia do estado do electro no corresponda energia do foto.

    Se essa condio no for alcanada e o material tiver nveis de energia de

    separao correspondentes energia do foto de uma cor particular, ento essa cor

    ser absorvida.

    Num vidro ou outro material colorido transparente, os fotes na regio visvel

    no so absorvidos. Na maioria dos vidros, a energia de separao de valncia dos

    electres esto na parte ultravioleta do espectro, pelo qual o motivo que eles so

    normalmente absorvidos pela luz ultravioleta.

    Um transmissor perfeito permitiria a passagem de toda a energia do

    comprimento de onda considerado. O vidro nas suas vrias formas, e as capas que

    podem ser aplicadas nele, transmite a luz em diferentes comprimentos de onda e

    propores.

    A Transmisso da Luz no Vidro

    A transparncia um fenmeno complexo.

    Um vidro tpico tem um coeficiente de transmisso de 60 a 80% entre 400 e

    2500nm.

    Os vidros coloridos ou tingidos tm uma aparncia e desempenho derivando de

    graus diferentes de absoro e transmisso fornecido por qumicos no derretimento.

  • 27

    O desempenho de um vidro com um transmissor um resultado da

    transmisso selectiva atravs de bandas de ondas ultravioleta, luz visvel e

    infravermelha.

    A gama de selectividade de transmisso entre luz e calor limitado pelo facto

    de que 53% de toda energia na radiao solar est no espectro visvel. Portanto no

    possvel diminuir a transmisso de radiao total abaixo de 50% sem afectar a

    transmisso de luz.

    A cor aparente de um vidro o resultado da absoro selectiva da gama visvel

    espectral. Desta forma, um vidro verde aparece desta cor por causa da reflexo da luz

    em direco ao observador ter sofrido absoro da luz de outros comprimentos de

    onda espectral. Adicionando colorantes, a transmisso da luz do vidro reduzida.

    Vidros comerciais correntes, usualmente introduzem colorantes ao mesmo tempo que

    reduzem o contedo de xido de ferro, e assim diminuem a viso.

    ndice de Refraco

    O ndice de refraco para o vidro varia de acordo com o comprimento de onda

    da radiao considerada e o ndice de todos os vidros diminui com o aumento do

    comprimento de onda. O ndice de refraco mais importante para o uso ptico.

    Quando a luz passa de um material opticamente mais denso ele

    refraccionado da normal. Num ngulo crtico reflectido de volta da superfcie, e

    retido dentro do material opticamente mais denso.

    Propriedades Trmicas

    Propriedades trmicas significantes incluem:

    Temperatura mxima de trabalho

    Calor especfico

    Condutividade trmica

    Expanso trmica

    Transmisso Trmica

    O desempenho mecnico do vidro como um produto de uma fuso e como um

    material naturalmente quebradio, altamente dependente das suas propriedades

    trmicas.

  • 28

    Todos os vidros so caracterizados por trs pontos de temperatura, que

    relacionam-se com as viscosidades exibidas:

    - Ponto de Amolecimento: Nessa temperatura o vidro funde prontamente sob

    carga, e importante para o processo de manufactura. A viscosidade de log n = 7,8

    Poises.

    - Ponto de Recozimento: esse o ponto sobre o qual a tenso do vidro

    aliviada rapidamente. A viscosidade de log n = 13,0 Poises

    - Ponto de Tenso: a temperatura sobre a qual libertada a tenso e o fluxo

    comea a ter efeito, a temperatura efectiva de trabalho. A viscosidade de log n =

    14,5 Poises.

    Temperaturas mximas de trabalho para os Pontos de Tenso

    Vidros de soda-cal - 520C

    Vidros de borossilicato - 515C

    Slica fundida (pyrex) - 987C

    Deve-se notar que as vantagens do borossilicato no so devido temperatura

    de trabalho mas sim pela resistncia ao choque trmico.

    Calor Especfico

    a medida da quantidade de calor necessrio para aumentar a temperatura do

    material em 1C por cada unidade do seu peso.

    O calor especfico dos vidros praticamente constante, variando cerca de 25%.

    Condutividade Trmica

    Expressa o quo rapidamente o calor passa atravs de um material, medido

    aqui em W/mC.

    Essa propriedade varia muito nos materiais. O valor para o vidro de soda-cal

    de 1,02 W/mC, 1,13 W/mC para o borossilicato e 1,38 W/mC para slica fundida.

    So valores muito baixos comparados com 71,0 W/mC do ferro e 218,5 W/mC do

    alumnio.

    Expanso Trmica

    uma propriedade crtica no projecto, devido necessidade de criar espao em

    torno dos elementos que expandem e por causa dos problemas de diferenas de

    expanso entre materiais que so combinados para trabalharem juntos num elemento

    de construo.

  • 29

    Vidros com baixo coeficiente de expanso trmica tm intrinsecamente boa

    resistncia ao choque trmico.

    Transmisso Trmica - coeficiente U

    As transferncias trmicas atravs de uma parede por conduo, conveco e

    radiao so expressas pelo coeficiente U. Este representa o fluxo de calor que

    atravessa 1m de parede para uma diferena de temperatura de 1C entre o interior e

    o exterior de um local. Quanto mais pequeno for o coeficiente U menor so as perdas

    trmicas. A parede envidraada constituda por vidro simples de 6mm apresenta um

    coeficiente U de 5,7W/m.K, j o vidro duplo tradicional tem um valor U de 2,7W/m.K.

    Grupos Qumicos dos Vidros

    Vidros de Soda-cal: Estes so os vidros mais comuns, usados no vidro plano,

    lmpadas, recipientes. A famlia de soda-cal a usada no desenvolvimento do

    processo float o vidro ainda no derretido, flutua em estanho derretido, quando o

    vidro ganha a espessura desejada, recozido, arrefecido e recortado.

    Vidros de Slica Fundida ou Quartzo: Esses incluem o nico componente do

    vidro realmente importante, e caracterizado por altas temperaturas de fuso e

    trabalho, um coeficiente de expanso trmica baixo (e assim resistncia ao choque

    trmico), e alta resistncia qumica. O seu alto ponto de fuso torna-o caro e difcil de

    produzir como um vidro derretido primrio. Os vidros dessa famlia so aplicados em

    laboratrios de alta tecnologia.

    Vidros de Borossilicato: Este tipo de vidros so muito resistentes corroso

    qumica, e tm um coeficiente de expanso trmica baixo, um tero do coeficiente do

    vidro de soda-cal (ainda que seis vezes o da slica fundida). Esta famlia de vidros tem

    uma enorme gama de usos: utenslios domsticos (Pyrex) e de laboratrios, lmpadas

    e ainda usado em vidros resistentes ao fogo aumentando a resistncia ao impacto e

    baixando o coeficiente de expanso.

  • 30

    Vidros de Chumbo: um vidro com baixas temperaturas de fuso e trabalho,

    possui um alto ndice de refratividade e densidade. A quantidade de xido de chumbo

    pode variar muito (at trs vezes), e vidros com alto teor de chumbo (onde o xido de

    chumbo compreende at 80% do total) so usados como protectores de radiao.

    Vidros de Silicato de Alumnio: Enquanto ainda compreende mais de 50% de

    slica, o alumnio, contudo, nesses vidros dez vezes maior do que nos de soda-cal. O

    xido de boro tambm est presente, e o vidro resultante tem uma grande

    durabilidade qumica.

    Produtos do Vidro Plano

    Vidros com Lminas (Impressos): Os vidros com lmina distinguem-se dos

    vidros planos em razo do seu mtodo de manufactura, antes dos materiais que o

    contm. Apesar disso esta uma importante famlia a se considerar, envolvendo a

    modificao de uma ou ambas as superfcies durante o processo de laminao, eles

    compreendem um grupo de vidros no qual a natureza da transparncia alterada:

    distores na superfcie alteram o padro de transmisso da radiao por refraco, e

    resulta em obscuraes visuais. O desenvolvimento recente no desenho e manufatura

    de padres abriram uma nova gama de produtos.

    Vidros com lminas convencionais incluem os seguintes produtos:

    Vidro Natural: Este um produto laminado com ou sem uma forma padro,

    produzido pelo processo de laminao simples porque opticamente plano,

    superfcies paralelas no so exigidas. O padro, se existe um, aparece em uma

    superfcie somente.

    Vidro Ornamental: Esta categoria cobre o grupo de vidros desenhados para

    obscurecer tanto para efeito decorativo como para alta disperso e reduo do brilho

    ofuscante.

    Vidro Greenhouse: Essa uma forma mais precisa, com uma superfcie

    especialmente desenhada para dispersar eventualmente a radiao solar.

    Vidro Aramado: Esse usa mtodos de laminao para implantar uma malha

    de arame no vidro para sustent-lo junto no caso de quebra, por dano mecnico ou

    fogo. Pode ser natural ou polido. Tradicionalmente vidros aramados tm tido um lugar

  • 31

    importante no projeto de edifcios, sendo um produto que foi cedo considerado

    conveniente para certos locais de risco.

    Vidro em Perfil: A forma mais comum de perfil produzida em U, que tem a

    vantagem de ser auto-portante. Esses vidros so geralmente translcidos, antes de

    transparentes, dando a natureza dispersiva da superfcie criada durante a

    manufactura.

    Vidro Antigo: Essa famlia que compreende vidros fabricados pelos mtodos de

    sopro, desenho ou outro, mantm vivo os velhos mtodos de produo na arte de

    fazer vidros.

    Vidro Anti-Reflectivo: A reflexo da luz golpeando perpendicularmente a

    superfcie do vidro de cerca de 4%, e essa aumenta medida que o ngulo torna-se

    oblquo. A necessidade de boa viso atravs de um vidro sem ser interrompida pela

    reflexo na superfcie usualmente requerida por vidros e gravuras. Existe,

    entretanto, muitas aplicaes onde tal vista uma vantagem, ou essencial como em

    lentes e ptica.

    Vidros Temperados: Endurecido, ou temperado, uma das duas maneiras

    geralmente usadas para melhorar a resistncia do vidro, ao mesmo tempo alterando

    as suas caractersticas de quebra. Os termos diferem nas diferentes partes do mundo,

    mas uma distino geralmente feita entre o temperado (totalmente temperado) e o

    semi-temperado. O temperado necessrio para dar uma fora genuna ao produto; o

    semi-temperado usado para aumentar a resistncia ao esforo trmico.

    O processo de temperamento envolve o aquecimento e rpido apagamento do

    vidro. A temperatura atingida em torno de 150C acima da temperatura de

    transformao, e o vidro assim plstico. O arrefecimento da superfcie a solidifica,

    enquanto o interior do vidro arrefece e contrai-se. medida que o interior continua a

    contrair, ele coloca a zona superficial em compresso, e estendido em tenso. Num

    material tpico 60% da parte interior est em tenso, e a parte superficial,

    correspondendo a 20% em cada lado est em compresso. Um vidro produzido nesse

    estado exibe a caracterstica de quando quebrado fragmenta-se em pequenos

    pedaos, comparativamente seguro, sem bordas pontiagudas.

    Todos os vidros planos incluindo os vidros de borossilicato, podem ser

    temperados. O processo sem dvida transforma o vidro num produto superior em

  • 32

    termos de resistncia que tem, entretanto, a desvantagem significante de no poder

    ser trabalhado.

    Vidros Quimicamente Reforados: Esses vidros so produzidos substituindo

    ies pequenos da zona superficial do vidro por ies grandes, assim colocando a

    superfcie sob compresso como nos vidros temperados. O processo muito lento e

    mais indicado para vidros muito finos que no podem ou so muito difceis de serem

    temperados. O uso corrente de lentes pticas reforadas e lmpadas elctricas.

    Vidros Laminados: Esses produtos estendem-se desde simples vidros de

    segurana at complexos sistemas multicamadas e na combinao de vidros e

    plsticos, constituem um grupo de vidros extremamente importante.

    O princpio bsico por trs do uso do vidro laminado a combinao do vidro

    rgido e durvel mas quebradio, com as propriedades elsticas do plstico. A chave

    para o sucesso a adeso, e a tcnica de manufactura convencional envolve o uso de

    uma folha de polivinil butiral (PVB). Ele colocado entre duas camadas de vidro,

    comprimido e ento autoclavando volta de quatro horas a 140C sob uma presso de

    120 lb/sq. O tratamento transforma o PVB numa camada adesiva clara e rija. Uma

    grande gama de produtos est disponvel e a tcnica proporciona campo de aco para

    a criao, mas o produto mais simples a folha padro de 6.4mm, compreendendo

    duas folhas de vidro de 3mm e uma intercamada de 0.4mm de PVB. Tais vidros

    apresentam quatro principais vantagens sobre o uso do vidro plano sozinho:

    - Segurana: o vidro numa vidraa quebrada permanecer aderido camada

    de PVB, minimizando o risco de danos e ferimentos;

    - Garantia: vidros laminados, particularmente produtos multi-laminados,

    podem proporcionar resistncia a severos ataques armados ou exploso.

    Multicamadas de at 100mm ou mais podem ser produzidos;

    - Reduo Sonora: A camada elstica de PVB proporciona um efeito de

    amortecimento na presso das ondas sonoras.

    - Trabalhabilidade: Vidros laminados podem ser cortados com o tamanho

    desejado depois da manufactura, o que o torna muito conveniente para o uso como

    envidraado de segurana simples, onde o tamanho das esquadrias pode variar.

  • 33

    Uma gama adicional secundria de caractersticas de desempenho pode ser

    introduzida pelo uso de intercamadas tingidas que o transforma num produto

    laminado absorvente de calor.

    Enquanto a laminao com PVB a mais convencionalmente usada, o sucesso

    de produtos manufacturados com combinao de camadas estende-se ao uso de

    outras tcnicas e materiais.

    Vidro Aramado: Uma malha ou filamentos de ao na camada interior pode

    acrescentar segurana ao vidro.

    Vidros com Alarme: Uma fiao pode ser incorporada na camada interior,

    conectada ao circuito elctrico de alarme que dispara o alarme quando quebrado.

    Alternativamente uma camada condutiva pode ser usada.

    Vidros Temperados: A tcnica de produzir camadas temperadas j foi

    descrita, mas um mtodo alternativo usa elementos aramados muito finos na camada

    intermediria.

    Vidros com Superfcie Selada: Anlogo ao reforo qumico, mas totalmente

    diferente na inteno e nos materiais, um processo novo que modifica quimicamente

    a superfcie do vidro e aumenta a durabilidade s intempries.

    Sistemas de Vidros Compostos

    A laminao baseada no princpio da combinao de finas camadas de

    material unidas para proporcionar um produto que tem as propriedades e vantagens

    de um material, para servir a dado propsito.

    A combinao de propriedades ainda melhor quando obtida na composio

    de sistemas de vidros, na qual o vidro fornece um anteparo exterior durvel para um

    interior desenhado para uma funo especfica.

    Envidraado Mltiplo: A forma mais simples e mais usada de reunir uma

    unidade de envidraado mltiplo usualmente presente atravs do vidro duplo e

    triplo. Pelo simples recurso de capturar uma fina fatia de ar seco, com uma

    condutividade trmica de 0,025 W/mC, entre duas folhas de vidro, o valor da

    transmisso trmica de uma janela pode ser reduzido de 5W/m.K para 3W/m.K ou

    menos. O uso de vidros tingidos, camadas e de gases na cavidade que tem um

    desempenho melhor que o ar, tem habilitado o vidro duplo a ser produzido com

  • 34

    valores de transmisso trmica de 1,4 W/m.K, quase o mesmo valor de uma parede

    dupla de tijolos rebocada. medida que as pesquisas e desenvolvimentos

    prosseguem, provvel que esses valores melhorem.

    As tcnicas de manufactura dos vidros duplos e triplos tm sido

    consideravelmente melhoradas nos ltimos vinte ou trinta anos. Os maiores

    problemas de desempenho so fsicos, relacionados com a manuteno do ar seco

    propriamente selado na cavidade.

    Mais recentemente, tcnicas que usam um agente secante perfurando

    extruses de alumnio, tm sido criadas e sistemas selantes, usando epoxy, polisulfido

    ou selantes de butil, ou ainda sistemas de vidros duplos usando polisobutileno e um

    selante secundrio de polisulfidio, poliuretano ou silicone.

    As cavidades podem variar de 4mm a 20mm ou mais, para satisfazer as

    exigncias de desempenho.

    A mistura de vidros claros e tingidos, temperados ou de outra maneira, e

    muitas vezes com capas, em sistema de envidraado mltiplo o que mais tipifica o

    estado da arte de envidraados no presente, mas no de maneira alguma a nica

    tcnica usada em vidros compostos.

    Produtos que, em resposta uma exigncia funcional, combinarem as

    propriedades transparentes do vidro com outros materiais, num produto selado, esto

    agora a aparecer no mercado. Eles so caros, mas representam solues alguns dos

    problemas mais intratveis de um envidraado.

    Envidraado com Cavidade Difusora: A difuso pode ser proporcionada num

    vidro por vrios meios: opalizando o vidro, gravando, introduzindo uma camada

    difusora num vidro laminado ou de outra maneira que modifique a superfcie.

    Dispositivos mais eficientes usam a cavidade de um vidro mltiplo para proporcionar a

    difuso da luz, isolamento trmico, e sistemas absorvedores do som. Um desenho

    tpico incorpora na cavidade tubos acrlicos claros com dimetros variando poucos

    milmetros agindo como uma fatia espaadora entre duas folhas de vidro, com um

    emaranhado de fibra de vidro branca ou colorida numa superfcie interna. Valores de

    transmisso trmica entre 3,4W/m.K para 8mm de malha, 2,6W/m.K para 12mm de

    malha e 1,0W/m.K para 48mm de malha so adquiridos. Os valores de isolamento so

    assim em torno de 15% melhores do que um vidro duplo com a mesma profundidade

  • 35

    de cavidade, no entanto no to bom como vidros duplos com uma camada de baixa

    emissividade.

    Envidraado Prova de Fogo: Vidros de borossilicato, pr-esforados,

    temperados podem manter a sua integridade por at duas horas ou mais, mas tem

    desvantagens, como folhas simples, de se tornarem extremamente quentes em caso

    de fogo, possivelmente causando ignio no lado onde no existia fogo. Eles podem

    assim conter um incndio nos termos dos gases, de aces das chamas, mas

    apresentam na superfcie, do outro lado, com 800C, ao mesmo tempo quente e

    deformada. Isso torna tais vidros inutilizveis em, por exemplo, meios de rota de

    escape. Criando um sistema mltiplo, utilizando vidro temperado, com as cavidades

    preenchidas com um gel polmero, o produto formado resiste expanso do fogo e

    proporciona isolamento trmico ao mesmo tempo.

    Neste tipo de sistema a cavidade preenchida com um gel polmero claro com

    uma alta percentagem de gua (cerca de 75%) e sais inorgnicos. No caso de incndio,

    o gel transforma-se numa crosta, que altamente isolante, e o calor latente da

    evaporao da gua absorve muito da energia calorfera. O vidro no lado do fogo

    eventualmente quebra numa temperatura de aproximadamente de 500C, mas no

    momento a crosta suficientemente forte para manter a integridade do painel.

    Quando a temperatura do lado do fogo atinge 700C, no outro lado do vidro a

    temperatura est em torno dos 20C. Testes mostraram que mesmo aps 30 minutos,

    com a temperatura do lado do fogo acima do 800C, o outro lado est com 60C, e o

    painel ainda resiste ao teste de impacto. Tais desempenhos so adquiridos com uma

    cavidade de 18mm para dar 30 minutos de resistncia. Uma cavidade preenchida de

    28mm atinge os 60 minutos, e 90 minutos com vidro triplo e com as duas cavidades

    preenchidas.

    Materiais como estes, com vidros de borossilicato, que suportam a

    temperatura enquanto fica muito quente, tm revolucionado a arquitectura de

    transparncia numa poca que a preocupao com a segurana grande.

    Membranas na Cavidade: O uso potencial de uma cavidade bem vedada, limpa

    e seca enorme. A instalao de uma membrana fina dentro de tais cavidades

    apresenta problemas de manufactura.

  • 36

    Um filme fino e claro de polister tem mltipla camada aspergida. O filme de

    polister instalado na cavidade em fbrica, para produzir um vidro triplo com a

    mesma ordem de peso de uma unidade convencional de vidro duplo, mas com o valor

    de transmisso trmica de 1,25 W/m.C. O filme sozinho pode ser capeado para

    produzir vrios desempenhos de transmisso, e pode ser instalado dentro de qualquer

    sistema de vidro duplo com os vidros disponveis normalmente para produzir uma

    larga gama de caractersticas de transmisses globais. Entretanto, difcil de fabricar

    sem pregas. O esticamento do material adquirido instalando o filme num espao de

    ar, aps o aquecimento estica-se, ambos processos so morosos e longe de fceis.

    Envidraado com Refraco na Cavidade: Um bvio, mas at recentemente

    no adquirido, objectivo num sistema envidraado usar o espao da cavidade de um

    sistema de vidro mltiplo como o lugar onde a proteco solar e a modificao da luz

    tem lugar. Problemas com o sobreaquecimento, vedao e custo tm conspirado para

    prevenir o seu aparecimento. O Lightsystem Siemens tipifica o que tais sistemas

    deveriam fazer. A injeco de uma placa moldada de acrlico, com espessura de 10mm

    ou mais, formado para ser plano de um lado e compreender prismas paralelos lineares

    no outro lado, colocado na cavidade do vidro duplo. Um conjunto de faces de

    prismas capeado com um filme fino de alumnio, para dar ao material que transmite

    a luz ofuscante um conjunto de direces, mas reflecte essa luz ofuscante para uma

    direco mais ou menos perpendicular. Dando ngulos e profundidades diferentes ao

    prisma esse sistema motiva um leque de produtos conhecidos como protectores

    solares.

    O sistema total no transparente no senso normal; tem o efeito de cortar a

    imagem transmitida em fatias. Entretanto, muito eficiente em redireccionar a luz

    assim como sendo um exemplo iluminador do uso das propriedades do vidro, durvel

    e forte, e do acrlico, muito claro e leve. A tecnologia de capeamento com filme fino

    usada nesse produto num componente plstico antes dum componente de vidro. um

    exemplo interessante e importante no modo como tecnologias diferentes podem ser

    combinadas para criar um produto.

    Envidraado com Vcuo: A necessidade de melhorar a resistividade trmica do

    envidraado de grande importncia, e os vidros de baixa emissividade tem ajudado

    muito nesse empreendimento. Entretanto, a ideia de evacuar a cavidade um

  • 37

    acessrio bvio para qualquer sistema de baixa transmisso, desde que ele iniba ou

    previna conduo e conveco do calor atravs da cavidade. A ideia j tem mais de

    cem anos, mas a dificuldade de manter o vcuo e dos panos resistirem defleco um

    em direco ao outro resultando da diferena de presso entre a presso atmosfrica

    exterior e o vcuo total ou parcial na cavidade. Trabalhos na Austrlia em 1992

    demonstraram que uma disposio de pilares podem ser produzidos, os quais eram

    verdadeiramente difceis de ver e criam um meio plano com transmisso trmica de

    0,6W/m.K ou melhor, dependendo da eficincia das camadas de baixa emissividade

    usadas. O vencimento dos problemas de manufactura e vida ainda esto a ser

    discutidos, e extensa literatura tcnica tem descrito progresso. Prottipos de um

    dipositivo de um metro quadrado desempenharam transmisses de 1,0W/m.K dos

    quais dois teros derivam da radiao e um tero dos pilares de separao.

  • 38

    10. Acumuladores de Calor

    Sistema de serpentinas para aquecimento do

    Forno Solar

    Este sistema consiste em fazer circular um fluido quente, neste caso a gua, no

    interior duma tubagem que vai ser instalada na base do forno solar. Esta tubagem

    instalada em serpentina e tem como funo aquecer o interior do forno solar.

    A gua quente vai ser fornecida ao sistema e nele circular com o auxlio de um

    sistema de bombagem, que vai captar a gua quente de um reservatrio instalado ao

    sol, neste caso um garrafo de 5 litros opaco.

    Ilustrao 21 - Exemplo de como pode ser instalada a tubagem na base do forno

    O sistema encontra se esquematizado na imagem 22 e funciona da seguinte

    forma: contem a tubagem na base do forno que se encontra ligada a uma bomba e

    essa bomba vai puxar o fluido da fonte de alimentao, o garrafo. Depois do fluido se

    encontrar no sistema fechada a vlvula para o fluido se manter em movimento

    contnuo e o fluxo constante na tubagem.

    Ilustrao 22(a) Forno Solar com Acumulador

  • 39

    Outra opo alternativa para evitar a bomba, colocar o

    depsito numa posio mais elevada que o forno solar, para assim

    a gua descer por aco da fora da gravidade para a tubagem

    colocada no interior do forno. O deposito ter a possibilidade de

    ser retirado do suporte para ser colocado no nvel abaixo do forno

    solar para retirar a agua da tubagem mais uma vez por aco da

    foa da gravidade. Com a agua novamente no deposito apenas

    necessrio voltar a monta-lo no suporte para aquecer novamente

    com a radiao solar e voltar a ser utilizada no forno solar.

    Materiais a utilizar:

    - Vlvula: sada do reservatrio de gua necessrio instalar uma vlvula,

    para assim permitir a entrada da gua na tubagem ou ento para retirar a gua

    novamente para o reservatrio e fechar.

    A vlvula a escolher de reduzidas dimenses e de plstico, visto que o sistema

    de reduzidas dimenses bem como o caudal de gua que vai circular.

    Ilustrao 23 Vlvula

    - Reservatrio: O depsito para armazenamento de gua um depsito de

    plstico de pelo menos de 5 litros. Este depsito tem de ser de cor negra, pois a sua

    instalao no sistema tem como objectivo aquecer a gua que tem no seu interior para

    depois ser libertada para o sistema. O facto da cor do depsito ter de ser negra

    devesse ao facto de absorver toda a radiao solar que nele incide e manter mais a

    energia trmica no seu interior, possibilitando assim a absoro da energia e

    transformao da mesma em energia trmica, aquecendo a gua que se encontra no

    seu interior como pretendido.

    Ilustrao 22(b) Forno Solar com Acumulador

    Ilustrao 24 Reservatrio

  • 40

    - Tubagem: A tubagem utilizada no interior do forno deve ser dum material

    resistente ao calor, visto que se atingem altas temperaturas no interior do mesmo.

    Para tal as serpentinas so constitudas de ao inoxidvel, para assim resistirem as

    altas temperaturas e para realizarem uma boa troca de calor.

    Ilustrao 25. Tubagem interior

    J no exterior do forno o material deve ser moldvel para permitir a deslocao

    do depsito consoante as necessidades. O tubo exterior deve assim ser de plstico

    para permitir a deslocao do forno e a deslocao do depsito possibilitando

    variaes de altura no caso de o depsito se encontrar mais elevado que o forno.

    Ilustrao 26 Tubagem do interior

    - Bomba: No caso de ser necessrio possuir uma bomba, esta ser de reduzida

    potncia e dimenses visto que o caudal de gua bastante reduzido. Esta bomba

    poder ser alimentada atravs da corrente elctrica ou de um painel solar, mas tal no

    possvel visto que o sistema implementado para funcionar na ausncia de luz solar.

    Ilustrao 27 - Bomba

  • 41

    11. Projecto Forno Solar

    Relativamente construo do projeto final, e aps alguma pesquisa terica,

    decidimos utilizar um conjunto de materiais que achamos adequados e aos quais

    temos acesso.

    Modo de construo:

    Para iniciarmos a construo do forno, vamos construir a base do mesmo. Para

    a qual ao nvel de materiais estruturais vamos utilizar 5 placas de madeira, de forma, a

    que esta tenha o formato de uma caixa. Optamos por fazer a estrutura do forno em

    madeira para se tornar mais leve e resistente. Nesta base tambm sero colocados 4

    rodas para permitir um fcil transporte (as rodas so aparafusadas na parte inferior

    externa da base).

    Ilustrao 28 Caixa de madeira

    Em seguida, forramos a caixa de madeira, na parte interior, com placas de

    cortia (material de isolamento), com as mesmas dimenses. Para isso, vamos utilizar

    cola base de formaldedo. A cortia um bom isolante e de fcil acesso. Esta cortia

    ser ainda forrada com fita adesiva de alumnio para permitir uma reflexo dos raios

    que incidem nas laterais interiores do forno.

  • 42

    Quando a base da caixa estiver concluda iremos inserir o sistema de

    serpentinas no fundo da mesma que vai estar ligado a um depsito, como ilustrado

    anteriormente.

    Em seguida, vamos inserir uma grelha acima da serpentina, aparafusando-a,

    para servir de suporte para a panela e separar esta do sistema de serpentinas.

    Relativamente aos materiais transparentes optamos pelo vidro, devido a este:

    Absorver os raios de luz;

    Resistente;

    ndice de Refrao;

    Propriedades Trmicas;

    Dureza e Resistncia abraso;

    Durabilidade Qumica;

    Resistncia ao Fogo.

    O vidro ser colocado na caixa de madeira atravs de uma pequena abertura

    que esta ir possuir, como esta ilustrada na figura 29.

    Ilustrao 29 Caixa com abertura para o vidro

    Em relao aos materiais refletores, vamos utilizar espelho plano, o qual

    iremos cortar em seces de 2cm por 2cm para que os raios incidentes tomem vrias

    direes para que estes atinjam todos os pontos do nosso foco.

    Os espelhos sero colocados numa superfcie de madeira (abas).

  • 43

    Ilustrao 30 Espelhos colados nas abas

    Ilustrao 31 Fixao da aba refletora com dobradias e a calha de fixao e regulao

    As abas refletoras vo ser fixadas caixa com a utilizao de dobradias e de

    uma calha para segurar as abas e assim possibilitar o seu ajuste, estando esta calha

    fixada na caixa do forno solar.

    As abas, quando colocadas na caixa, tem que ter uma pequena inclinao, de

    forma a captar o mximo de raios solares. Relativamente ao clculo desse ngulo de

    inclinao a que as abas devem ser colocadas, encontrmos valores de referncia para

    a inclinao solar em vrios dias do ano. Como o nosso forno vai funcionar por efeito

    de estufa irrelevante que os raios solares no incidam diretamente nos alimentos a

    cozinhar. Assim conclumos que para que os raios solares sejam dirigidos para dentro

  • 44

    do forno basta apenas que o ngulo das abas seja apenas cerca de 15 superior ao

    ngulo dos raios solares.

    Para o vero vamos utilizar um ngulo de 85 uma vez que atravs da

    anlise da ilustrao 30, para dia 21/6/14 a inclinao solar s 12H de 72,79.

    Para o inverno o ngulo da inclinao solar de 39 no dia 21/12/14 s

    12H, assim, vai ser utilizado um ngulo de 53 nos painis.

    Junto das dobradias das abas vo ser colocados os valores dos ngulo a que

    estes se encontram para que o nosso forno se possa adaptar s diferentes inclinaes

    solares que se verificam ao longo do ano.

    Ilustrao32- inclinao do sol a 21/6/14

  • 45

    Ilustrao 33-inclinao do sol a 21/12/14

    Aps calculado o ngulo das abas e terminada a projeo do forno decidiu-se

    instalar um Acumulador de Calor.

    Esse acumulador de calor ir ser formado por um garrafo que servira de

    depsito para gua, esse depsito estaria ligado a uma serpentina que se encontra no

    interior do forno que tem o objetivo de promover uma troca de calor entre o fludo e o

    interior do forno, como possvel observarmos na Ilustrao 34.

    Ilustrao 34 Modelo do forno

  • 46

    Esboo do Forno Solar

    Vista frontal do Forno Solar

    Vista de cima do Forno Solar

  • 47

    Vista tridimensional do Forno Solar

  • 48

    Custos dos materiais

    Materiais Quantidade Dimenses Custos Preo a

    pagar

    Placas de madeira 5 60cm*60cm

    2cm

    (espessura)

    4.55/m2 22.75

    Placas de madeira (Abas) 3 - - A designar

    Placas de cortia 5 60cm*60cm

    4cm

    (espessura)

    9.80/m2 49

    Espelhos 3 60cm*60cm 8.99/m2 26.97

    Vidro 1 60cm*60cm - A designar

    Dobradias 9 - 0.5/uni 4

    Calhas 3 20cm 1/uni 3

    Cola 2 500 ml 4.85/uni 9.68

    Parafusos 150 - 0.02/uni 2.8

    Fita adesiva de alumnio 1 50m (comp) - 7.33

    Roda giratria com travo 4 - 3.99/uni 15.96

    Serpentina 1 - - A designar

    Deposito 1 5 Litros - A designar

    Suporte 1 - - A designar

  • 49

    12. Concluso

    De entre os trs tipos de fornos solares existentes, decidimos optar pelo forno

    em caixa, uma vez que este tem o designe mais apropriado para a mxima captao e

    isolamento dos raios solares.

    Relativamente aos materiais, conclumos que estes esto includos em quatro

    categorias diferentes. Existem os materiais estruturais, os materiais isolantes, os

    materiais transparentes e os materiais reflectores. Cada um destes grupos divide-se

    em vrios subgrupos compostos por diferentes materiais. De uma gama variada e aps

    vrias pesquisas chegamos concluso que o material indicado no projecto o

    apropriado para a construo do forno solar, uma vez que, de fcil acesso e tem as

    propriedades necessrias para que o forno funcione. O material escolhido para

    estrutura a madeira, para o isolamento a cortia, o material transparente o vidro

    e por ltimo o material refletor o espelho.

    Achamos importante que o forno no fosse apenas utilizado em perodos

    solares, por isso decidimos juntar um acumulador de calor. Este acumulador ser

    constitudo por um depsito escuro que contem gua, esta ser aquecida durante o

    perodo solar, para circular atravs de um circuito de serpentinas.

    O projecto no foi concludo ao nvel da construo, no sendo por isso possvel

    relatar a eficcia do mesmo.

  • 50

    13. Bibliografia

    http://solarcooking.wikia.com/wiki/Solar_box_cookers

    http://www.solarcooker.nl/index.php?page=solartype&lang=uk

    http://nelson-avelar.planetaclix.pt/permacultura/energia/p_en_fornos.htm

    http://solarcooking.org/portugues/minimum-pt.htm

    http://homeguides.sfgate.com/three-main-types-solar-ovens-79592.html

    http://www.solarcookers.org/basics/how.html

    http://fornosolar.wordpress.com/2009/10/30/hello-world/

    http://www.solarovenreflectors.com/about-solar-cooking/types-of-solar-

    cookers

    http://www.colegioweb.com.br/trabalhos-escolares/fisica/reflexao-da-luz-

    espelhos-esfericos/tipos-de-reflexao.html

    http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/8223/open/fil

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    http://victaoml.files.wordpress.com/2009/10/apostila-de-fisica-35-e28093-

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    http://www.fisica.ufsc.br/~lab2/pdfs/exp09.pdf

    http://www.if.usp.br/gref/optica/optica3.pdf

  • 51

    http://www.uel.br/revistas/uel/index.php/semexatas/article/viewFile/1548/12

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    http://www.ifi.unicamp.br/AUGER/database/general/reports/leigui/pd1/node1

    3.html

    http://www.sofisica.com.br/conteudos/Otica/Reflexaodaluz/espelhoesferico.p

    hp

    http://www.colegioweb.com.br/trabalhos-escolares/fisica/reflexao-da-luz-

    espelhos-esfericos/raio-de-luz-paraxial-incidente-pelo-foco.html

    http://www.colegioweb.com.br/trabalhos-escolares/fisica/reflexao-da-luz-

    espelhos-esfericos/espelho-convexo.html

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    espelhos-esfericos/campo-visual-de-um-espelho-plano.html

    http://www.colegioweb.com.br/trabalhos-escolares/fisica/reflexao-da-luz-

    espelhos-esfericos/construcao-de-imagem-em-espelho-convexo.html

    http://www.colegioweb.com.br/trabalhos-escolares/fisica/reflexao-da-luz-

    espelhos-esfericos/formacao-de-imagens-em-espelhos-concavos.html

    http://pt.wikipedia.org/wiki/Espelho

    http://en.wikipedia.org/wiki/Speculum_metal

    http://astro.if.ufrgs.br/telesc/node2.htm

    http://www.efeitojoule.com/2009/04/fisica-espelhos-optica-espelhos-

    fisica.html

    http://www.sofisica.com.br/conteudos/Otica/Reflexaodaluz/reflexao.php

  • 52

    http://www.infoescola.com/fisica/leis-da-reflexao/