TCC Engenharia Mecanica

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Este trabalho tem como objetivo o estudo e a confecção de um forno/fogão que utiliza o sol como fonte de energia. O forno do tipo caixa será construído a partir placas de material reciclável utilizadas para construção de ambientes para trabalhadores da construção civil. Utiliza-se o EPS para o isolamento térmico do forno. O forno apresenta uma geometria diferente das utilizadas para fornos solares, sendo mais compacta e com um volume de ar reduzido. Far-se-á um estudo bibliográfico sobre a importância da energia solar e outras fontes de energia renováveis e sobre os tipos de fornos/fogões solares.

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Trabalho de Concluso de Curso

21. INTRODUO1.1. Apresentao do trabalho

Energia solar aquela proveniente do Sol (energia trmica e luminosa). Esta energia captada por painis solares, formados por clulas fotovoltaicas, e transformada em energia eltrica ou mecnica. A energia solar considerada uma fonte de energia limpa e renovvel, pois no polui o meio ambiente e no acaba.Dentre outras vantagens da energia solar tem-se que excelente em lugares remotos ou de difcil acesso, pois sua instalao em pequena escala no obriga a enormes investimentos em linhas de transmisso, em pases tropicais, como o Brasil, a utilizao da energia solar vivel em praticamente todo o territrio.O primeiro forno solar foi criado pelo naturalista francs Horace de Saussure em 1767. A cozinha solar de Horace constava de duas caixas de madeira de pinho, uma dentro da outra, isoladas com l e tinha trs coberturas de vidro.Os foges tipo caixa podem ter distintos nmeros de refletores externos, planos ou levemente cncavos. Caracterizam-se por permitirem a obteno de temperaturas de no mximo 150C, demoram a aquecer e sua operacionalizao, geralmente, no fcil. Por outro lado tm a vantagem de poder funcionar praticamente sem a interveno do usurio, mantendo o alimento aquecido durante um tempo prolongado. No produzem efeitos danosos ao usurio nem por contemplao nem por reflexo. So estveis e no apresentam riscos pela produo de chamas, no gerando, portanto, susceptibilidade a queimaduras. Este trabalho tem como objetivo o estudo e a confeco de um forno/fogo que utiliza o sol como fonte de energia. O forno do tipo caixa ser construdo a partir placas de material reciclvel utilizadas para construo de ambientes para trabalhadores da construo civil. Utiliza-se o EPS para o isolamento trmico do forno. O forno apresenta uma geometria diferente das utilizadas para fornos solares, sendo mais compacta e com um volume de ar reduzido. Far-se- um estudo bibliogrfico sobre a importncia da energia solar e outras fontes de energia renovveis e sobre os tipos de fornos/foges solares.Como tambm sobre o uso de foges solares como elemento de promoo social e de combate ao desequilbrio ecolgico e sobre os coletores de mdia concentrao, nos quais esto inseridos os foges solares, mostrando exemplos de suas aplicaes em todo o mundo, alm disso, foi realizado testes para observar a viabilidade do forno solar, analisando o tempo de cozimento de trs alimentos e as temperaturas obtidas pelo mesmo. de extrema importncia ressaltar que os materiais utilizados para confeco do forno solar so materiais de baixo custo, viabilizando o seu uso pelas camadas mais pobres da populao.

Figura 1 Material Reciclado

2. ESTADO DA ARTE

2.1. Importncia das Energias Renovveis

Energia renovvel aquela originria de fontes naturais que possuem a capacidade de regenerao, ou seja, no se esgotam. Como exemplos de energia renovvel, podemos citar: energia solar, energia elica (dos ventos), energia hidrulica (dos rios), biomassa (matria orgnica), geotrmica (calor interno da Terra) e mar-motriz (das ondas de mares e oceanos).De acordo com Wolfgang Palz no seu livro Energia Solar e Fontes Alternativas,a energia solar recebida pela terra a cada ano dez vezes superior contida em toda a reserva de combustveis fsseis. Mas, atualmente a maior parte da energia utilizada pela humanidade provm de combustveis fsseis Petrleo e carvo mineral. O uso exagerado desses combustveis tem mudado substancialmente a composio da atmosfera e o balano trmico do planeta provocando o aquecimento global, degelo nos polos, chuvas cidas e envenenamento da atmosfera e todo meio-ambiente. As previses dos efeitos decorrentes para um futuro prximo, so catastrficas. Alternativas como a energia nuclear, que eram apontadas como solues definitivas j mostraram que tendem a piorar a situao.O desenvolvimento das tecnologias para o aproveitamento das renovveis podero beneficiar comunidades rurais e regies afastadas bem como a produo agrcola atravs da autonomia energtica e consequente melhoria global da qualidade de vida dos habitantes. Certamente diminuiria o xodo rural e a m distribuio de renda, dos quais nosso pas tem pssimos quadros. Infelizmente, o Brasil tem investido muito pouco no desenvolvimento de tecnologias de aproveitamento dessas fontes, das quais um dos maiores detentores em nvel mundial.

2.2. Energia Solar

Energia solar aquela proveniente do Sol (energia trmica e luminosa). Esta energia captada por painis solares, formados por clulas fotovoltaicas, e transformada em energia eltrica ou mecnica. A energia solar considerada uma fonte de energia limpa e renovvel, pois no polui o meio ambiente e no acaba. A energia solar ainda pouco utilizada no mundo, pois o custo de fabricao e instalao dos painis solares ainda muito elevado. Outro problema a dificuldade de armazenamento da energia solar. Os pases que mais produzem energia solar so: Japo, Estados Unidos e Alemanha.

Cada metro quadrado da superfcie do sol emite cerca de 60 MW de energia eletromagntica, que so lanados no espao. A origem desta energia est em um conjunto de reaes termonucleares que ocorrem no ncleo do sol causando uma diminuio em sua massa da ordem de 4,25 milhes de toneladas em cada segundo. Embora esse dado seja avaliado como uma perda inimaginvel seriam necessrios 147 bilhes de anos (a idade de nosso sistema solar estimada em 08 bilhes de anos) de atividade solar, neste mesmo ritmo, para que a sua massa sofresse uma diminuio de um por cento (1%). (Souza, 1987).

Para entender o potencial basta fazer a seguinte anlise:Considere-se que a Terra recebe do sol, no nvel do solo, no mximo 1kW/m2, embora possa atingir maiores picos em algumas localidades. Excludas as regies rtica e Antrtica, ela recebe em mdia cerca de 3,6kWh/m2.dia. As massas continentais, excludas as regies rtica e Antrtica, possuem uma rea de cerca de 132,5 x 1012m2. Portanto, a incidncia solar sobre essas massas continentais 4,77 x 108GWh/dia. Logo, a incidncia em um ano de 1,74 X 1011GWh.Considerando-se que o consumo energtico anual atual corresponde a 1,5 x 108GWh, conclui-se que a energia solar disponvel nas massas continentais representa mais de 1.000 vezes o consumo de energia da humanidade. Isso equivale a dizer que menos de 1% da energia solar disponvel nas massas continentais seria suficiente para suprir de energia humanidade. Considerando-se toda a rea da Terra, a disponibilidade aumenta para 1,02 X 1013GWh.Uma vez que a luz solar est disponvel em todas as regies da Terra e pode ser usada de forma descentralizada, a opo solar para a gerao de eletricidade dispensa o caro transporte da energia atravs de redes de distribuio, inerentes ao sistema convencional.

Os pases tropicais, devido a suas posies geogrficas, possuem grande potencial energtico, sendo, portanto, bastante favorveis ao uso de equipamentos solares. O Brasil possui significativo potencial solar com disponibilidade equivalente a 1,13 X 1010GWh, em quase todo o ano, como acontece no nordeste. (Queiroz, 2005).

Figura 2 Fonte: ATLAS de Irradiao Solar no Brasil. 1998 (adaptado).

Figura 3 Fonte: ATLAS Solarmtrico do Brasil. Recife: Editora Universitria da UFPE, 2000. (adaptado)

2.3. Vantagens e Desvantagens da Energia Solar

Vantagens A energia solar no polui durante sua produo. A poluio decorrente da fabricao dos equipamentos necessrios para a construo dos painis solares totalmente controlvel utilizando as formas de controles existentes atualmente; As centrais necessitam de manuteno mnima; Os painis solares so a cada dia mais potentes ao mesmo tempo que seu custo vem decaindo. Isso torna cada vez mais a energia solar uma soluo economicamente vivel; A energia solar excelente em lugares remotos ou de difcil acesso, pois sua instalao em pequena escala no obriga a enormes investimentos em linhas de transmisso; Em pases tropicais, como o Brasil, a utilizao da energia solar vivel em praticamente todo o territrio, e, em locais longe dos centros de produo energtica, sua utilizao ajuda a diminuir a demanda energtica nestes e consequentemente a perda de energia que ocorreria na transmisso.Desvantagens Os preos so muito elevados em relao aos outros meios de energia; Existe variao nas quantidades produzidas de acordo com a situao atmosfrica (chuvas, neve), alm de que durante a noite no existe produo alguma, o que obriga a que existam meios de armazenamento da energia produzida durante o dia em locais onde os painis solares no estejam ligados rede de transmisso de energia; e As formas de armazenamento da energia solar so pouco eficientes quando comparadas, por exemplo, aos combustveis fsseis (carvo, petrleo e gs), a energia hidroeltrica (gua) e a biomassa (bagao da cana ou bagao da laranja).

2.4. Processos de Aproveitamento da Energia Solar

O aproveitamento dessa radiao pode ser dividido, conforme a aplicao, segundo quatro grupos distintos: aplicaes trmicas em geral, obteno de fora motriz diversa, obteno de eletricidade e obteno de energia qumica. Aplicaes trmicas so aquelas onde a forma de energia necessria ao processo final o calor, como aquecimento de gua, destilao, secagem de frutas e gros, refrigerao por absoro e adsoro, calefao e o cozimento de alimentos atravs de foges solares.Para obter energia mecnica para tarefas especficas como bombeamento dgua, irrigao, moagem de gros, entre outras, as duas formas de obteno mais comuns so a obteno de eletricidade por painis fotovoltaicos e posterior alimentao de um motor eltrico ou, atravs da converso trmica e alimentao de um motor de ciclo trmico.Na obteno de eletricidade, os mtodos de converso mais utilizados so a converso termoeltrica indireta que utiliza o efeito da termoconverso para obteno de calor e acionamento de uma mquina trmica; converso termoeltrica direta, onde vrios fenmenos permitem que a energia solar seja convertida diretamente em eletricidade e a converso fotovoltaica cujos princpios so conhecidos h bastante tempo embora seu uso s se intensificou aps 1958 com os programas espaciais, onde as fotoclulas obtiveram bastante xito como fonte de energia em satlites, dominando totalmente essa aplicao. Instalaes terrestres se seguiram e atualmente os painis fotovoltaicos so bastante difundidos, e as eficincias das clulas fotovoltaicas tm crescido significativamente nos ltimos anos, j atingindo 40% na Alemanha, em escala de laboratrio, o que viabiliza de sobremaneira tal aplicao.Assim, a energia solar pode ser aplicada a sistemas que produzam diretamente energia qumica, o que representa um grande atrativo em funo das vantagens inerentes aos combustveis como sua grande densidade energtica, facilidade de distribuio e de transporte, boa adequao aplicao nos transporte e permitir armazenamento sem degradao por longos perodos, compensando variaes sazonais de produo.Para as aplicaes trmicas mais difundidas pode-se exemplificar o aquecimento da gua (tem ampla utilizao na vida moderna seja para banho, piscinas, higienizao de roupas e alimentos, processos industriais ou outros. Os aquecedores dgua solares apresentam diversos atrativos como: vida til longa, simplicidade, baixa manuteno, rpido retorno do investimento e maior segurana em relao a outros sistemas.), os destiladores solares (por efeito trmico so propostos principalmente para obteno de gua potvel a partir de gua com alto teor salino. Os modelos bsicos se valem de efeito estufa para evaporao da gua e sua simplicidade permite uma construo artesanal sem muito refinamento), Secagem de frutas e gros (a secagem de produtos agrcolas tem uma grande aplicabilidade, sendo processo obrigatrio para vrios tipos de colheita tais como caf, chs, tabacos etc. e tambm como forma de garantir a conservao de alimentos. Os secadores solares podem representar grande melhoria na qualidade destes produtos, principalmente em relao a higiene. A aplicao se estende tambm a desidratao de frutas, carnes e peixes), cozinha (uma aplicao trmica das mais simples o fogo solar. Os modelos conhecidos utilizam concentradores e ou efeito estufa. Apesar de muito simples, os foges solares enfrentam restries de uso, que s pode ser feito durante o dia, em perodos de cu limpo e em locais de boa insolao) e a calefao (em algumas regies, principalmente as subtropicais, o aquecimento do ambiente sempre desejvel. Existem vrios tipos de arranjos e dispositivos para o aproveitamento da radiao solarem aquecimento ambiente de residncias. O maior problema citado que os perodos de maior demanda no podem ser atendidos devido a baixa radiao disponvel).

2.5. Os Coletores Solares de Mdia Concentrao

Os coletores de mdia concentrao permitem obter uma zona fortemente iluminada denominada de foco, na qual esto posicionados os absorvedores. As superfcies cilndricas ou cilndrico-parablicas permitem obter foco linear e as superfcies esfricas, semi-esfricas e parabolides produzem focos pontuais. As superfcies cnicas do tambm origem a focos lineares, assim como as superfcies parablicas formadas por segmentos de espelhos planos tencionados, permitem a obteno de focos pontuais. As Figuras 3 e 4, apresentam, esquematicamente, o princpio de focalizao pontual e linear em funo da geometria do coletor.

(a) (b)

Figura 4 Focalizao pontual em funo da geometria da superfcie refletora

(a) (b)

Figura 5 Focalizao linear em funo da geometria da superfcie refletora

Na realidade, a focalizao linear como pontual, um conceito estritamente terico, uma vez que na prtica, por mais bem construdos que sejam dificilmente sero eliminados todas as imperfeies e desvios ticos decorrentes dos processos construtivos. Deste modo, o coletor de focalizao linear apresenta efetivamente uma rea focal retangular e o de focalizao pontual uma rea focal circular ou elipsoidal. As geometrias mais empregadas nesses tipos de coletores so:GRUPO I a) CILNDRICA;b) CILINDRO-PARABOLICA;c) TRONCO-CONICA;d) TRONCO-CONICA SUCESSIVAS;e) ENVOLVENTE DE CRCULO.GRUPO IIa) SEMI-ESFRICA;b) PARABLICA;As geometrias do grupo I so coletores de focalizao linear. O grupo II define os coletores de focalizao pontual. O princpio de funcionamento destes coletores o de concentrar radiao solar mediante procedimentos pticos, antes de sua transformao em calor. Dessa forma, a radiao solar incidente no concentrador atravs de uma superfcie refletida, sendo refratada ou absorvida por uma superfcie menor, para em seguida ser transformada em energia trmica. Os coletores concentradores podem ser classificados em funo do fator de concentrao solar, definido pela relao mostrada a seguir.

De acordo com esse parmetro os concentradores dividem-se em De alta concentrao (C > 10) So os que mediante dispositivos especiais e precisos de foco e seguimento da trajetria solar, alcanam no receptor uma alta densidade de energia. De mdia e baixa concentrao (2 < C < 10)So os que no requerem dispositivos especiais de focalizao e seguimento permanente da trajetria do sol. Exigem apenas a modificao de seu posicionamento em relao ao sol algumas vezes por ano, funo de C, como mostrado na Tabela 1.Tabela 1 Fatores de concentrao e numero anual de ajustes do concentrador.Fator de concentraoAjustes

C = 2 a 34 vezes por ano

C = 3 a 68 vezes por ano

C = 1080 ezes por ano.

2.6. Os Foges Solares

Os foges solares so dispositivos especiais que por intermdio da luz solar serve para o cozimento de alimentos e outras utilidades. Classificam-se em trs tipos bsicos; cozinhas do tipo caixa, cozinhas concentradoras e cozinhas aquecidas por meio de coletores de placa plana. (Souza, ET AL., 2005)

2.6.1. Histrico

Desde a mais remota antiguidade os povos utilizam a energia do sol para aquecer gua, secar frutas e cozer vegetais.O primeiro forno solar foi criado pelo naturalista francs Horace de Saussure em 1767. A cozinha solar de Horace constava de duas caixas de madeira de pinho, uma dentro da outra, isoladas com l e tinha trs coberturas de vidro.O astrnomo britnico John Herschel utilizou uma cozinha solar de sua inveno durante sua viagem ao sul da frica, em 1830.Tambm no sculo XIX, Adams experimentou na ndia diversos artefatos solares com bastante xito. At o ano de 1860, Mouchot, na Arglia, cozinhou com um refletor curvado, concentrando os raios solares sobre uma pequena panela.Em 1881 Samuel P. Langley utilizou uma cozinha solar durante a subida ao monte Whitney nos Estados Unidos.Charles Abbot desenhou um espelho concentrador e conseguiu alcanar com o mesmo, temperatura em torno de 200C. Esquentava azeite, retendo parte do calor por vrias horas aps o por do sol, conseguindo cozinhar alguns alimentos durante a noite.No sculo XX houve utilizao massiva dos combustveis fsseis, possibilitando a obteno de energia abundante e relativamente barata em quase todas as camadas da populao; o mundo industrializado esqueceu as antigas e simples tcnicas naturais e somente no ltimo tero desse sculo, quando comearam a surgir os problemas resultantes da distribuio dos produtos petrolferos e pela crescente contaminao dos seus derivados, a energia solar voltou a ser usada, ainda que de forma incipiente.Em 1960 um estudo da ONU foi publicado para avaliar as reais possibilidades de implantao e desenvolvimento das cozinhas solares nos pases subdesenvolvidos e em desenvolvimento. A concluso dessa publicao foi que as cozinhas eram viveis e que era preciso apenas uma mudana nos costumes para uma adaptao a sua utilizao em grande escala.Nessa busca de fazer do fogo solar uma opo real para uma utilizao massiva para a coco de alimentos no se pode deixar de citar os esforos da engenheira Maria Telkes que criou inmeros desenhos de cozinhas solares, que se caracterizavam pela fcil construo e baixo custo, viveis, portanto, para serem utilizadas em pases pobres.A China e posteriormente a ndia j nessa poca fizeram enormes esforos para distriburem um nmero elevado de cozinha solares para a populao.Em 1970 Sherry Cole e Brbara Kerr desenvolveram no Arizona vrios modelos de foges solares que receberam grande aceitao em funo de seus baixos preos. Simultaneamente, Dan Halacy, um pioneiro no campo da energia solar, fabricou a cozinha solar 30-60, chamada assim porque sua construo se baseava em ngulos cujas medidas em graus eram essas.Nos anos 80 houve a popularizao do solar chef, de Sam Erwin. Era o mais eficiente forno solar domstico. Mais simples era o Sunspot de BudClevette, juntamente com o Sun Oven, que alcanou uma maior difuso.Em 1992 a associao Solar CookersInternational promoveu a Primeira Conferncia Mundial sobre a Cozinha Solar, um acontecimento histrico que reuniu pesquisadores e entusiastas de 18 pases. Essa Conferncia repetiu-se em 1994, 1997, 1999, 2000 e, recentemente, em 2006, na Espanha.No Brasil o estudo de foges solares teve pioneirismo no Laboratrio de Energia Solar da Universidade Federal da Paraba, na dcada de 80, atravs do Prof. Arnaldo Moura Bezerra, que construiu vrios tipos de foges concentrao, utilizando materiais diversos para a superfcie refletora dos parabolides.

2.6.2. Tipos

2.6.2.1. Fogo Tipo Caixa

Esse tipo de fogo pode ter distintos nmeros de refletores externos, planos ou levemente cncavos. Caracterizam-se por permitirem a obteno de temperaturas de no mximo 150C, demoram a aquecer e sua operacionalizao, geralmente, no fcil. Por outro lado tm a vantagem de poder funcionar praticamente sem a interveno do usurio, mantendo o alimento aquecido durante um tempo prolongado. No produzem efeitos danosos ao usurio nem por contemplao nem por reflexo. So estveis e no apresentam riscos pela produo de chamas, no gerando, portanto, susceptibilidade a queimaduras. So construdos com materiais de baixo custo, ainda que seja improvvel seu uso para todos os dias do ano. Podem-se construir modelos de fcil transporte, leves e dobrveis.Esse tipo de fogo encontra ampla aplicao em todo o mundo, destacando-se a ndia e a China, como sendo os pases que mais tm investido em programas sociais que viabilizam a construo de foges solares a baixo custo, para uma utilizao significativa por parte de seu povo.No LMHES (Laboratrio de Mquinas Hidrulicas e Energia Solar) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, j foram construdos vrias geraes de foges e fornos solares do tipo caixa, utilizando materiais convencionais e alternativos. A principal inovao implementada neste fogo foi a utilizao de um material compsito para a fabricao da caixa absorvedora-refletora do mesmo.

Figura 6 - Fogo solar tipo caixa construdo no LMHES UFRN, utilizando material compsito.

2.6.2.2. Princpios de Aquecimento

O propsito bsico de um fogo solar de caixa aquecer as coisas: cozinhar comida, purificar gua e esterilizar instrumentos - para citar poucos.A caixa solar cozinha porque o interior da caixa aquecido devido energia do sol. A luz do sol, tanto direta quanto refletida, entra na caixa atravs do topo de vidro ou plstico. Ela se torna energia calorfica e absorvida por um prato preto absorvente ou vasilha de cozimento. Esse calor interno faz com que a temperatura dentro do fogo solar de caixa aumente at que a perda de calor dentro do fogo seja igual ao ganho. Temperaturas suficientes para cozimento de comida ou pasteurizao da gua so facilmente alcanadas.

2.6.2.3. Ganho de Calor

O efeito estufa resulta do aquecimento em espaos fechados nos quais a luz solar passa atravs de um material transparente tal como vidro ou plstico. A luz visvel facilmente passa atravs do vidro e so absorvidas e refletidas por materiais dentro do espao fechado.A energia luminosa absorvida pela vasilha escurecida e pelo prato absorvente escurecido abaixo das vasilhas, esta convertida em energia calorfica, que tem que um maior comprimento de onda e que irradia do interior dos materiais. A maior parte dessa energia radiante no consegue passar de volta atravs do vidro e ento fica presa no espao fechado. A luz refletida tambm absorvida por outros materiais dentro da caixa ou, porque ela no mudou seu comprimento de onda, passa de volta atravs do vidro.Decisivo para o desempenho do fogo solar, o calor que coletado pelo prato absorvente de metal preto e as vasilhas conduzido atravs desses materiais para aquecer e cozinhar a comida.

Figura 7 Efeito Estufa

Devido orientao do vidro, quanto mais diretamente o vidro estiver voltado para o sol, maior ser o ganho de calor solar. Embora o vidro seja o mesmo nas caixas 01 e 02, uma maior incidncia de luz solar ocorre na caixa 02, porque ele est voltado mais diretamente para o sol. Note que a caixa 02 tambm tem uma maior rea de parede atravs da qual o calor perdido.

Figura 8 Orientao do vidro

A partir do uso de refletores pode-se gerar um ganho adicional, pois um refletor simples ou mltiplos refletores refletem luz solar adicional atravs do vidro e dentro da caixa solar. Essa energia solar adicional resulta em temperaturas mais altas.

Figura 9 Refletores

2.6.2.4. Perda de Calor

A Segunda Lei da Termodinmica diz que o calor sempre viaja do corpo mais quente para o corpo mais frio. O calor dentro de um fogo solar de caixa perdido de trs maneiras bsicas: Conduo, Radiao e Conveco.Conduo: O cabo de metal de uma panela em uma trempe acesa ou no fogo se torna quente devido transferncia de calor atravs do material da panela em direo ao material do cabo. Da mesma forma, o calor em uma caixa solar perdido atravs das molculas da folha de estanho, do vidro, do papelo, do ar, do isolante, at o ar fora da caixa.

Figura 10 Calor conduzido atravs da panela para o cabo

O prato absorvente de calor solar conduz o calor para o fundo das vasilhas. Para prevenir a perda de calor por conduo atravs do fundo do fogo, o prato absorvente elevado usando um pequeno espao isolante, como na figura 11.

Figura 11: O calor irradia a partir do fogo aquecido

Radiao: O fogo, o fogo ou as vasilhas com comida em um fogo solar liberam ondas de calor ou irradiam calor nas suas redondezas. Essas ondas de calor so irradiadas a partir de objetos quentes atravs do ar ou do espao. A maior parte do calor irradiado liberado pela vasilha quente dentro da caixa solar so refletidos da folha e do fundo de vidro para as vasilhas e a bandeja do fundo. Embora os vidros transparentes faam uma armadilha para a maior parte do calor radiante, algum calor realmente escapa diretamente atravs do vidro. O vidro prende o calor radiante melhor do que o plstico.Conveco: As molculas de ar movem para dentro e para fora da caixa atravs das frestas. Elas sofrem conveco. As molculas de calor aquecido dentro da caixa solar escapam, primeiramente atravs das frestas ao redor da tampa do topo, um lado da abertura da "porta do forno" ou por imperfeies na construo. O ar frio de fora tambm entra por estas aberturas.

Figura 12 O ar aquecido pode escapar atravs de frestas 2.6.2.5. Estocagem de Calor

Como a densidade e o peso dos materiais dentro da armao isolada do fogo solar de caixa cresce, a capacidade do fogo reter calor cresce. No interior da caixa, a incluso de materiais pesados tais como rochas, tijolos, panelas pesadas, gua ou comida pesada tornam mais longo o tempo de aquecimento por causa da capacidade adicional de estocar calor. A energia que entra armazenada como calor nesses materiais pesados, aquecendo lentamente o ar na caixa.Esses materiais densos, carregados com calor, irradiaro o calor dentro da caixa, mantendo-o aquecido por um perodo mais longo no final do dia.

Figura 13 Massa trmica dentro do fogo solar

Existem trs tipos de materiais que so tipicamente usados na construo das caixas solares, material estrutural, isolamento e material transparente. Uma propriedade tem que ser considerada na seleo dos materiais: a resistncia umidade. O material estrutural necessrio para que a caixa tenha e mantenha a forma dada e dure ao longo do tempo.Os materiais estruturais incluem papelo, madeira, compensado, alcatex, masonite, bambu, metal, cimento, tijolos, pedra, vidro, fibra de vidro, palha tranada, palha, plstico, papel mach, clay, terra batida, metais, casca de rvores, tecido engomado com cola ou outro material.Muitos materiais que funcionam bem como estruturais so muito densos para serem bons isolantes. Para conseguir integridade estrutural e boas qualidades de isolamento, necessrio separar os materiais estruturais dos materiais de isolamento.Para que a caixa mantenha as temperaturas interiores altas o bastante para o cozimento, as paredes e o fundo da caixa devem ter bom valor de isolamento (reteno de calor). Bons materiais isolantes incluem: folha de alumnio (refletor de radiao), penas (penas de baixo so melhores), fibra de vidro entrelaada, l de pedra, celulose, casca de arroz, l, palha e jornal amassado.Quando construir um fogo solar, importante que o material cerque por todos os lados a cavidade de cozimento da caixa solar, com exceo do lado transparente geralmente o topo. Materiais isolantes devem ser instalados de tal forma que permitam o mnimo de conduo de calor do material estrutural da caixa interna para o material estrutural da caixa externa. Quanto menor a perda de calor, mais alta a temperatura de cozimento.Pelo menos uma superfcie da caixa deve ser transparente e estar voltada para o sol para permitir a aquecimento pelo "efeito estufa". Os materias transparentes mais comuns so vidros e plsticos para alta temperatura, tal como plstico para assar em forno. Duplo envidraamento usando vidro ou plstico afeta tanto o ganho quanto a perda de calor. Dependendo do material usado, a transmitncia solar ganho de calor pode ser reduzida de 5 a 15%. De qualquer forma, a perda de calor atravs do vidro ou plstico cortado pela metade e com isso o desempenho da caixa solar aumentado.A maior parte da comida que preparada no fogo de caixa solar contm umidade. Quando a gua ou comida aquecida na caixa solar, a presso do vapor criada, direcionando o vapor de dentro para fora da caixa. Existem vrias maneiras que a umidade pode viajar. Ele pode escapar diretamente atravs das frestas e brechas da caixa ou forar as paredes e fundo se no houver barreira para o vapor. Se a caixa projetada com alta qualidade de vedao e barreira para umidade, o vapor da gua pode ser retido dentro da cmara de cozimento. No projeto dos foges solares de caixa importante que a maior parte da superfcie interna seja uma boa barreira para o vapor. Esta barreira ir prevenir que a gua cause danos ao isolamento e estrutura do fogo devido lenta migrao do vapor de gua atravs das paredes e do fundo do fogo.

Figura 14 Material estrutural, de isolamento, transparente e resistente a umidade.

Exemplos de fogo tipo caixa:

Figura 16 Fogo Solar

2.6.3. Fogo Concentrador

So dispositivos que captam a radiao solar e a concentram numa regio focal, onde se posiciona o absorvedor ou panela, onde se realiza a coco dos alimentos.Tm como desvantagens a necessidade de luz solar direta; mecanismo de acompanhamento da trajetria do sol com reorientao a cada 30 minutos; esfriamento rpido do alimento se h desvio de foco ou nebulosidade acentuada; instvel a ventos; risco de fogo ou queimaduras; danos aos usurios por raios refletidos e o fato de ficar exposto ao tempo. Em contrapartida tem a possibilidade de alcanar altas temperaturas, o que permite realizar frituras ou assados.

Figura 17 Fogo solar concentrador (Uirana (PB))

2.6.4. Cozinhas Aquecidas por Coletores de Placa Plana

Os fornos equipados com coletores de placa plana so cozinhas aquecidas por meio de coletores desse tipo. Existem modelos que tm dois ou trs refletores planos, podem operar com leo ou ar como fluido de trabalho e podem ter at duas panelas cada uma. Podem contar com sistema acumulador de calor. Suas desvantagens esto relacionadas necessidade de utilizao de uma grande estrutura, seu peso, dificuldade de transporte e mais caras que os outros tipos principalmente nos modelos que usam fluido de trabalho e placa de armazenamento de calor importado.

Suas vantagens residem no fato da facilidade de uso e a possibilidade de poder cozinhar na sombra. No necessria sua reorientao; funcionam sem a interveno do usurio, mantendo quente o alimento durante longo tempo; no produzem chama; so estveis e no oferecem riscos de fogo ou queimaduras. Podem ser feitas de grandes tamanhos, para atender at as instituies, hotis, hospitais etc. (Silva, 2002).3. MATERIAIS E MTODOSO forno solar proposto do tipo caixa, construdo a partir de placas de material reciclvel utilizadas para construo de ambientes para trabalhadores da construo civil. Utiliza-se o EPS para isolamento trmico do forno. O forno apresenta uma geometria diferente das utilizadas para fornos solares, sendo mais compacta e com um volume de ar reduzido.Utilizou-se vrios segmentos de espelhos, colados na parede interna do forno solar com cola de contato. A base do forno foi pintada com tinta preto fosco para uma melhor absoro da radiao solar incidente. Esta configurao permite a obteno de uma maior eficincia: uma maior rea de superfcie absorvedora ou uma maior rea de superfcie refletora no interior do forno/fogo.Realizou-se a produo de um sistema de regulagem de posio que auxilia na inclinao do espelho superior, para um melhor posicionamento do mesmo, auxiliando assim no melhor aproveitamento dos raios solares incidentes. Como cobertura do forno foi utilizado dois vidros de 03 mm, auxiliando no cozimento dos alimentos atravs do efeito estufa.

3.1. Processo de Fabricao e Montagem

O processo de fabricao do forno foi constitudo de varias etapas, estas descritas abaixo.

1) Construo da casca interna do fornoInicialmente foi construda a casca interna do forno com o material reciclvel.

2) Preenchimento com isopor na parte externaCom a casca interna construda foi feita ento o isolamento do forno solar, colando-se isopor na parte externa da casca.

Figura 18. Parte interna do forno com camada isolante.

3) Construo da casca externa

Novamente foi-se utilizado o material reciclvel para a construo da parte externa, sendo utilizados duas cantoneiras para a unio das placas.

Figura 19. Casca externa do forno com o elemento de unio

4) Montagem das partes

Com isso foi feita a montagem das partes simplesmente encaixando uma na outra.

Figura 20. Parte interna e externa unidas.

5) Colagem dos espelhos

Vrios segmentos de espelhos foram cortados com a ajuda do riscador de diamante e logo em seguida colados no interior do forno.

Figura 21. Espelhos fixados6) Construo da base do fornoPara a construo da base foi utilizada uma placa de ao cortada no formato da parte interior. E logo aps, foi pintada com tinta preta.

Figura 22. Base do forno

8) Confeco da cobertura de vidro do forno Foi feito o corte de vidros de 3mm para a construo da cobertura do forno que ir auxiliar no cozimento dos alimentos por efeito estufa.

Figura 23. Cobertura do forno solar

7) Confeco da sistema de regulagem de posio.Em seguida foi construdo um sistema de regulagem de posio para o espelho que ser utilizado na parte superior do forno. Utilizou-se uma placa de acrlico para servir de base para a superfcie refletora.

Figura 24. Sistema de regulagem de posio confeccionado

8) Fixao do espelho superiorO espelho superior foi ento fixado ao sistema de regulagem de posio com silicone.

Figura 25. Parte superior completa

9) FinalizaoA parte superior foi fixada a casca externa, finalizando assim a construo do forno.

Figura 26. Forno solar completo

3.2. Procedimento ExperimentalPara realizar o teste do forno solar produzido foram realizados trs testes, um sem carga, outro com uma carga de 400g e outro com uma carga de 500g.O forno foi colocado ao sol nos dia 26 de outubro de 2012. Os testes foram feitos e de cinco em cinco minutos eram avaliadas as temperaturas do ar interno e a temperatura da base do forno.As temperaturas do ar interno e da base do forno foram medidas atravs de termopares. Primeira mente foram apuradas as temperaturas no forno sem nenhuma carga.

Figura 27. Forno em funcionamento (sem carga)Em seguida foram coletadas as temperaturas do forno com uma carga de 400g.

Figura 28. Forno em funcionamento com carga de 400g

Figura 29. Pizza (400g) pronta

E logo aps foram coletadas as temperaturas do forno com uma carga de 500g

Figura 30. Forno em funcionamento com carga de 500g

Figura 31. Empanados de frango(500g) prontos

1. ANLISE DOS RESULTADOS

No 1 dia foram coletados as temperaturas de 12:00 s 12:30, totalizando 30 minutos. O forno encontrava-se sem carga para que pudssemos descobrir sua temperatura mxima de operao. As medies foram feitas em intervalos de 5 minutos.As tabelas e os grficos a seguir mostram a relao entre a temperatura da base do forno e o tempo, e entre a temperatura de ar interno e o tempo.

HoraTemperatura da Base (C)

12:00115

12:05118

12:10123

12:15129

12:20131

12:25128

12:30127

Tabela 1. Tempo X Temperatura da base do forno (0 g)

Grfico 1. Tempo X Temperatura da base do forno (0 g)HoraTemperatura do Ar (C)

12:0075

12:0581

12:1086

12:1590

12:2093

12:2596

12:3094

Tabela 2.Tempo X Temperatura do ar do forno (0 g)

Grfico 2. Tempo X Temperatura do ar do forno(0 g)

A temperatura mxima da base do forno solar atingida durante o teste do forno foi de 131C na base e 96c no ar, sem nenhuma carga.

No 2 dia foi realizado um teste com uma carga de 400g (Pizza Comum de Mussarela). O teste teve durao de 25 minutos, o tempo suficiente para a pizza ficar pronta. As temperaturas registradas da base do forno e do ar no seu interior podem ser vistas nas tabelas e grficos abaixo.

HoraTemperatura da Base (C)

11:1567

11:2072

11:2575

11:3078

11:3583

11:4087

Tabela 3. Tempo X Temperatura da base do forno (400g)

Grfico 3. Tempo X Temperatura da base do forno (400 g)

HoraTemperatura do Ar (C)

11:1568

11:2070

11:2571

11:3073

11:3573

11:4075

Tabela 4. Tempo X Temperatura do ar do forno (400g)

Grfico 4. Tempo X Temperatura do ar do forno (400g)

Logo em seguida foi realizado um teste com uma carga de 500g (5 empanados de frango com 100g cada). O teste tambm teve durao de 35 minutos, o tempo suficiente para os empanados ficarem prontos. As temperaturas registradas da base do forno e do ar no seu interior podem ser vistas nas tabelas e grficos abaixo.

HoraTemperatura da Base (C)

11:4560

11:5065

11:5573

12:0077

12:0580

12:1083

12:1584

12:2088

Tabela 5. Tempo X Temperatura da base do forno (500g)

Grfico 5. Tempo X Temperatura da base do forno (500g)HoraTemperatura do Ar (C)

11:4561

11:5064

11:5566

12:0067

12:0571

12:1072

12:1573

12:2076

Tabela 6. Tempo X Temperatura do ar do forno (500g)

Grfico 6. Tempo X Temperatura do ar do forno (500g)

1. CONCLUSESO objetivo do trabalho foi alcanado e realizado com excelncia, pois foi estudado as viabilidades trmicas, onde se atingiu temperatura equiparada a outros fornos solares vistos na literatura, um forno de baixo custo de produo e consumo, visto que a sucata o principal material na sua confeco. Foi demonstrada a sua importncia para reduo do problema gerado com a utilizao excessiva de lenha no cozimento de alimentos, principalmente na zona rural.Abaixo segue as concluses gerais, a partir do prottipo estudado.1. O fogo solar proposto vivel para o cozimento de alimentos, podendo trazer economia e minimizar problemas ao meio ambiente, principalmente no que diz respeito ao desmatamento por uso de lenha;1. O forno foi produzido a partir de material reciclado, trazendo economia substancial na sua fabricao;1. O forno proposto tem capacidade de cozimento no perodo de 8h s 15h, dentro de boas condies solarimtricas;1. importante que se tenha outra fonte convencional para o cozimento de alimentos para substituir o fogo solar proposto em dias com condies solarimtricas insuficientes para seu uso;1. Os tempos de cozimento dos alimentos foram bastante competitivos com o fogo convencional a gs e com os similares solares j estudados e construdos em todo mundo;1. Os nveis de temperatura obtidos foram equiparados aos foges solares j estudados e mostrados pelos doutrinadores no seu valor mximo, faixa de trabalho entre 10h30 e 13h30, e alcanou nveis bem altos.1. importante ter-se conscincia dos riscos que o fogo pode trazer para o usurio, no que diz respeito a concentraes dos raios do sol, que podem atingir a vista humana. Portanto, preciso um treinamento mnimo prvio para os usurios do mesmo;1. importante tambm mostrar aos usurios de tal fogo alternativo que sua eficincia diretamente proporcional intensidade de radiao solar direta, e que quando o dia apresentar intensas horas com nebulosidades, a eficincia dos mesmos no a mesma, sendo, portanto adaptvel para regies com baixos ndices de nebulosidade, caracterstica do nordeste brasileiro.

5. Sugestes

1. Reduzir o volume de ar do interior do forno para que se atinjam maiores temperaturas e assim aumentar a velocidade de coco.1. Utilizar uma cobertura de vidro inteira, que no esteja cortada, para evitar perdas trmicas e assim melhorar a eficincia do forno.1. Analisar o comportamento do forno utilizando um fundo espelhado, em substituio ao fundo preto.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICASDisponvel em:. Acesso em: 29/07/2011.

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Disponvel em:http://www.automatichouse.com.br/AutomaticHouse/WebSite/Noticia/forno-solar-ganha-tecnologia-e-e-comercializado-em-grande-escala,20110428140913_X_880.aspx. Acesso em: 29/07/2011.

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QUEIROZ, W.F, Construo de um fogo solar concentrao para cozimento direto e indireto, Dissertao de Mestrado do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica da UFRN Natal/RN, 2005.

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Marco Tlio Adrno Frankental37