UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE ......solares (Parque Solar Lapa, localizado em Bom Jesus da Lapa-BA; a maior usina solar do Brasil com capacidade de geração de 80 MW)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

RAIMUNDO VICENTE PEREIRA NETO

Natal/RN, 2018.

ESTUDO DE UMA NOVA CONFIGURAÇÃO DE UM FORNO SOLAR

FABRICADO A PARTE DE ESTANTE METÁLICA PARA O ASSAMENTO DE

ALIMENTOS

Por

Raimundo Vicente pereira Neto

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado

ao CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

como Requisito Parcial Para

obtenção do Grau de

Bacharel em Engenharia Mecânica.

Natal/RN, 2018.

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

A Comissão Examinadora Abaixo Assinada,

Aprova o Trabalho de Conclusão:

ESTUDO DE UMA NOVA CONFIGURAÇÃO DE UM FORNO SOLAR

FABRICADO A PARTE DE ESTANTE METÁLICA PARA O ASSAMENTO DE

ALIMENTOS

Elaborado Por

RAIMUNDO VICENTE PEREIRA NETO

Como Requisito Parcial Para

Obtenção do Grau de

Bacharel em Engenharia Mecânica.

___________________________________________

__________________________

Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Sousa (Orientador)

__________________________

Prof. Ms: Salomão Sávio Batista

__________________________

Ms: Mário César Oliveira Spinelli

Natal/RN, 2018

1

SUMÁRIO

SUMÁRIO ..................................................................................................................................... 1

LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................................ 4

LISTA DE TABELAS ........................................................................................................................ 5

LISTA DE SÍMBOLOS ..................................................................................................................... 6

RESUMO ....................................................................................................................................... 7

ABSTRACT ..................................................................................................................................... 8

1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 9

1.1 Apresentação do trabalho ................................................................................................ 9

1.2 Objetivos ......................................................................................................................... 11

1.3 Objetivo geral .................................................................................................................. 11

1.4 Objetivos específicos ...................................................................................................... 11

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA................................................................................................. 12

2.1 Radiação Solar ............................................................................................................. 12

2.2 Aplicações da Radiação Solar ...................................................................................... 13

2.2.1 Aplicações Térmicas .................................................................................................... 13

2.2.2 Força Motriz ................................................................................................................ 13

2.2.3 Eletricidade ................................................................................................................. 13

2.2.4 Energia Química .......................................................................................................... 14

2.3 Potencial Solar ............................................................................................................ 14

2.4 Calor e Formas de Transmissão .................................................................................. 14

2.5 Sistema Atmosfera- Radiação Solar ............................................................................ 16

2.6 Mapas Solarimétricos ................................................................................................. 17

2.7 Forno solar tipo caixa .................................................................................................. 19

2.7.1 Teoria do Forno Tipo Caixa ................................................................................. 24

2.7.2 Princípios de Aquecimento ................................................................................. 25

2.7.3 Projeto ................................................................................................................. 28

3. MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................................. 31

3.1 Procedimentos para o cálculo da energia .................................................................... 36

3.1.1 A energia que entra no forno ............................................................................... 36

3.1.2 Energia perdida ................................................................................................... 36

3.1.3 A energia absorvida pelo forno ........................................................................... 38

2

3.1.4 O rendimento interno do forno ............................................................................ 39

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................................... 40

5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES ............................................................................................ 52

5.1. Conclusões ...................................................................................................................... 52

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGÁFICAS ......................................................................................... 54

3

AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar, a Deus pela dádiva da vida e por estar comigo em todos os

momentos, assim permitindo a concretização de mais um sonho.

Aos meus familiares, em especial, aos meus amados pais, Sr. José Vicente Pereira

e Sra. Gildete Batista Pereira, sem os quais essa conquista não seria possível, e a minha

namorada, Heuise Karoliny Firmino pelo amor e apoio e compreensão nos momentos

difíceis.

Ao meu amigo e orientador, Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza, pelo

suporte, orientação e atenção no desenvolvimento deste trabalho, tanto durante a

fabricação, quanto nos testes e elaboração da monografia; ao meu amigo e técnico do

LMHES/UFRN, pelas orientações e suporte durante a construção e testes do forno e aos

demais integrantes da família LMHES que contribuíram diretamente ou indiretamente

para o sucesso deste trabalho.

4

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1. Diagrama simbólico dos processos de interação da radiação solar com a

atmosfera terrestre

Figura 2.2. Média anual do total diário de irradiação solar global no território Brasil

Figura 2.3. Média sazonal da irradiação global dias nos meses de dezembro a fevereiro

Figura 1. Primeiro Forno solar fabricado na UFRN

Figura 2.5. Forno solar fabricado a partir de uma sucata de fogão convencional

Figura 2.62. Forno solar estudado por Varela

Figura 3.7. Forno fabricado a partir de chapas de material compósito de baixa

condutividade

Figura 4.8. Forno solar estudado por Gomes

Figura 2.95. Forno solar estudado por Araújo

Figura 2.106. Forno solar estudado por Spinelli

Figura 2.11. Efeito estufa gerado no forno solar tipo caixa

Figura 2.12. Orientação do vidro em fornos solares

Figura 2.13. Refletores para aumento da energia de entrada no forno

Figura 2.14. Calor da panela transferido para o cabo

Figura 2.15. Calor irradiado em forno tipo caixa aquecido

Figura 2.16. Ar aquecido escapando por frestas do forno solar

Figura 2.17 - Massa térmica dentro do fogão

Figura 2.18 - Fornos solares mais largos captam mais luz solar no sentido Leste-Oeste

Figura 3.1-Antigo forno com heliostato e novo heliostato fixo.

Figura 3.2. Bolos durante o processo de assamanto

Figura 3.4-Termômetro associado aos termopares

Figura 3.3-Termômetro Digital

Figura 3.4-Radiômetro digital

Figura 4.1. Variação temperatura X Tempo.

Figura 4.2. Temperaturas externas

Figura 4.3, Vista superior do desenho esquemático do forno

Figura 4.4 Os seis bolos após o processo de assamanto.

Figura 4.5. Apresenta todos os alimentos após o término do teste

5

LISTA DE TABELAS

Tabela 4.1. Temperaturas sem Cargas

Tabela 4.2. Temperaturas externas laterais

Tabela 4.3. Temperaturas externas, face inferior

Tabela 4.4. Temperaturas externas do vidro

Tabela 4.5. Temperaturas externas e áreas

Tabela 4.6. Relação de energias

Tabela 4.7. Temperaturas das laterais externas

Tabela 4.9. Tempo de assamento, quantidade e peso dos alimentos



6

LISTA DE SÍMBOLOS

𝐴𝑣 = Área do vidro

𝐴𝑎𝑢 = Área útil dos espelhos

seA = Área da superfície

𝐸𝑒𝑓 = Energia que entra no forno

𝐸𝑔 =Energia da radiação solar global que incide diretamente no forno

𝐸𝑟𝑒 = Energia da reflexão dos espelhos localizados na parte superior do forno

𝐸𝑝𝑓 = Energia perdida pelo forno

𝐸𝑎𝑏𝑠 = Energia total fornecida ao forno

𝐸𝑝𝑓𝑆 = Energia perdida pelo forno pela região sul

𝐸𝑝𝑓𝑂 = Energia perdida pelo forno pela região oeste

𝐸𝑝𝑓𝑁 = Energia perdida pelo forno pela região norte

𝐸𝑝𝑓𝐿 = Energia perdida pelo forno pela região leste

𝐸𝑝𝑓𝑉 = Energia perdida pelo forno pela região vidro

𝐸𝑝𝑓𝐼 = Energia perdida pelo forno pela região inferior

ch = coeficiente de transferência de calor, convectivo

rh = coeficiente de transferência de calor, radioativo

𝐼𝑔 = Radiação instantânea global

𝐼𝑑 =Radiação instantânea a direta

𝑡 =Tempo em horas

𝑇𝑎𝑏𝑠 = Temperatura do absorvedor no interior do forno

𝑇𝑎𝑟 = Temperatura do ar no interior do forno.

sT = temperatura da superfície

ambT = temperatura ambiente

Tsky = temperatura da abóbada celeste

𝜏𝑣 = Transmissividade do vidro

vv = velocidade do vento

𝜌𝑒 = Refletividade do espelho

𝜂𝑅𝐼 = Rendimento interno do forno

7

RESUMO

Apresenta-se uma nova configuração de um forno solar fabricado a partir de uma estante

de aço em desuso destinando ao assamento de alimentos, tais como: bolos, pizza, pães, queijo,

linguiças, empanados e outros. São apresentados os processos de otimização, fabricação e

montagem de tal forno, além do balanço térmico e das eficiências com e sem carga, que tem como

principais características o baixo custo, facilidade de operação e possibilidade de assamento de

vários alimentos simultaneamente. São apresentados resultados de testes de assamento dos

alimentos escolhidos, que demonstraram sua elevada eficiência térmica. Os tempos de assamento

foram competitivos com outros fornos já fabricados e testados no LMHES e abordados pela

literatura solar para assamento de alimentos. Foi também demonstrada a viabilidade econômica

do forno solar proposto. O forno solar estudado produziu o assamento de seis bolos, com carga

de 4500g em apenas 80 minutos. Com superioridade em relação ao forno convencional a gás que

apresenta capacidade de assamento de no máximo quatro bolos. Tal forno pode proporcionar a

socialização do uso da energia solar por comunidades carentes, podendo constituir-se em

possibilidade concreta de geração de emprego e renda

Palavras chaves: energia solar, forno solar, reutilização de materiais, baixo custo,

socialização da energia.

8

ABSTRACT

It presents a new configuration of a solar oven made from a disused steel shelf for

food baking, such as: cakes, pizza, breads, cheese, sausages, breaded and others. The

processes of optimization, manufacture and assembly of such an oven are presented, as

well as the thermal balance and the efficiencies with and without load, whose main

characteristics are the low cost, ease of operation and the possibility of baking several

foods simultaneously. Results of roasting tests of the selected foods are presented, which

demonstrated their high thermal efficiency. The baking times were competitive with other

furnaces already manufactured and tested in the LMHES and approached by the solar

literature for food roasting. The economic viability of the proposed solar furnace was also

demonstrated. The studied solar oven produced the baking of six cakes, with load of

4500g in just 80 minutes. With superiority compared to the conventional gas oven that

has a baking capacity of at most four cakes. Such an oven can provide the socialization

of the use of solar energy by needy communities, and may constitute a concrete possibility

of generating employment and income

Keywords: solar energy, solar furnace, reuse of materials, low cost, energy

socialization.

9

1. INTRODUÇÃO

1.1 Apresentação do trabalho

Almejando a manutenção de seus padrões de qualidade de vida, o homem

contemporâneo se volta para a natureza, buscando em seus elementos natural alternativas

energéticas.

Todavia, devido ao aumento significativo da população e dos padrões estabelecido

pelas sociedades atuais, tal objetivo tem sido cada vez mais difícil de ser alcançado. Isso

tornou-se evidente após a crise do petróleo ocorrida na década de 70, pois confirmou- se

que as tradicionais fontes energéticas (petróleo e carvão mineral) eram incapazes de

garantir um futuro promissor para a humanidade.

Segundo (Bezerra, 2008), após a crise de recursos petrolíferos eclodida na década

de 70, países de I Mundo aceleraram as suas pesquisas na obtenção de novas tecnologias

alternativas e elegeram a energia solar como a mais promissora.

Tanto isto é verdade que surgiram na França e nos Estados Unidos,

principalmente, projetos grandiosos de geração de energia elétrica via sol, como é o caso

do Projeto THEMIS de 2 MW, localizado em Targassone no sul da França e o Projeto

BARSTOW de 10 MW e 35 MW solar, construído nos Estados Unidos, além de outros.

Entretanto, essa mudança de paradigma dos países de primeiro mundo não

significa, necessariamente, uma mudança de suas matrizes energéticas, pois o que motiva

o desenvolvimento tecnológico em energia renováveis é a garantia de obter de uma

dependência, tecnológica e comercial, por parte dos países menos desenvolvido, como é

o caso do Brasil, por exemplo.

Pode-se constatar dois fatos preocupantes: o primeiro é que países de terceiro

mundo não podem competir, tecnologicamente, com países de primeiro mundo,

acarretando em mais uma dependência tecnológica; e outro, não menos importante, é que

nosso atual meio desenvolvimento (capitalismo) faz com que as pesquisas em qualquer

fonte energética sejam de forma centralizadas. Consequentemente, só quem terá acesso

aos meios produtivos serão os detentores do capital.

10

Exemplificando o exposto, atualmente no Brasil, estão instaladas grandes centrais

solares (Parque Solar Lapa, localizado em Bom Jesus da Lapa-BA; a maior usina solar

do Brasil com capacidade de geração de 80 MW) e parques eólicos (Complexo Eólico

Alto Sertão I - localizado no semiárido baiano, maior parque gerador de energia eólica do

Brasil).

Nota-se que o capitalismo pode até buscar desenvolver tecnologias limpas,

entretanto, sempre no mesmo contexto, de lucrar. Em consequência disso, a parte mais

carente da população sofre por não poder usufruir dessa tecnologia. Pois, mesmo as fontes

energéticas solares e eólicas possuindo como característica a socialização da energia, ou

seja, energia para todos, os meios produtivos são centralizadores.

Em contrapartida ao que é incentivado pelo sistema capitalista, existem as

tecnologias sociais, que podem contribuir para a minorações de problemas energéticos

das populações mais carentes, atendendo aos quesitos de simplicidade, baixo custo, fácil

aplicabilidade e re-aplicabilidade e impacto social comprovado. Para o caso da energia

solar, destacam-se fornos e fogões solares, pois além de democratizarem a energia solar,

diminuem o sofrimento da população menos favorecida.

Este trabalho tem como objetivo estudar, fabricar e demonstrar a viabilidade de um

forno solar tipo caixa construído partir de elementos recicláveis (prateleiras de estantes

metálicas); visto que, após serem corroídas, as estantes metálicas são descartadas.

O forno é constituído de um recinto de assamento com geometria retangular,

fabricado a partir de uma estante de aço em desuso e uma superfície refletora externa,

heliostato, localizada acima do recinto de assamento.

Pretende-se demostrar a viabilidade técnica e econômica do forno que tem como

principais características seu baixo custo e a possibilidade de produzir o assamento de

vários alimentos simultaneamente, além da possibilidade de ter sua tecnologia de

fabricação repassada para comunidades carentes, podendo gerar emprego e renda.

11

1.2 Objetivos

1.3 Objetivo geral

Otimizar, re-fabricar, estudar e demonstrar a viabilidade térmica de um

forno solar tipo caixa a partir de uma estante metálica em desuso e avaliar suas

viabilidades térmica e econômica.

1.4 Objetivos específicos

Descrever e analisar todas as etapas dos processos de fabricação,

montagem e operação do forno solar proposto;

Realizar ensaios com e sem carga para aferir a capacidade de assamento

de alimentos do forno solar fabricado;

Desenvolver um balanço térmico para cada teste a fim de comparar suas

eficiências em diferentes situações

Demonstrar que o forno solar foi capaz de assar todos os alimentos testados .

Demonstrar a as viabilidades térmica e econômica do forno solar estudado.

12

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Radiação Solar

A energia que provem do sol, chamada radiação solar, é a nossa principal fonte

energética e por meio dela é que originam –se as outras de energia, tais como: eólica,

petróleo, carvão mineral, dentre outras; tal energia chega à superfície terrestre após passar

por consideráveis interações com a nossa atmosfera. E em consequência disso, a radiação

solar divide-se em radiação direta e radiação global.

Sabe-se que o Sol é uma estrela de tamanho médio de corpo quase esférico com

diâmetro de D=1,39*109 m e massa M=2*1010 kg, localizada a uma distância média de

L=1,50*1011 m da Terra. Além disso, a energia irradiada por ele é consequência das

reações de fusão nuclear dos átomos de Hidrogênio (representam cerca de 75% da

composição do Sol) para formar Hélio (cerca de 25% da composição da estrela).

A energia de radiação emitida pelo Sol a uma taxa contínua é cerca de ESol=3,8*1026

W, todavia, menos de um bilionésimo dessa energia, cerca de 1,7*1017 W, atinge a Terra.

Entretanto, a energia que é captada pela Terra, é o suficiente para aquece-la e manter a

vida, mesmo que essa quantidade seja insignificante perante a quantidade de energia

liberada pelo Sol. Essa energia que atinge a terra é chamada de irradiação solar total e,

seu valor é cerca de Gsol=1373 W/m2. Çengel (2012)

Sendo assim, radiação solar constitui uma fonte, virtualmente, inesgotável de

energia, responsável pela manutenção da vida terrestre. Além do mais, outras fontes de

energia, também são provenientes da radiação solar, seja de forma direta ou indireta.

Dessa forma, energia solar apresenta um grande potencial de utilização que por meio de

captação e conversão em outras formas de energia.

A exemplo disso é a produção de eletricidade por meio de hidroelétrica, no qual só

é possível graças à evaporação da água oriunda de lagos e oceanos e posterior

represamento. Assim também é para a energia eólica; a energia proveniente do Sol faz

com que haja uma circulação da massa atmosférica, em larga escala, ocasionando o vento.

Sabe-se também que devido ao processo conhecido por fotossíntese, seres

clorofilados, são capazes de converter energia luminosa em energia química, armazenada

na glicose. Desse modo, plantas e animais que obtiveram essa energia são capazes de

desenvolver-se; de forma que após morrem, seus resíduos, sob condições adequadas de

13

temperatura e pressão, são convertidos em outras fontes de energia, sendo as mais

importantes economicamente: petróleo, carvão e gás natural.

Pelo exposto, nota-se que a radiação solar pode ser convertida em vários outros

tipos de energia, entretanto o termo “radiação solar” é, com frequência, usado para

designar somente a forma de aproveitamento de energia solar na forma direta.

2.2 Aplicações da Radiação Solar

O uso da radiação solar, pode ser dividida em quatros grupos distinto: aplicações

térmicas em geral, obtenção de força motriz diversa, obtenção de eletricidade e obtenção

de energia química.

2.2.1 Aplicações Térmicas

Calor é o objetivo final para as aplicações térmicas, como o aquecimento de água,

destilação, secagem de frutas e grãos, refrigeração por absorção e adsorção, calefação e

o cozimento de alimentos através de fogões e fornos solares.

2.2.2 Força Motriz

Quando se é necessário utilizar-se de alguma aplicação de energia mecânica, por

exemplo, acionamento de bomba d’água, irrigação, moagem de grãos, elevação de cargas,

ou qualquer outro processo que exija trabalho mecânico, existem dois métodos

disponíveis; sendo eles: obtenção de eletricidade por painéis fotovoltaicos e posterior

acionamento de uma máquina elétrica, e por aproveitamento da energia térmica para

acionar um motor de ciclo térmico e posterior aproveitamento do trabalho mecânico.

2.2.3 Eletricidade

Quando o objetivo final é obtenção da energia elétrica, os métodos de conversão,

são semelhantes aos processos para a obtenção de foça motriz. Dessa forma, os mais

utilizados são a conversão termoelétrica indireta e direta, sendo que aquele utiliza o efeito

da termoconversão para obter calor e posterior acionamento de uma máquina térmica

ligada a um gerador, e esse utiliza-se de vários fenômenos físico-químico que permitem

que a energia solar seja convertida diretamente em eletricidade por meio de painéis

fotovoltaicos.

14

2.2.4 Energia Química

Para obter-se energia química; procura-se métodos semelhantes ao da fotossíntese

(converte energia luminosa em energia química), os quais exigem reações químicas muito

complexas; estudos são realizados por universidades e empresas no setor de P&D,

entretanto, tal conversão ainda não se mostra economicamente viável.

2.3 Potencial Solar

Segundo (LION,2007), cada metro quadrado da superfície do Sol emite cerca de

64,16MW de energia eletromagnética, que são lançados no espaço. A origem desta

energia está em um conjunto de reações de fusão termonucleares que ocorrem no interior

do Sol causando uma diminuição na ordem de 4,25 milhões de tonelada por segundo.

Embora esse seja avaliado como uma perda inimaginável, seria necessário 147 bilhões de

anos (o sistema solar tem cerca de 8 bilhões de anos) de atividade solar, neste mesmo

ritmo, para que a sua massa diminuísse em 1%( um por cento).

A superfície terrestre recebe do Sol cerca de 1KW/m2 de radiação eletromagnética.

Excluindo-se as regiões Ártica e Antártica, a Terra recebe em média 3,6 kWh/m2.Dia.

Considerando-se que o restante das massas continentais somam uma área de

aproximadamente de 132,5 x 1012 m2 e que a incidência solar sobre essas massas

continentais é 4,77 x 108GWh/dia. Logo, a incidência em um ano é de 1,74 X 1011GWh.

Assumindo-se que o consumo energético anual atual corresponde a 1,5 x 108GWh,

conclui-se que a energia solar disponível nas massas continentais representa mais de

1.000 vezes o consumo da humanidade. Portanto, menos de 1% da energia solar

disponível nas massas continentais seria suficiente para suprir de energia à humanidade.

Considerando-se toda a área da Terra, a disponibilidade aumenta para 1,02 X

1013GWh.

2.4 Calor e Formas de Transmissão

Algumas definições são necessárias a fim de compreender os processos

posteriormente descritos, seguem abaixo as definições de calor, condução, radiação e

convecção.

15

I. Calor;

É definido como a transferência de energia térmica entre corpos com

temperaturas distintas. Por exemplo, quando colocamos dois corpos com

temperaturas diferentes em contato, podemos observar que a temperatura do

corpo "mais quente" diminui, e a do corpo "mais frio" aumenta, até o momento

em que ambos os corpos apresentem temperatura igual. Esta reação é causada

pela passagem de energia térmica do corpo "mais quente" para o corpo "mais

frio".

II. Condução;

É definido com a transferência de energia das partículas mais energéticas

de uma substância para partículas vizinhas adjacentes menos energéticas,

como resultado da interação entre elas. A condução pode ocorrer em sólidos,

líquidos ou gases.

Em líquidos e gases, a condução deve-se às colisões das moléculas em seus

movimentos aleatórios. Nos sólidos, ela acontece por causa da combinação

das vibrações das moléculas em rede, e a energia é transportada por elétrons

livres.

Por exemplo, caso uma lata com bebida gelada esteja em um ambiente

quente, normalmente ela aquecerá até a temperatura do ambiente como

resultado da transferência de calor do ambiente para a bebida por meio da

condução térmica pelo metal da lata.

III. Radiação

Definida como sendo a energia emitida pela matéria sob a forma de ondas

eletromagnéticas (fótons) como resultado das mudanças nas configurações

eletrônicas de átomos ou moléculas. Ao contrário da condução e da

convecção, a transferência de calor por radiação não exige a presença de um

meio interveniente. Além disso, todos os corpos a uma temperatura superior

ao zero absoluto emitem radiação térmica; ela é um fenômeno volumétrico,

todos os sólidos, líquidos e gases emitem, absorvem ou transmitem radiação

em diferentes graus. No entanto, a radiação é geralmente considerada um

fenômeno superficial para os sólidos opacos à radiação térmica, como metais,

madeira e rochas, uma vez que a radiação emitida pelas regiões do interior

16

desses materiais não pode nunca chegar à superfície, e a radiação incidente

sobre esses corpos normalmente é absorvida por alguns mícrons a partir da

superfície.

IV. Convecção

A convecção consiste na transferência de energia entre a superfície sólida

e a liquida ou gás adjacente, que está em movimento e que envolve os efeitos

combinados de condução e de movimento de um fluido.

Considerando-se o resfriamento de um bloco quente por ar frio soprado

sobre sua superfície superior, o calor será transferido primeiro para a camada

de ar adjacente ao bloco por condução. Esse calor é, então, transportado para

longe da superfície por convecção, isto é, pelos efeitos combinados de

condução dentro do ar causados pelo movimento aleatório das moléculas de ar

e por movimento da massa do ar, que remove o ar quente próximo à superfície

e o substitui por um ar mais frio.

2.5 Sistema Atmosfera- Radiação Solar

A radiação solar origina-se das reações termonucleares no interior do Sol, após

passar pelo processo de convecção, ela chega à superfície da estrela e em seguida é

irradiada para o espaço. Entretanto, apenas uma pequena fração de energia chegar à Terra.

Ao atravessar a atmosfera, a radiação solar, é atenuada por processos físicos de

espalhamento e absorção com os constituintes atmosféricos e a superfície do planeta. Na

Figura 2.1 estão representados, de forma bastante simplificada, os principais processos

de interação da radiação solar e da radiação térmica no sistema Atmosfera-Terra.. Os

valores numéricos representam a fração de energia em cada processo radiativo na

atmosfera. Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar

17

Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar

Figura 2.1: Diagrama simbólico dos processos de interação da radiação

solar com a atmosfera terrestre

As nuvens, os gases, partículas atmosféricas e a superfície refletem cerca de 30%

da radiação incidente no topo da atmosfera. Os 70% restantes são absorvidos produzindo

aquecimento do sistema e causando evaporação de água (calor latente) ou convecção

(calor sensível).

A energia absorvida pelo sistema Terra-Atmosfera é reemitida na faixa do

infravermelho do espectro de radiação eletromagnética - 4 a 100µm - sendo que 6% é

proveniente da superfície e 64% tem origem em nuvens e constituintes atmosféricos, após

a remissão da radiação na faixa do infravermelho, parte da energia fica aprisionada, pois

a atmosfera que outrora fora transparenta apara a radiação solar; torna-se opaca perante a

radiação térmica (infravermelho).

2.6 Mapas Solarimétricos

O mapa apresentado na abaixo figura 2.2. apresenta a média anual do total diário

de irradiação solar global incidente no território brasileiro. Apesar das diferentes

características climáticas observadas no Brasil, pode-se observar que a média anual de

irradiação global apresenta boa uniformidade, com médias anuais relativamente altas em

todo país. O valor máximo de irradiação global – 6,5kWh/m2.

18


Figura 2.2. Média anual do total diário de irradiação solar global no

território Brasil

A Figura 2.3.. Apresenta o mapa de média sazonal da irradiação global diária, nos

meses de dezembro a fevereiro. Os meses do ano foram classificados em 4 estações de

modo que o período de dezembro a fevereiro refere-se ao Verão, de março a maio ao

Outono, de junho a agosto ao Inverno e de setembro a novembro refere-se à Primavera.

A região Norte recebe menor incidência de radiação solar durante o Verão do que

a região Sul, apesar de sua localização próxima à linha do Equador. Durante os meses de

Inverno, ocorre o inverso e a região amazônica recebe maior irradiação solar global. Isso

se deve às características climáticas da região amazônica que apresenta fração de

cobertura de nuvens e precipitação elevadas durante o Verão devido à forte influência da

Zona de Convergência Intertropical (ZCIT). A variação da incidência de radiação solar

entre o Inverno e Verão é menor na região Norte do que nas regiões Sul e Sudeste.

19


A Figura 2.3. Média sazonal da irradiação global dias nos meses de

dezembro a fevereiro

2.7 Forno solar tipo caixa

Existem, basicamente, dois tipos de fornos solar: O tipo caixa espelhado, que usa o

fenômeno da reflexão para assar os alimentos; e o tipo caixa com superfície absorvedora

enegrecida, que simula o efeito estufa para alcançar o mesmo objetivo. Enquanto este

constitui-se, basicamente, de uma caixa com isolante nas laterais e na superfície inferior

externa; superfície interna inferior enegrecida; vidro na parte superior da caixa e de um

heliostato. Aquele diferenciará pela implementação de espelhos nas superfícies interna e

a inexistência de uma superfície enegrecia. Mesmo que os fornos possuam geometria

semelhantes, seus princípios de funcionamentos são completamente distintos.

Dentre as várias linhas de pesquisas desenvolvidas pelo LMHES/UFRN, destaca-

se o desenvolvimento e estudo de fornos solares, os quais já foram tema de várias teses

de mestrado e doutorado, além de serem apresentados em congressos nacionais e

internacionais. Segue abaixo alguns dos trabalhos mais pertinentes.

O primerio forno solar foi fabricado em madeira com quatro segmentos de inox

unidos constituindo a superfície refletora que concentrava a radiação solar e a enviava

para o recinto de assamento. Construído em 1986, os ensaios demonstraram a baixa

eficiência do forno em função de um nível de absortividade do inox muito maior que o

espelho, apesar de sua boa refletividade. A Figura 2.4 mostra o primeiro forno solar

fabricado na UFRN.

20

Fonte: Sousa (1986)

Figura 7 – Primeiro Forno solar fabricado na UFRN.

Melo (2008) fabricou e estudou um forno solar a partir de uma sucata de fogão

convencional a gás. O forno do fogão convencional foi utilizado como recinto de

assamento onde o absorvedor (panela) do forno solar ficou localizado, sendo recoberto

por uma lâmina de vidro para a geração do efeito estufa e tendo fundos e laterais isolados

por um compósito à base de gesso e isopor. Segmentos de espelhos planos foram

colocados nas laterais do forno para prover a concentração da radiação e uma parábola

refletora foi introduzida no recinto de assamento. Foram demonstradas as viabilidades

térmicas, econômica e de materiais do fogão em estudo. A temperatura interna média do

absorvedor ficou em torno de 150°C e a temperatura interna do forno em torno de 120°C.

A Figura 2.5 mostra o forno estudado.

Fonte: Melo (2008)

Figura 2.5 – Forno solar fabricado a partir de uma sucata de fogão

convencional

21

Varela (2013), em sua dissertação de mestrado, estudou um forno solar destinado

a assar alimentos, no período de 9:00 às 14:00 horas, construído a partir da utilização de

três pneus usados. A principal inovação do trabalho foi a utilização de pneus usados que

passaram por um processo de viramento para propiciar um aumento do volume do forno,

facilitar a operação de fixação de espelhos no seu interior e proporcionar um melhor

isolamento térmico, no caso uma camada de ar confinado. Foram testados os assamentos

para pizza e lasanha, obtendo-se tempos competitivos com outros modelos de

fornos/fogões solares testados no mundo. A Figura 2.6 mostra o forno estudado por

Varela.

Fonte: varela (2013)

Figura 2.68 – Forno solar estudado por Varela.

Sousa, et al. (2013) apresentaram um forno solar de baixo custo fabricado com

blocos de material compósito, a partir de EPS em pó, gesso e cimento. Acima da caixa do

forno localizava-se uma superfície refletora para concentrar os raios incidentes, enviando-

os ao seu interior. Os blocos que constituíam o forno apresentavam baixa condutividade

térmica, eram leves e apresentavam boa resistência mecânica. Foram realizados ensaios

para assamento de pizzas, bolos, empanados e quibes, com boa eficiência. O bolo foi

assado em apenas cinquenta minutos. O forno proposto pode ajudar a população mais

carente de nossa região, podendo constituir-se numa opção de geração de emprego e

renda. A Figura 2.7 mostra o forno solar fabricado em material compósito.

22

Fonte: Sousa (2013)

Figura 9.7 – Forno fabricado a partir de chapas de material compósito de baixa

condutividade.

Gomes (2015), em sua Tese de Doutorado do PPGEM, estudou um forno solar

destinado a assar alimentos, construído a partir de resíduos de Medium Density

Fiberboard (MDF). A principal inovação do trabalho foi a fabricação do forno utilizando

resíduos de MDF da indústria moveleira. O MDF, por ser um derivado da madeira,

apresenta uma baixa condutividade térmica, se mostrando um bom isolante térmico,

propriedade importante para a minimização das perdas térmicas, e se apresenta como um

material sustentável. Os resultados de ensaios de assamento para vários alimentos

demonstraram a viabilidade do forno fabricado para esse fim. A Figura 2.8 mostra o forno

solar estudado.

Fonte: Gomes (2015)

Figura 10.8 – Forno solar estudado por Gomes.

Araújo (2015), em sua Dissertação de Mestrado do PPGEM, apresentou um

estudo comparativo da capacidade de assamento de dois fornos solares tipo caixa,

fabricados a partir de um caixote para transporte de equipamentos. Os dois fornos tinham

configurações internas diferentes, predominando o efeito estufa ou a concentração da

23

radiação solar incidente. As principais características dos fornos fabricados eram seu

baixo custo, o reaproveitamento de materiais, os fáceis processos de fabricação e

montagem, a simples operacionalidade e a capacidade de assamento de vários alimentos

simultaneamente. A fabricação e a operacionalidade dos fornos estudados podem ser

repassadas para pessoas de quaisquer níveis sociais e intelectuais. Foi demonstrada a

viabilidade de utilização dos dois fornos para produzir o assamento dos alimentos

testados, comprovando-se a supremacia do forno espelhado. Os resultados obtidos para

as duas configurações testadas foram competitivos até mesmo com o forno convencional

a gás. Produziu-se o assamento de três bolos de 750g cada em apenas 80 minutos. A

Figura 2.9 mostra o forno solar estudado por Araújo.

.

Fonte: Araújo (2015)

Figura 2.911 – Forno solar estudado por Araújo

Spinelli (2016), em sua Dissertação de Mestrado, estudou um forno solar

fabricado a partir de chapas de MDF com capacidade de assar vários alimentos

simultaneamente. Foram realizados ensaios para o assamento de vários alimentos, com

variadas cargas. Em um desses ensaios foi produzido o assamento de oito bolos em

apenas oitenta minutos e seus resultados comparados com os vários tipos de fornos

solares já existentes mostrados pela literatura especializada. Foram analisadas a

viabilidade térmica, onde foram alcançadas temperaturas máximas de 140,5ºC, e

econômica de tal forno, que pode proporcionar a socialização do uso da energia solar

por comunidades carentes, podendo se tornar uma fonte de geração de emprego e renda.

A Figura 2.10 mostra o forno estudado por Spinelli.

24

.

Fonte: Spinelli (2016)

Figura 2.1012 – Forno solar estudado por Spinelli

2.7.1 Teoria do Forno Tipo Caixa

As configurações dos fornos tipo caixa podem apresentar variações na quantidade

de refletores externos, podendo variar de 0 a 4, com superfícies planas ou levemente

côncavas. Assim as temperaturas de trabalho deste tipo de forno podem atingir até 150oC,

com aquecimento lento, mas de fácil operação. Este aspecto colabora para que o alimento

se mantenha aquecido por longo período de tempo sem a presença do operador. Também

é importante ressaltar que é mínimo os riscos de operação devido não haver concentração

de reflexos de luz solar e não apresentar riscos a geração de chama durante o cozimento

dos alimentos.

Normalmente, os projetos tendem para utilização de materiais de baixo custo, de

fácil transporte e de dimensões reduzidas.

Esse tipo de fogão encontra ampla aplicação em todo mundo, principalmente na

Ásia e na África, destacando-se a Índia e a China, como sendo os países que mais tem

investido em programas sociais que viabilizam a construção de fogões solares a baixo

custo, para uma utilização significativa por parte de seu povo (ARAÚJO, 2015).

25

2.7.2 Princípios de Aquecimento

Segundo AALFS (2013) o propósito básico de um fogão de caixa solar é aquecer

as coisas - cozinhar alimentos, purificar água e esterilizar instrumentos - para mencionar

alguns.

Sendo possível com uma caixa solar graças ao seu aquecimento interno devido à

radiação solar, ou seja, a energia sol. A radiação solar que incide sobre o forno,

diretamente ou refletida, entram na caixa pela tampa de vidro ou outro material

transparente, transformando-se em energia de calor que é absorvida por uma placa preta

(absorvedor) e pelo recipiente que contém o alimento.

O aumento de temperatura interna do forno acontece até que o ganho de calor se

iguale as perdas de energia do mesmo. Assim, um forno tipo caixa terá uma temperatura

interna mais elevada, quando ocorra uma incidência de raios solares, com adicional dos

raios com auxílio de um refletor ou com um melhor isolamento térmico.

Este tópico e os dois seguintes serão baseados nas observações feitas por AALFS

(2013), DE ARAÚJO (2015), ARAÚJO (2015) e SPINELLI (2016).

a) Ganho de calor - Efeito estufa

Baseado no efeito estufa, que acontece em ambientes fechados devidos seu

aquecimento interno devido à incidência de luz solar através de uma superfície

transparente, como plástico ou vidro. Esta luz solar é formada por duas partes: luz do

espectro visível e raios infravermelho. A luz visível passa tranquilamente pelo vidro,

sendo absorvida pela panela e placa absorvedora do forno e refletida para dentro do

ambiente fechado.

A energia absorvida se converte em energia de calor com comprimento de onda

mais longa também é irradiada no interior do forno, como grande parte desta energia é

radiante, com comprimento de onda maior, não consegue passar pelo vidro para o lado

externo, ficando aprisionada no ambiente. Quanto à luz refletida também e absorvida

dentro do forno ou passa de volta para fora do ambiente por não sofre alteração no

comprimento de onda.

Portanto, o desempenho do fogão solar está diretamente associado ao calor

absorvido pela placa absorvedora e pela panela, que serão conduzidos para aquecer e

cozinhar os alimentos. A Figura 2.11 ilustra o efeito estufa.

26

Fonte: Aalfs, 2013.

Figura 2.11 - Efeito estufa gerado no forno solar tipo caixa.

A orientação do vidro em relação aos raios solares influencia no ganho de calor.

Este será maior. A Figura 2.12 demostra duas caixas, 1 e 2, onde a caixa 2 recebe a luz

solar de forma mais direta que na caixa 1, favorecendo o aquecimento.

Fonte: Aalfs, 2013.

Figura 2.12 . Orientação do vidro em fornos solares.

A Figura 2.13 demostra que a utilização de refletores simples ou múltiplos ajudam

a direcionar um adicional de luz solar adicional através do vidro, na caixa solar. Também

contribuindo para temperatura mais alta do forno solar devido a entrada extra de energia

solar.

Fonte: Aalfs, 2013.

Figura 2.13. Refletores para aumento da energia de entrada no forno.

b) Perda de Calor

27

A perda de calor em um forno solar tipo caixa ocorre por condução, radiação e

convecção.

A Figura 2.14 demostra um exemplo de transferência de calor onde o fogo transfere

calor para o material da panela e para o material do cabo. Este tipo de transferência de

calor ocorre no forno solar tipo caixa, causando perdas por condução pelo vidro,

isolamentos laterais e de fundo, do ar, entre outros.

Fonte: Aalfs, 2013.

Figura 2.14 - Calor da panela transferido para o cabo.

Elevar o anteparo do fundo do forno é uma forma comum de proporcionar um

espaço isolante e minimizar a perda de calor por condução entre ambos. A Figura 2.15

demostra isto.

Fonte: Aalfs, 2013.

Figura 2.15 - Calor irradiado em forno tipo caixa aquecido.

Com o ganho de calor no interior do forno, tanto as superfícies aquecidas e a panela

passam a liberar calor, irradiando calor nas suas redondezas. Uma grande parte do calor

irradiado fica retido dentro do forno solar porque é refletido pelo vidro e paredes, mas

uma parte consegue atravessar o vidro (obstáculo translucido) em destino ao ambiente

externo, ocorrendo assim a perda de calor por radiação.

28

As moléculas de ar movem-se para fora e para dentro do forno pelas frestas,

sofrendo convecção. As frestas são em decorrência de rachaduras ou imperfeiçoes de

construção, por isto devem ser minimizados na faze de projeto para reduzir este tipo de

perda. A Figura 2.16 demostra a perda de calor.

Fonte: Aalfs, 2013.

Figura 2.16 - Ar aquecido escapando por frestas do forno solar.

c) Estocagem de Calor

Segundo AALFS, 2013, à medida que a densidade e o peso dos materiais dentro do

invólucro isolado de um fogão de caixa solar aumentam, a capacidade da caixa para

manter o calor aumenta. O interior de uma caixa, incluindo materiais pesados, como

pedras, tijolos, panelas pesadas, água ou alimentos pesados, levará mais tempo a aquecer

devido a essa capacidade adicional de armazenamento de calor. A energia entrante é

armazenada como calor nesses materiais pesados, diminuindo o aquecimento do ar na

caixa. Esses materiais densos, carregados com calor, irão irradiar esse calor dentro da

caixa, mantendo-o quente durante um período mais longo no final do dia. Figura 2.17.

Fonte: Aalfs, 2013.

Figura 2.17 - Massa térmica dentro do fogão.

2.7.3 Projeto

29

Os fatores importantes para um projeto de um fogão solar tipo caixa são: Materiais,

o tamanho da caixa, a razão entre a área de coleta e o volume da caixa, as dimensões e a

quantidade de refletores.

a) Materiais

Para um projeto de um forno solar uma propriedade que deve ser considerada na

seleção de materiais é a resistência à umidade. Pois a maioria dos alimentos utilizados

em forno solar tipo caixa contém umidade, criando pressão de vapor que conduz umidade

de dentro para fora do forno. Parte desta umidade pode ficar aprisionada dentro e, caso

não tenha uma boa barreira interna, pode agredir os materiais de isolamento e estruturais.

Materiais da estrutura são usados para dar forma, devem ser duráveis e por serem

materiais densos não servem como isolante térmico.

Assim deve-se utilizar outro material como isolante que envolva o espaço interno

destinado para o assamento em todos os lados, exceto o lado da tampa. Existem vários

materiais que podem ser utilizados como isolante, o importante que permita uma

condução mínima de calor de dentro para fora do forno. Pois quanto menor a perda pelo

isolamento maior será a temperatura de cozimento.

O material utilizado na parte superior deve ser transparente e encarar o sol para

garantir aquecimento pelo “efeito estufa”, sendo o vidro e plásticos são os mais comuns.

Dependo do material o ganho de calor pode ser reduzido em 5-15%.

b) Tamanho da caixa

Segundo AAFSL, 2013, um forno tipo caixa deve ser dimensionado em função dos

seguintes fatores:

O tamanho deve permitir a maior quantidade de alimentos comumente cozidos.

Se a caixa precisa ser movida com frequência, não deve ser tão grande que esta

tarefa é difícil.

O design da caixa deve acomodar o utensílio de cozinha disponível ou comumente

usados.

c) Razão entre a área de coleta e o volume da caixa

Aumentando a área de coleta de luz em relação à área de perda serão atingidas

temperaturas mais altas de cozimentos. Como exemplo, ao comparar duas caixas com

30

mesma área e dimensão de coleta de luz solar, a caixa com menor profundidade é a que

apresentará a maior capacidade de reter calor, pois apresenta menor área de perda de

calor.

d) Dimensões da caixa solar

Um forno tipo caixa solar sob o sol ao meio dia deve ter a sua dimensão mais longa

no sentido leste/oeste. Assim faz melhor uso do refletor durante o assamento por várias

horas, pois à medida que o sol se move no céu, resulta em temperatura mais consistente.

Já em fogões quadrados ou de maior dimensão no sentido norte/sul uma maior parte do

sol da manhã e entardecer é refletida para o chão, reduzindo a energia incidente no forno.

A Figura 2.18 demostra o uso do refletor no intervalo de várias horas.

Fonte: Aalfs, 2013.

Figura 2.18 - Fornos solares mais largos captam mais luz solar no sentido Leste-

Oeste.

e) Refletores

O uso de um ou mais refletores para direcionar luz solar adicional ao forno aumenta

as temperaturas internas. Ainda que exista a possibilidade de utilizar o forno solar sem

refletores em zonas equatoriais, onde a radiação solar é bastante uniforme e intenso, tais

refletores contribuem, significativamente, no aumento da temperatura nas zonas

temperadas do mundo contribuindo para ganhos na eficiência do forno.

31

3. MATERIAIS E MÉTODOS

Com o objetivo de otimizar o forno, foi construído um heliostato fixo ao forno, que

embora seja menor que o anterior, apresenta a vantagem de maior mobilidade e menor

custo de produção. As etapas de construção são descritas a seguir.

Fonte: Filho, M. J. (2014) e Arquivo pessoal

Figura 3.1-Antigo forno com heliostato e novo heliostato fixo.

3.1. Restauração do Forno e Confecção do Heliostato

a) No processo de restauração, foram descartados materiais que não puderam ser

reutilizados, como por exemplo, a madeira que ficava na parte inferior do forno

e os isopores que serviam como isolantes térmicos que ficavam na parte inferior

e nas laterais do forno.

b) Em seguida, foi realizado o processo de lixamento das partes corroídas; como

prateleiras e cantoneiras.

c) Após o lixamento, o antigo forno passou pelo processo de pintura. No qual, como

pode ser visto na figura (figura que mostra o forno), a superfície absorvedora foi

pintada de preto e as demais foram pitadas de laranja.

32

d) Após a pintura, foi proposto pelo orientador a diminuição do volume de

cozimento, aumento assim a relação área/volume; saindo de 10 cm para 8 cm.

Para isso utilizou-se uma furadeira para retirar os rebites que prendiam a

superfície absorvedora e em seguida foram feitas novas furações e em seguida a

rebitação na nova configuração.

e) Para construção da estrutura do heliostato, foi reaproveita do uma placa metálica

de formato retangular 90X90 cm e de, aproximadamente, 2cm de espessura; ela

passou por alguns dos processos anteriormente descritos (lixamento e pintura).

Além do mais, foram rebitadas duas cantoneiras de alumínio de dimensões, 1,38

m de comprimento e 3mm de espessura, na parte externa, afim de dar maior

rigidez.

Após a rebitação das cantoneiras, contatou-se que a rigidez obtida, ainda era

insuficiente para evitar a quebra dos espelhos; para eliminar esse inconveniente,

os espelhos foram colados em madeira de compensado, para só assim, ser fixado

na estrutura metálica, formando assim o heliostato.

3.2. Procedimento Experimental

Para o primeiro dia de teste, sem carga, foram coletadas as temperaturas em três

pontos na superfície absorvedora e em dois pontos no ar no interior do forno; tais pontos

foram coletados em intervalos de 10 min (dez minutos); tendo início às 10h (dez horas) e

finalizado as 11h (onze horas). Além disso, foram adquiridos também as temperaturas nas

superfícies externas laterais e inferior; e também as temperaturas do vidro, interna e

externa.

No segundo dia teste, com carga, foram introduzidos no forno os 6 seis bolos de sabor

chocolate com 750 g cada um. O teste teve início às 10:38; com uma temperatura de

133°C na superfície absorvedora e 100 °C no ar. Os bolos foram retirados com a seguinte

ordem.

Ás 11:38 foram retirados os dois primeiros bolos;

As 11:54 foram retirados outros dois bolos;

As 12:02 foram retirados os últimos bolos.

A Figura 3.2 mostra os bolos durante o processo de assamento.

33

Fonte: Arquivo pessoal

Figura 3.2. Bolos durante o processo de assamanto.

Para o terceiro dia de testes foram colocados no formo os seguintes alimentos: dois

bolos, 10 dez empanados, 6 seis pães e 1 uma pizza. Os testes tiveram início as 11:05 e

finalizaram as 12:10, com as seguintes ordem de retiradas.

Às 11:20 foi retirada a pizza;

Às 11:35 foram retirados os pães;

Às 11:55 foram retirados os empanados;

Às 12:10 foram retirados os bolos.

A Figura 3.3 mostra os alimentos durante o processo de assamanto.

34


Figura 3.3 Alimentos durante o processo de assamento.

Para o registro e acompanhamento da elevação da temperatura, foram utilizados 5

(cinco) termopares, sendo 2 (dois), instalados no ar e os outros 3 (três) instalados na

superfície absorvedora. Para isso, utilizou-se o termopar TH 1000, com faixa de -40ºC à

1000 ºC com precisão de 0,1ºC. A Figura 3.4 mostra o equipamento.

35

Fonte: arquivo pessoal

Figura 3.4-Termômetro associado aos termopares.

Para a medição das temperaturas das laterais externas, do inferior e do vidro foi

utilizado um medidor de temperatura laser infravermelho HM-88C HIGHMED. A Figura

3.5 mostra o equipamento.


Figura 3.3-Termômetro Digital.

E para a medição da radiação global, foi utilizado o radiômetro MES-100, a

Figura 3.4 mostra o equipamento.


Figura 3.4-Radiômetro digital.

36

3.1 Procedimentos para o cálculo da energia

Os procedimentos para o cálculo da energia encontram-se mostrados nas equações

a seguir.

3.1.1 A energia que entra no forno

A energia que entra no forno provém de duas fontes: da radiação solar global incidente

na cobertura do forno e da radiação solar direta refletida nos espelhos externos situados

no topo do forno. A equação 3.1 mostra a energia total que entra no forno.

𝐸𝑒𝑓 = 𝐸𝑔 + 𝐸𝑟𝑒 3.1

Onde:

𝐸𝑒𝑓= energia que entra no forno (W);

𝐸𝑔= energia da radiação solar global que incide diretamente no forno (W);

𝐸𝑟𝑒 = energia da reflexão dos espelhos localizados na parte superior do forno (W).

Para o cálculo das energias de entrada no forno utilizam se as equações mostradas

a seguir.

𝐸𝑔 = 𝐼𝑔𝜏𝑣𝐴𝑣 3.2

𝐸𝑟𝑒 = 𝐼𝑑𝜌𝑒𝜏𝑣𝐴𝑎𝑢 3.3

Onde:

𝐼𝑔= Radiação instantânea global que entra no forno;

𝐼𝑑= Radiação instantânea direta que entra no forno;

Para condições de céu limpo com poucas nuvens 𝐼𝑑 = 0,8𝐼𝑔;

𝜌𝑒 = Refletividade do espelho = 0,95;

𝜏𝑣= Transmissividade do vidro = 0,85;

𝐴𝑣= Área do vidro = 0,70 m2;

𝐴𝑎𝑢 = Área útil dos espelhos = 0,83 m2.

3.1.2 Energia perdida

37

Como não existe um isolante ideal, sempre haverá perdas de energia, sendo que para

o caso do forno; a energia será perdia pelas lateria e porte inferior; por convecção.

Enquanto que para o espelho, a perda dar-se-á tanto por convecção, como também por

radiação.

Energia é perdida por convecção (𝐸𝑝𝑓 = 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣, ) pelas laterais, parte inferior por

convecção e pelo vidro por radiação.

𝐸𝑝𝑓 = 𝐸𝑝𝑓𝑆+𝐸𝑝𝑓𝑂 + 𝐸𝑝𝑓𝑁 + 𝐸𝑝𝑓𝐿 + 𝐸𝑝𝑓𝑉 + 𝐸𝑝𝑓𝐼 3.4

Onde:

𝐸𝑝𝑓𝑆 = Energia perdida pelo forno pela região sul (W);

𝐸𝑝𝑓𝑂 = Energia perdida pelo forno pela região oeste (W);

𝐸𝑝𝑓𝑁 = Energia perdida pelo forno pela região norte (W);

𝐸𝑝𝑓𝐿 = Energia perdida pelo forno pela região leste (W);

𝐸𝑝𝑓𝑉 = Energia perdida pelo forno pela região vidro (W);

𝐸𝑝𝑓𝐼 = Energia perdida pelo forno pela região inferior (W).

Para a quantificação da energia perdidas, usaremos a lei de Newton para o

resfriamento, no caso da convecção, equação 3.4, e a derivação da lei de Stefan-

Boltzmann, para a radiação, equação 3.5.

).(. ambssecconvecfp TTAhQE 3.5

).(. ambsserradfp TTAhQE 3.6

Onde:

ch = coeficiente de transferência de calor por convecção, em W/m²K;

rh = coeficiente de transferência de calor por radiação, em W/m²K;

seA = área da superfície, em m²;

38

sT = temperatura da superfície, em K;

ambT = temperatura ambiente, em K;

O coeficiente de transferência de calor, por convecção, entre a superfície externa

e o ar ambiente, pode segundo Duffie & Beckman (1991), ser determinado por:

vavec vh .38,2)( 3.7

Onde:

vv = velocidade do vento, em m/s.

Esta equação é válida para velocidades de vento compreendidas entre 0,0 e 7,0 m/s.

No local onde foram feitos os testes, de acordo com a central meteorológica do LMHES,

foram constatados velocidade de 0.5 m/s. Spinelli (2016).

O coeficiente de troca térmica radiativa entre a superfície externa da cobertura e a

abóbada celeste, conforme Duffie & Beckman (1991), é função das condições climáticas

do local considerado podendo ser determinado através da equação 3.7.

ℎ𝑟(𝑣𝑒−𝑎) = 5,16 ∗ 10−8 𝑇𝑣𝑒

4 −𝑇𝑠𝑘𝑦4

𝑇𝑣𝑒−𝑇𝑎𝑚𝑏

3.8

Onde:

Tve = temperatura externa do vidro, em K.

Tsky = temperatura da abóbada celeste, em K.

Tamb = temperatura ambiente, em K.

Sem incorrer em erros significativos, pode-se obter o valor de Tsky, a partir de Tamb,

através da equação 3.8.

𝑇𝑠𝑘𝑦 = 0,0552 ∗ 𝑇𝑎𝑚𝑏1,5

3.9

3.1.3 A energia absorvida pelo forno

39

𝐸𝑎𝑏𝑠 = 𝐸𝑒𝑓 − 𝐸𝑝𝑓 3.10

Onde:

𝐸𝑝𝑓 = Energia perdida pelo forno (W);

𝐸𝑒𝑓 = Energia que entra no forno (W);

𝐸𝑎𝑏𝑠 = Energia total absorvida pelo forno (W).

3.1.4 O rendimento interno do forno

O rendimento interno do forno será calculado pela razão entre a energia absorvida

pelo alimento e a energia total que entra no forno.

𝜂𝑅𝐼 =𝐸𝑎𝑏𝑠

𝐸𝑒𝑓∗ 100 3.10

Onde:

𝜂𝑅𝐼 = Rendimento interno do forno.

40

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1 Teste sem Carga

Na manhã de 30 de novembro de 2018, foram realizados os ensaios, sem carga, com

a finalidade de aferir o desempenho do forno. Após a aquisição dos dados (temperaturas

e radiações), eles foram organizados na tabela 4.1, como será mostrado.

Tabela 4.1. Temperaturas sem Cargas

Hora TSAB1

°C

TSAB2

°C

TSAB3

°C

TAR1

°C

TAR2

°C

Ig

W/m2

Id

W/m2

Cond.

Tempo

10:00 95,5 102,5 105,2 85,5 85,0 914,00 731,20 Sol

10:10 118,1 121,6 123,0 101,9 102,3 925,00 740,00 Sol

10:20 129,3 130,9 124,2 102,8 111,3 922,50 738,00 Sol

10:30 132,8 131,0 118,3 101,0 106,2 915,70 732,56 Sol

10:40 138,3 139,4 134,4 110,2 115,6 920,40 736,32 Sol

10:50 136,3 137,7 133,4 108,0 116,4 928,40 742,72 Sol

11:00 133,7 137,7 135,6 107,0 118,6 930,40 744,32 Sol

Com a elaboração da tabela 4.1, foi possível gerar a Figura 4.1 de um gráfico das

temperaturas do absorvedor e do ar em função do tempo, bom como da radiação global

em função do tempo.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 50 100 150

Tem

pe

ratu

ra (

o C

)

Tempo (min)

Variaçãotemperaturaabsorvedor XTempo

Variaçãotemperatura arX Tempo

41

Figura 4.1. Variação temperatura X Tempo.

Figura 4.2. Variação da radiação solar X tempo

Além de aferir as temperaturas na superfície absorvedora, também foram medidas

as temperaturas das superfícies laterais externas, com a finalidade de mensurar as taxas

de perda de energia. Com os dados obtidos foi elaborado a tabela 4.2 das temperaturas

externas.

Tabela 4.2. Temperaturas externas laterais

Superfície

Ta

(oC)

Tb

(oC)

Tc

(oC)

Média

(oC)

Des.Padrão

(oC)

Cond.

Tempo

Sul 52,8 58,2 53,8 54,93 2,87 Sombra

Oeste 52,0 55,4 54,3 53,90 1,73 Sol

Leste 52,5 57,9 54,5 54,96 2,73 Sol

Norte 57,1 57,5 53,3 55,96 2,31 Sol

42

As temperaturas foram coletadas em três pontos em cada lateral (Sul, Oeste, Leste

e Norte). A Figura 4.2 é uma representação esquemática do forno (vista isométrica), em

que é possível identificar os pontos cadeias.

Figura 4.2. Temperaturas externas.

Para quantificar a perda pela face externa inferior do forno, foram coletadas as

temperaturas em oito pontos. Com os dados obtido, foi elaborado a Tabela 4.3, na qual é

possível identificar a maior temperatura, que foi no ponto D, TD=42 °C.

Tabela 4.3. Temperaturas externas, face inferior

Superfície TA

(oC)

TB

(oC)

TC

(oC)

TD

(oC)

TE

(oC)

TF

(oC)

TG

(oC)

TH

(oC)

Média

(oC)

Des.Pa

(oC)

Cond.

Tempo

Inferior 40,4 39,9 39 42 41 40 38,1 37,2 39,7 1,55 Sombra

Com a finalidade de quantificar as taxas de perda de energia pelo vidro, foram

coletadas temperaturas. Com os dados coletados foi possível a elaboração da Tabela 4.4

das temperaturas externas do vidro.

43

Tabela 4.4. Temperaturas externas do vidro

Superfície Ta

(oC)

Tb

(oC)

Tc

(oC)

TD

(oC)

TE

(oC)

TF

(oC)

TG

(oC)

TH

(oC)

TI

(oC)

Média

(oC)

Des.Padrão

(oC)

Cond.

Tempo

Externa 72,6 80,3 70 72,1 85,1 74,2 71,5 81,1 71,1 75,3 5,40 Sol

A Figura 4.3 representa esquematicamente os pontos que foram medidas as

temperaturas externas do vidro.

Figura 4.3, Vista superior do desenho esquemático do forno

Após a análise da tabela 4.4 das temperaturas externas do vidro, fica em evidência

que a região de maior concentração de energia, encontra-se entorno dos pontos B (80,3

°C), E (85,1 °C) e H (81,1°C), visto que nessa região a concentração de energia dar-se-á

pela soma da radiação solar global, que incide quase que diretamente na superfície do

forno e a radiação solar refletida pelo heliostato.

4.1.1 Balanço Energético sem Carga

44

Após a aquisição das temperaturas e das radiações global e direta, será feito o balaço

de energia, afim de quantificar as taxas de energia adquiridas e perdidas pelo forno, além

de sua eficiência.

a) A energia que entra no forno

Para o cálculo da energia efetiva que adentra ao forno, faz-se

necessário que seja considerada a soma entre a irradiação global e a

irradiação direta, como segue abaixo.

Eg = 922,30 ∗ 0,85 ∗ 0,70 = 548,77 W

Ere = 737,84 ∗ 0,95 ∗ 0,85 ∗ 0,83 = 494,53 W

Logo a energia efetiva que entra no forno é dada pela soma a seguir:

𝐸𝑒𝑓 = 548,77 + 494,53 = 1043,89 W

b) Analise pela energia perdida pelas laterais, fundo e pelo vidro de

cobertura (Epf = Qconvec e Qrad).

Para quantificar-se a taxa de energia perdia ocorrida durante os testes

do forno; será realizada a soma das perdas entre as parcelas de ambos

processo, convecção e radiação.

).(. ambssecconvecfp TTAhQE

).(. ambsserradfp TTAhQE

Com a finalidade de calcular o coeficiente convectivo hc, foi mensurado no

LMHES/UFRN, a velocidade média do vento Vv =0,5 m/s à uma temperatura média

ambiente de 31,8 °C. Dessa forma, com a obtenção da velocidade, chegou-se ao

coeficiente convectivo. Como demostrado a seguir.

ℎ𝑐(𝑣𝑒−𝑎) = 2,4 + 3 ∗ 0,5 = 3,9 W/m2K

Para o cálculo das perdas, foi necessário celular as médias das temperaturas nas

partes laterais externas, bem como também, nas superfícies externa do vidro e

45

inferior do forno, além de suas respectivas áreas. Com os dados obtido, foi montado

a Tabela 4.5.


Superfície

Ts

(OC)

Ase

(m2)

Sul 54,93 0,086

Oeste 53,90 0,086

Leste 54,96 0,086

Norte 55,96 0,086

Externa do Vidro 75,3 0,73

Inferior 39,7 0,73

Para o cálculo da temperatura do céu, faz-se necessário converter a temperatura

ambiente, media em Celsius, para Kelvin, de modo que , 31,8°C será 304,95 K.

Logo a temperatura do céu 𝑇𝑠𝑘𝑦 é fornecida por:

𝑇𝑠𝑘𝑦 = 0,0552 ∗ 304,861,5 = 293,83 𝐾

E o coeficiente radiativo, ℎ𝑟(𝑣𝑒−𝑎) assume o valor de:

ℎ𝑟(𝑣𝑒−𝑎) = 5,16 ∗ 10−8

348,454 − 293,834

348,45 − 304,86= 8,63

𝑊

𝑚2𝐾

Agrupando-se os devidos termos na equação geral de perdas chega-se aos

respectivos valores para cada superfície:

46

𝐸𝑝𝑓𝑆 = 3,9 ∗ 0,0728 ∗ ((54,93 − 31,8 )) = 6,58 W

𝐸𝑝𝑓𝑂 = 3,9 ∗ 0,0728 ∗ ((53,90 − 31,8 )) = 6,27 W

𝐸𝑝𝑓𝑁 = 3,9 ∗ 0,0728 ∗ ((55,96 − 31,8 )) = 6,86W

𝐸𝑝𝑓𝐿 = 3,9 ∗ 0,0728 ∗ ((54,96 − 31,8 )) = 6,58 W

𝐸𝑝𝑓𝑉 = 8,63 ∗ 0,70 ∗ ((75,3 − 31,8 )) = 262,78 W

𝐸𝑝𝑓𝐼 = 3,9 ∗ 0,70 ∗ ((39,7 − 31,8 )) = 21,57 W

Obs.: temperaturas em Celsius.

Logo a energia perdida será de:

𝐸𝑝𝑓 = 6,58 + 6,27 + 6,86 + 6,58 + 262,78 + 21,57 = 310,64 W

c) A Energia Absorvida Pelo Forno

Após a computação das entrada das taxas de energia no forno e suas

respectivas taxas de perda; será descrito agora a taxa de energia absorvida pelo

forno, que nada mais é que a diferença entre a taxa de entra e de saída, como será

demonstrado a seguir.

𝐸𝑎𝑏𝑠 = 1043,31 − 310,64 = 732,62 W

d) Rendimento Interno Do Forno

O rendimento interno do forno, basta fazer a razão entre as taxas de energia

absorvidas e a de entrada. Logo, teremos:

𝜂𝑅𝐼 =732,62

1043,31∗ 100 = 70,2%

47

Após a aquisição das taxas de energia do forno, e de sua eficiência, foi

elaborada a Tabela 4.6 com a finalidade de demostrar, de forma percentual, a

contribuição de cada parcela da entrada e saída de energia, além da absorvida.


Discriminação

Energia

(W)

Porcentagem

(%)

1. Energia que entra no

forno

1043,31 100%

2. Perdas 310,64 29,8%

1-2. Energia absorvida 732,62 70,2%

4.2 Teste Com Carga

4.2.1 Primeiro Dia de Teste Com Carga

Na manhã de 30 de Novembro de 2018, foi realizado o teste de assamento de seis bolos,

com carga total de 4500g. Os bolos foram colocados as 10:30, quando a temperaturas do

absorvedor era de 136 °C e a do ar cerca de 110°C; os bolos foram retirados com cerca de 80 min

após o início do teste. A Figura 4.4 apresenta os alimentos após o processo de assamento.


Figura 4.4 Os seis bolos após o processo de assamanto.

4.2.2 Segundo dia de Teste Com Carga

48

Na manhã de 4 dezembro de 2018 foi realizado o teste do forno solar com as seguintes

alimento: dois bolos, dez empanados, uma pizza e seis pães. O teste teve início às 11:03 com

uma temperatura do absorvedor Tab=125°C e temperatura do ar em torno de Tar=110°C.

Antes de inserir os alimentos no forno, foram realizadas as medições das temperaturas

laterais, de fundo e radiação global Ig=910 W/m2; com os quais foi possível a elaboração da

Tabela 4.7 da tabela.


Após decorrido quinze minutos do início do experimento, foram realizadas uma nova

aquisição, no qual foram aferidos novos dados de temperatura e de irradiação global Ig= 903,7

W/m2. Com os dados obtidos foi construído a Tabela 4.8.


Após a aquisição dos dados, foram retirada dos alimentos e medidos o tempo de

assamento, com o qual foi elaborado a Tabela 4.9.

Superfície

Ta

(oC)

Tb

(oC)

Tc

(oC)

Média

(oC)

Des.Padrão

(oC)

Cond.

Tempo

Leste 55 60 56 57 2,65 Sombra

Sul 58 60,1 57,8 58,6 1,27 Sol

Oeste 57,4 61 59,5 59,3 1,81 Sol

Norte 61 60 57,5 59,5 1,80 Sol

Superfície

Ta

(Oc)

Tb

(Oc)

Tc

(Oc)

Média

(Oc)

Des.Padrão

(Oc)

Cond. Tempo

Leste 49,3 47,8 45,8 47,6 1,75 Sombra

Sul 52,3 53,4 51,5 52,4 0,95 Sol

Oeste 50 47,4 49 48,8 1,31 Sol

Norte 49,2 49,2 49,2 49,2 8,7*10-15 Sol

49

Tabela 4.9. Tempo de assamento, quantidade e peso dos alimentos

Alimento Tempo de assamento Quantidade Peso

Bolo 65 min 2 900g

Pizza 15 min 1 1000g

Pão 30 min 6 50g

Frango empanado 50 min 10 100g

A Figura 4.5 apresenta os alimentos após o término dos testes de

assamento.


Figura 4.5. Apresenta todos os alimentos após o término do teste

a) A energia que entra no forno

Eg = 906,85 ∗ 0,85 ∗ 0,70 = 539,58 W

Ere = 725,48 ∗ 0,95 ∗ 0,85 ∗ 0,83 = 486,23 W

Logo a energia efetiva que entra no forno é dada pela soma a seguir:

𝐸𝑒𝑓 = 539,58 + 486,23 = 1025,81 W

50

As temperaturas externas, com carga, para as laterais, vidros e parte inferior como

também as respectivas áreas estão tabeladas a seguir:


Superfície Ts (OC) Ase (m2)

Leste 47,6 0,086

Sul 52,4 0,086

Oeste 48,8 0,086

Norte 49,2 0,086

Externa Do Vidro 60,45 0,73

Inferior 38,3 0,73

E ℎ𝑟(𝑣𝑒−𝑎) assume o valor de:

ℎ𝑟(𝑣𝑒−𝑎) = 5,16 ∗ 10−8

333,64 − 293,834

336,6 − 304,86= 8,02

𝑊

𝑚2𝐾

Agrupando-se os devidos termos na equação geral de perdas chega-se aos

respectivos valores para cada superfície:

𝐸𝑝𝑓𝑆 = 3,9 ∗ 0,0728 ∗ ((52,4 − 31,8 )) = 5,85 W

𝐸𝑝𝑓𝑂 = 3,9 ∗ 0,0728 ∗ ((48,8 − 31,8 )) = 4,83 W

𝐸𝑝𝑓𝑁 = 3,9 ∗ 0,0728 ∗ ((49,2 − 31,8 )) = 4,94W

𝐸𝑝𝑓𝐿 = 3,9 ∗ 0,0728 ∗ ((47,6 − 31,8 )) = 4,49 W

𝐸𝑝𝑓𝑉 = 8,02 ∗ 0,70 ∗ ((60,45 − 31,8 )) = 160,84 W

𝐸𝑝𝑓𝐼 = 3,9 ∗ 0,70 ∗ ((38,3 − 31,8 )) = 17,75 W

51

Logo a energia perdida é:

𝐸𝑝𝑓 = 5,85 + 4,83 + 4,94 + 4,49 + 160,84 + 17,75 = 198,7 W

b) A energia absorvida pelo forno

𝐸𝑎𝑏𝑠 = 1025,81 − 198,7 = 827,11 W

c) O rendimento interno do forno

𝜂𝑅𝐼 =827,11

1025,81∗ 100 = 80,63%


Discriminação

Energia

(W)

Porcentagem

(%)

1. Energia que entra no

forno

1043,31 100%

2. Perdas 198,7 19,37%

1-2. Energia absorvida 827,11 80,63%

52

5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES

5.1. Conclusões

Analisando-se as eficiências, consta- se que houve um aumento de 10,43% quando

comparados os testes com e sem carga; isso ocorre porque quando o forno está com carga,

parte da energia que entra no forno é destinada ao assamento dos alimentos. Devido a

isso, as temperaturas internas diminuem, como consequência, a perda de calor também

diminui, pois diminui a diferença entre as temperaturas internas e externas ao forno.

Após análise das temperaturas, eficiências e tempo de assamento fica em evidência

a viabilidade técnica e comercial do forno solar. Dessa forma chegamos a seguinte

conclusões:

.. O forno solar proposto/estudado mostrou-se viável para produzir o assamento de

todos os alimentos testados

.. O forno solar proposto apresentou capacidade de assamento de vários alimentos

simultaneamente

.. Os tempos de assamentos obtidos com o forno solar estudado foram competitivos

com os já anteriormente testados no LMHES.

.. Os processo de fabricação e montagem do forno solar proposto são simples

podendo ser repassados para pessoas de quaisquer níveis sociais e intelectuais

.

.. O forno solar fabricado tem capacidade de produzir o assamento de alimento no

período de 9 as 14, sob boas condições solarimétricas.

.. As principais qualidades do forno solar proposto fabricado e estudado foram sua

capacidade de assamento de vários alimentos simultaneamente e seu baixo

custo

.. O forno solar estudado mostrou-se competitivo com o forno a gás para o assamante

de uma carga significativa de alimentos, como por exemplo, seis bolos (4500g)

53

5.2. Sugestões

Com a finalidade e facilitar o manuseio do forno solar proposto; recomenda-se

uma base giratória, para que assim, o usuário não tenha que fazer um esforço

significativo para acompanhar o posicionamento do Sol.

Com que o forno tenha um apelo ecológico e econômico ainda maior, recomenda-

se que o heliostato seja fabricado também de prateleiras metálicas descartadas.

Para aumentar rigidez e durabilidade do forno, recomenda-se que seja fabricado

dois reguladores ao invés de apenas um.

A fim de aumentar o volume útil do forno, recomenda-se que o isolamento nas

laterais seja externo ao recinto de assamanto.

Para o isolamento do forno, recomenda-se o desenvolvimento de um compósito de

fibra natal, por exemplo, fibra de coco.

54

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGÁFICAS

6.1. .. Referências

BRAGA FILHO, W., Transmissão de calor, Primeira edição, Pioneira Thomson

Learning, São Paulo, 2004.

DUFFIE, J. e BECKMAN, W.,Solar Engineering of Thermal Process, 2 th, Jhon

Willey & Sons Inc., 1991.

INCROPERA, F. P. e DE WITT, D. P., Fundamentos de Transferência de Calor e

de Massa, 6 ed., LTC, Rio de Janeiro, 2008.

KREITH, F. e BOHN, M. S., Princípios de transferência de calor, Pioneira Thomson

Learning, São Paulo, 2003.

LION, C. A. P. Q., Desenvolvimento e caracterização de compósito da borra da

piaçava para construção de parábola de um fogão solar à concentração, Tese de Doutorado

do PPGCEM/UFRN, Natal, 2013.

SOUZA, L. G. M. et al., Solar oven manufactured in composite low termal

condutivity, COBEM- 2013, Ribeirão Preto/SP.

SOUZA, L. G. M. et al., Solar oven manufactured from a EPS termal box, COBEM-

2013, Ribeirão Preto/SP.

SOUZA, L. G. M. et al., Otimização de um fogão solar à concentração para cocção

de alimentos, CIBIM- 2013, La Plata/ARG.

PEREIRA E. B., MARTINS F. R., ABREU S. L., RÜTHER R. Atlas Brasileiro de

Energia Solar, São José dos Campos: INPE, 2006, 60p, versão pdf.ISBN 85-17-00030-7 e

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GUIA DA ENERGIA SOLAR, acessado em 14 de março, disponível em;

55

CONDUÇÃO TÉRMICA, CONVECÇÃO TÉRMICA E IRRADIAÇÃO

TÉRMICA, acessado em 20 de março, disponível em;

Documents

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE ......solares (Parque Solar Lapa, localizado em Bom Jesus da Lapa-BA; a maior usina solar do Brasil com capacidade de geração de 80 MW)