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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.
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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.
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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
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Natal/RN, 2018
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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
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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
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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.
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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
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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
Tabela 4.10. Temperaturas externas e áreas
Tabela 4.11. Relação de energias
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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.
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Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar
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.
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Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar
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.
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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
Fonte: Arquivo pessoal
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.
Fonte: arquivo pessoal
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.
Fonte: arquivo pessoal
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.
Tabela 4.5. Temperaturas externas e áreas
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.
Tabela 4.6. Relação de energias
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.
Fonte: Arquivo pessoal
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.
Tabela 4.7. Temperaturas das laterais externas
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.
Tabela 4.8. Temperaturas das laterais externas
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.
Fonte: Arquivo pessoal
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:
Tabela 4.10. Temperaturas externas e áreas
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%
Tabela 4.11. Relação de energias
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
ISBN 978-85-17-00030-0
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;