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Orientador: Prof. Dr. Sebastião Ribeiro Ferreira Co-orientador: Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza

Natal-RN

Outubro de 2007

JOHNSON PONTES DE MOURA –Outubro/2007

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como requisito para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química.

Natal-RN Outubro de 2007

JOHNSON PONTES DE MOURA –Outubro/2007

Catalogação da publicação

UFRN/Bibliotecas Setoriais do Centro de Tecnologia Bibliotecária: Cecília Isabel dos Santos - CRB-4/1077

Moura, Johnson Pontes de Construção e avaliação térmica de um fogão solar tipo caixa/ Johnson

Pontes de Moura - Natal: [s.n], 2007. 194p.

Orientador: Sebastião Ribeiro Ferreira Co-orientador: Luiz Guilherme Meira de Souza

Dissertação - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. PPgEQ - Programa de Pós-graduação em Engenharia Química.

Modelagem. Energia solar. Transferência de calor. Fogões solares.

JOHNSON PONTES DE MOURA –Outubro/2007

MOURA, Johnson Pontes. – Construção e Avaliação Térmica de um Fogão Solar Tipo Caixa.

Dissertação de Mestrado, UFRN, Programa de Pós-graduação em Engenharia Química. Áreas de Concentração: Engenharia Ambiental, Engenharia de Processos, Modelagem e Simulação, Natal/RN, Brasil.

Orientador: Prof. Dr. Sebastião Ribeiro Ferreira Co-orientador: Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza

RESUMO: O presente trabalho apresenta uma contribuição no estudo de modelagens de transferência de calor para os alimentos submetidos aos testes experimentais no forno solar proposto, onde foi avaliada a melhor modelagem para o bife de frango em estudo, comparando os resultados, considerando este alimento como um objeto semi-infinito (1o modelo proposto) e, em seguida, considerou o bife de frango como uma placa plana em regime transiente em duas condições distintas: não considerando e outro modelo considerando a contribuição do termo de geração, através do Critério de Pomerantsev. O Sol, além de fonte de vida, é a origem de todas as formas de energia que o homem vem utilizando durante sua história e pode ser a resposta para a questão do abastecimento energético no futuro, uma vez que aprendamos a aproveitar de maneira racional a luz que esta estrela constantemente derrama sobre nosso planeta. Brilhando a mais de cinco bilhões de anos, calcula-se que o Sol ainda nos privilegiará por outros seis bilhões de anos, ou seja, ele está apenas na metade de sua existência e lançará sobre a Terra, só neste ano, 4000 vezes mais energia que consumiremos. Frente a esta realidade, seria irracional não buscar, por todos os meios tecnicamente possíveis, aproveitar esta fonte de energia limpa, ecológica e gratuita. Na presente dissertação avalia-se o desempenho de um fogão solar do tipo caixa. Foi construído pelo grupo (LES) Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN um modelo de fogão solar do tipo caixa e foi testada a sua viabilidade técnica, propondo modelagens para alimentos submetidos ao assamento no forno solar o fogão tem características principais a facilidade de fabricação e montagem, o baixo custo (foi utilizada material compósito acessível às comunidades de baixa renda) e a simplicidade no mecanismo de movimentação do protótipo para incidência da luz solar direta. Foram propostas modelagens para cálculos do tempo mínimo de cozimentos de alimentos, considerando os seguintes modelos de transferência de calor no estado transiente: objeto semiinfinito, placa plana e o modelo da esfera para estudar a temperatura necessária para o assamento de pão (considerando geometria esférica). Após avaliação dos modelos de transmissão de calor para os alimentos submetidos aos processos de assamento, foram comparados os tempos obtidos pelas modelagens com os tempos experimentais de assamento no forno solar, explicitando a modelagem que melhor retrata a acurácia dos resultados do modelo.

Palavras-chaves: Modelagem; Energia Solar; Transferência de Calor; Fogões Solares.

BANCA EXAMINADORA E DATA: 31 de outubro de 2007. Presidente:

-------------------------------------------------------------------------------------- Prof. Dr. Alfredo Ismael Curbelo Garnica - DTQA/UFPB

Abstract

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MOURA, Johnson Pontes. – Construction and termic evaluation of a solar cooker of the type box. Program of Master Degree of Chemical Engineering – UFRN – Natal/RN – Brazil.

The present work presents a contribution in the study of modelings of transference of heat for foods submitted to the experimental tests in the considered solar oven, where the best modeling for the beefburger of chicken in study was evaluated, comparing the results, considering this food as a half-infinite (1er object considered model) and, after that, considered the chicken beefburger as a plain plate in transient regimen in two distinct conditions: not considering and another model considering the contribution of the generation term, through the Criterion of Pomerantsev. The Sun, beyond life source, is the origin of all the energy forms that the man comes using during its history and can be the reply for the question of the energy supplying in the future, a time that learns to use to advantage in rational way the light that this star constantly special tax on our planet. Shining more than the 5 billion years, it is calculated that the Sun still in them will privilege for others 6 billion years, or either, it is only in the half of its existence and will launch on the Earth, only in this year, 4000 times more energy that we will consume. Front to this reality, would be irrational not to search, by all means technical possible, to use to advantage this clean, ecological and gratuitous power plant. In this dissertation evaluate the performance of solar cooker of the type box. Laboratory of Solar Energy of the Federal University of the Great River of North - UFRN was constructed by the group (LES) a model of solar stove of the type box and was tested its viability technique, considering modeling foods submitted when baking in the solar oven, the cooker has main characteristic the easiness of manufacture and assembly, the low cost (was used material accessible composition to the low income communities) and simplicity in the mechanism of movement of the archetype for incidence of the direct solar light. They had been proposals modeling for calculations of food the minimum baking time, considering the following models of transference of heat in the transient state: object the halfinfinite, plain plate and the model of the sphere to study the necessary temperature for the it bakes of bread (considering spherical geometry). After evaluate the models of transmission of heat will be foods submitted you the processes of to it bakes of, the times gotten for the modeling with the experimental times of it bakes in the solar oven had been compared, demonstrating the modeling that more good that it portraies the accuracies of the results of the model.

Keywords: Modeling; Solar Energy; Heat Transference; Solar Stoves.

Dedicatória I

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A Deus, por sua graça sempre presente em minha vida;

Aos meus pais e minha esposa, Fabiana Alves Pinto, por todo amor, empenho e porto seguro;

Aos meus irmãos, por estarem sempre me incentivando e dando bons exemplos.

Agradecimentos

JOHNSON PONTES DE MOURA –Outubro/2007

Ao professor Dr. Sebastião Ribeiro Ferreira por sua dedicação, empenho e presteza e interesse demonstrado por este trabalho;

Ao professor Luiz Guilherme pelo envolvimento, colaboração, paciência e apoio em todas as horas, bem como seu companheirismo e amizade;

Ao Bolsista Érico Costa pela ajuda e dedicação aos trabalhos; Aos amigos e companheiros do curso de Engenharia Química; À coordenadora do Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, Professora Dra. Ana Lúcia da Mata.

Sumário

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RESUMO I ABSTRACT I DEDICATÓRIA I AGRADECIMENTOS IV LISTA DE FIGURAS VII LISTA DE TABELAS XI Capítulo 1 – Introdução Geral 01 1.1. Objetivos 02 Capítulo 2 – Aspectos Teóricos 04 2.1. Utilização da energia solar e seus meios de transmissão 04 2.2. Sólido semi-infinito 17 2.3. Fogões solares 36 2.4. Tipos de concentradores solar de calor 39 2.5. Aspectos tecnológicos 42 2.6. Mapas do fluxo de radiação solar no território brasileiro 45 2.7. Eletricidade do Sol 49 2.8. Modelo Brasil – SR 50 2.9. Dados da energia solar (NE e RN) 52 Capítulo 3 – Estado da Arte 5 3.1. Análise do fogão solar tipo caixa 5 3.2. Análise e teste de 4 fogões solares 56 3.3. Testes e resultados dos fogões solares 63 3.4. Fogões concentradores 6 3.5. Determinação experimental da condutividade térmica do pão francês durante o processo de assamento 67

Sumário

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Capítulo 5 – Modelagem do Processo e Análise dos Resultados 95 5.1. Modelagem do tempo de cozimento solar realizado num fogão do tipo caixa considerando modelo do objeto semi-infinito 95

5.2. Modelagem do tempo de cozimento solar realizado num fogão do tipo caixa considerando modelo da placa plana 105

5.3. Programa em Matlab empregado como auxiliar no cálculo da função erro, com um argumento conhecido, segundo a expansão da série de potências 113

5.4 Dados experimentais do pão de queijo no fogão solar tipo caixa 114 5.5. Modelagem da temperatura de assamento de pão de queijo (centro do alimento) no fogão solar tipo caixa considerando o pão de queijo como uma esfera, mas sem o termo de geração de energia 115

5.6. Modelagem da temperatura de assamento de pão de queijo (centro do alimento) no fogão solar tipo caixa considerando o pão de queijo como uma esfera, mas com o termo de geração de energia 122

APÊNDICE I 137 APÊNDICE I 154 APÊNDICE I 156 APÊNDICE IV 159 CONCLUSÕES 177 REFERÊNCIAS 180 ANEXOS 188

Lista de Tabelas

JOHNSON PONTES DE MOURA – Outubro /2007 1

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