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Instituto Politcnico de Portalegre Escola Superior de Tecnologia
e Gesto
EERA Unidade e transferncia V
Projecto U.T V
Forno Solar
Docentes: Discentes:
Anabela Oliveira Carla Reia N 15436
Rui Pulido Valente Maria Ortiz N 12434
Fbio Coelho N15435
Joo Salsa N15429
Jos Macareno N 12789
Outubro 2013
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ndice
1. Objetivos
.........................................................................................................................
2
2. Introduo
......................................................................................................................
3
3. Energia Solar
...................................................................................................................
4
4. Geometria Solar
..............................................................................................................
5
5. Reflexo e Refrao
........................................................................................................
9
6. Forno
Solar....................................................................................................................
11
7. Tipos de fornos
.............................................................................................................
12
8. Fornos Solares Definio da soluo
...........................................................................
15
9. Materiais
.......................................................................................................................
16
9.1 Materiais estruturais
.................................................................................................
17
9.2 Materiais de Isolamento
.................................................................................................
18
9.3 Materiais Refletores
.......................................................................................................
19
Espelhos
..........................................................................................................................
19
9.4 Materiais transparentes
.................................................................................................
22
Lentes
..............................................................................................................................
22
Vidros
..............................................................................................................................
24
10. Acumuladores de Calor
.................................................................................................
38
Sistema de serpentinas para aquecimento do Forno Solar
................................................... 38
11. Projecto Forno Solar
....................................................................................................
41
Modo de construo:
...........................................................................................................
41
Esboo do Forno Solar
..........................................................................................................
46
Vista frontal do Forno Solar
......................................................................................
46
Vista de cima do Forno Solar
.....................................................................................
46
Vista tridimensional do Forno Solar
..........................................................................
47
Custos dos materiais
............................................................................................................
48
12. Concluso
.....................................................................................................................
49
13. Bibliografia
....................................................................................................................
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1. Objetivos
Este trabalho tem como objetivo principal a construo de um Forno
Solar,
capaz de cozinhar e aquecer alimentos, podendo este ter outras
funes, tal como
secagem de frutos ou ervas aromticas. Este trabalho surge da
necessidade cada vez
maior de utilizar energias renovveis em substituio das energias
fsseis, tal como a
energia solar, enquadrando-se o tema na nossa rea de formao.
Assim, um dos
objetivos secundrios passa por demonstrar o potencial dos forno
solares como
mtodo para cozinhar alternativo aos fornos a lenha/carvo, de
forma a sensibilizar as
pessoas para a utilizao deste tipo de energia renovvel. Este
forno ir resultar da
investigao de tcnicas e modelos j utilizados atualmente, fazendo
apenas algumas
modificaes importantes para aumentar o rendimento do mesmo, tal
como aumentar
a sua Potncia para obter um menor tempo de cozedura dos
alimentos e o Isolamento
Trmico para reduzir as perdas, conservando melhor a energia
absorvida.
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2. Introduo
A nossa ideia para o projeto que vai ser apresentado nos
workshops a
construo de um forno solar.
Com este projeto pretendemos relacionar a parte energtica com a
ambiental
visto que usada apenas a energia solar metendo assim de parte o
uso de energias
provenientes de combustveis fsseis.
Existem vrios tipos de fornos solares pelos quais poderemos
optar,
dependendo dos recursos monetrios disponveis. Existem fornos
bastante simples em
que apenas so necessrios materiais simples, muitos que temos
acesso nas nossas
casas como por exemplo uma caixa de carto, papel de alumnio, uma
cartolina preta e
um plstico. Outros fornos so um pouco mais complexos uma vez que
necessria a
utilizao de vidros e espelhos que no s so mais caros mas tambm
so mais
difceis de trabalhar, no entanto o seu rendimento bastante mais
elevado.
Um forno solar pode ser construdo por exemplo com a utilizao de
uma caixa
com um fundo preto, e com uma tampa de vidro com abas
refletoras, que pode ser
papel de alumnio ou um espelho. O processo simples, o fundo
preto absorve a
energia e converte-a em radiao infravermelha, esta ao ser
refletida no consegue
atravessar o vidro, uma vez que o seu comprimento de onda maior
logo tem menos
energia. Depois surge o efeito de estufa, a radiao fica retida
dentro da caixa e
transmite a energia sob a forma de calor ao alimento que se
encontre dentro do forno.
Este trabalho vai ser constitudo inicialmente por uma abordagem
terica sobre
energia e geometria solar bem como as propriedades que
influenciam a direo solar,
em seguida vai ser apresentado o tema bem como os materiais
possveis para a sua
concretizao, nos materiais vai ser realizada uma explicao terica
cerca de cada
um dos tipos de materiais. Seguidamente iremos abordar as
tcnicas de
armazenamento de calor no forno, que ser atravs de um acumulador
de calor. Por
fim ser apresentado o mtodo de construo, os materiais escolhidos
bem como
todos os custos envolvidos no projeto.
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3. Energia Solar
A radiao solar a designao dada energia radiante emitida pelo
Sol, em
particular aquela que transmitida sob a forma de radiao
eletromagntica. A
radiao solar fornece anualmente para a atmosfera terrestre cerca
de 1,5 x 1018 kWh
de energia, a qual a principal responsvel pela dinmica da
atmosfera terrestre e
pelas caractersticas climticas do planeta. Esta radiao essencial
para as plantas,
para assim realizarem a fotossntese. As plantas fornecem energia
para todo o Planeta
Terra e mantem este em condies ideais para a sobrevivncia das
espcies. Os
combustveis fosseis, tal como o Petrleo, gs e carvo, so o
produto da
decomposio dos restos de plantas e animais.
A Energia solar consiste no aproveitamento da radiao solar
emitida pelo Sol e
que chega ao Planeta Terra, atingindo o topo da atmosfera com
uma potncia trmica
mdia de 1370 W/m. Se bem que nem toda a energia que chega ao
topo da
atmosfera a atravesse, ainda assim uma parte significativa dessa
energia atinge a
superfcie terrestre.
A energia total que atinge a superfcie da terra composta pela
radiao
directa (luz solar directa) e pela radiao solar difusa (energia
reflectida pelo meio
envolvente e pela atmosfera).
Em Portugal, a energia recebida por m de terreno horizontal por
ano , em mdia,
cerca de 1700 kWh. A energia solar pode ser utilizada
directamente para aquecimento
energia solar trmica ou para a produo directa de electricidade
energia solar
fotovoltaica.
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4. Geometria Solar
A energia que o sol radia originada por processos de fuso
nuclear e,
seguidamente, emitida para todas as direes do espao.
Uma pequena frao correspondente poro de ngulo slido vista do
sol
atinge o limite da atmosfera da Terra.
Assim os raios solares que incidem num ponto da superfcie
terrestre podem
considerar-se paralelos, pois como se v na figura 30, o ngulo
muito reduzido.
Ilustrao 1 Sol quando atinge a superfcie
A direo dos raios solares, definida pela posio do sol
relativamente
superfcie onde eles incidem, condiciona a quantidade de energia
recebida por essa
superfcie. Para uma mesma intensidade de radiao, a superfcie
recebe maior
quantidade de energia quando o ngulo de inclinao dos raios
menor.
A posio do sol em relao a um ponto da Terra varia ao longo de um
dia e
tambm durante o ano. Um observador situado num ponto da
superfcie da Terra v o
Sol tomar diferentes posies no seu horizonte visual durante o
dia, devido ao
movimento de rotao da Terra em torno do eixo polar.
No vero o Sol assume posies mais altas (em relao ao plano
horizontal do
lugar em que se encontra do que no inverno), devido ao movimento
de translao.
Sendo a rbita elptica, a distncia Terra-Sol varia ao longo do
ano 1,7%, em
relao distncia mdia, estando a Terra mais perto do Sol a 21 de
Dezembro,
afastada a 21 de Junho.
A inclinao do eixo de rotao da Terra em relao ao eixo da elptica
origina
que a durao dos dias e das noites para um dado dia do ano sejam
diferentes
conforme a latitude. Essa mesma inclinao responsvel pela alterao
do ngulo
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formado pelo eixo de rotao e o plano da elptica, durante o ano,
o que, excepto no
Equador, provoca variaes anuais da durao do dia. portanto
responsvel pelas
estaes do ano.
Dois sistemas de coordenadas permitem referenciar a posio do Sol
em
relao Terra em qualquer ponto dessa trajetria:
- Sistema equatorial horrio Com um referencial ortogonal
definido pelo plano
do Equador terrestre e pelo eixo dos polos (coordenadas
equatoriais).
- Sistema horizontal Com referencial ortogonal definido e pelo
plano
horizontal do lugar e pela vertical do lugar (coordenadas
horizontais).
As coordenadas equatoriais so:
A declinao, d : ngulo formado pelo plano da elptica com o plano
do Equador
que varia entre 23,5 a 21 de Dezembro e + 23,5 a 21 de Junho: a
sua variao em
funo do dia do ano, contado a partir de 1 de Janeiro (n) dado
por:
d=23,5 sin (360
)
O ngulo horrio, H: ngulo formado pelo plano meridiano passando
pelo Sol
(circulo horrio) e o plano meridiano do lugar. Quando o plano
meridiano do lugar
passa pelo crculo horrio (H=0) meio-dia em tempo solar
verdadeiro (TSV). Uma
rotao da terra (24 horas) corresponde a 360 de ngulo horrio e a
cada diferena
de 15 (360/24) corresponde 1 hora em TSV. Assim encontramos uma
relao entre o
ngulo horrio e o tempo solar: H=15 (TSV-12).
As coordenadas horizontais so, mais fceis para referenciar a
posio do sol a
um dado local (P) da Terra com latitude (l) e longitude ()
conhecidas, so:
- O Azimute, a: ngulo formado pelo plano vertical passando pelo
Sol e a
direco do Norte geogrfico do local, contado positivamente no
sentido N E.
- A altura solar, h: ngulo formado pela direco do Sol e o plano
horizontal do
lugar.
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Ilustrao 2 Indicao do Azimute e da Altura Solar
As coordenadas dos dois sistemas podem ser relacionadas :
Ao nascer e pr-do-Sol a altura do sol nula. Assim, da primeira
equao,
encontramos:
Sendo H0 o ngulo horrio ao nascer ou pr-do-Sol ( valor negativo
ou positivo,
respectivamente).
A durao do dia corresponde diferena entre o nascer e o pr-do-Sol
. Como
vimos anteriormente, a diferena de ngulos horrios pode
traduzir-se em tempo solar
(15-1H) , pelo que podemos calcular o tempo de durao do dia:
arc cos (-tgl tgd)
O tempo solar baseado no movimento aparente do sol , sendo
definido o
meio-dia solar quando o sol cruza o meridiano do lugar. Uma vez
que a velocidade de
translao da Terra no constante, os meios dias solares de dois
dias consecutivos
no se verificam no mesmo tempo terrestre.
O tempo num dado local dependente da longitude desse local, pois
15 de
longitude equivalente a 1 hora de diferena.
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Em relao a um meridiano de referncia o de Greenwich temos:
TSM = TMG + l/15
Onde a longitude (l) positiva na direco Este.
TSV= TMG + l/15 +ET
O tempo legal o tempo oficialmente aceite num Estado. Em
Portugal:
TL= TMG+1 hora (Abril a Setembro)
TL = TMG (Outubro a Maro)
A relao entre o tempo solar verdadeiro e o tempo legal :
TSV = TL+ ET + l/15 1 (entre Abril e Setembro);
TSV = TL+ ET + l/15 (entre Outubro e Maro)
Direco dos paineis Reflectores
O clculo do ngulo de incidncia dos raios solares para qualquer
dia e hora
pode ser obtido pelas expresses analticas, apresentadas
anteriormente.
Relativamente inclinao ptima de um painel solar de modo a captar
a maior
quantidade de energia solar possvel varivel ao longo do ano dado
que os raios
solares tambm variam a sua inclinao durante o ano. A orientao
ptima varia ao
longo do dia onde o painel deveria seguir a trajectria aparente
do sol. Estes factos
deram origem aos sistemas seguidores que se movem em dois planos
(Horizontal e
Vertical) de modo a acompanhar essas variaes de trajctoria do
Sol.
Na tabela, podemos verificar que para uma latitude de 39
(Portalegre) os
valores da decalagem entre hora legal e hora solar, declinao
(ngulo entre a direco
da radiao e o plano do equador), altura do sol ao meio dia solar
e durao do
perodo diurno para os 12 meses do ano.
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5. Reflexo e Refrao
Reflexo e refrao so fenmenos muito comuns que esto relacionados
com
a propagao da luz. Quando a luz se propaga num determinado meio
e atinge uma
superfcie, como um bloco de vidro transparente, por exemplo,
parte dessa luz volta
para o meio no qual se estava a propagar.
Este fenmeno chamado de reflexo da luz. J a outra parte da luz
que passa
para o outro meio, a refrao da luz. Esses dois fenmenos ocorrem
de forma
simultnea, no entanto, pode acontecer que um prevalea sobre o
outro, mas isso
depende da natureza dos meios em que a luz esta a incidir bem
como das condies
de incidncia.
A reflexo pode ser definida de duas formas. Quando a superfcie
de incidncia
da luz totalmente polida, o raio refletido bem definido. Quando
isso acontece
dizemos que ocorreu reflexo especular. Por outro lado, se a
superfcie de incidncia
for irregular, cheia de imperfeies, os raios de luz no so bem
refletidos e dessa
forma, ocorre o que chamamos de reflexo difusa.
Ilustrao 3. Refleco especular Ilustrao 4. Reflexo difusa
A reflexo luminosa regida por duas leis que so:
Primeira Lei - diz que o raio incidente, o raio refletido e a
normal
pertencem ao mesmo plano;
Segunda Lei diz que o ngulo de reflexo igual ao ngulo de
incidncia, ou seja, r=i
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A refrao da luz responsvel por uma serie de fenmenos ticos
que
acontecem no quotidiano, como por exemplo, o facto de a
profundidade de uma
piscina parecer menor do que realmente . Esse fenmeno acontece
devido
diferena entre os meios de propagao.
Podemos definir a refrao como sendo o fenmeno que consiste na
mudana de
direo de propagao dos feixes de luz quando esses passam de um
meio para outro.
No ano de 1620, o matemtico e astrnomo holands Snell Descartes
descobriu uma
relao para calcular o ngulo de desvio dos raios solares. Essa
relao leva o seu
nome Lei de Snell e pode ser escrita da seguinte forma:
n1sen1 = n2sen2
Onde:
n1 e n2 so os ndices de refrao;
1 e 2 so os ngulos de incidncia e de refrao.
Ilustrao 5 fenmeno de reflexo e refrao
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6. Forno Solar
Um forno solar (concentrador de energia solar) um sistema ptico
atravs do
qual a radiao solar captada e concentrada numa pequena rea
(geralmente numa
caixa), onde so obtidas altas temperaturas capazes de cozinhar
alimentos. Os fornos
solares podem apresentar diversos tamanhos, desde paraboloides
de 1 m2 at
sistemas pticos de milhares de m2 com refletores conhecidos por
helistatos. Os
fornos solares so ferramentas ideais para o estudo de
propriedades qumicas, pticas,
eltricas e termodinmicas dos materiais no mbito de altas
temperaturas, como o
estudo das fases, vaporizao, fuso, purificao e estabilizao de
material cermico,
crescimento de cristais, calor especfico e condutncia
trmica.
O forno solar no geral constitudo de uma caixa com fundo preto e
uma
tampa de vidro capaz de ser atravessada pela radiao solar e
possui abas refletoras. O
fundo preto absorve a luz solar e converte-a em radiao
infravermelha, que no passa
pela tampa de vidro, criando o efeito estufa. Desta forma,
possui a capacidade de
atingir temperaturas na ordem dos 150C sendo capaz de cozinhar e
aquecer
alimentos.
Ilustrao 6 - Exemplo de um forno solar
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7. Tipos de fornos
Existem trs tipos de fornos pelos quais poderemos optar,
nomeadamente,
forno solar em painel, forno solar em parablica e forno solar em
caixa. Estes trs tipos
de forno apresentam algumas caractersticas diferentes como vamos
analisar em
seguida:
Forno Solar em Caixa A variedade mais comum e popular ,
provavelmente,
o forno de caixa. A sua concepo baseada no conceito de um forno
tradicional
moderno onde o alimento colocado dentro de uma caixa isolada,
para fins de
manuteno ou prendendo os raios solares que foram convertidas em
energia
calorfica.
Para os raios solares serem convertidos em energia calorfica tm
de atingir o
utenslio de cozinha (panela), geralmente passando por uma
cobertura transparente
(vidro, plstico). A caixa pode ser feita de qualquer tipo de
material, tais como,
madeira, plstico. Normalmente duas caixas de vrios tamanhos so
necessrios a fim
de ser capaz de se adaptar uma menor dentro da maior, criando
assim uma abertura
ou um espao em torno da pequena caixa, que pode ento ser
preenchida com l de
vidro, cortia ou esferovite, para formar uma barreira isolante
entre as duas caixas de
forma a impedir a fuga de calor.
Por fim, uma tampa transparente no topo da caixa necessria para
permitir
que os raios solares entrem na caixa, e ao mesmo tempo evitar o
escape dos raios
(UV), que j se tornaram energia solar (calor), como possvel
observar na fgura2.
Os painis refletores so adicionados para concentrar os raios
solares, para a
panela de forma a obter-se maiores temperaturas e eficcia.
Estes fornos podem atingir temperaturas de 150C.
Ilustrao 7 - Forno Solar em Caixa
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Forno Solar Parablico Este tipo de forno, geralmente, o mais
difcil de
construir, devido ao seu design e aos materiais necessrios. O
forno parablico tem a
forma de um prato parablico que direcciona os raios UV para a
panela. Esta encontra-
se no percurso onde a concentrao de energia solar mais alta,
como possvel de
observar na figura 3.
O forno parablico pode atingir temperaturas elevadas (200C)
mais
rapidamente, por isso, os alimentos so cozinhados de forma mais
rpida, no entanto,
frequentemente tem que se ajustar o angulo da parablica para uma
maior eficcia.
Alguns fornos parablicos so limitados na quantidade de alimentos
que
possvel preparar ao mesmo tempo, uma vez que tm geralmente
apenas um
recipiente que suspenso no centro do caminho da mais alta
concentrao de energia
solar, mas como mencionado anteriormente podem cozinhar mais
rpido.
Ilustrao 8 - Forno Solar Parablico
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Forno Solar em Painel Este tipo de forno incorpora elementos do
forno de
caixa e do forno parablico. usado um reflector com painis que
concentra os raios
solares num recipiente de cozinha (panela), que tem que ser
escurecida, envolta em
um saco transparente isolante ou num recipiente de vidro
transparente. Estes fornos
so simples de construir e requerem relativamente poucos
materiais e ferramentas.
Alm disso, estes fornos no exigem tanto de ajuste e de superviso
como os fornos
parablicos, como possvel observar na figura 4.
Os fornos solares permitem que os alimentos atinjam temperaturas
internas
idnticas s de um fogo com baixa potncia, no entanto, continuam a
ter
temperaturas elevadas (105C a 120C).
Ilustrao 9 - Forno Solar em Painel
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8. Fornos Solares Definio da soluo
Os fornos solares so utilizados na converso trmica da radiao
solar para
cozinhar ou aquecer alimentos.
Como tal, depois da pesquisa anteriormente realizada optmos pelo
forno em
caixa constitudo pelos seguintes elementos
Ilustrao 10 Elementos constituintes do forno
A escolha foi realizada com base nas vantagens que este possui
em relao aos
restantes tipos de fornos, nomeadamente por este ser mais
verstil e apresentar mais
funcionalidades, tais como o facto de existir a possibilidade de
este conservar o calor
no seu interior por mais tempo, e no apresentar riscos na sua
utilizao.
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9. Materiais
Na construo do forno solar, os materiais utilizados so muito
importantes.
Tem que se ter em ateno a sua resistncia, pois estes podem estar
em contacto com
temperaturas muito elevadas. Tambm no se pode descuidar a sua
resistncia,
relativamente humidade, uma vez que libertado vapor de gua.
Desta forma, existem quatro tipos de materiais:
Materiais estruturais garantem a estabilidade dimensional do
conjunto
(madeira, carto, plstico, cimento, tijolos refratrios);
Materiais de isolamento minimizam as perdas trmicas do conjunto
(l de
vidro, esferovite, cortia);
Materiais refletores minimizam as perdas trmicas no interior do
forno e
podem concentrar a radiao solar no interior (folha de alumnio,
espelhos);
Materiais transparentes permitem a criao do efeito de estufa no
interior da
caixa (vidro, plstico, lentes);
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9.1 Materiais estruturais
Neste projeto fundamental a escolha de um material estrutural
que possua
uma boa resistncia trmica para que o nosso forno tenha o mximo
rendimento.
Propriedades da madeira:
Higrospicidade
Leve
Durabilidade
Dureza
Resistncia compresso
Resistncia traco
Resistncia flexo
Propriedades do Plstico:
Higinico e assptico,
Leve
Durvel e fivel
Resistncia compresso
Resistncia traco
Resistncia flexo
Resistncia trmica
Propriedades do tijolo refratrio:
Alta resistncia trmica
Baixa densidade
Resistncia mecnica
Inodoro
No deteriorvel
Incombustvel
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9.2 Materiais de Isolamento
Neste projecto fundamental a escolha de um bom isolante trmico
para que
o nosso forno tenha o mximo rendimento.
Um isolante trmico pode ser definido como um material que
dificulta a
dissipao de calor ou seja, estabelece uma barreira passagem do
calor entre dois
meios que normalmente tenderiam a igualar as suas temperaturas.
Neste caso em
especifico necessrio um bom isolante para que o calor no passe
da parte de dentro
para a parte de fora do forno.
O esferovite, a l de vidro, a l de rocha e o aglomerado de
cortia so alguns
dos materiais que podem ser utilizados como isolantes por terem
uma condutividade
trmica baixa como se pode observar na tabela seguinte.
Aps analisadas as condutividades trmicas dos materiais
observa-se
que se destaca a l de rocha e o aglomerado de cortia.
Material Condutividade Trmica (W.m/K)
L de vidro 0,065 a 0,056
Esferovite 0,045 a 0,034
L de rocha 0,041 a 0,03
Aglomerado de cortia 0,039
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9.3 Materiais Refletores
tambm de grande importncia a escolha de materiais refletores
adequados
para que a reflexo dos raios solares seja grande e uniforme.
Existem vrios tipos de
materiais que podem ser utilizados nesta funo como por exemplo o
alumnio ou
espelhos.
Neste caso necessrio ter em ateno os ndices de refleco dos
materiais
para que seja refletida a mxima radiao possvel para a zona onde
se encontram os
alimentos.
Espelhos
Espelhos planos
Quando um raio luminoso reflectido em uma superfcie polida, o
ngulo de
incidncia igual ao ngulo de reflexo, considerados em relao
normal. Se a
superfcie reflectora for plana, o espelho denominado plano.
Ilustrao 11 Espelho plano
As principais propriedades de um espelho plano so:
A simetria entre os pontos do objeto e imagem;
Maior parte da reflexo que acontece regular.
Propriedades das imagens nos espelhos planos:
A imagem se forma atrs do espelho (imagem virtual) atravs do
cruzamento dos prolongamentos dos raios que incidem o espelho, e
a
mesma tem o mesmo tamanho do objeto;
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A distncia do objeto ao espelho igual distncia da imagem ao
espelho, portanto, so simtricos;
H reverso da imagem (direita para a esquerda ou vice-versa, mas
no
de baixo para cima);
Cada imagem corresponde a um objeto;
A imagem e o objeto no se sobrepem.
Espelhos Esfricos (Cncavos e Convexos)
Espelho esfrico toda e qualquer superfcie espelhada (refletora),
na forma de
uma calota esfrica. O espelho esfrico pode ser cncavo ou
convexo, dependendo da
face onde se encontra a superfcie refletora. Se a parte
espelhada for externa, ento o
espelho convexo. Se a parte espelhada for interna, o espelho
chama-se cncavo.
Ilustrao 12 Espelho Esfrico Cncavo Ilustrao 13 Espelho Esfrico
Convexo
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Focos dos espelhos esfricos
Para os espelhos cncavos pode ser verificar que todos os raios
luminosos que
incidirem ao longo de uma direo paralela ao eixo secundrio
passam por (ou
convergem para) um mesmo ponto F - o foco principal do
espelho.
No caso dos espelhos convexos, a continuao do raio refletido que
passa
pelo foco. Tudo se passa como se os raios refletidos se
originassem do foco.
A reflexo da luz em espelhos esfricos como a reflexo da luz em
espelhos
planos, isto , as duas leis da reflexo tambm so obedecidas neste
tipo de espelho.
Ilustrao 16 - Reflexo em Espelhos Esfricos
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9.4 Materiais transparentes
Como foi referido no documento inicial, necessria a utilizao de
um
material transparente para que os raios solares entrem para o
forno, e ao
atravessarem o material, a radiao perde energia, o que a
impossibilita de voltar a
sair.
Existem dois tipos de materiais que podemos utilizar, vidros ou
lentes. A
utilizao de uma lente seria o ideal, uma vez que esta actua como
um concentrador
de radiao e poder aumentar a eficincia do nosso forno. No
entanto existe um
seno para o uso destas, a radiao pode ser excessiva fritando
assim os alimentos.
Lentes
Lente um meio transparente limitado por duas superfcies curvas.
A forma
mais comum de lentes so as de faces esfricas, ou uma face plana
e outra esfrica,
denominadas por Lentes Simples.
Para efeito de classificao, pode-se dividir as lentes em dois
grupos: as lentes
convergentes e as divergentes. As lentes convergentes so mais
espessas na parte
central, ao passo que as lentes divergentes so mais espessas nas
bordas. O centro de
curvatura C1 o centro da esfera de raio R1 que origina uma face
da lente; o centro C2
o centro da esfera de raio R2 que origina a outra face da lente.
A linha que une os
dois centros de curvatura denomina-se de eixo principal.
Uma importante simplificao no tratamento matemtico das lentes
abstrair
a sua espessura. Com este propsito, cria-se a figura da lente
delgada, isto , uma
lente cuja espessura pode ser desprezada para todas as
finalidades de formao de
imagem.
Um feixe de raios paralelos ao eixo principal, incidindo numa
lente
convergente, refracta-se, convergindo para um ponto denominado
foco F. A distncia
do centro geomtrico da lente ao foco a distncia focal f da
lente. Se o feixe incidir
numa lente divergente, o feixe se refracta, divergindo de um
ponto localizado no
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mesmo lado do feixe incidente, formando o foco virtual, como
possvel verificarmos
na figura 17 e na figura 18.
Ilustrao 17 Lentes Delgadas Convergentes Ilustrao 18 Lentes
Delgadas Divergentes
Conhecendo-se o tamanho (O) e a distncia (p) de um objecto em
relao a
uma lente, e a direco de incidncia de dois dos trs raios
principais, pode-se
determinar graficamente o tamanho (I) e a distncia (p') da
imagem.
Os trs raios principais de uma lente convergente so:
1. Um raio paralelo ao eixo principal refracta-se na lente
passando pelo foco;
2. Um raio que passe pelo centro geomtrico no sofre desvio
(porque a
lente delgada e o centro geomtrico coincide com o centro
ptico);
3. Um raio que passe pelo foco refracta-se na lente e sai
paralelamente ao
eixo principal.
Ilustrao 19 Raios Principais na Lente Convergente Ilustrao 20
Raios Principais na Lente Divergente
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Vidros
Em cincia dos materiais o vidro uma substncia slida e amorfa
que
apresenta temperatura de transio vtrea. O termo refere-se a um
material cermico
transparente geralmente obtido atravs do arrefecimento de uma
massa lquida
base de slica.
Na sua forma pura, o vidro um xido metlico de elevada
dureza,
essencialmente inerte e biologicamente inativo. Estas
propriedades desejveis
conduzem a um grande nmero de aplicaes. No entanto, o vidro
geralmente frgil.
O vidro comum obtm-se por fuso do dixido de silcio, (SiO2),
carbonato de
sdio (Na2CO3) e carbonato de clcio (CaCO3), atravs de
temperaturas superiores a
200C.
O componente bsico do vidro a slica. Entretanto, os problemas
de
manufatura tm historicamente levado introduo de outros materiais
de forma a
facilitar a produo e melhorar a qualidade. Infelizmente esses
materiais trouxeram
com eles um declinador das propriedades que agora
procuramos.
Considerando o nmero de materiais disponveis e necessrios para
fabricar o
vidro, pode-se constatar que o nmero de tipos de vidro que podem
ser feitos
infinito, com composies e desempenhos muito variveis.
-
25
Propriedades e Funes do Vidro
Propriedades Fsicas
As propriedades intrnsecas e essenciais do vidro so transparncia
e
durabilidade. Outras propriedades tornam-se significantes de
acordo com o uso que
colocado ao material. Os vrios fluidos e modificadores que so
introduzidos para
facilitar a manufatura, tem efeito nessas propriedades, e o
desenvolvimento do design
do vidro tem identificado uma larga srie de composies para
permitir a realizao de
especficas propriedades fsicas. As principais propriedades
significantes so:
Transmisso de luz/radiao, reflexo, absoro
ndice de Refrao
Propriedades Trmicas
Resistncia
Dureza e Resistncia abraso
Durabilidade Qumica
Durabilidade s Intempries
Densidade
Resistncia ao Fogo
Isolamento Acstico
A Transparncia e o Foto
O conceito de transparncia exige considerao nos termos de
partculas
interagindo com a estrutura atmica dos materiais. Conhecer como
os fotes viajam
atravs do vidro, e mantm ou perdem a sua energia em relao ao
comprimento de
onda, particularmente importante, no desenvolvimento de novos
materiais com o
prognstico de desempenhos de transmisso.
O vidro, ao contrrio de outros materiais de construo como o
beto, madeira
e o ao, transparente parte visvel do espectro solar, tornando-o
um produto muito
especial para a arquitectura e para mltiplos usos.
-
26
A teoria das partculas da radiao electromagntica prope que a luz
consiste
de fotes de diferentes nveis de energia, e que esses nveis
correspondem s cores
que vemos. A energia do foto inversamente proporcional ao
comprimento de onda:
quanto maior a energia do foto menor o comprimento de onda. Os
fenmenos da
transmisso e da absoro esto relacionados com a aco que os fotes
tm nos
electres dos tomos e molculas dos materiais.
Quando absorvido por um material, um foto capaz de perder o
excesso de
energia para as vibraes da matriz, resultando no aumento da
temperatura do
material que ento emite esse calor como radiao de ondas
longas.
Para ser perfeitamente transparente, um material deve ser tal
que a separao
da energia de valncia do estado do electro no corresponda
energia do foto.
Se essa condio no for alcanada e o material tiver nveis de
energia de
separao correspondentes energia do foto de uma cor particular,
ento essa cor
ser absorvida.
Num vidro ou outro material colorido transparente, os fotes na
regio visvel
no so absorvidos. Na maioria dos vidros, a energia de separao de
valncia dos
electres esto na parte ultravioleta do espectro, pelo qual o
motivo que eles so
normalmente absorvidos pela luz ultravioleta.
Um transmissor perfeito permitiria a passagem de toda a energia
do
comprimento de onda considerado. O vidro nas suas vrias formas,
e as capas que
podem ser aplicadas nele, transmite a luz em diferentes
comprimentos de onda e
propores.
A Transmisso da Luz no Vidro
A transparncia um fenmeno complexo.
Um vidro tpico tem um coeficiente de transmisso de 60 a 80%
entre 400 e
2500nm.
Os vidros coloridos ou tingidos tm uma aparncia e desempenho
derivando de
graus diferentes de absoro e transmisso fornecido por qumicos no
derretimento.
-
27
O desempenho de um vidro com um transmissor um resultado da
transmisso selectiva atravs de bandas de ondas ultravioleta, luz
visvel e
infravermelha.
A gama de selectividade de transmisso entre luz e calor limitado
pelo facto
de que 53% de toda energia na radiao solar est no espectro
visvel. Portanto no
possvel diminuir a transmisso de radiao total abaixo de 50% sem
afectar a
transmisso de luz.
A cor aparente de um vidro o resultado da absoro selectiva da
gama visvel
espectral. Desta forma, um vidro verde aparece desta cor por
causa da reflexo da luz
em direco ao observador ter sofrido absoro da luz de outros
comprimentos de
onda espectral. Adicionando colorantes, a transmisso da luz do
vidro reduzida.
Vidros comerciais correntes, usualmente introduzem colorantes ao
mesmo tempo que
reduzem o contedo de xido de ferro, e assim diminuem a viso.
ndice de Refraco
O ndice de refraco para o vidro varia de acordo com o
comprimento de onda
da radiao considerada e o ndice de todos os vidros diminui com o
aumento do
comprimento de onda. O ndice de refraco mais importante para o
uso ptico.
Quando a luz passa de um material opticamente mais denso ele
refraccionado da normal. Num ngulo crtico reflectido de volta da
superfcie, e
retido dentro do material opticamente mais denso.
Propriedades Trmicas
Propriedades trmicas significantes incluem:
Temperatura mxima de trabalho
Calor especfico
Condutividade trmica
Expanso trmica
Transmisso Trmica
O desempenho mecnico do vidro como um produto de uma fuso e como
um
material naturalmente quebradio, altamente dependente das suas
propriedades
trmicas.
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28
Todos os vidros so caracterizados por trs pontos de temperatura,
que
relacionam-se com as viscosidades exibidas:
- Ponto de Amolecimento: Nessa temperatura o vidro funde
prontamente sob
carga, e importante para o processo de manufactura. A
viscosidade de log n = 7,8
Poises.
- Ponto de Recozimento: esse o ponto sobre o qual a tenso do
vidro
aliviada rapidamente. A viscosidade de log n = 13,0 Poises
- Ponto de Tenso: a temperatura sobre a qual libertada a tenso e
o fluxo
comea a ter efeito, a temperatura efectiva de trabalho. A
viscosidade de log n =
14,5 Poises.
Temperaturas mximas de trabalho para os Pontos de Tenso
Vidros de soda-cal - 520C
Vidros de borossilicato - 515C
Slica fundida (pyrex) - 987C
Deve-se notar que as vantagens do borossilicato no so devido
temperatura
de trabalho mas sim pela resistncia ao choque trmico.
Calor Especfico
a medida da quantidade de calor necessrio para aumentar a
temperatura do
material em 1C por cada unidade do seu peso.
O calor especfico dos vidros praticamente constante, variando
cerca de 25%.
Condutividade Trmica
Expressa o quo rapidamente o calor passa atravs de um material,
medido
aqui em W/mC.
Essa propriedade varia muito nos materiais. O valor para o vidro
de soda-cal
de 1,02 W/mC, 1,13 W/mC para o borossilicato e 1,38 W/mC para
slica fundida.
So valores muito baixos comparados com 71,0 W/mC do ferro e
218,5 W/mC do
alumnio.
Expanso Trmica
uma propriedade crtica no projecto, devido necessidade de criar
espao em
torno dos elementos que expandem e por causa dos problemas de
diferenas de
expanso entre materiais que so combinados para trabalharem
juntos num elemento
de construo.
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29
Vidros com baixo coeficiente de expanso trmica tm
intrinsecamente boa
resistncia ao choque trmico.
Transmisso Trmica - coeficiente U
As transferncias trmicas atravs de uma parede por conduo,
conveco e
radiao so expressas pelo coeficiente U. Este representa o fluxo
de calor que
atravessa 1m de parede para uma diferena de temperatura de 1C
entre o interior e
o exterior de um local. Quanto mais pequeno for o coeficiente U
menor so as perdas
trmicas. A parede envidraada constituda por vidro simples de 6mm
apresenta um
coeficiente U de 5,7W/m.K, j o vidro duplo tradicional tem um
valor U de 2,7W/m.K.
Grupos Qumicos dos Vidros
Vidros de Soda-cal: Estes so os vidros mais comuns, usados no
vidro plano,
lmpadas, recipientes. A famlia de soda-cal a usada no
desenvolvimento do
processo float o vidro ainda no derretido, flutua em estanho
derretido, quando o
vidro ganha a espessura desejada, recozido, arrefecido e
recortado.
Vidros de Slica Fundida ou Quartzo: Esses incluem o nico
componente do
vidro realmente importante, e caracterizado por altas
temperaturas de fuso e
trabalho, um coeficiente de expanso trmica baixo (e assim
resistncia ao choque
trmico), e alta resistncia qumica. O seu alto ponto de fuso
torna-o caro e difcil de
produzir como um vidro derretido primrio. Os vidros dessa famlia
so aplicados em
laboratrios de alta tecnologia.
Vidros de Borossilicato: Este tipo de vidros so muito
resistentes corroso
qumica, e tm um coeficiente de expanso trmica baixo, um tero do
coeficiente do
vidro de soda-cal (ainda que seis vezes o da slica fundida).
Esta famlia de vidros tem
uma enorme gama de usos: utenslios domsticos (Pyrex) e de
laboratrios, lmpadas
e ainda usado em vidros resistentes ao fogo aumentando a
resistncia ao impacto e
baixando o coeficiente de expanso.
-
30
Vidros de Chumbo: um vidro com baixas temperaturas de fuso e
trabalho,
possui um alto ndice de refratividade e densidade. A quantidade
de xido de chumbo
pode variar muito (at trs vezes), e vidros com alto teor de
chumbo (onde o xido de
chumbo compreende at 80% do total) so usados como protectores de
radiao.
Vidros de Silicato de Alumnio: Enquanto ainda compreende mais de
50% de
slica, o alumnio, contudo, nesses vidros dez vezes maior do que
nos de soda-cal. O
xido de boro tambm est presente, e o vidro resultante tem uma
grande
durabilidade qumica.
Produtos do Vidro Plano
Vidros com Lminas (Impressos): Os vidros com lmina distinguem-se
dos
vidros planos em razo do seu mtodo de manufactura, antes dos
materiais que o
contm. Apesar disso esta uma importante famlia a se considerar,
envolvendo a
modificao de uma ou ambas as superfcies durante o processo de
laminao, eles
compreendem um grupo de vidros no qual a natureza da
transparncia alterada:
distores na superfcie alteram o padro de transmisso da radiao
por refraco, e
resulta em obscuraes visuais. O desenvolvimento recente no
desenho e manufatura
de padres abriram uma nova gama de produtos.
Vidros com lminas convencionais incluem os seguintes
produtos:
Vidro Natural: Este um produto laminado com ou sem uma forma
padro,
produzido pelo processo de laminao simples porque opticamente
plano,
superfcies paralelas no so exigidas. O padro, se existe um,
aparece em uma
superfcie somente.
Vidro Ornamental: Esta categoria cobre o grupo de vidros
desenhados para
obscurecer tanto para efeito decorativo como para alta disperso
e reduo do brilho
ofuscante.
Vidro Greenhouse: Essa uma forma mais precisa, com uma
superfcie
especialmente desenhada para dispersar eventualmente a radiao
solar.
Vidro Aramado: Esse usa mtodos de laminao para implantar uma
malha
de arame no vidro para sustent-lo junto no caso de quebra, por
dano mecnico ou
fogo. Pode ser natural ou polido. Tradicionalmente vidros
aramados tm tido um lugar
-
31
importante no projeto de edifcios, sendo um produto que foi cedo
considerado
conveniente para certos locais de risco.
Vidro em Perfil: A forma mais comum de perfil produzida em U,
que tem a
vantagem de ser auto-portante. Esses vidros so geralmente
translcidos, antes de
transparentes, dando a natureza dispersiva da superfcie criada
durante a
manufactura.
Vidro Antigo: Essa famlia que compreende vidros fabricados pelos
mtodos de
sopro, desenho ou outro, mantm vivo os velhos mtodos de produo
na arte de
fazer vidros.
Vidro Anti-Reflectivo: A reflexo da luz golpeando
perpendicularmente a
superfcie do vidro de cerca de 4%, e essa aumenta medida que o
ngulo torna-se
oblquo. A necessidade de boa viso atravs de um vidro sem ser
interrompida pela
reflexo na superfcie usualmente requerida por vidros e gravuras.
Existe,
entretanto, muitas aplicaes onde tal vista uma vantagem, ou
essencial como em
lentes e ptica.
Vidros Temperados: Endurecido, ou temperado, uma das duas
maneiras
geralmente usadas para melhorar a resistncia do vidro, ao mesmo
tempo alterando
as suas caractersticas de quebra. Os termos diferem nas
diferentes partes do mundo,
mas uma distino geralmente feita entre o temperado (totalmente
temperado) e o
semi-temperado. O temperado necessrio para dar uma fora genuna
ao produto; o
semi-temperado usado para aumentar a resistncia ao esforo
trmico.
O processo de temperamento envolve o aquecimento e rpido
apagamento do
vidro. A temperatura atingida em torno de 150C acima da
temperatura de
transformao, e o vidro assim plstico. O arrefecimento da
superfcie a solidifica,
enquanto o interior do vidro arrefece e contrai-se. medida que o
interior continua a
contrair, ele coloca a zona superficial em compresso, e
estendido em tenso. Num
material tpico 60% da parte interior est em tenso, e a parte
superficial,
correspondendo a 20% em cada lado est em compresso. Um vidro
produzido nesse
estado exibe a caracterstica de quando quebrado fragmenta-se em
pequenos
pedaos, comparativamente seguro, sem bordas pontiagudas.
Todos os vidros planos incluindo os vidros de borossilicato,
podem ser
temperados. O processo sem dvida transforma o vidro num produto
superior em
-
32
termos de resistncia que tem, entretanto, a desvantagem
significante de no poder
ser trabalhado.
Vidros Quimicamente Reforados: Esses vidros so produzidos
substituindo
ies pequenos da zona superficial do vidro por ies grandes, assim
colocando a
superfcie sob compresso como nos vidros temperados. O processo
muito lento e
mais indicado para vidros muito finos que no podem ou so muito
difceis de serem
temperados. O uso corrente de lentes pticas reforadas e lmpadas
elctricas.
Vidros Laminados: Esses produtos estendem-se desde simples
vidros de
segurana at complexos sistemas multicamadas e na combinao de
vidros e
plsticos, constituem um grupo de vidros extremamente
importante.
O princpio bsico por trs do uso do vidro laminado a combinao do
vidro
rgido e durvel mas quebradio, com as propriedades elsticas do
plstico. A chave
para o sucesso a adeso, e a tcnica de manufactura convencional
envolve o uso de
uma folha de polivinil butiral (PVB). Ele colocado entre duas
camadas de vidro,
comprimido e ento autoclavando volta de quatro horas a 140C sob
uma presso de
120 lb/sq. O tratamento transforma o PVB numa camada adesiva
clara e rija. Uma
grande gama de produtos est disponvel e a tcnica proporciona
campo de aco para
a criao, mas o produto mais simples a folha padro de 6.4mm,
compreendendo
duas folhas de vidro de 3mm e uma intercamada de 0.4mm de PVB.
Tais vidros
apresentam quatro principais vantagens sobre o uso do vidro
plano sozinho:
- Segurana: o vidro numa vidraa quebrada permanecer aderido
camada
de PVB, minimizando o risco de danos e ferimentos;
- Garantia: vidros laminados, particularmente produtos
multi-laminados,
podem proporcionar resistncia a severos ataques armados ou
exploso.
Multicamadas de at 100mm ou mais podem ser produzidos;
- Reduo Sonora: A camada elstica de PVB proporciona um efeito
de
amortecimento na presso das ondas sonoras.
- Trabalhabilidade: Vidros laminados podem ser cortados com o
tamanho
desejado depois da manufactura, o que o torna muito conveniente
para o uso como
envidraado de segurana simples, onde o tamanho das esquadrias
pode variar.
-
33
Uma gama adicional secundria de caractersticas de desempenho
pode ser
introduzida pelo uso de intercamadas tingidas que o transforma
num produto
laminado absorvente de calor.
Enquanto a laminao com PVB a mais convencionalmente usada, o
sucesso
de produtos manufacturados com combinao de camadas estende-se ao
uso de
outras tcnicas e materiais.
Vidro Aramado: Uma malha ou filamentos de ao na camada interior
pode
acrescentar segurana ao vidro.
Vidros com Alarme: Uma fiao pode ser incorporada na camada
interior,
conectada ao circuito elctrico de alarme que dispara o alarme
quando quebrado.
Alternativamente uma camada condutiva pode ser usada.
Vidros Temperados: A tcnica de produzir camadas temperadas j
foi
descrita, mas um mtodo alternativo usa elementos aramados muito
finos na camada
intermediria.
Vidros com Superfcie Selada: Anlogo ao reforo qumico, mas
totalmente
diferente na inteno e nos materiais, um processo novo que
modifica quimicamente
a superfcie do vidro e aumenta a durabilidade s intempries.
Sistemas de Vidros Compostos
A laminao baseada no princpio da combinao de finas camadas
de
material unidas para proporcionar um produto que tem as
propriedades e vantagens
de um material, para servir a dado propsito.
A combinao de propriedades ainda melhor quando obtida na
composio
de sistemas de vidros, na qual o vidro fornece um anteparo
exterior durvel para um
interior desenhado para uma funo especfica.
Envidraado Mltiplo: A forma mais simples e mais usada de reunir
uma
unidade de envidraado mltiplo usualmente presente atravs do
vidro duplo e
triplo. Pelo simples recurso de capturar uma fina fatia de ar
seco, com uma
condutividade trmica de 0,025 W/mC, entre duas folhas de vidro,
o valor da
transmisso trmica de uma janela pode ser reduzido de 5W/m.K para
3W/m.K ou
menos. O uso de vidros tingidos, camadas e de gases na cavidade
que tem um
desempenho melhor que o ar, tem habilitado o vidro duplo a ser
produzido com
-
34
valores de transmisso trmica de 1,4 W/m.K, quase o mesmo valor
de uma parede
dupla de tijolos rebocada. medida que as pesquisas e
desenvolvimentos
prosseguem, provvel que esses valores melhorem.
As tcnicas de manufactura dos vidros duplos e triplos tm
sido
consideravelmente melhoradas nos ltimos vinte ou trinta anos. Os
maiores
problemas de desempenho so fsicos, relacionados com a manuteno
do ar seco
propriamente selado na cavidade.
Mais recentemente, tcnicas que usam um agente secante
perfurando
extruses de alumnio, tm sido criadas e sistemas selantes, usando
epoxy, polisulfido
ou selantes de butil, ou ainda sistemas de vidros duplos usando
polisobutileno e um
selante secundrio de polisulfidio, poliuretano ou silicone.
As cavidades podem variar de 4mm a 20mm ou mais, para satisfazer
as
exigncias de desempenho.
A mistura de vidros claros e tingidos, temperados ou de outra
maneira, e
muitas vezes com capas, em sistema de envidraado mltiplo o que
mais tipifica o
estado da arte de envidraados no presente, mas no de maneira
alguma a nica
tcnica usada em vidros compostos.
Produtos que, em resposta uma exigncia funcional, combinarem
as
propriedades transparentes do vidro com outros materiais, num
produto selado, esto
agora a aparecer no mercado. Eles so caros, mas representam
solues alguns dos
problemas mais intratveis de um envidraado.
Envidraado com Cavidade Difusora: A difuso pode ser
proporcionada num
vidro por vrios meios: opalizando o vidro, gravando,
introduzindo uma camada
difusora num vidro laminado ou de outra maneira que modifique a
superfcie.
Dispositivos mais eficientes usam a cavidade de um vidro mltiplo
para proporcionar a
difuso da luz, isolamento trmico, e sistemas absorvedores do
som. Um desenho
tpico incorpora na cavidade tubos acrlicos claros com dimetros
variando poucos
milmetros agindo como uma fatia espaadora entre duas folhas de
vidro, com um
emaranhado de fibra de vidro branca ou colorida numa superfcie
interna. Valores de
transmisso trmica entre 3,4W/m.K para 8mm de malha, 2,6W/m.K
para 12mm de
malha e 1,0W/m.K para 48mm de malha so adquiridos. Os valores de
isolamento so
assim em torno de 15% melhores do que um vidro duplo com a mesma
profundidade
-
35
de cavidade, no entanto no to bom como vidros duplos com uma
camada de baixa
emissividade.
Envidraado Prova de Fogo: Vidros de borossilicato,
pr-esforados,
temperados podem manter a sua integridade por at duas horas ou
mais, mas tem
desvantagens, como folhas simples, de se tornarem extremamente
quentes em caso
de fogo, possivelmente causando ignio no lado onde no existia
fogo. Eles podem
assim conter um incndio nos termos dos gases, de aces das
chamas, mas
apresentam na superfcie, do outro lado, com 800C, ao mesmo tempo
quente e
deformada. Isso torna tais vidros inutilizveis em, por exemplo,
meios de rota de
escape. Criando um sistema mltiplo, utilizando vidro temperado,
com as cavidades
preenchidas com um gel polmero, o produto formado resiste
expanso do fogo e
proporciona isolamento trmico ao mesmo tempo.
Neste tipo de sistema a cavidade preenchida com um gel polmero
claro com
uma alta percentagem de gua (cerca de 75%) e sais inorgnicos. No
caso de incndio,
o gel transforma-se numa crosta, que altamente isolante, e o
calor latente da
evaporao da gua absorve muito da energia calorfera. O vidro no
lado do fogo
eventualmente quebra numa temperatura de aproximadamente de
500C, mas no
momento a crosta suficientemente forte para manter a integridade
do painel.
Quando a temperatura do lado do fogo atinge 700C, no outro lado
do vidro a
temperatura est em torno dos 20C. Testes mostraram que mesmo aps
30 minutos,
com a temperatura do lado do fogo acima do 800C, o outro lado
est com 60C, e o
painel ainda resiste ao teste de impacto. Tais desempenhos so
adquiridos com uma
cavidade de 18mm para dar 30 minutos de resistncia. Uma cavidade
preenchida de
28mm atinge os 60 minutos, e 90 minutos com vidro triplo e com
as duas cavidades
preenchidas.
Materiais como estes, com vidros de borossilicato, que suportam
a
temperatura enquanto fica muito quente, tm revolucionado a
arquitectura de
transparncia numa poca que a preocupao com a segurana
grande.
Membranas na Cavidade: O uso potencial de uma cavidade bem
vedada, limpa
e seca enorme. A instalao de uma membrana fina dentro de tais
cavidades
apresenta problemas de manufactura.
-
36
Um filme fino e claro de polister tem mltipla camada aspergida.
O filme de
polister instalado na cavidade em fbrica, para produzir um vidro
triplo com a
mesma ordem de peso de uma unidade convencional de vidro duplo,
mas com o valor
de transmisso trmica de 1,25 W/m.C. O filme sozinho pode ser
capeado para
produzir vrios desempenhos de transmisso, e pode ser instalado
dentro de qualquer
sistema de vidro duplo com os vidros disponveis normalmente para
produzir uma
larga gama de caractersticas de transmisses globais. Entretanto,
difcil de fabricar
sem pregas. O esticamento do material adquirido instalando o
filme num espao de
ar, aps o aquecimento estica-se, ambos processos so morosos e
longe de fceis.
Envidraado com Refraco na Cavidade: Um bvio, mas at
recentemente
no adquirido, objectivo num sistema envidraado usar o espao da
cavidade de um
sistema de vidro mltiplo como o lugar onde a proteco solar e a
modificao da luz
tem lugar. Problemas com o sobreaquecimento, vedao e custo tm
conspirado para
prevenir o seu aparecimento. O Lightsystem Siemens tipifica o
que tais sistemas
deveriam fazer. A injeco de uma placa moldada de acrlico, com
espessura de 10mm
ou mais, formado para ser plano de um lado e compreender prismas
paralelos lineares
no outro lado, colocado na cavidade do vidro duplo. Um conjunto
de faces de
prismas capeado com um filme fino de alumnio, para dar ao
material que transmite
a luz ofuscante um conjunto de direces, mas reflecte essa luz
ofuscante para uma
direco mais ou menos perpendicular. Dando ngulos e profundidades
diferentes ao
prisma esse sistema motiva um leque de produtos conhecidos como
protectores
solares.
O sistema total no transparente no senso normal; tem o efeito de
cortar a
imagem transmitida em fatias. Entretanto, muito eficiente em
redireccionar a luz
assim como sendo um exemplo iluminador do uso das propriedades
do vidro, durvel
e forte, e do acrlico, muito claro e leve. A tecnologia de
capeamento com filme fino
usada nesse produto num componente plstico antes dum componente
de vidro. um
exemplo interessante e importante no modo como tecnologias
diferentes podem ser
combinadas para criar um produto.
Envidraado com Vcuo: A necessidade de melhorar a resistividade
trmica do
envidraado de grande importncia, e os vidros de baixa
emissividade tem ajudado
muito nesse empreendimento. Entretanto, a ideia de evacuar a
cavidade um
-
37
acessrio bvio para qualquer sistema de baixa transmisso, desde
que ele iniba ou
previna conduo e conveco do calor atravs da cavidade. A ideia j
tem mais de
cem anos, mas a dificuldade de manter o vcuo e dos panos
resistirem defleco um
em direco ao outro resultando da diferena de presso entre a
presso atmosfrica
exterior e o vcuo total ou parcial na cavidade. Trabalhos na
Austrlia em 1992
demonstraram que uma disposio de pilares podem ser produzidos,
os quais eram
verdadeiramente difceis de ver e criam um meio plano com
transmisso trmica de
0,6W/m.K ou melhor, dependendo da eficincia das camadas de baixa
emissividade
usadas. O vencimento dos problemas de manufactura e vida ainda
esto a ser
discutidos, e extensa literatura tcnica tem descrito progresso.
Prottipos de um
dipositivo de um metro quadrado desempenharam transmisses de
1,0W/m.K dos
quais dois teros derivam da radiao e um tero dos pilares de
separao.
-
38
10. Acumuladores de Calor
Sistema de serpentinas para aquecimento do
Forno Solar
Este sistema consiste em fazer circular um fluido quente, neste
caso a gua, no
interior duma tubagem que vai ser instalada na base do forno
solar. Esta tubagem
instalada em serpentina e tem como funo aquecer o interior do
forno solar.
A gua quente vai ser fornecida ao sistema e nele circular com o
auxlio de um
sistema de bombagem, que vai captar a gua quente de um
reservatrio instalado ao
sol, neste caso um garrafo de 5 litros opaco.
Ilustrao 21 - Exemplo de como pode ser instalada a tubagem na
base do forno
O sistema encontra se esquematizado na imagem 22 e funciona da
seguinte
forma: contem a tubagem na base do forno que se encontra ligada
a uma bomba e
essa bomba vai puxar o fluido da fonte de alimentao, o garrafo.
Depois do fluido se
encontrar no sistema fechada a vlvula para o fluido se manter em
movimento
contnuo e o fluxo constante na tubagem.
Ilustrao 22(a) Forno Solar com Acumulador
-
39
Outra opo alternativa para evitar a bomba, colocar o
depsito numa posio mais elevada que o forno solar, para
assim
a gua descer por aco da fora da gravidade para a tubagem
colocada no interior do forno. O deposito ter a possibilidade
de
ser retirado do suporte para ser colocado no nvel abaixo do
forno
solar para retirar a agua da tubagem mais uma vez por aco da
foa da gravidade. Com a agua novamente no deposito apenas
necessrio voltar a monta-lo no suporte para aquecer
novamente
com a radiao solar e voltar a ser utilizada no forno solar.
Materiais a utilizar:
- Vlvula: sada do reservatrio de gua necessrio instalar uma
vlvula,
para assim permitir a entrada da gua na tubagem ou ento para
retirar a gua
novamente para o reservatrio e fechar.
A vlvula a escolher de reduzidas dimenses e de plstico, visto
que o sistema
de reduzidas dimenses bem como o caudal de gua que vai
circular.
Ilustrao 23 Vlvula
- Reservatrio: O depsito para armazenamento de gua um depsito
de
plstico de pelo menos de 5 litros. Este depsito tem de ser de
cor negra, pois a sua
instalao no sistema tem como objectivo aquecer a gua que tem no
seu interior para
depois ser libertada para o sistema. O facto da cor do depsito
ter de ser negra
devesse ao facto de absorver toda a radiao solar que nele incide
e manter mais a
energia trmica no seu interior, possibilitando assim a absoro da
energia e
transformao da mesma em energia trmica, aquecendo a gua que se
encontra no
seu interior como pretendido.
Ilustrao 22(b) Forno Solar com Acumulador
Ilustrao 24 Reservatrio
-
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- Tubagem: A tubagem utilizada no interior do forno deve ser dum
material
resistente ao calor, visto que se atingem altas temperaturas no
interior do mesmo.
Para tal as serpentinas so constitudas de ao inoxidvel, para
assim resistirem as
altas temperaturas e para realizarem uma boa troca de calor.
Ilustrao 25. Tubagem interior
J no exterior do forno o material deve ser moldvel para permitir
a deslocao
do depsito consoante as necessidades. O tubo exterior deve assim
ser de plstico
para permitir a deslocao do forno e a deslocao do depsito
possibilitando
variaes de altura no caso de o depsito se encontrar mais elevado
que o forno.
Ilustrao 26 Tubagem do interior
- Bomba: No caso de ser necessrio possuir uma bomba, esta ser de
reduzida
potncia e dimenses visto que o caudal de gua bastante reduzido.
Esta bomba
poder ser alimentada atravs da corrente elctrica ou de um painel
solar, mas tal no
possvel visto que o sistema implementado para funcionar na
ausncia de luz solar.
Ilustrao 27 - Bomba
-
41
11. Projecto Forno Solar
Relativamente construo do projeto final, e aps alguma pesquisa
terica,
decidimos utilizar um conjunto de materiais que achamos
adequados e aos quais
temos acesso.
Modo de construo:
Para iniciarmos a construo do forno, vamos construir a base do
mesmo. Para
a qual ao nvel de materiais estruturais vamos utilizar 5 placas
de madeira, de forma, a
que esta tenha o formato de uma caixa. Optamos por fazer a
estrutura do forno em
madeira para se tornar mais leve e resistente. Nesta base tambm
sero colocados 4
rodas para permitir um fcil transporte (as rodas so aparafusadas
na parte inferior
externa da base).
Ilustrao 28 Caixa de madeira
Em seguida, forramos a caixa de madeira, na parte interior, com
placas de
cortia (material de isolamento), com as mesmas dimenses. Para
isso, vamos utilizar
cola base de formaldedo. A cortia um bom isolante e de fcil
acesso. Esta cortia
ser ainda forrada com fita adesiva de alumnio para permitir uma
reflexo dos raios
que incidem nas laterais interiores do forno.
-
42
Quando a base da caixa estiver concluda iremos inserir o sistema
de
serpentinas no fundo da mesma que vai estar ligado a um depsito,
como ilustrado
anteriormente.
Em seguida, vamos inserir uma grelha acima da serpentina,
aparafusando-a,
para servir de suporte para a panela e separar esta do sistema
de serpentinas.
Relativamente aos materiais transparentes optamos pelo vidro,
devido a este:
Absorver os raios de luz;
Resistente;
ndice de Refrao;
Propriedades Trmicas;
Dureza e Resistncia abraso;
Durabilidade Qumica;
Resistncia ao Fogo.
O vidro ser colocado na caixa de madeira atravs de uma pequena
abertura
que esta ir possuir, como esta ilustrada na figura 29.
Ilustrao 29 Caixa com abertura para o vidro
Em relao aos materiais refletores, vamos utilizar espelho plano,
o qual
iremos cortar em seces de 2cm por 2cm para que os raios
incidentes tomem vrias
direes para que estes atinjam todos os pontos do nosso foco.
Os espelhos sero colocados numa superfcie de madeira (abas).
-
43
Ilustrao 30 Espelhos colados nas abas
Ilustrao 31 Fixao da aba refletora com dobradias e a calha de
fixao e regulao
As abas refletoras vo ser fixadas caixa com a utilizao de
dobradias e de
uma calha para segurar as abas e assim possibilitar o seu
ajuste, estando esta calha
fixada na caixa do forno solar.
As abas, quando colocadas na caixa, tem que ter uma pequena
inclinao, de
forma a captar o mximo de raios solares. Relativamente ao clculo
desse ngulo de
inclinao a que as abas devem ser colocadas, encontrmos valores
de referncia para
a inclinao solar em vrios dias do ano. Como o nosso forno vai
funcionar por efeito
de estufa irrelevante que os raios solares no incidam
diretamente nos alimentos a
cozinhar. Assim conclumos que para que os raios solares sejam
dirigidos para dentro
-
44
do forno basta apenas que o ngulo das abas seja apenas cerca de
15 superior ao
ngulo dos raios solares.
Para o vero vamos utilizar um ngulo de 85 uma vez que atravs
da
anlise da ilustrao 30, para dia 21/6/14 a inclinao solar s 12H
de 72,79.
Para o inverno o ngulo da inclinao solar de 39 no dia 21/12/14
s
12H, assim, vai ser utilizado um ngulo de 53 nos painis.
Junto das dobradias das abas vo ser colocados os valores dos
ngulo a que
estes se encontram para que o nosso forno se possa adaptar s
diferentes inclinaes
solares que se verificam ao longo do ano.
Ilustrao32- inclinao do sol a 21/6/14
-
45
Ilustrao 33-inclinao do sol a 21/12/14
Aps calculado o ngulo das abas e terminada a projeo do forno
decidiu-se
instalar um Acumulador de Calor.
Esse acumulador de calor ir ser formado por um garrafo que
servira de
depsito para gua, esse depsito estaria ligado a uma serpentina
que se encontra no
interior do forno que tem o objetivo de promover uma troca de
calor entre o fludo e o
interior do forno, como possvel observarmos na Ilustrao 34.
Ilustrao 34 Modelo do forno
-
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Esboo do Forno Solar
Vista frontal do Forno Solar
Vista de cima do Forno Solar
-
47
Vista tridimensional do Forno Solar
-
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Custos dos materiais
Materiais Quantidade Dimenses Custos Preo a
pagar
Placas de madeira 5 60cm*60cm
2cm
(espessura)
4.55/m2 22.75
Placas de madeira (Abas) 3 - - A designar
Placas de cortia 5 60cm*60cm
4cm
(espessura)
9.80/m2 49
Espelhos 3 60cm*60cm 8.99/m2 26.97
Vidro 1 60cm*60cm - A designar
Dobradias 9 - 0.5/uni 4
Calhas 3 20cm 1/uni 3
Cola 2 500 ml 4.85/uni 9.68
Parafusos 150 - 0.02/uni 2.8
Fita adesiva de alumnio 1 50m (comp) - 7.33
Roda giratria com travo 4 - 3.99/uni 15.96
Serpentina 1 - - A designar
Deposito 1 5 Litros - A designar
Suporte 1 - - A designar
-
49
12. Concluso
De entre os trs tipos de fornos solares existentes, decidimos
optar pelo forno
em caixa, uma vez que este tem o designe mais apropriado para a
mxima captao e
isolamento dos raios solares.
Relativamente aos materiais, conclumos que estes esto includos
em quatro
categorias diferentes. Existem os materiais estruturais, os
materiais isolantes, os
materiais transparentes e os materiais reflectores. Cada um
destes grupos divide-se
em vrios subgrupos compostos por diferentes materiais. De uma
gama variada e aps
vrias pesquisas chegamos concluso que o material indicado no
projecto o
apropriado para a construo do forno solar, uma vez que, de fcil
acesso e tem as
propriedades necessrias para que o forno funcione. O material
escolhido para
estrutura a madeira, para o isolamento a cortia, o material
transparente o vidro
e por ltimo o material refletor o espelho.
Achamos importante que o forno no fosse apenas utilizado em
perodos
solares, por isso decidimos juntar um acumulador de calor. Este
acumulador ser
constitudo por um depsito escuro que contem gua, esta ser
aquecida durante o
perodo solar, para circular atravs de um circuito de
serpentinas.
O projecto no foi concludo ao nvel da construo, no sendo por
isso possvel
relatar a eficcia do mesmo.
-
50
13. Bibliografia
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http://www.colegioweb.com.br/trabalhos-escolares/fisica/reflexao-da-luz-
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http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/8223/open/fil
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http://victaoml.files.wordpress.com/2009/10/apostila-de-fisica-35-e28093-
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http://www.colegioweb.com.br/trabalhos-escolares/fisica/reflexao-da-luz-
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http://www.infoescola.com/fisica/leis-da-reflexao/