Construção e Analise de Eficiência de Um Secador Solar Directo1

Álvio Carlos Durão do Rosário2; Basílio Zeloso Tamele3; Daniel Quissico4

RESUMO

O objecto deste trabalho foi a construção de um protótipo de secador solar directo e fazer a análise do seu desempenho. O secador foi construído de material local: chapa de unitex, madeira de pinho, chapa metálica de zinco, papel de alumínio, com cobertura de vidro liso e uma rede plástica para protecção do sistema de circulação de ar. A secagem no secador foi comparada com a secagem ao ar livre nos seguintes aspectos: tempo de secagem, teor de humidade adquiridos, taxas de secagem e a qualidade do produto resultante das amostras. Todos os pares de amostras foram obtidos nos mesmos locais de modo que não haja influência das suas naturezas, foram testados dois produtos, a couve-flor e folha de mandioca, este último pela facilidade de acesso foi testado duas vezes. O estudo consistiu em avaliar as combinações das variáveis em estudo (radiação solar, temperatura, humidade relativa, velocidade de vento e a qualidade do produto final), comparando a eficácia dos dois métodos. Os resultados obtidos indicaram que em relação ao tempo de secagem, a estufa solar foi mais eficiente, isto é, foi duas (2) vezes mais que a secagem ao ar livre. A estufa apresentou temperaturas mais elevadas e menores índices de humidade relativa do ar que o meio ambiente. Quanto às taxas de secagem a estufa solar sempre apresentou as maiores. A eficiência média obtida para a primeira amostra foi de 31,6 e 47,4 para a terceira amostra.

Palavras – chaves: Radiação Solar, Secador solar, Material Local, Eficiência.

INTRODUÇÃO

O aproveitamento da luz solar para a secagem e desidratação de alimentos como modo

de conservação é visível no mundo e em Moçambique em particular desde tempos

remotos. Contudo, o desenvolvimento e aperfeiçoamento têm sido muito lento, por

exemplo, o mais comum, em nossas comunidades é uso directo da radiação solar para a

desidratação de alimentos, o que reduz significativamente as propriedades nutritivas,

além de levar muito tempo em comparação com a desidratação usando forno ou estufa

eléctrica.

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1) Parte da Monografia do primeiro autor apresentado ao departamento de ciências naturais e matemática curso de Física, universidade pedagógica delegação de Gaza.

2) Licenciado em Ensino de Física pela universidade pedagógica delegação de Gaza. alvioblunt@yahoo.com.br

3) Licenciado em Meteorologia pela universidade Eduardo Mondlene, docente da universidade pedagógica e da universidade técnica de Moçambique, estudante de pós-graduação em energias renováveis. bazeta2004@gmail.com

4) Licenciado em Meteorologia pela universidade Eduardo Mondlane, docente da universidade pedagógica, delegado provencial da Meteorologia em Gaza-Moçambique.

Portanto esta pesquisa pretendias saber qual seria o desempenho de um secador solar

directo na desidratação de vegetais, para tal foi necessário construir um secador solar

directo com recurso a material local, comparar a secagem ao ar livre com a secagem na

estufa solar e por final avaliar a eficiência térmica do secador solar e a qualidade de

secagem dos produtos. Esta é pertinente pôs, conservar alimentos é uma forma de

combater a crise alimentar e a pobreza absoluta.

Referencial Teórico

A radiação solar, como forma de energia complementar é de grande interesse devido à

sua abundância, facilidade de captação e, acima de tudo, pelo facto de gerar menos

impactos negativos ao meio ambiente quando comparada com as fontes derivadas da

queima de combustíveis fósseis.

A radiação solar comporta-se como uma onda electromagnética, no espectro desta

radiação a luz visível (0,4-0,7µm) se encontra na parte de frequência mais alta do

espectro electromagnético.

Diversas leis podem ser citadas ao estudar a radiação solar, contudo podem-se ditar

como básicas as seguintes:

Lei de Planck, afirma que a composição espectral da luz solar (em termos energéticos)

corresponde aproximadamente aquela que seria de esperar na radiação de um corpo

negro aquecido cerca de 6000º C, e matematicamente é:

E=h . f (1)

Onde, h [J.s] é a constante de Planck e f [1/s] é a frequência da radiação.

Lei de Wien, afirma que o produto do comprimento de onda correspondente ao máximo

da radiação no espectro do corpo negro absoluto pela sua temperatura absoluta é uma

grandeza constante (JDÁNOV, 1985), matematicamente se escreve:

λmáx T=b

(2)

Onde, b é constante de Wien igual a 2,89×10-3.

Lei de Stefan – Boltzmann, diz que a máxima taxa com a qual radiação pode ser

emitida a partir de uma superfície (ou corpo) depende exclusivamente da temperatura

absoluta do mesmo. É expressa por:

Qo

=εσ AT S

4

(3)

Onde,σ=5 , 67×10−8 W /m2 K 4; ε - é a emissividade e A é a área.

Lei de Kirchhoff, diz que as taxas de emissão e absorção dependem da temperatura e do

comprimento de onda da radiação, e são iguais a uma da proporção. É expressa por:

Qo

abs=α Qo

incidente (4)

Onde, Qo

abs - Taxa com a qual a superfície absorve radiação incidente; Qo

incidente -

Taxa com a qual radiação incide sobre a superfície; α é a absorvitidade.

A radiação solar pode ser calculada na superfície horizontal pode ser calculada pelo

modelo de Angstron:

H=[ a+b (nN

) ] H0 (5)

Onde, b e a são coeficientes que dependem das condições climáticas do local e são

iguais a 0 ,29 .cos φe 0 ,25 respectivamente, n é a insolação medida pelo Heliógrafo; N

insolação astronómica.

Para o calculo da radiação solar na superfície inclinada tem-se como padrão o modelo

de Liu e Jordan, que de podem resumir em:

H ´dir( β , ξ )=Kdrt H dir=( cos β+sen β (cos (ψ−ξ )tagh

)) Hdir

H ´df ( β , ξ )=Hdf (1+cos β2

)

H ´ref ( β , ξ )=H ref (1−cos β2

)=(℘×H )(1−cos β2

)

H ´=H ´ dir+H ´ df +H ´ref

(6)

Onde, H´dir é a radiação directa em superfície inclinada; Kdrt é o factor de correcção

devido a mudança no ângulo de incidência dos raios solares sobre a superfície incidente;

℘é o albedo da superfície local; β é inclinação da superfície. ξ é azimute da Superfície;

ψ é Azimute Solar; h é a altura do sol; H´df é a radiação difusa na superfície inclinada; H

´ref é a radiação reflectida pelo solo; H´ é a radiação global na superfície horizontal.

Um secador solar básico é constituído por paredes isoladoras, sistema de ventilação,

cobertura translúcida e uma placa absorvedora. O principio de geração de calor é com

base no efeito estufa.

A eficiência de um secador solar pode ser dado por:

η=m

¿

×C P×(T O−T i)A×H ´

(7)

Onde, m¿

é vazão maciça do fluído (kg/s); C p é calor específico do fluído (J/kg.°C); T 0é

temperatura do fluído na saída do colector (°C); T i é temperatura do fluído na entrada

do colector (°C); A é área da superfície colectora (m2), e a intensidade da radiação solar

incidente (H) em W/m2.

A secagem tem por finalidade o controle do teor de humidade do produto. O teor de

humidade pode ser obtido pela expressão 18:

T u=M u−M s

M u (8)

Onde: T u= teor de humidade (%); M u = Massa húmida (g); M s = Massa seca (g).

Quando se pretende saber a humidade relativa num sólido na base seca (Ti) é dada pelo

quociente entre a massa húmida (Mu) e a massa do sólido isenta desta humidade (Ms):

T i=M u

M s (9)

E quando se trata da base húmida tem:

T f=Mu

M u+M s (10)

A taxa de secagem pode ser obtida de acordo com a equação (21):

T s=T i−T f

t (11)

Onde, Ti é teor inicial; Tf é teor final e t é o tempo de secagem.

Metodologia

De acordo com as suas características/propriedades Fisicas foram adqueridos os

materias para a construção do secador modelo greenhouse (figura 1).

Figura 1. Secador solar usado no estudo.

Para a observação da variaveis dependes os instrumentos eram dispostos de acordo com

a figura 2.

Figura 2. Disposição dos equipamentos de controle da variáveis. (a) Dentro do secador; (b) ao ar livre.

As amostras eram colocadas ao mesmo tempo nos seus locais de secagem. O tempo de

esposição era da 8 as 17 horas. As variáveis eram controladas periodicamente, de hora

em hora.

A radiação solar foi determinada de acordo com a equação 6. O teor de humidade e taxa

de secagem foram determinadas pelas equações 8 e 11 respectivamente.

Resultados e Discussão

A primeira amostra submetida a secagem em estufa solar iniciou o processo com uma

humidade de 81,2% e depois de sete (7) dias de secagem teve humidade final de 2,25%.

O que corresponde a uma taxa de remoção da humidade igual 7,89%, já a secagem ao ar

livre não teve o seu término por ter ficado comprometida (putrificado) devido a elevada

humidade. A fraca taxa de remoção da humidade apresentada nesta amostra, pode ser

explicada pela deficiente radiação, fraca ventilação e alta humidade relativa ambiente

apresentada neste período de secagem, por outro lado pode-se ainda citar a massa

específica, uma vez que maior massa específica implica maior tempo de secagem.

A segunda amostra submetida a secagem em estufa solar teve o seu inicio com uma

humidade de 52,6% e após três (3) dias, foi finalizada com uma humidade de 0,84% o

que correspondente a uma taxa de remoção da humidade igual a 17,25%, já secada ao ar

livre teve no inicio uma humidade de 53,125% e ao final de cinco (5) dias de secagem

obteve-se 0,9815%, o que corresponde a uma taxa de remoção de humidade igual

10,428%. A amostra da estufa solar apresentou uma taxa de remoção maior que a do ar

livre, a favor desta diferença está as condições ambientais estáveis na estufa do secador.

A curva de secagem para estas amostras pode ser observada na figura 3.

Figura 3. Curvas de secagem das segundas amostras

A terceira amostra secada na estufa solar teve iniciou com uma humidade de 55,6% e no

final de dois (2) dias obteve-se uma humidade igual á 0,97% correspondente a uma

redução da humidade em 27,312% por dia. A mostra ao ar livre iniciou com uma

humidade de 56,1% e no final de quatro (4) dias detinha uma humidade de 0,98%,

correspondente a uma taxa de remoção igual 13,78%. É visível através da diferença das

taxas de secagem que a estufa apresentou melhores condições de secagem. As curvas

são visíveis na figura 4.

Figura 4. Curva de secagem das terceiras amostras

Observa-se no geral que as taxas de remoção diária da água foram mais elevadas na

estufa solar que ao ar livre, isto pode-se dever ao facto de a secagem ao ar livre ser

influenciada apenas por condições ambientais (temperatura, ventilação, humidade do ar

e humidade de equilíbrio) por sua vez a estufa solar alem desses factores é influenciada

pela radiação solar.

Segundas e terceiras amostras levaram tempos diferentes de secagem apesar de serem

da mesma espécie, terem tido o teor de humidade iniciais muito próximos com o teste

conduzido sob condições radiação similares. Este evento pode ser explicado, pela

velocidade do vento que foi óptima durante a secagem das terceiras amostras assim

como o sentido do vento que era de Sul-Norte.

Ao estudar a eficiência de um secador é necessário tomar em consideração certas

correlações importantes.

A figura 5, mostra a recta que correlaciona a temperatura interna e a radiação solar

global.

Figura 5. Relação entre a Radiação Solar e Temperatura Interna Máxima, durante o período das

três (3) secagens.

Pode-se afirmar que esta boa correlação directa entre a temperatura interna máxima e a

radiação solar; com o coeficiente de correlação óptimo (r = 0,8942). Isto significa que o

aumento da radiação solar resulta no aumento da temperatura interna no secador.

Na figura 6 apresenta-se a influência do teor de humidade na temperatura interna

máxima da estufa solar.

Figura 6. Relação entre a Humidade Relativa e Temperatura Interna Máxima, durante o período

das três (3) secagens.

A relação entre estas grandezas detém uma correlação linear inversa com um coeficiente

igual a 0,9631, o que significa que a humidade relativa diminui com o aumento da

temperatura (conforme verificado por STANGERLIN (2009)), esta ocorrência é devido

ao facto de que no inicio da secagem o produto precisar de muita quantidade de calor

para retirada de elevadas quantidade de água, causando limitação da elevação de

temperatura no inicio do processo.

A determinação das eficiências média encontrada para a 1ª e 3ª amostras foram 31,6% e

47,4% respectivamente, e o coeficiente médio de perdas de energia foi para a 1ª amostra

de 2,80 W/m2 oC e para 3ª foi de 6,6 W/m2 oC. O aumento da energia incidente eleva a

temperatura e a intensificação destas duas grandezas provocam maiores perdas de

energia o que concorre para que o aumento do rendimento não seja significativo

comparativamente a energia fornecida. Na maioria dos casos observado durante a

pesquisa, os valores das perdas totais são maiores a onde temos registos de maiores

variações da temperatura.

A qualidade nutricional foi obtida com os equipamentos do Laboratório Nacional de

Higiene Alimentar e Água, os resultados obtidos podem observados na tabela 6.

Tabela 1. Resultados do poder nutritivo.

Analise Química (250g para cada amostra)

Amostra Humidade (%w/w) Gordura (%w/w) Proteína (%w/w Nx6,25)

Fresca 61,32 38,64 78,69

Seca em estufa 7,45 11,61 49,71

Seca ao ar livre 10,25 6,44 25,23

Dos dados postados na tabela 6, verifica-se que a amostra secada em estufa solar

conservou melhor (quantidades) os nutrientes (gordura e proteínas) comparativamente a

amostra ao ar livre conforme foi verificado por CORRÊA (2004), em detrimento desta

diferença estão as energias usadas para as desidratações, o produto ao ar livre seca por

acção directa dos raios solares, o que contribui para que certas propriedades químicas se

percam com maior velocidade neste processo, enquanto o produto na estufa do secador

seca por acção da energia térmica gerada no interior do secador. A tabela também

mostra que o secador solar teve maior redução da humidade, isto deve-se as favoráveis

condições ambientais que esta dispõe comparativamente ao ar livre. As quantidades dos

sais minerais, cianeto e tanino não foram determinadas porque o laboratório não

disponha de equipamento operacionais na altura.

Conclusões

Com base nos resultados discutidos sobre a eficiência do secador solar na desidratação

da couve-flor e da folha de mandioca, podemos dizer que:

È possível construir um secador com base em materiais locais e obter resultados

satisfatórios desde que na construção tenha em consideração as propriedades dos

materiais (condutividade térmica, emissividade e absorvitidade)

A inclinação do colector é fundamental para a maior colheita da energia solar, os

estudos revelaram que a óptima inclinação para um secador solar em Xai-Xai ou em

locais circunvizinhos deve ser de 26º.

O tempo de secagem em estufa solar, para as três amostras estudadas, é inferior em

relação ao verificado no processo ao ar livre.

Contudo, o secador solar apresentou temperaturas óptimas para a desidratação de

vegetais (30ºC á 60ºC).

A desidratação feita no secador apresentou baixas reduções do teor nutritivo o que era

esperado, assim como baixas humidades comparativamente a secagem ao ar livre.

Referencias Bibliográficas

Angelina Duarte CORRÊA. ´´ Pesquisa elimina substancias tóxicas e transforma a folha

em alimento mais nutritivo``. Revista Minas Faz Ciências. Vol. 18, Brasil,

2004

CENGEL, Yunus A. BOLES, MICHAEL A. Termodinâmica. 5ª ed. McGraw Hill. São

Paulo, 2006, p. 74-78.

MOLONI, Pedro Luís Santos. Apostila Desidratação de Frutas e Hortaliças. 10ª

Semana internacional da fruticultura, floricultura e agroindústria. Brazil, 2003.

STANGERLIN Diego Martins. Avaliação do Uso de Estufa Solar Para Secagem de

Madeira Serrada de Eucalipto. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal

de Santa Maria Centro de Ciências Rurais Programa de Pós-graduação em

Engenharia Florestal, Santa Maria, RS, Brasil,2009.