Coletor solar de baixo custo. Aplicação à secagem de produtos agroalimentares

Abstract

A energia solar apresenta-se como uma alternativa às fontes não-renováveis e apresenta um enorme potencial a ser explorado, nomeadamente no que a Portugal diz respeito. Dentro dos dispositivos que visam o aproveitamento desta forma de energia, os coletores solares térmicos surgem com grande interesse para um conjunto vasto de aplicações, dentro das quais surge o aquecimento de ar. Neste particular, é destacado o acoplamento de coletores a secadores solares. A presente tese aborda a construção e teste de um coletor solar para aplicação à secagem de produtos agroalimentares, um tema de indubitável interesse na atualidade. Este é do tipo placa plana (FPC), estacionário e não concentrador. É utilizada no mesmo uma matriz porosa metálica como elemento absorvedor que consiste num material de uso corrente (palha-de-aço), caracterizado por elementos estruturais de diâmetro muito pequeno ( d≈0,09mm), elevada porosidade (ε =0,99) e uma área de transferência de calor de 359,18m2.m-3. O dispositivo em estudo apresenta assim um baixo custo e simplicidade de construção, pretendendo ser uma solução eficaz para acoplamento a instalações de secagem, nomeadamente do tipo indireto ou misto. Os testes efetuados, demonstraram que este coletor permite aquecer ar até temperaturas máximas do ar próximas de 80ºC (correspondentes a um máximo de cerca de 50ºC) com um rendimento térmico que ronda os 40%, quando usado um vidro duplo como cobertura. Estes valores coadunam-se e até superam em certos casos, os referidos na literatura para outros coletores do tipo “single pass”. Por outro lado as temperaturas atingidas são iguais ou superiores às requeridas para processos de secagem da maioria dos produtos agroalimentares. Foi igualmente estudada a secagem convectiva de um produto biológico (pera). Os resultados obtidos através de dados experimentais e por modelo matemático, usando a lei de Fick com uma condição de fronteira convectiva, demonstram que as secagens efetuadas em modo descontínuo apresentam vantagens significativas. Por um lado a imposição de pausas no processo, e nomeadamente o aumento do número das mesmas permite, nas condições analisadas, um incremento significativo do ponto de vista de uma poupança energética, sendo que esta pode ir até aos 17% para três pausas. Por outro lado demonstra-se a particular adaptabilidade de uma metodologia descontínua ao uso da energia solar (de natureza essencialmente intermitente) fornecendo-se uma ferramenta preliminar de planeamento de secagens, com possível adaptação dos períodos de pausa aos ciclos diurnos e noturnos de um processo de secagem solar.

Solar energy appears as an alternative to non-renewable sources and presents an enormous potential to be explored, in particular in what concerns to Portugal. Within these devices that aim the use of this energy source, solar collectors emerge with big interest for a wide group of applications, which includes the air heating. In this particular, the linkage of air collectors to solar dryers is stressed. The present thesis addresses the construction and testing of a solar collector to alimentary products drying purposes, a topic of unquestionable interest nowadays. The referred device is a stationary and non-concentrating flat plate collector (FPC). A porous metallic matrix is used as an absorber, and it consists in a common material (steel wool), which is characterized for structural elements of very little diameter (d ≈0,09mm), high porosity ( ε=0,99) and a volumetric heat transfer area of 359,18 m2.m-3. The studied device presents low-cost and construction simplicity, intending to be an effective solution for linkage to drying facilities, namely indirect or mixed type. The performed tests demonstrated that this collector allows air heating to maximum temperatures near to 80ºC (corresponding to a maximum of about 50ºC) and with a thermal efficiency of about 40%, when double glass cover is used. These values are concordant or even above the referred ones in literature for other “single pass” collectors. Moreover, the attained temperatures are equal or bigger than the required for the majority of alimentary products drying processes. It was also studied the convective drying of a biological product (pear). The results obtained through experimental data and mathematical modeling using the Fick’s law with a surface convection condition, shown that drying operation in discontinuous mode offers significant advantages. On the one hand the introduction of pauses in the process and namely their increment allows a significant increase of energy savings that can reach 17% when 3 pauses are considered. Moreover, it is demonstrated that the use of solar energy (which is inherently periodical) is suitable with a discontinuous convective drying operation. So, a preliminary tool to drying planning is provided, with possible adaptation of pauses to the daily cycles of a solar drying procedure.