UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

COLETOR SOLAR PARA CAPTAÇÃO DE AR QUENTE

Por

César Konrad Guilherme Barbieri Guilherme Padilha Sebastian Dietrich

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas

Porto Alegre, Junho de 2009

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RESUMO O presente trabalho tem por objetivo fazer uma análise de eficiência térmica de um coletor

solar para captação de ar quente para fins diversos. Foram comparados diferentes formatos de coberturas e três diferentes tipos de superfícies de absorção: superfície de isopor branca, superfí-cie com lona preta em camada simples e superfície com camada de brita revestida por tinta acrí-lica preta. O material utilizado para a cobertura em todos os casos foi o mesmo: plástico especial empregado em estufas, posto que é sabidamente adequado à aplicação em questão, além de ter custo reduzido. Realizando-se ensaios em laboratório, foram coletados os dados e levantadas as curvas para se efetuar a comparação e a definição do melhor formato de cobertura e a melhor superfície a serem adotadas. O experimento teve como fator determinante a eficiência máxima atingida pelos sistemas testados. Para tanto, foram empregados sensores PT-100 para determinar a temperatura ambiente e de saída do coletor, calculando-se assim, o ganho energético e conse-quentemente o rendimento térmico do sistema. PALAVRAS-CHAVE: Coletor solar, formatos de coberturas, superfícies de absorção, eficiên-cia.

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ABSTRACT

This work aims to make a thermal efficiency analysis of a solar heat collector. Different cover shapes and three types of absorption surfaces were compared. The surfaces used were: white polystyrene surface, black canvas surface with single-layer and a surface covered with a layer of black acrylic gravel paint. The material used as cover in all cases was a plastic material used in greenhouses, due to it’s know suitability to this application, besides its low cost. Through tests in laboratory the data were collected and the curves were raised to make comparisons and set up which cover and surface would be the best to be adopted. It was used as main factor the maximum efficiency achieved by the analyzed systems. Therefore PT-100 sensors were used to determine ambient temperature and output collector temperature, calculating then the energy gain and, due to that, the system's thermal efficiency. KEY-WORDS: Solar collector, cover shapes, absorption surfaces, efficiency.

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SUMÁRIO

Pág.

1. INTRODUÇÃO.....................................................................................................................5

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA..............................................................................................5

2.1. Coletor Solar.................................................................................................................5

2.2 Rendimento térmico.......................................................................................................6

3. TRABALHO EXPERIMENTAL.......................................................................................7

3.1 Construção do protótipo................................................................................................7

3.2 Instrumentação.............................................................................................................8

3.3 Incertezas de medição....................................................................................................9

3.4 Montagem da bancada de testes....................................................................................9

4. MEDIÇÃO E VALIDAÇÃO...............................................................................................12

5. RESULTADOS E ANÁLISES............................................................................................13

6. DISCUSSÃO........................................................................................................................16

7. CONCLUSÕES...................................................................................................................17

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................................17

APÊNDICES............................................................................................................................18

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1. INTRODUÇÃO

A busca por novas fontes de energia, renováveis e limpas, tem crescido consideravelmente nos últimos anos. O compromisso com a crescente demanda por energia, indispensável a todos, e com a redução nas emissões de poluentes impulsiona os avanços na área e indica que, cada vez mais, essas fontes limpas sejam adotadas no nosso dia-a-dia.

A luz do sol como forma de energia complementar é de grande interesse devido a sua a-bundância, facilidade de captação e, acima de tudo, pelo fato de gerar menos impactos ambien-tais quando comparada com as fontes derivadas da queima de combustíveis fósseis. Tendo em vista que a lenha é o combustível mais usado na secagem de grãos (SILVA, 2005) e que a sua queima libera poluentes causadores do efeito estufa, tais como o CO2, conciliar um coletor solar a um secador de alimentos pode reduzir consideravelmente a emissão de gases poluentes.

O coletor solar para aquecimento de ar é um trocador de calor que converte energia solar radiante em calor convectivo. Sendo composto por uma superfície absorsora de radiação solar e uma cobertura, preferencialmente transparente, permite a passagem da radiação através da cober-tura e a converte em calor na superfície opaca, aquecendo o ar dentro do trocador, como em uma estufa. O ar aquecido pode ser canalizado para aplicações diversas, como fonte principal ou complementar de energia térmica.

Tendo em vista esses fatores, o objetivo desse trabalho é definir um coletor solar para a-quecimento de ar para obter-se a maior eficiência possível. Desta forma foram construídas dife-rentes configurações de superfície de absorção e o formato da cobertura do coletor solar testando-se suas respectivas eficiências energéticas.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Coletor Solar

Um coletor solar é um tipo especial de trocador de calor que transforma energia solar radiante em calor. No experimento, trata-se de um coletor solar plano, pois a energia solar incide sem nenhum ângulo de inclinação relativo ao coletor. As principais partes que compõem um coletor solar plano são mostradas na figura 2.1: um invólucro transparente à radiação solar (1) sobre a superfície absorsora para reduzir as perdas por convecção e radiação para a atmosfera; uma su-perfície absorsora de radiação (2) (geralmente pintada ou da cor preta) como meio de converter a radiação em calor e transferir ao fluido a energia absorvida; e uma superfície isolante (3) que evite o contato da base da superfície absorsora com o solo, para evitarem-se perdas por condução (DUFFIE e BECKMAN, 1991). A Figura 1 mostra as partes básicas que constituem um coletor solar plano.

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Figura 2.1 - Partes constituintes de um coletor solar (Adaptado de: SANTOS, 2004)

De acordo com JANNOT et al. (1997), esta configuração é a mais indicada para um coletor solar aquecedor de ar coberto com plástico, utilizado em países tropicais, do ponto de vista práti-co. 2.2. Rendimento Térmico (η)

Segundo DUFFIE e BECKMAN (1991), “o rendimento de um coletor solar é descrito por um balanço de energia entre a energia solar incidente convertida em ganho de energia para o fluido e as perdas térmicas decorrentes deste processo”. Ou seja, é a razão definida entre a ener-gia útil transferida para o fluido de trabalho (Qu) e a energia total incidente (Qi).

Sendo:

QiQu

=h (2.2.1)

A energia total incidente consiste do produto entre a área da superfície coletora (A), em m2,

e a intensidade da radiação solar incidente (GT) em W/m2. Logo,

Ti GAQ ×= (2.2.2)

Um método básico para determinação da energia útil transferida para o fluido pelo coletor

solar pode ser através da equação fundamental da calorimetria:

( )TiToCmQ Pu -××= & (2.2.3)

Onde: Qu = energia útil transferida para o fluido de trabalho (W); m& = vazão mássica do fluido (kg/s);

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CP = calor específico do fluido (J/kg.°C); To = temperatura do fluido na saída do coletor (°C); Ti = temperatura do fluido na entrada do coletor (°C);

Portanto, a eficiência pode ser calculada pela equação demonstrada abaixo:

(

T

P

GA

TiToCm

×-××

=)&

h (4)

3. TÉCNICAS - TRABALHO EXPERIMENTAL

3.1 Construção do protótipo

Para a construção dos coletores a serem ensaiados, foram utilizados materiais relativamente

baratos e de fácil aquisição. Para a cobertura do coletor, foi selecionado plástico de espessura 195 micra (plural de Mícron) ou 0.195 mm, utilizado em estufas em geral, além de madeira para a estrutura que suporta o plástico. Na base, foi empregado isopor para isolar o contato com o chão e servir de apoio para as superfícies absorventes do coletor. As superfícies absorsoras adotadas foram três: isopor branco, lona preta em camada simples, e camada de brita revestida por tinta acrílica preta. O protótipo do coletor solar, como mostra a Figura 3.1, contava ainda com um cano de PVC de 75 mm para conduzir o ar aquecido succionado por um ventilador para o meio externo.

Figura 3.1 - Modelo construído para os testes.

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3.2 Instrumentação. A instrumentação foi realizada com equipamentos disponíveis no Laboratório de Estudos

Térmicos e Energéticos (LETA) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Para obter-se a vazão mássica de ar que sai do coletor solar, foram coletados valores de velo-

cidade na saída do ventilador com um anemômetro digital, mostrado na Figura 3.2. Conhecida a velocidade, a densidade do ar à temperatura medida, e a área livre de passagem do ar, obtêm-se a vazão mássica.

Figura 3.2 - Anemômetro digital Icel AN-20

Para levantar os valores de temperaturas, essências para o cálculo da eficiência do sistema,

foram utilizados termômetros de resistência elétrica, elementos que apresentam variação da resis-tência com a temperatura. Para o experimento, foram utilizados os do tipo PT100. Os PT100 são sensores de platina que apresentam excelente relação custo benefício, linearidade de resposta, alta precisão, larga faixa de temperatura, resistência a vibrações, resposta rápida e grande estabi-lidade. A Figura 3.3 mostra o desenho esquemático de um PT100.

Figura 3.3 - Modelo de detector de temperatura tipo PT100 (Fonte: Schneider, 2007)

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Por fim, para aquisição dos dados de temperatura, foi utilizado um aquisitor de dados, mos-

trado na figura 3.4.

Figura 3.4 - Aquisitor de dados Agilent 34970A

3.3 Incertezas de medição

As incertezas de medição dos equipamentos não foram consideradas, pois o objetivo do tra-

balho é obter valores qualitativos em ordem de grandeza e não valores exatos. Também vale res-saltar que as incertezas inerentes em todo sistema testado podem ser consideradas bem mais sig-nificativas que as incertezas de operação dos equipamentos em questão.

3.4 Montagem da bancada de testes

Para montagem das bancadas de testes foram consideradas três diferentes configurações de

teto, mostradas na Figura 3.5: teto inclinado, teto piramidal, e teto piramidal com volume aumen-tado, em ordem de aparição. Também, como já foi citado anteriormente, foram testados três dife-rentes solos como superfícies de absorção: superfície de isopor branca, superfície com lona preta em camada simples e superfície com camada de brita revestida por tinta acrílica preta, que po-dem ser vistos na Figura 3.6. Foram posicionados três sensores de temperatura PT-100: acima da superfície de absorção de radiação, acima da cobertura plástica, e dentro do tubo de exaustão dos gases logo à saída do Sistema. Os desenhos esquemáticos da figura 3.5 mostram o posicionamen-to aproximado dos sensores.

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Figura 3.5 - Configurações dos tetos analisados: (a) teto inclinado, (b) teto piramidal, e (c) teto piramidal com volume aumentado

Figura 3.6 - Superfícies absorsoras: (a) superfície de isopor branca, (b) superfície com lona preta em camada simples e (c) superfície com camada de brita revestida por tinta acrílica preta.

O ensaio realizado, feito em laboratório com as condições ambientais controladas e monito-

radas, necessitou de um “sol artificial”. Para isso, utilizou-se um projeto anterior que se encon-trava pronto no laboratório. O modelo de “sol” consiste em 12 lâmpadas de 100 Watts, Figura-3.7, espalhadas por 1m² de área e projetados sobre 1m² do coletor-modelo. Segundo DUFFIE e BECKMAN (1991), “o fluxo de radiação incidente que o sol fornece é, no máximo, aproxima-

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damente 1100 W/m2”. Contudo, como o estudo é basicamente qualitativo, ou seja, avaliar qual dos coletores tem melhor desempenho, utilizou-se o “sol artificial” disponível no laboratório. A utilização do “Sol” foi possível porque as lâmpadas incandescentes, na sua quase totalidade, emi-tirem radiação infravermelha e ultravioleta, similar á do sol. Folhas de papel laminados de alu-mínio exercem a função de direcionar os raios refratários, garantindo que os 1200 W incidam sobre a superfície desejada. Quatro ventiladores de processador (“Coolers”) foram posicionados sobre o plástico da estufa atuando como o ambiente e retirando o calor acumulado entre o plásti-co e o “Sol artificial”. Caso não fosse feita esta intervenção, o calor que é transferido pelas lâm-padas ao sistema ficaria acumulado e criaria um efeito de forno, elevando erroneamente a efici-ência do coletor.

Figura 3.7 - “Sol artificial”.

O cano de PVC foi acoplado no sistema para saída de ar e ligado a um ventilador. Por efeito

de pressão negativa o ar entra no sistema pelos caminhos desejados e é descarregado em um a-nemômetro onde se controla a vazão. Sensores PT100 posicionados no ambiente e na saída dos gases aquecidos permitem o monitoramento das temperaturas em análise, completando a instru-mentação do sistema (Figura 3.8). Foram adicionados mais dois PT100, acima da lona da estufa e sobre a superfície coletora, para efeitos comparativos entre os coletores, não tendo importância no calculo das eficiências.

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Figura 3.8 - Bancada de testes completa.

4. VALIDAÇÃO E MEDIÇÃO

Após terem sido confeccionados os protótipos e montados os experimentos, passou-se para a

etapa de medição e aquisição de dados. Nessa etapa seguiu-se um procedimento geral de ensaio, que consistia basicamente em operar o coletor ate que o mesmo atingisse condições de tempera-tura próximas às de regime permanente, como pode ser visto na Figura 4.1. Atingido o equilíbrio, com os dados das medições, foi possível determinar-se a energia útil transferida para o fluido pelo coletor solar, Qu, pela equação 2.2.3.

Figura 4.1 - Estabilização do sistema

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Assim, para a resolução da equação 2.2.3, foram coletados os dados de temperatura de entra-da do fluido no coletor (no caso ar), ou seja, a temperatura ambiente, Ti, a temperatura de saída do coletor, To, e dados da velocidade de saída do ar com o anemômetro citado no capítulo 3.2. Usando-se os dados de velocidade captados, foi calculada a velocidade média. De posse dos va-lores de velocidade do ar e conhecida sua área de saída, foi possível determinar-se a vazão do fluido. Além disso, multiplicou-se a vazão do ar pela sua densidade, ρar, (determinada pela inter-polacao de valores encontrados na tabela termodinâmica no das propriedades do ar atmosférico), determinando-se a vazão mássica, m& . O calor específico do ar, CP, também foi retirado de uma tabela termodinâmica, contudo não foi necessário realizar interpolação de valores, pois o calor específico do ar não apresenta alterações significativas nas temperaturas analisadas nos ensaios efetuados.

A energia total incidente, Qi, foi facilmente determinada pela equação 2.2.2, pois a área da superfície coletora (A) é de 1 m2, e a intensidade da radiação solar incidente (GT), fornecida pelo “sol artificial” é equivalente a 1200 W/m2.

Para realizarem-se as medições, foram definidas configurações e arranjos entre as superfícies absorsoras e os formatos das coberturas a serem testadas. Inicialmente, as configurações foram feitas de forma aleatória, pelo fato de não se ter uma idéia clara dos resultados a serem esperados e das diferenças entre os mesmos. Logo que se constatou um padrão de resposta do sistema, os ensaios foram direcionados de forma a reduzir-se o número de dados a serem coletados e de tes-tes a serem feitos.

5. RESULTADOS E ANÁLISES

A Tabela 5.1 apresenta todos os valores encontrados durante a realização dos testes e tam-bém todos os valores obtidos com a resolução das equações demonstradas no capítulo 2.2. Além disso, é possível ver na descrição da tabela quais as configurações que foram utilizadas para co-bertura do coletor e superfície absorvedora. Como pode ser visto na tabela, não foram avaliados todos os tipos de configurações possí-veis, pois à medida que foram realizados os ensaios, pode-se avaliar as superfícies absorsoras e coberturas mais “propícias”. Além disso, vale ressaltar que a superfície de isopor foi ensaiada apenas com objetivo comparativo.

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Tabela 5.1 - Resultados das eficiências para cada configuração utilizada e demais parâmetros analisados.

O isopor apresentou rendimento de 58% em relação ás outras superfícies de absorção. Isto mostra que a seleção da superfície de absorção influencia mas não compõe a maior parte da energia efetiva absorvida por radiação. Na prática, o resultado encontrado expressa que a maior quantidade de energia absorvida pelo ar (pelo menos 58%) se deu pelo aquecimento do meio convectivo que se manteve dentro do sistema por efeito estufa, uma vez que se considera que o isopor reflete a maior parte da radiação sobre ele incidida além de não armazenar calor. Desta forma os 42% a mais absorvidos pelos demais sistemas se deram devido a sua absortividade, ou seja ao material usado para captar radiação.

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As temperaturas de medição se mostram coerentes para todos os pontos, atingindo valores de 71 graus celcius sobre a superfície de absorção, 41 sobre o plástico de cobertura, 52,7 no escapamento do sistema e 25 no ambiente.

A brita apresentou maior rendimento do que a lona preta quando empregadas como material receptivo, contudo a diferença ficou em 2,5%. Isto se dá porque a receptividade sofre maior influência devido à cor do material. Desta forma a baixa diferença se explica, pois a lona e a brita possuem cores semelhantes. A brita, por gerar uma superfície irregular, cria maior área de absorção, o que colaborou para a diferença constatada. Como os dois casos possuem rendimentos semelhantes, deve-se selecionar o material conforme a necessidade. A brita tem maior durabilidade porém é mais cara e necessita de uma estrutura para manter-se no local desejado. A lona por sua vez, é mais barata, leve e prática, apesar de sua curta vida útil.

Outra constatação foi que o sistema com brita demorou aproximadamente 2 horas para atingir a temperatura de estabilização, enquanto o sistema com com lona precisou de somente 20 minutos. Assim se pode afirmar que a capacidade térmica da brita é consideravelmente maior do que o da lona. Também a massa a ser aquecida no caso da superfície de brita é muito superior à da lona, implicando em uma inércia térmica do sistema maior. Assim quando necessita-se de temperaturas mais constantes no tempo – caso em um dia com nuvens o sol seja encoberto temporariamente e a temperatura do sistema não deve cair – deve-se empregar a brita. A quantidade energética varia no tempo para os dois coletores, porém no somatório a quantidade térmica fornecida é igual. As figuras abaixo mostram as as temperaturas versus tempo para a brita e para a lona na configuração de teto inclinado:

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Figuras 5.1 e 5.2: Temperatura versus tempo para superfícies de brita e lona com teto

inclinado. Quanto à geometria constatou-se que a configuração de admissão por um lado e cobertura

inclinada, Figura 3.5, foi a com melhor rendimento. Teoricamente para a mesma seção transversal e com fornecimento de calor igualmente distribuído, se o fluido for forçado a escoar por uma distância L, ele chegará ao fim de seu percurso com temperatura maior do que se ele percorrer a distância L/2 (no caso dos sistemas de admissão periféricos Figura3.5(b) e (c)). Assim a perda por convecção com a cobertura será maior devido a um maior delta de temperatura e consequentemente o rendimento cairá. Desta forma os resultados experimentais não condizem com a teoria, uma vez que os sistemas de admissão periférica tiveram menor rendimento. Tais resultados se deram devido às maiores perdas de calor com um pior isolamento radiativo em consequência da existência de maiores áreas de escape para radiação, além da sombra gerada pelo posicionamento da tubulação acima do coletor nos casos (b) e (c). Sugere-se então a realização de testes em modelos com comprimentos L significamente maiores que a largura, onde então possa-se compensar os erros de medição devido aos fatores citados com a maior relevância dos valores da perda térmica ao longo da distância percorrida pelo fluido no sistema (a).

6. DISCUSSÃO

Cabe ressaltar que diversas considerações foram feitas para avaliação do desempenho dos

coletores solares analisados. Foram desconsiderados os efeitos de sombreamento, que basica-mente é a não incidência de radiação sobre o coletor solar; incrustação de poeira sobre a cobertu-ra do coletor; os efeitos do vento sobre o sistema; etc. Para o cálculo da eficiência dos coletores, assumiu-se que toda a radiação provinda do “sol artificial” incidiu sobre as superfícies absorso-ras.

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7. CONCLUSÕES

De acordo com os resultados obtidos pela realização dos ensaios fica visível a diferença de

desempenho existente entre as diferentes configurações adotadas em nossa metodologia de testes. Como o parâmetro mais significativo avaliado em todos os ensaios foi a eficiência máxima que o sistema conseguiu atingir, fica evidente que a melhor configuração a ser adotada para cobertura do coletor é o teto inclinado, contudo o experimento pode conter erros que tornam esta medição incerta. Quanto à superfície de absorção, a de melhor aproveitamento foi a brita, devido à sua maior área de captação, porém a diferença comparativamente à lona é baixa e a seleção do me-lhor piso absortivo ficaria a critério da necessidade. A superfície de lona simples, analisada pelo âmbito de tempo de estabilização é muito mais rápida nesse quesito. Contudo, a superfície de brita, apesar de levar mais tempo para estabilizar devido a sua inércia térmica, constitui-se em um leito de pedras com boa capacidade de armazenar energia. Logo, isso seria um diferencial em dias em que o sol não prevalecesse todo o tempo descoberto por nuvens. Os resultados se mostra-ram coerentes com a teoria apesar de erros de medição associados.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DUFFIE, J., A.; BECKMAN, W., A. Solar Engineering of Thermal Process. 2ed. Nova Iorque: John Wiley, 1991.

JANNOT, Y.; COULIBALY, Y., Radiative heat transfer in a solar air heater covered with a plas-tic film. Solar Energy, v. 60, n. 1, p. 35-40, 1997

SANTOS, B., M. Metodologia de dimensionamento de sistemas de aquecimento solar para secagem de produtos agrícolas. 66p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola) - Faculdade de Engenharia Agrícola – Universidade Estadual de Campinas, 2004. SCHNEIDER, Paulo, 2007. Termometria e Psicrometria, Escola de Engenharia, UFRGS.

SILVA, L.C., 2005. “Fornalhas em secadores cascata”, Boletim Técnico, Universidade Federal do Espírito Santo.

www.icel-manaus.com.br/, 2009 www.agilent.com.br/, 2009

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APÊNDICE A - Tabela termodinâmica de propriedades do ar atmosférico

Figura A.1-Propriedades do ar no S.I.

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APÊNDICE B – Gráficos que representam a distribuição da temperatura ao longo do tem-po para cada configuração de coletor utilizada

Figura B.1 – Distribuição de temperatura em função do tempo para a configuracao com teto in-clinado e superfície de brita.

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Figura B.2 – Distribuição de temperatura em função do tempo para a configuracao com teto pi-râmide e superfície de brita.

Figura B.3 – Distribuição de temperatura em função do tempo para a configuracao com teto in-clinado e superfície de lona.

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Figura B.4 – Distribuição de temperatura em função do tempo para a configuracao com teto pi-râmide e superfície de lona.

Figura B.5 – Distribuição de temperatura em função do tempo para a configuracao com teto in-clinado e superfície de isopor.

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Figura B.6 – Distribuição de temperatura em função do tempo para a configuração com teto pi-ramide com volume aumentado e superfície de lona.