Simulação numérica da transferência simultânea de energia e umidade através do solo em um sistema trocador-armazenador de calor

O presente trabalho pesquisa o fenômeno da transferência simultânea de calor e umidade em solos insaturados que envolvem dutos enterrados. Estes dutos e o solo envolvente compõem o chamado sistema trocador-armazenador de calor no solo, que é muitas vezes utilizado como fonte complementar de aquecimento em estufas solares agrícolas. O funcionamento do sistema trocador-armazenador de calor é baseado na energia armazenada no solo durante os horários de máxima insolação, sendo que durante a noite parte desta energia é recuperada. Durante o dia o ar quente do meio interno da estufa solar é bombeado para dentro do feixe de tubos enterrados, que devolvem o ar mais frio na outra extremidade. Por outro lado, durante a noite o ar mais frio do meio interno da estufa é bombeado para dentro dos dutos, os quais efetuam troca térmica com o solo envolvente, que neste horário possui a temperatura mais elevada do sistema. O objetivo geral deste trabalho é resolver o problema transiente periódico e tridimensional da transferência simultânea de calor e umidade em solos não-saturados, que compõem o sistema trocador-armazenador de calor, utilizando a simulação numérica. Como objetivos secundários têm-se: o melhoramento do sistema de troca térmica, a quantificação da parcela de calor transportado pela difusão da umidade no solo e a análise dos campos de temperatura e de conteúdo de umidade, sendo que a análise dos campos de umidade permite verificar se existe formação de frentes de secagem significativas na vizinhança dos dutos durante os sucessivos períodos de aquecimento e resfriamento a que o sistema é submetido. Na resolução do problema em questão é empregado o modelo clássico de Philip e De Vries para a transferência simultânea de calor e massa em meios porosos insaturados Neste modelo, as equações de conservação de energia e massa obtidas trazem explicitamente as influências combinadas dos gradientes de temperatura e de conteúdo de umidade nos processos de transporte de calor e umidade. O sistema de equações diferenciais governantes do problema em questão é resolvido numericamente utilizando o Método dos Volumes Finitos e na discretização destas equações é usada uma integração temporal totalmente implícita. Todas as propriedades difusivas e termofísicas empregadas são consideradas variáveis com a temperatura e o conteúdo de umidade. Os dutos de seção transversal circular do sistema trocadorarmazenador de calor no solo, são modelados como dutos de seção transversal quadrada de área equivalente para que coordenadas cartesianas possam ser utilizadas nos modelos analisados. Neste trabalho são simulados quatro modelos computacionais associados ao sistema trocador-armazenador de calor no solo. Estes modelos são compostos por: um duto isolado, um duto com convecção, dois dutos isolados e dois dutos com convecção. A variação da temperatura do ar na entrada do(s) escoamento(s), assim como a temperatura do meio ambiente, para os modelos com convecção, é dada por uma senóide com uma amplitude de 14 ºC. No modelo de um duto isolado, são realizadas simulações utilizando várias combinações dos parâmetros do modelo em questão e os resultados, assim obtidos, são comparados com aqueles encontrados na literatura Visando melhorar o sistema de troca térmica dos modelos computacionais investigados, são selecionados valores e intervalos de valores recomendados para os parâmetros do modelo de um duto isolado. Para este modelo, com um diâmetro de 0,1 m, são escolhidos valores (ou intervalos de valores) recomendados: de 4 m/s para a velocidade do escoamento interno dentro do duto, de 0,25 para o conteúdo de umidade do solo, de 5 até 20 metros para o comprimento do duto e de 0,20 até 0,30 m para a distância entre centros do dutos. As simulações dos quatro modelos computacionais realizadas utilizando as várias combinações dos valores recomendados para os parâmetros destes modelos, mostrou que não há diferença significativa entre os valores de calor volumétrico armazenado no solo empregando a resolução acoplada das equações de energia e de massa e a resolução da equação da temperatura. Mesmo para os modelos de um e de dois dutos com convecção a diferença percentual encontrada foi insignificante. Finalmente, são apresentados e analisados os campos de temperatura e de conteúdo de umidade para os quatro modelos computacionais avaliados. Os perfis de temperatura e de conteúdo de umidade em diferentes horários mostraram que, durante o dia, o solo absorve calor dos escoamentos internos de ar e, uma vez que, junto à superfície dos dutos tem-se regiões de maior temperatura, há, conseqüentemente, uma migração da umidade nestas regiões. Durante a noite, ocorre o contrário, o solo fornece calor aos escoamentos dentro dos dutos, e, desta forma, as regiões próximas aos dutos apresentam níveis de conteúdo de umidade superiores ao inicial. Ainda, os perfis de conteúdo de umidade para todas as situações analisadas mostraram que, não há formação de frentes de secagem significativas nas proximidades dos dutos que compõem os quatro modelos computacionais avaliados.

Observações e estimativas de propriedades térmicas do solo sob floresta e pastagem no leste da Amazônia

As variações da temperatura e do fluxo de calor em solos sob a floresta nativa de Caxiuanã e uma pastagem natural da Ilha do Marajó, foram monitoradas continuamente no período de dezembro de 2001 a fevereiro de 2005. O objetivo foi comparar as respostas térmicas ao aquecimento diário, dos solos desses dois tipos de ecossistemas existentes no leste da Amazônia, para subsidiar modelos regionais de clima e avaliação dos efeitos de desmatamento. Além das medidas de campo das variáveis acima citadas, em três níveis até a profundidade de 0,5 m, esse trabalho apresenta estimativas de fluxo de calor e propriedades dos solos, tais como: difusividade e condutividade térmicas, profundidade de amortecimento e velocidade de propagação do pulso de aquecimento diário, determinados por métodos analíticos. Os resultados mostraram o contraste sazonal e outras diferenças significativas de respostas entre os dois sítios estudados, destacando o papel do conteúdo de água nos perfis térmicos verticais em cada tipo de solo. O ajuste obtido entre as medidas e os valores calculados das variáveis, indica a possibilidade de generalização dos resultados para outros sítios de ecossistemas similares na Amazônia.

Validation of the Deardorff model for estimating energy balance components for a sugarcane crop

The quantification of the available energy in the environment is important because it determines photosynthesis, evapotranspiration and, therefore, the final yield of crops. Instruments for measuring the energy balance are costly and indirect estimation alternatives are desirable. This study assessed the Deardorff's model performance during a cycle of a sugarcane crop in Piracicaba, State of São Paulo, Brazil, in comparison to the aerodynamic method. This mechanistic model simulates the energy fluxes (sensible, latent heat and net radiation) at three levels (atmosphere, canopy and soil) using only air temperature, relative humidity and wind speed measured at a reference level above the canopy, crop leaf area index, and some pre-calibrated parameters (canopy albedo, soil emissivity, atmospheric transmissivity and hydrological characteristics of the soil). The analysis was made for different time scales, insolation conditions and seasons (spring, summer and autumn). Analyzing all data of 15 minute intervals, the model presented good performance for net radiation simulation in different insolations and seasons. The latent heat flux in the atmosphere and the sensible heat flux in the atmosphere did not present differences in comparison to data from the aerodynamic method during the autumn. The sensible heat flux in the soil was poorly simulated by the model due to the poor performance of the soil water balance method. The Deardorff's model improved in general the flux simulations in comparison to the aerodynamic method when more insolation was available in the environment.

Avaliação do regime estacionário em colunas de amostras deformadas de solo sob saturação

Estudos sobre o movimento de solutos no solo freqüentemente são realizados em laboratório, sob condições aparentemente controladas. Uma revisão desses estudos mostrou, no entanto, que a variável tempo, para obtenção do regime estacionário tem sido freqüentemente negligenciada. Face ao exposto, o presente trabalho teve por objetivo registrar o tempo para que o fluxo da água no solo sob condições de saturação atinja o equilíbrio dinâmico, medindo-se a condutividade hidráulica saturada (K0) do solo. A condição de equilíbrio dinâmico é a etapa que antecede a aplicação do íon no solo em estudos de eluição de solutos. Utilizaram-se amostras deformadas de três solos com diferentes granulometrias: muito argilosa, média e arenosa, coletadas em área experimental da ESALQ/USP. As amostras foram acondicionadas em colunas de PVC, e utilizou-se água destilada e deaerada para saturação e posterior escoamento nas colunas, conforme montagem experimental do permeâmetro de carga constante. Pelos resultados, constatou-se que, nas amostras dos solos muito argiloso e médio, o equilíbrio dinâmico foi atingido após 15 dias de drenagem e, para o arenoso, após 27 dias, sendo a variabilidade de K0 maior nos primeiros seis dias depois de iniciado o ensaio. Essa situação evidenciou que a adoção de um tempo fixo para adição dos solutos pode levar a uma baixa confiabilidade nos resultados.

Determinação da permeabilidade ao ar em amostras indeformadas de solo pelo método da pressão decrescente

A permeabilidade do solo ao ar (Ka) determina o fluxo convectivo de gases na matriz do solo e a troca de gases na interface do sistema solo-atmosfera, influenciando diretamente a qualidade do ambiente físico para o crescimento de plantas e a taxa de ocorrência de processos dependentes da concentração de gases no solo. A Ka pode ser estimada por um método simplificado baseado em uma modificação da lei de Darcy para fluxo de gases no solo em pressão decrescente. Os objetivos deste trabalho foram modificar e aprimorar um permeâmetro para quantificar, em laboratório, a permeabilidade de amostras indeformadas de solos ao ar utilizando o método da pressão decrescente. Foram utilizados dois sistemas de aquisição de dados: um sistema eletrônico automatizado composto por um transdutor de pressão conectado a um datalogger (E1), e alternativamente um sistema composto de um manômetro digital para registro do decréscimo de pressão e um cronômetro (E2). No sistema E1, foram avaliadas amostras da camada superficial de um Nitossolo Vermelho eutroférrico argiloso, coletadas na área experimental da Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz" - USP, Piracicaba, SP, e no E2 foram avaliadas amostras de um perfil de Nitossolo Vermelho distroférrico muito argiloso, coletadas em intervalos de profundidade em área experimental da Universidade Estadual de Maringá, PR. Os ensaios para a determinação de Ka foram realizados em amostras indeformadas de solo com variação na densidade do solo e no conteúdo de água. A Ka aumentou com a redução do conteúdo de água do solo em função do maior volume de poros ocupados com ar e com o decréscimo da densidade do solo devido ao aumento da porosidade total das amostras. Os resultados mostraram que o método é versátil, rápido, de fácil aplicação e baixo custo para a determinação da Ka, independente do sistema de aquisição de dados utilizados.

Avaliação de parâmetros hidráulicos para modelos de distribuição de água no solo sob gotejamento

As soluções analíticas de distribuição de água para ponto fonte e regime de fluxo não- permanente são dependentes de parâmetros de solos considerados constantes em suas deduções. Erros na determinação desses parâmetros implicam insucesso dessas soluções. Este trabalho teve por objetivo avaliar o comportamento dos parâmetros alfada equação de Gardner k(h) = Ks ealfah e o parâmetro de linearização k = dK(teta)/dteta em diferentes posições do bulbo molhado, considerando os processos de infiltração isolado e seguido de redistribuição de água, à semelhança de um ciclo de irrigação. Dados de potencial matricial foram coletados em diversas posições do bulbo molhado em duas situações:(i) início da irrigação até atingir regime permanente em todo o bulbo molhado (infiltração); e (ii) durante dois ciclos de irrigação envolvendo infiltração e redistribuição de água. Os resultados mostraram que os parâmetros alfa e k variaram nas posições do bulbo molhado em relação ao gotejador, de acordo com o regime de umidade a que tais posições estiveram sujeitas. A obtenção desses parâmetros pelo método inverso requer testes que considerem as fases de infiltração e redistribuição em pelo menos dois ciclos de irrigação.

Geotecnologias aplicadas à avaliação de parâmetros biofísicos do Pantanal

O objetivo deste trabalho foi avaliar parâmetros biofísicos de superfície do Bioma Pantanal com a aplicação de geotecnologias. Foram utilizados o algoritmo Sebal ("surface energy balance algorithm for land"), imagens do sensor Modis ("moderate‑resolution imaging spectroradiometer") e o mapa de classes de uso e cobertura da terra. Os resultados obtidos para NDVI, temperatura da superfície, albedo, fluxo de calor sensível diário, saldo de radiação diário e evapotranspiração real diária foram consistentes com dados de literatura para os diferentes usos e cobertura da terra, e corroboram a eficiência da capacidade analítica e sinóptica das estimativas do Sebal. Tais resultados mostram o potencial de geotecnologias na implementação de modelos ou algoritmos voltados para a compreensão da dinâmica de processos biofísicos de interação solo‑planta‑atmosfera do Pantanal.

Reflexos da variabilidade espacial e temporal da fase de avanço e do tempo de oportunidade de infiltração no tempo de aplicação d'água na irrigação por sulcos para um solo franco-arenoso

Esta pesquisa teve como objetivo verificar as variabilidades espaciais e temporais no tempo de avanço e no tempo de oportunidade de infiltração d'água e seus reflexos no tempo de aplicação d'água num sistema de irrigação por sulcos com fluxo reduzido para um solo franco-arenoso. As avaliações de campo foram realizadas no perímetro irrigado de São Gonçalo, Sousa - PB, onde foram feitas medições em seis sulcos, eqüidistantes, de forma a abranger o máximo possível a variabilidade em toda a área, nos 12 eventos de irrigação da estação de cultivo. Observando os tempos de avanço e de oportunidade de infiltração d`água no final da área irrigada em cada evento e em cada sulco ao longo do tempo, verificou-se que a variação espacial no tempo de avanço foi mais expressiva que a variação temporal, enquanto no tempo de oportunidade de infiltração d`água ocorreu o inverso. Ao longo do tempo e do espaço, os valores mínimo e máximo do tempo de avanço e do tempo de oportunidade de infiltração d`água foram, respectivamente, 15 e 62 min, e 1 e 517 min. Essas amplitudes nos referidos tempos geraram variações espaciais máximas no tempo de aplicação d'água, ao longo da estação de cultivo, igual a 41,8%; espacialmente, as variações temporais máximas no tempo de aplicação foram de 71,6%. Esses valores mostram o quanto a heterogeneidade das características de infiltração d`água, bem como da vazão, do perímetro molhado dos sulcos e da lâmina requerida ao longo do tempo e do espaço, afeta a otimização do tempo de aplicação d`água.

Simulação numérica de um sistema de armazenamento de calor em estufas de plasticultura

Apresentar um modelo para simular um sistema de armazenamento de calor no solo em estufas para plasticultura é o objetivo do presente trabalho. O sistema consiste num feixe de tubos enterrados no solo. A convecção forçada de ar no seu interior realiza a troca térmica necessária para manter as estufas sob faixas desejadas de temperatura. O objetivo do modelo é investigar os efeitos no calor armazenado e a influência das variáveis, tais como diâmetro, comprimento, espaçamento entre os tubos e a velocidade de ar no canal provocam no sistema. O solo é tratado como um meio difusivo e avalia-se a contribuição do termo de condensação e evaporação da água contida no ar em escoamento nos tubos. A equação da energia é resolvida para o solo e para o ar. Os tubos de seção transversal circular são modelados como tubos de seção transversal quadrada com o objetivo de que as simulações possam ser processadas em coordenadas cartesianas. O programa resolve situações tridimensionais, transientes e emprega o Método dos Volumes Finitos para integrar as equações diferenciais governantes. O modelo original é baseado no modelo de Gauthier et al., 1997, tendo sido os resultados do mesmo foram usados para a validação do presente estudo. Um circuito de água quente é também projetado e apresentado para o aquecimento das estufas. A água circula através de mangueiras sobre o solo e é aquecida por um sistema de queimadores a gás liqüefeito de petróleo ou óleo combustível, transferindo assim calor para o interior da mesma. O projeto de aquecimento foi realizado através de um programa de parceria entre a Ufrgs, Sebrae, Fapergs e a Agropecuária Clarice.

Estudo micrometeorológico de um cultivo de cana-de-açúcar em Alagoas

Este estudo foi desenvolvido dentro do projeto de pesquisa “Micrometeorologia da Mata Atlântica alagoana (MICROMA)” do Departamento de Meteorologia da Universidade Federal de Alagoas, que busca avaliar modificações no sistema solo-planta-atmosfera provocadas pela substituição da Mata Atlântica pela cultura da cana-de-açúcar, na Zona da Mata alagoana. O objetivo principal do presente estudo foi o ajuste do modelo de Penman-Monteith para o cálculo da evapotranspiração da cultura da cana-de-açúcar, na zona canavieira de Alagoas, a partir de determinações micrometeorológicas pelo método do balanço de energia, em diferentes estádios de desenvolvimento da cultura e em diferentes condições de demanda evaporativa atmosférica. A evapotranspiração foi estimada pelo método de Penman-Monteith e comparada com valores calculados através do balanço de energia, pela razão de Bowen, considerando este como método padrão. Medições micrometeorológicas foram feitas nos anos agrícolas de 1997/98 e 1998/99, em um área de 12,5ha de cultivo contínuo de cana-deaçúcar, cultivar SP 70-1143, sob condições de lavoura comercial, na Fazenda Vila Nova, município de Pilar, Alagoas (9o36´S, 35o53´W, 107m de altitude). Durante o período experimental, foram tomadas amostras quinzenais para determinar altura do dossel, comprimento de colmo, índice de área foliar e acúmulo de matéria seca (este apenas em 1998/99). Os parâmetros aerodinâmicos da cultura zo (comprimento de rugosidade) e d (deslocamento do plano zero) foram determinados a partir de perfis de vento, em condições de atmosfera neutra, e relacionados com a altura do dossel. Foram ajustados modelos para estimar o índice de área foliar e a altura do dossel da cultura em função do comprimento do colmo. O fracionamento do saldo de radiação no chamado “período potencial”, sem deficiência hídrica e com a cultura cobrindo completamente o solo, foi de 78% para o fluxo de calor latente de evaporação, 21% para o fluxo de calor sensível na atmosfera e aproximadamente 0,1% para o luxo de calor no solo. A estimativas pelo método de Penman-Monteith se ajustaram ao valores calculados pelo método do balanço de energia, tanto para médias qüinqüidiais (r = 0,93) como para valores diários (r = 0,91). Assim, dados confiáveis de evapotranspiração da cultura de cana-de-açúcar podem ser obtidos pelo método de Penman-Monteith ajustado neste trabalho, para a zona canavieira de Alagoas, em períodos sem deficiência hídrica e com cobertura completa do solo. O uso deste método apresenta a vantagem prática de requerer apenas dados meteorológicos, medidos em apenas um nível, em estações meteorológicas convencionais.

Uso da função de transferência em problemas de condução do calor com a lei de Fourier modificada

Este trabalho visa o uso da função de transferência, a qual relaciona distribuição de temperatura e fluxo de calor, na comparação no domínio freqüência, entre o modelo de difusão usual (parabólico) e um modelo ondulatório (hiperbólico) que inclue o efeito de propagação do calor não instantâneo, sendo avaliados os casos de meio semi-infinito e finito. Para o caso de meio semi-infinito, são determinadas as expressões para as características de amplitude e de fase, considerando tanto a abordagem parabólica quanto hiperbólica. É observada a relação entre estas duas abordagens, mostrando que a abordagem parabólica é uma caso particular da abordagem hiperbólica, podendo ser obtida através de um processo de limite envolvendo o tempo de relaxação r . Para o caso de meio finito, são determinadas as expressões para as caracteríısticas de amplitude de ambas as faces da placa unidimensional, considerando tanto a abordagem parabólica quanto hiperbólica. Estas expressões são transformadas para a forma adimensional quando então são deduzidas as expressões correspondentes das características de amplitude. Mais uma vez, todos os resultados para o caso parabólico podem ser determinados a partir dos resultados do caso hiperbólico, através de um processo de limite envolvendo o tempo de relaxação r São apresentados resultados numéricos referentes às características de amplitude, onde é apontada a existência de uma freqüência limite, acima da qual a diferença entre os dois modelos, do tipo parabólico ou hiperbólico, aumenta rapidamente. Também é apresentada uma forma alternativa de cálculo da distribuição de temperatura transiente que faz uso da função de transferência do sistema.

Modelos cinéticos da equação linearizada de Boltzmann e um problema de transferência de calor em microescala

Neste trabalho, um problema de transferência de calor da dinâmica de gases rarefeitos, causado pela diferença de temperaturas nas superfícies de um canal, é abordado. O problema é formulado através dos modelos cinéticos BGK, S e Gross-Jackson da equação linearizada de Boltzmann e resolvido, de forma unificada, pelo método analítico de ordenadas discretas (método ADO). Resultados numéricos para as perturbações de densidade e temperatura e também para o fluxo de calor são apresentados e comparados, mostrando que não se pode dizer que algum dos três modelos seja uma melhor aproximação da solução aos resultados da equação linearizada de Boltzmann.

Validation of the Deardorff model for estimating energy balance components for a sugarcane crop

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Estimativa da evapotranspiração espacial em uma região semiárida utilizando sensoriamento remoto

With the need to deploy management and monitoring systems of natural resources in areas susceptible to environmental degradation, as is the case of semiarid regions, several works have been developed in order to find effective models and technically and economically viable. Therefore, this study aimed to estimate the daily actual evapotranspiration (ETr) through the application of the Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL), from remote sensing products, in a semiarid region, Seridó of the Rio Grande do Norte, and do the validation of these estimates using ETr values obtained by the Penman-Monteith (standard method of the Food and Agriculture Organization-FAO). The SEBAL is based on energy balance method, which allows obtaining the vertical latent heat flux (LE) with orbital images and, consequently, of the evapotranspiration through the difference of flows, also vertical, of heat in the soil (G), sensitive heat (H) and radiation balance (Rn). The study area includes the surrounding areas of the Dourado reservoir, located in the Currais Novos/RN city. For the implementation of the algorithm were used five images TM/Landsat-5. The work was divided in three chapters in order to facilitate a better discussion of each part of the SEBAL processing, distributed as follows: first chapter addressing the spatio-temporal variability of the biophysical variables; second chapter dealing with spatio-temporal distribution of instant and daily radiation balance; and the third chapter discussing the heart of the work, the daily actual evapotranspiration estimation and the validation than to the study area

Medida da difusividade térmica de um solo incorporado com resíduo industrial de silicato

Pós-graduação em Física - IGCE