UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENG03108 MEDIÇÕES TÉRMICAS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENG03108 MEDIÇÕES TÉRMICAS ANÁLISE DA EFICIÊNCIA TÉRMICA DE ISOLAMENTOS EM AQUECIMENTO E RESFRIAMENTO DE LATAS DE CERVEJA INTEGRANTES: DAIAN GRASSELLI LEANDRO BRASIL ARAUJO RAFAEL SZABO TIAGO FERRET PORTO ALEGRE, DEZEMBRO DE 2007

2 RESUMO Este trabalho realiza um estudo sobre a eficiência de dois tipos de isolantes térmicos utilizados em latas de cerveja, disponíveis no mercado. O primeiro deles é o copo de poliestireno expandido (isopor), e o segundo é uma edição da cerveja Skol que utiliza um invólucro de material não-tecido envolto em duas camadas de poliéster, produto de marca registrada da Dupont. Avalia-se o tempo de resfriamento e de aquecimento, fazendo um comparativo entre estes isolamentos e a lata comum vendida sem nenhum tipo de isolante térmico, verificando-se o real benefício e a viabilidade da utilização destes produtos. PALAVRAS CHAVE: Sensor NTC, Aquecimento, Resfriamento, Isolamento Térmico. 2

3 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA METODOLOGIA DADOS EXPERIMENTAIS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

4 1. INTRODUÇÃO Este trabalho avaliou o tempo de resfriamento e de aquecimento de latas de cerveja sob condições normais e com o uso de dois tipos de isolantes térmicos, o poliestireno expandido (isopor) e um isolante de poliéster de marca registrada da Dupont e chamado de Cool2Go. As curvas de resfriamento e aquecimento da cerveja foram obtidas com o auxílio de sensores do tipo NTC (Negative Temperature Coefficient) e de um Data Loger (Agilent 34970A) com a utilização de quatro canais. 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA TERMISTORES O sensor empregado nos experimentos é um termistor, o qual apresenta um comportamento bastante não-linear, com a diminuição da resistência com o aumento da temperatura. O material empregado neste tipo de sensor é um semicondutor, que no intervalo fundamental pode apresentar valores de 10 k-ohm a 0 o C até 200 ohm a 100 o C, conforme a figura 1 que segue. Figura 1 Comportamento de um termistor. 4

5 A diminuição da resistência com a temperatura vale a esse tipo de sensor o nome de NTC (Negative Temperature Coefficient). O comportamento não-linear do termistor é representado pela relação: Onde A e B são constantes. PROPAGAÇÃO DA INCERTEZA DE MEDIÇÃO É muito comum a determinação de uma grandeza e de sua incerteza de medição a partir do conhecimento de outras grandezas determinadas experimentalmente, juntamente com suas incertezas. O valor dessa nova grandeza Y segue uma relação funcional do tipo: Que é uma função de variáveis estatisticamente independentes x 1 até x n. A incerteza associada a Y será calculada a partir das medições das grandezas associadas. E a incerteza padrão u pode ser representada como: A propagação da incerteza de medição é um procedimento onde se estima a propagação do desvio padrão de uma grandeza Y a partir do desvio padrão de suas variáveis dependentes x 1 até x n. Tomando-se a grandeza Y, define-se a incerteza propagada U r, segundo Kline e McClintock (HOLMAN, 1996) como sendo: As duas próximas figuras mostram esquematicamente o procedimento 5

6 Figura 2 Propagação do desvio padrão de uma grandeza Y a partir do desvio padrão de suas variáveis dependentes (Fonte: ISO GUM, 2004) Figura 3 - Propagação do desvio padrão de uma grandeza Y a partir dos valores de amostras do desvio padrão de suas variáveis dependentes (Fonte: ISO GUM, 2004) 6

7 3. METODOLOGIA Para a obtenção da curva de resfriamento os sensores foram fixados na parte interna das latas. Um cuidado especial foi tomado de modo que todos os sensores fossem posicionados de maneira centralizada e na mesma altura. Figura 4 Fotos ilustrativas dos sensores fixados nas latas. Após a instalação dos sensores, um tempo de 15 minutos foi aguardado até que todas as latas apresentassem a mesma temperatura antes de serem levadas ao refrigerador para a realização do ensaio. As três latas cheias de cerveja foram posicionadas no refrigerador de maneira a minimizar a influência de carga de refrigeração entre as suas posições. Figura 5 Posicionamento das latas no interior do refrigerador. Os dados foram sendo adquiridos até o intervalo de temperatura indicado para o consumo da cerveja (entre 3 C e 6 C). 7

8 Figura 6 Bancada instrumentada de resfriamento. A obtenção da curva de aquecimento foi realizada após a temperatura de todas as latas terem atingido a mesma temperatura durante o resfriamento, as latas foram retiradas do refrigerador e deixadas no ambiente. Uma das latas foi revestida com isolante térmico de poliestireno expandido (isopor). O período de escolha para o aquecimento foi à parte da noite, onde a variações térmicas são menores quando comparadas ao dia. Portanto, evitou-se a variação da carga térmica da sala com calores internos gerados por pessoas, computadores e lâmpadas. Os dados foram adquiridos até a primeira lata atingir o valor próximo à temperatura de 15 C. Para a análise das curvas de resfriamento e aquecimento, foram selecionados sensores do tipo NTC-5K, que além de atender as nossas necessidades, são de baixo custo e fácil obtenção no mercado. Os conectores dos sensores foram fixados aos fios e soldados com solda estanho, a fim de evitar possível interferência na medição. Para a imersão dos sensores no líquido, foi necessário isolar os contatos com silicone. Foram utilizados quatro sensores, sendo um para cada lata de cerveja avaliada neste trabalho e outro para o ambiente em que as mesmas se encontravam. Pelo fato da faixa de medição ser curta (de 0 C a 30 C) foi adotado um comportamento linear do sensor neste intervalo. A calibração dos sensores foi realizada em dois pontos diferentes (1,3 C e 24,9 C) com a utilização de um termômetro de bulbo com resolução de 0,1 C como referência. Para a obtenção dos pontos, os sensores foram acoplados a um termômetro de bulbo e isolados, no intuito de entrarem em equilíbrio térmico. Um dos pontos 8

9 escolhidos foi à temperatura ambiente. O outro ponto adotado foi o ambiente interno do refrigerador. Para a aquisição das leituras foi utilizado um Data Loger (Agilent 34970A). Os sensores foram conectados às entradas do equipamento em canais separados.os dados obtidos nas calibrações, bem como suas equações de ajuste, podem ser vistos nas tabelas 1 e 2: Tabela 1 Valores de temperaturas lidos durante a calibração. Temperatura Refrigerador 1,3 C 101(C) 102(C) 103(C) 104(C) Média Valor lido Diferença Temperatura Ambiente 24,9 C 101(C) 102(C) 103(C) 104(C) Média Valor lido Diferença Tabela 2 Equações de ajuste linear para os quatro sensores. Referência 101 (C) 102 (C) 103 (C) 104 (C) Equação y = 1,1291x-2,6521 y = 1,09057x+2, y = 1, x + 0, y = 1, x+3, Depois de concluída a calibração, os coeficientes de ajustes foram inseridos no software do equipamento (Agilent Benchlink Data Logger), conforme a figura abaixo. Figura 7 Foto ilustrativa do setup de medição. Além dos coeficientes de calibração, também foram ajustados os parâmetros de intervalo entre as leituras efetuadas pelo equipamento. Foram realizadas varreduras a cada minuto nos quatro canais. 9

10 Figura 8 Ajuste do intervalo de medição. 4. DADOS EXPERIMENTAIS Curva de resfriamento: Os valores obtidos podem ser visualizados na figura 9 e na tabela Curva de Resfriamento (Txt) Temperatura (C) Ambiente Lata Isolada Lata comum 1 Lata comum :00 1:00 2:00 3:00 4:00 5: tempo (hh:mm) Figura 9 Curva de resfriamento. 10

11 Tabela 3 Primeira leitura abaixo de 4 C e o seu respectivo intervalo de tempo para atingir esta temperatura. TEMPO (h) Ambiente Lata Isolada Lata comum 1 Lata comum 2 4: : : Curva de aquecimento: Os valores obtidos podem ser visualizados nas figuras 10 e Curva de Aquecimento (Txt) Temperatura (C) Ambiente Lata Isolada Lata isopor Lata comum :00 0:20 0:40 1:00 1:20 1:40 2:00 2:20 2:40 3:00 3:20 3:40 Tempo (hh:mm) Figura 10 Curva total de aquecimento. Curva Aquecimento (40min) Temperatura Lata Isolada Lata isopor Lata comum :00 0:10 0:20 0:30 0:40 Tempo (hh:mm) Figura 11 Curva de aquecimento com intervalo de 40 minutos. 11

12 5. CONCLUSÃO Apesar da pequena diferença de temperatura entre as latas ensaiadas, os resultados obtidos mostraram coerência com os valores esperados. Durante o resfriamento, a lata isolada demorou cerca de 20 minutos a mais do que as outras latas para atingir uma temperatura inferior a 4 C. Devido a não ser possível a retirada do isolamento durante o resfriamento (como no caso do isolamento com isopor), temos um consumo maior de energia para resfriar esta lata. Nas curvas de aquecimento, o isolamento com poliestireno expandido (isopor) mostrou-se sempre mais eficiente do que as outras latas ensaiadas. No início do aquecimento, dentro da faixa de 0 a 4 C a lata com isolamento da Dupont realmente mostrou-se eficiente, porém, quando a temperatura ultrapassa os 6 C a lata o isolamento perde sua eficácia em comparação com a lata comum. Depois de ultrapassados os 40 minutos de medição, a lata de isolada com poliestireno expandido apresentou uma temperatura de aproximadamente 4 C abaixo do que as outras latas. Além da perda por convecção, outra importante forma de troca térmica neste caso, a condução do calor interno transferido pelo ser humano à segurar a lata, não foi considerada neste ensaio. Podemos concluir que, devido ao custo diferenciado da lata (R$0,20) com isolamento, sua necessidade de maior tempo de refrigeração e principalmente, a baixa eficácia do isolamento, a melhor escolha é utilizar um isolamento removível como o visto neste ensaio. 12

13 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS SCHNEIDER, PAULO S., Termometria e Psicrometria, Medições Térmicas - Departamento de Engenharia Mecânica - UFRGS, SCHNEIDER, PAULO S., Incerteza de Medição e Ajuste de Dados, Medições Térmicas - Departamento de Engenharia Mecânica - UFRGS, INCROPERA, FRANK P., DE WITT, DAVID P., Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, LTC 5ª edição. 13