UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA AVALIAÇÃO DE CABOS DE PANELAS.

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA AVALIAÇÃO DE CABOS DE PANELAS por Mateus Borges Knapp Paulo Oliveira Fraga Pedro Lewgoy Dalpiaz Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Porto Alegre, novembro de 2008

2 ii AGRADECIMENTOS O grupo agradece a colaboração do Sr. Batista, técnico do laboratório LETA pela ajuda prestada, o colega Edgar Oppitz, pela ajuda na montagem do projeto e a Magnesita Refratários S.A., pelo material disponibilizado para o desenvolvimento do trabalho.

3 iii AVALIAÇÃO DE CABOS DE PANELAS RESUMO Este trabalho tem por objetivo a medição da temperatura superficial em diferentes cabos de panelas de cozinha, com foco na segurança do operador da panela. Através de uma panela definida como padrão para o ensaio, são analisados alguns dos principais modelos de cabos vendidos no mercado. Os parâmetros do ensaio são: o a quantidade de água utilizada dentro da panela durante o processo, a quantidade mássica do fluido, a vazão de combustível saindo do queimador, o tamanho do queimador, o tempo do ensaio com o aquecimento do fluido, a posição da panela com relação ao queimador, a distribuição de sensores de temperatura ao longo do cabo, o tipo de sensor de temperatura. As temperaturas dos cabos são comparadas ao longo do tempo e são definidos os cabos seguros e não seguros. Como adicional, é proposto a utilização de um material alternativo para a confecção de um cabo. O material de natureza isolante foi conseguido junto a uma empresa de refratários. Ao final do experimento, sob as condições estabelecidas para o ensaio, nenhum dos cabos propostos foi aprovado.

4 iv ABSTRACT SAUCEPAN CABLES EVALUATION This work has as a goal the measure of superficial temperatures on different kitchen s saucepan cables, focused on the operator security. Trough a saucepan set as default to test, some models of cables sold in the market are analyzed. The default parameters are: the amount of water used in the saucepan during the process, the mass quantity of the fluid, the flow of fuel coming out of the burner, the size of burner, the time of test of heating the fluid, the saucepan position in relation of the burner, the distribution of the temperature sensors along the cable and the sensor type. The temperatures of the cables are compared along time and are set the safe and unsafe cables. As additional, is proposed the use of an alternative material for the construction of another cable. The insulating material was obtained from a refractory company. In the end of the experiment, under the conditions set for test, none of the cables were approved.

5 v SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO FUNDAMENTACÃO TEÓRICA TÉCNICAS EXPERIMENTAIS ESPECIFICAÇÃO DOS CABOS PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL E RESULTADOS INCERTEZAS CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO

6 vi LISTA DE SÍMBOLOS A Área da Seção [mm²] D Diâmetro [mm] H Altura [mm] L Comprimento [mm] T Temperatura [ C] T s Temperatura de superfície [K] T viz Temperatura da vizinhança [K] T Temperatura do fluido [K] V Tensão [V] w Largura [mm] ε Emissividade [Adimensional] k x Condutividade térmica do material [W/(mK)] σ Constante de Stefan-Boltzmann [W/m² K 4 ] h Coeficiente de transferência de calor por convecção [W/m²K] Q cond.e Fluxo de Calor que entra por Condução [W/m²] Q conv.e Fluxo de Calor que entra por Convecção [W/m²] Q rad.viz.e Fluxo de Calor que entra por Radiação [W/m²] Q conv.s Fluxo de Calor que sai por Convecção [W/m²] Q rad.viz.s Fluxo de Calor que sai por Radiação [W/m²]

7 1 1. INTRODUÇÃO Uma cozinha oferece muitos riscos por ter instrumentos afiados e fontes de calor por combustão. Acidentes com queimadura e improvisação com panos são constantemente observados em fogões. Estes acidentes podem ser diminuídos se medidas de segurança forem adotadas. Qualquer cozinheiro utiliza panelas para preparar diversas comidas, sendo que a grande maioria já vivenciou um acidente por queimadura. O que acontece é que muitas vezes tanto as panelas quanto seus respectivos cabos são mal dimensionados. Este tema foi proposto porque o engenheiro não pode se preocupar apenas com a eficiência dos equipamentos, a segurança de operação é um ponto extremamente importante e tem sido um dos principais valores das empresas globais atualmente. O objetivo deste trabalho é a comparação de diversos tipos de cabos de panela. No experimento serão medidas as temperaturas de todos os cabos selecionados previamente, bem como comparadas as suas temperaturas após o ensaio e, com isso, será avaliado a qualidade dos cabos para a situação proposta. Assim, serão indicados quais os cabos de panelas são seguros dentre os ensaiados. 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA E INSTRUMENTAÇÃO No processo foram analisados alguns pontos fundamentais que abordam a transferência de calor. São eles: Condução Térmica Transferência de calor pelo contato entre dois corpos em diferentes temperaturas. Conforme a Segunda Lei da Termodinâmica a direção do fluxo de calor é sempre do corpo mais quente para o mais frio. Dessa forma o fluxo de calor q x na direção x, em W/m², é dado pela Equação 1: (1) onde k x é a condutividade térmica do material (W/(m K)) e T a sua temperatura (K). Convecção Térmica É a transmissão de energia que ocorre na presença de um gradiente de temperatura entre um fluido e um corpo sólido, ou entre fluidos. O fenômeno da convecção térmica é descrito pela Equação 2:

8 2 (2) onde q é o fluxo de calor convectivo (W/m²), h o coeficiente de transferência de convecção (W/m² K), T s a temperatura da superfície (K) e T a temperatura do fluido (K). Radiação Térmica É a transferência de energia que ocorre entre dois ou mais corpos, através da emissão de calor por ondas eletromagnéticas, inerente a toda matéria. Este fenômeno é dado pela Equação 3: (3) onde q é o fluxo de calor por radiação (W/m²), ε a emissividade do material (adimensional), σ a constante de Stefan-Boltzmann (σ = 5,67x10-8 W/m² K 4 ), T s a temperatura absoluta da superfície (K) e T viz é a temperatura da vizinhança (K). Balanço Térmico O volume de controle considerado para análise do balanço térmico é visto na Figura 1. Figura 1 Volume de controle adotado. Conforme é visto na figura acima, admite-se como calor que entra, em W/m², no volume de controle a condução Q cond.e pelo contato entre a panela e o cabo, a convecção Q conv.e dos gases da combustão e o cabo e a radiação Q rad.viz.e emitida pela vizinhança (panela, fogão, chama, etc.). O calor que sai, em W/m², do volume de controle é convecção Q conv.s do cabo da panela com ar

9 3 ambiente e a emissão de radiação Q rad.viz.s para a vizinhança. Utilizando a primeira lei da termodinâmica, este balanço térmico pode ser visualizado na Equação 4: (4) Para garantir uma transferência de calor uniforme, a altura de contato adotada de cada cabo com a panela foi a mesma. Sendo a transferência de calor da chama na panela uniforme e constante ao longo da área da superfície de baixo da panela e a mesma com geometria simétrica, pode-se aplicar a hipótese de que a temperatura e o calor, na altura onde os cabos estão conectados são os mesmos. A altura média de fixação dos cabos adotada foi de 62,4 mm. Esse valor foi baseado nas comparações com demais panelas, calculando-se a média. 3. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Para a realização do experimento foi escolhida uma panela padrão de 200 mm de diâmetro, 95 mm de altura e 1 mm de espessura. Para assegurar que todas as condições iniciais e condições de estado transiente do ensaio seriam as mesmas, adotou-se um sistema de medir as temperaturas dos cabos ao mesmo tempo, através de termopares ligados a uma placa de captura, instalada no computador do LETA, marca Hewlett Packard modelo 34970A que comporta 20 canais. Os cabos de compensação usados para fazer a medição são do tipo J (ferro/costantan). Os fios compensadores trabalham na faixa de 0 a 200 C, possuem sensibilidade de 50 µv/ C e uma incerteza maior que 2,2 ºC. No experimento foram utilizados fios de compensação por motivos econômicos e de precisão. Não foi preciso utilizar um termopar muito preciso nos resultados. O fluido usado foi água da torneira da rede pública de Porto Alegre. Foram despejados 400 ml de água na panela momentos antes de iniciar o ensaio. Considerando que Porto Alegre situase ao nível do mar, portanto a pressão barométrica local é aproximadamente 1 atm. A temperatura do laboratório, onde o experimento foi realizado, era 27 C. Por último, os parâmetros restantes adotados foram o combustível usado, que é o GLP usado em cozinhas comuns; o diâmetro do queimador, que é o queimador do laboratório de 70 mm; a vazão de gás no queimador, a vazão foi determinada como máxima da válvula instalada, vazão foi constante desde o início do ensaio, até o final. A temperatura máxima para o limiar da dor na pele humana foi adotada como sendo 45 C.

10 4 Skin temperature greater than 45 C or less than 18 C causes pain [Hardy et al. 1952]. Adotouse este valor para a determinação entre o cabo a ser aprovado ou reprovado Desse modo o ensaio é padronizado e os resultados serão válidos. 4. ESPECIFICAÇÃO DOS CABOS Os cabos utilizados no experimento estão especificados através das Tabelas 1, 2, 3 e 4 e das Figuras 2, 3, 4 e 5, onde podem ser visualizados: Figura 2 Cabos tipo longitudinal de baquelite Tabela 1 Dimensões de cabos tipo longitudinal de baquelite Tipo Comprimento Área da seção da medição Longitudinal L (mm) H x w (mm²) Cabo Cabo Cabo Na tabela acima pode ser visto a relação existente entre o comprimento e a área de seção de cada cabo do tipo longitudinal.

11 5 Figura 3 Cabos tipo alça de baquelite Tabela 2 Dimensões de cabos tipo alça de baquelite Tipo Comprimento Área da seção da medição Alça L (mm) H x w (mm²) Cabo Cabo Cabo Já na Tabela 2 pode ser visto a relação existente entre o comprimento e a área de seção de cada cabo do tipo alça. Figura 4 Cabo tipo alça de alumínio

12 6 Tabela 3 Dimensões de cabo tipo alça de alumínio Comprimento Área da seção da medição Tipo Alça L (mm) H x w (mm²) Cabo Na Tabela 3 pode ser visto a relação existente entre o comprimento e a área de seção do cabo do tipo alça de alumínio. Figura 5 Cabo tipo longitudinal de Intoval Tabela 4 Dimensões de cabo tipo longitudinal de Intoval Tipo Comprimento Área da seção da medição Longitudinal L (mm) D (mm) Cabo ,0 + 2,0 de PVC Finalmente na tabela acima, pode ser visto a relação existente entre o comprimento e a área de seção do cabo do tipo longitudinal feito de Intoval. Juntamente com os cabos escolhidos para o ensaio, foi testado um material isolante proposto no presente trabalho e fornecido por uma empresa especializada na produção de refratários para fornos de siderúrgicas e processos que exigem altas temperaturas. O material é denominado Intoval (empresa Magnesita). As características técnicas deste produto se encontram no Anexo I.

13 7 Este material possui uma preparação similar ao cimento de construção civil. Para preparálo foi preciso adicionar água e fazer a mistura. A preparação do molde foi feita de modo rápido e simples e uma semana antes de realizar o ensaio, tempo estimado para a cura. Foi utilizado um tubo de PVC de 25mm de diâmetro cortado em pedaços de comprimento similares aos cabos de baquelite. Em uma das pontas foi colocado papel, preso por fita colante. Após a preparação do molde, foi depositado o isolante na sua cavidade, como se pode visualizar na Figura 6. Figura 6 Detalhe da preparação do cabo de isolante Intoval. Após uma semana de espera para cura do material isolante, foi feita retirada do molde de PVC com uma serra manual. A técnica, não muito adequada, ocasionou a quebra de um cabo durante o corte do PVC. Devido à fragilidade mostrada pelo material, achou-se conveninte mantê-lo envolto pelo tubo. 5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL E RESULTADOS Utilizando uma furadeira, foram feitos os furos necessários na panela para fixação dos cabos, sendo que estes foram presos posteriormente com rebites de alumínio, conforme mostra a Figura 7. Figura 7 Detalhe da fixação dos cabos.

14 8 Os fios do termopar tipo J depois de terem sua ponta desencapada foram entrelaçados e bem prensados, formando um tipo de ponteira, como se pode visualizar na Figura 8. O adesivo plástico foi o material utilizado para fixar os fios nos lugares pré-determinados. Figura 8 Detalhe da fixação do termopar no cabo da panela. Através de aproximação visual, centralizou-se a panela no queimador, de forma que o calor ficasse uniformemente distribuído. É importante que este fato seja enfatizado, pois as medições serão feitas simultaneamente. A Figura 9 ilustra o posicionamento, e a Figura 10 mostra a panela com os todos os cabos fixados e devidamente instrumentados. Figura 9 Detalhe da posição da panela em relação à chama.

15 9 Figura 10 Aspecto final da panela, em cima do queimador para fazer o ensaio. Após a conexão dos fios no computador para a aquisição dos dados, configurou-se o software Agilent Bench Data Loger com o modelo e parâmetros do fio utilizados. Com a entrada destes dados no programa, o mesmo automaticamente o identificou, calibrando o sistema. Com tudo devidamente montado, adicionou-se um volume de 400 ml de água na panela e deu-se início ao ensaio medindo-se a temperatura inicial dos cabos (temperatura ambiente do dia) e, após isto, ligando-se o queimador. Depois de 12 minutos, com o queimador na máxima potência, observou-se as seguintes temperaturas nos cabos, conforme indicado na Tabela 5 e os gráficos conforme as figuras 11, 12 e 13 que seguem abaixo: Tabela 5 Temperatura final dos pontos de medição, após os 12 minutos de ensaio, no queimador funcionando com vazão máxima (dados por ordem decrescente de temperatura). Formato cabo Material Temperatura final ( C) Cabo 7 alça alumínio 96,7 Cabo 8 longitudinal Intoval 73,0 Cabo 1 longitudinal baquelite 72,2 Cabo 6 alça baquelite 68,8 Cabo 2 longitudinal baquelite 65,4 Cabo 3 longitudinal baquelite 61,2 Cabo 5 alça baquelite 59,4 Cabo 4 alça baquelite 53,9 Com a tabela acima, pode-se observar as relações entre os formatos dos cabos e seu material com a temperatura final do ensaio.

16 10 80,0 Comparação entre os cabos longitudinais de baquelite Temperatura ( C) 70,0 60,0 50,0 40,0 ΔT= 11,0 C 30,0 20, Tempo (s) Cabo 1 - Longitundinal / Baquelite Cabo 2 - Longitundinal / Baquelite Cabo 3 - Longitundinal / Baquelite Figura 11 Comparação de temperaturas entre os cabos longitudinais de baquelite. Com o gráfico acima podemos notar que a variação de temperatura dos cabos longitudinais comportou-se de modo inversamente proporcional aos tamanhos das áreas de seção. 80,0 70,0 Comparação entre os cabos tipo "alça" de baquelite Temperatura ( C) 60,0 50,0 40,0 30,0 ΔT= 15,0 C 20, Tempo (s) Cabo 4 -Alça / Baquelite Cabo 5 -Alça/ Baquelite Cabo 6 -Alça / Baquelite Figura 12 Comparação de temperaturas entre os cabos tipo alça de baquelite. Com o gráfico acima podemos notar que a variação de temperatura dos cabos do tipo alça comportou-se do mesmo modo que os cabos longitudinais.

17 11 100,0 Comparação entre todos os tipos de cabos testados 90,0 Temperatura ( C) 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 ΔT= 37,4 C 20, Tempo (s) Cabo 1 - Longitundinal / Baquelite Cabo 3 - Longitundinal / Baquelite Cabo 5 -Alça / Baquelite Cabo 7 -Alça / Alumínio Cabo 2 - Longitundinal / Baquelite Cabo 4 - Alça / Baquelite Cabo 6 -Alça/ Baquelite Cabo 8 - Longitudinal / Intoval Figura 13 Comparação de temperaturas entre todos os cabos ensaiados. Através do gráfico acima, podemos notar que a maior diferença de temperatura se deu entre os cabos de alumínio e baquelite de formato tipo alça. 6. INCERTEZA É comum a utilização de cabos de compensação para medição de temperatura, pois possuem comportamento similar ao termopar e, principalmente, menor custo. Para avaliação de erros e incertezas, os mesmos podem ser tratados como termopares. No entanto, sabe-se se que estes valores são maiores que os especificados em um termopar com ponta de alumínio encapsulada. As incertezas associadas ao termopar tipo J (Iron vs. Copper-Nickel) possuem um limite de erro, definido como padrão, variando entre mais ou menos 2,2 C, e especial, com variação entre mais ou menos 1,1 C. No experimento proposto, osto, utilizou-se para medição cabos de compensação tipo J, adotipo J de mesmas características. Os erros devido ao equipamento de aquisição, segundo o manual do fabricante são de 2,5 C para mais e 5 C para menos e a resolução máxima é 0,1 C para termopares res tipo J. tando-se incertezas e erros maiores que do termopar padrão

18 12 7. CONCLUSÕES Com a realização desse experimento pode-se ter uma breve visão do funcionamento, desempenho térmico e influência geométrica de determinados cabos de panelas em sua aplicação. O principal ponto analisado, a segurança do operador, deixou claro que existe a necessidade de um estudo aprofundado pelos fabricantes no desenvolvimento de melhorias na função de isolantes que os cabos devem exercer. Os resultados obtidos nos mostram, explicitamente, que a grande maioria dos cabos é de baixa qualidade no quesito isolante térmico. O cabo de alumínio com perfil tipo alça, por sua característica de bom condutor, apresentou grande variação de temperatura, atingindo valores extremos rapidamente, sendo assim reprovado. Já os cabos de baquelite mostraram-se mais eficientes, apresentando um aumento mais lento na sua temperatura de superfície, porém nenhum foi eficiente o bastante para manter-se abaixo de 48ºC (temperatura máxima para limiar da dor). Dentre os cabos de baquelite ensaiados, observou-se que os cabos com geometria longitudinal atingem um valor bastante elevado na parte próxima a panela, onde normalmente o operador apóia seu polegar, sendo todos os ensaiados reprovados conforme se pode ver na tabela 5. Os cabos com geometria tipo alça tiveram a peculiaridade de ter dimensões variadas proporcionalmente, facilitando a comparação dos mesmos. Obviamente o cabo de menor dimensão foi o que atingiu a temperatura mais elevada, devido sua proximidade à panela, o que facilitou a troca térmica por convecção com gases da chama. O cabo tipo alça de dimensão intermediária entre o menor e o maior, comportou-se de forma intermediária como era esperado. Isto pode ser perfeitamente visualizado na figura 11. Porém o maior deles, depois de decorridos doze minutos, atingiu uma temperatura superficial máxima de 53,9ºC, valor considerado não satisfatório pelo grupo, apesar de ter o melhor desempenho entre os cabos propostos. O cabo proposto pelo grupo, feito de material isolante, perfil tipo cilíndrico, não obteve o resultado esperado, sendo reprovado como a maioria dos outros. A obrigatoriedade de manter o tubo de PVC prejudicou o resultado, pois o mesmo funcionou como abafador do cabo. Finalmente, podemos afirmar que nenhum dos cabos testados foi aprovado, segundo o critério de 45ºC como temperatura máxima admitida. Podemos deixar como sugestão para um futuro experimento, o ensaio de cabos de diferentes materiais e formas geométricas.

19 13 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Incropera, F. P., Dewitt, D. P., Fundamentos de Transferência de Calor e Massa, Quinta edição, Editora LTC, Rio de Janeiro. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, ASHRAE Handbook - Fundamentals, Atlanta. Schneider, P. S., Termometria e Psicrometria, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre.

20 14 9. ANEXO Anexo I Descrição técnica do material fornecido para teste pela Magnesita SA.