UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA COMPARAÇÃO ENTRE DIFERENTES MODELOS DE PANELAS QUANTO À DISTRIBUIÇÃO DE TEMPERATURA NA SUPERFÍCIE, TEMPO DE AQUECIMENTO E DE ESFRIAMENTO por Dhiones Marca Helene Mallmann Marcelo Azambuja Vieira Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Porto Alegre, 2007

2 ii Comparação entre diferentes modelos de panelas quanto à distribuição de temperatura na superfície, tempo de aquecimento e de esfriamento. RESUMO O objetivo do presente trabalho é comparar três modelos de panelas disponíveis ao consumidor, uma com paredes simples em alumínio, outra de fundo triplo e por último uma toda tripla. Tal comparação é feita em termos de distribuição de temperatura superficial e tempo de aquecimento e esfriamento de uma determinada quantidade de água contida em cada panela. Para a verificação da distribuição de temperatura na superfície são fixados três termopares Tipo J ao longo do raio de cada panela, e para a medição da temperatura da água utiliza-se um sensor de resistência de platina do tipo PT100. A aquisição dos dados é realizada através do sistema de aquisição HP 34970A Multiplex, com 20 canais de entrada, e o software utilizado é o HP Benchlink Data Logger. Depois de realizadas as análises, através da geração de gráficos, verifica-se que a diferença entre o tempo de aquecimento e esfriamento da água entre as panelas estudadas não foi muito significativo. No caso da distribuição de temperatura superficial a diferença é mais visível, sendo que as panelas de elementos triplos apresentam os melhores resultados. PALAVRAS-CHAVE: panelas, distribuição de temperatura, condução, difusão, calor.

3 iii Comparison among different kinds of pans in relation to surface temperature distribution, heating time and cooling time. ABSTRACT The goal of this work is to compare three models of pans available to the consumer, one with simple aluminum walls, other of triple bottom and finally a whole triple one. This comparison is made in terms of surface temperature distribution and heating and cooling time of a certain water quantity contained in each pan. For the verification of the temperature distribution on the surface are fixed three thermocouples Type J along the radius of each pan and for the measurement of water temperature, it s used a platinum-type resistance sensor PT100. The data acquisition is carried out through the HP 34970A Multiplex acquisition system, with 20 channels of entry, and the software used is the HP Benchlink Data Logger. After the analysis undertaken, through graph plotting, it appears that the difference between heating and cooling time of water, among the pans studied, was not very significant. In the case of surface temperature distribution, the difference is more visible, and the triple-element pans reach the best results. KEY-WORDS: pans, temperature distribution, conduction, diffusion, heat.

4 iv SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO PANELAS ESTUDADAS FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA CONDUÇÃO DE CALOR PROPRIEDADES TÉRMICAS DA MATÉRIA Condutividade Térmica Difusividade Térmica DESCRIÇÃO DA BANCADA PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL AVALIAÇÃO DAS INCERTEZAS DE MEDIÇÃO RESULTADOS EXPERIMENTAIS DISTRIBUIÇÃO DE TEMPERATURA SUPERFICIAL TEMPO DE AQUECIMENTO DA ÁGUA TEMPO DE ESFRIAMENTO DA ÁGUA CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BOBLIOGRÁFICAS... 13

5 v LISTA DE SÍMBOLOS C p Calor específico [J/kgK] k Condutividade térmica do material [W/mK] q x Fluxo de calor na direção x [W/m] T Temperatura [kelvin] Difusividade térmica [m²/s] Massa específica [kg/m³]

6 1 1. INTRODUÇÃO Atualmente existem no mercado diversos modelos de panelas de cozinha, de diversos materiais. Estão disponíveis ao consumidor panelas de barro, de ferro, de vidro, com revestimentos de teflon, esmaltadas, de alumínio e também panelas compostas por diferentes materiais, como as de Fundo Triplo. As panelas de Fundo Triplo são conhecidas por apresentarem uma melhor distribuição de temperatura se comparada com outros modelos, além de proporcionar economia de tempo e e- nergia no cozimento dos alimentos. Também são conhecidas por permitirem um rápido aquecimento e por manter os alimentos aquecidos por mais tempo. O objetivo do presente trabalho é comparar três modelos de panelas encontradas no mercado, uma com paredes simples em alumínio, outra de fundo triplo e por último uma toda tripla, as quais serão detalhadas a seguir. A comparação será feita em termos de distribuição de temperatura na superfície de cada panela e também quanto ao tempo de aquecimento e esfriamento dos alimentos.

7 2 2. PANELAS ESTUDADAS Foram escolhidas para realização do trabalho três modelos de panelas, todas com 200 mm de diâmetro, as quais são apresentadas abaixo. Panela de Alumínio: Corpo em alumínio com 1,4 mm de espessura; Altura: 95 mm. Panela de Fundo Triplo: Corpo em aço inox AISI 304 com espessura de 0,7 mm; Cápsula do fundo em aço inox AISI 430 com espessura de 0,6 mm; Alumínio entre corpo e cápsula com 5 mm de espessura; Altura: 120 mm. Panela com paredes triplas: Parte interna e externa em aço inox AISI 304 com 0,5 mm de espessura; Alumínio entre as duas partes com 1,6 mm de espessura; Altura: 100 mm. 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Através da teoria referente ao assunto de condução de calor foram formuladas hipóteses sobre quais panelas seriam mais eficientes em termos de taxa de aquecimento, taxa de resfriamento e distribuição do calor CONDUÇÃO DE CALOR A condução é o processo de transferência de energia das partículas mais energéticas para as partículas de menos energia. Para a condução do calor, a equação da taxa de transferência de calor é conhecida como a Lei de Fourier, onde o fluxo de calor q x na direção x, em W/m, é dado pela Equação 1: (1) onde k x é a condutividade térmica do material (W/mK) e T a sua temperatura (K). 3.2 PROPRIEDADES TÉRMICAS DA MATÉRIA

8 Condutividade Térmica Em termos práticos, a equação de Fourier nos mostra que, para uma taxa de calor constante, quanto maior a condutividade térmica, menor o gradiente de temperatura, ou seja, menor é a variação da temperatura ao longo do comprimento. Para o caso da panela, menor a variação de temperatura ao longo do raio. O valor da condutividade térmica para cada material utilizado na fabricação das panelas estudadas é apresentado na Tabela 3.1. Tabela 3.1 Condutividade Térmica dos materiais das panelas. Material Alumínio Aço inox AISI 304 Aço inox AISI 430 Condutividade Térmica (k) 190 W/mK 16,2 W/mK 26,1 W/mK Considerando somente a condutividade térmica de cada material como parâmetro de análise, podemos supor que a panela que terá uma melhor distribuição de temperatura ao longo do raio e das paredes, em um regime próximo ao estacionário, será a panela de alumínio, seguida pela toda tripla e, por último, a de fundo triplo. Deve-se salientar que não foi levada em consideração a espessura de cada material, e que o disco de alumínio da panela de fundo triplo é muito mais espesso do que as demais, podendo apresentar uma melhor distribuição de temperatura no fundo da panela Difusividade Térmica Na análise de transferência de calor é necessário utilizar-se de diversas propriedades da matéria. O produto (J/m³K), normalmente denominado capacidade calorífica volumétrica, representa a capacidade do material de armazenar energia térmica. Na análise de transferência de calor, a razão entre a condutividade térmica e a capacidade calorífica volumétrica é uma propriedade importante chamada difusividade térmica, em m²/s, dado pela Equação 2: (2) onde é a massa específica do material, em kg/m³, e C p o calor específico, em J/kg.K.

9 4 A difusividade térmica mede a capacidade do material de conduzir energia térmica em relação a sua capacidade de armazená-la. Materiais com valores mais elevados de responderão rapidamente a mudanças nas condições térmicas expostas, enquanto materiais com valores reduzidos de responderão mais lentamente, levando um tempo maior para atingir uma nova condição de equilíbrio. O valor da difusividade térmica para cada material utilizado na fabricação das panelas estudadas é apresentado na Tabela 3.2. Tabela 3.2 Difusividade térmica dos materiais das panelas. Material Alumínio Aço inox AISI 304 Aço inox AISI 430 Difusividade Térmica () 79,96x10-6 m²/s 4,05 x10-6 m²/s 7,27 x10-6 m²/s Levando em consideração apenas a difusividade térmica dos materiais, pode-se supor que a panela que apresentará um menor tempo, tanto de aquecimento quanto de esfriamento da água, será a de alumínio, seguida pela toda tripla e por último a de fundo Triplo. Deve-se salientar que, devido à maior espessura da panela toda tripla, esta deverá apresentar uma maior inércia térmica, provocando uma maior resistência na variação de temperatura. 4. DESCRIÇÃO DA BANCADA Para a medição de temperatura da superfície das panelas foram utilizados cabos de compensação para termopar Tipo J. Optou-se por utilizar cabos de compensação, ao invés de termopares, pelo custo e também pela dificuldade de se encontrar termopares sem ponteiras já prontas. A fixação dos termopares (cabos de compensação) foi realizada através de uma massa epóxi, nas posições mostradas na Figura 1. Para a medição de temperatura da água utilizou-se um sensor de resistência de platina do tipo PT100, mergulhado diretamente na água, aproximadamente no centro de cada panela.

10 5 Figura 1 Representação esquemática da disposição dos sensores de temperatura. Unidades em mm. A aquisição dos dados foi realizada através do sistema de aquisição HP 34970A Multiplex, com 20 canais de entrada, e o software utilizado foi o HP Benchlink Data Logger.A bancada utilizada para os experimentos é composta de um queimador doméstico abastecido por um painel de suprimento de GLP. A montagem da bancada pode ser visto na Figura 2. Figura 2 Visão geral da bancada utilizada nos ensaios.

11 6 5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Em cada panela foram colocados 2420g de água a 24 C. Regulou-se uma pressão manométrica de gás constante de 200 mmh 2 O, o que correspondeu a uma vazão de gás constante no queimador. Depois de regulada a vazão, foi colocada a panela sobre a chama deixando a água atingir 99 C, interrompendo-se a mesma neste momento. Depois de interrompida a chama, a- guardou-se até a água atingir 74 C e então o ensaio foi encerrado. Todos os ensaios foram realizados com as panelas destapadas, para simular a pior condição de utilização das mesmas. Através do sistema de aquisição de dados, foi realizada uma leitura a cada 3 segundos, em cada um dos sensores. Com os dados obtidos, puderam-se gerar gráficos de temperatura x tempo para cada sensor, e a partir desses gráficos foram feitas as devidas análises. 6. AVALIAÇÃO DAS INCERTEZAS DE MEDIÇÃO O uso de cabos de compensação para medição da temperatura superficial não influenciou significativamente nos resultados, já que o objetivo era apenas medir diferenças de temperatura, e não o seu valor exato. De acordo com dados tabelados, as incertezas associadas aos termopares utilizados seguem um padrão. Para termopares do tipo J, correspondem a ±2,2 C. Assim sendo, a temperatura real da superfície de cada panela tem 65% de probabilidade de se encontrar em torno do valor lido na aquisição de dados mais ou menos um valor de 2,2 C. Para o caso do PT100, o valor real de medida da temperatura tem os mesmos 65% de probabilidade de se encontrar em torno do valor lido na aquisição de dados mais ou menos um valor de 0,2 C. 7. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Abaixo serão apresentados os resultados obtidos para os diferentes testes realizados DISTRIBUIÇÃO DE TEMPERATURA SUPERFICIAL Um dos objetivos do presente trabalho é a verificação da distribuição de temperatura na superfície de cada panela. Esta análise pode ser feita através dos gráficos mostrados nas Figuras 3, 4 e 5.

12 7 Figura 3 Gáfico de Temperatura x Tempo pra a panela de Alumínio. Figura 4 Gáfico de Temperatura x Tempo pra a panela de Fundo Triplo.

13 8 Figura 5 Gáfico de Temperatura x Tempo pra a panela toda Tripla. Dos gráficos mostrados acima, pode-se obter alguns dados para comparar a distribuição de temperatura entre as panelas. As temperaturas mostradas na Tabela 7.1 foram obtidas após 10 minutos de aquecimento, para cada ensaio. Tabela 7.1 Temperaturas ( C) em 10 minutos de aquecimento. Posição Alumínio Fundo Triplo Toda Tripla Centro 92,72 85,99 82,60 Canto 79,63 80,25 71,50 Lateral 66,01 61,18 61,30 Água 63,70 62,35 60,60 A partir da Tabela 7.1 pode-se verificar a variação máxima de temperatura, entre o centro e a lateral da panela, mostrada na Tabela 7.2 e também a variação de temperatura no fundo da panela, mostrada na Tabela 7.3.

14 9 Tabela 7.2 Máxima variação de temperatura superficial para cada panela. Panela Temperatura ( C) Alumínio 26,71 Fundo Triplo 24,81 Toda Tripla 21,30 Tabela 7.3 Variação de temperatura no fundo de cada panela. Panela Temperatura ( C) Alumínio 13,09 Fundo Triplo 5,74 Toda Tripla 11,10 Pode-se verificar que a panela que apresentou maior variação de temperatura foi a de alumínio e a menor foi a toda tripla. Se levarmos em consideração apenas a distribuição de temperatura no fundo da panela, a que obteve melhor desempenho foi a de fundo triplo, já a de alumínio continuou apresentando a distribuição menos uniforme entre as panelas estudadas. 7.2 TEMPO DE AQUECIMENTO DA ÁGUA Outro objetivo deste trabalho era verificar o tempo de aquecimento da água contida em cada panela. O processo de aquecimento da água pode ser visto no gráfico da Figura 6.

15 10 Figura 6 Gráfico de Temperatura x Tempo para o aquecimento da água em cada panela. A partir do gráfico mostrado acima se pode verificar o tempo necessário para aquecer a água de 24 C até 99 C, para cada panela em estudo, e o resultado pode ser visto na Tabela 7.4. Tabela 7.4 Tempo de aquecimento da água para cada panela. Panela Tempo (min.) Fundo Triplo 22,90 Alumínio 24,00 Toda Tripla 24,95 Pode-se verificar que não houve uma grande variação no tempo de aquecimento da água dentre os ensaios realizados. 7.3 TEMPO DE ESFRIAMENTO DA ÁGUA Após a água ter atingido 99 C em cada ensaio, a chama foi interrompida e aguardou-se até que esfriasse a 74 C. No gráfico da Figura 7 pode ser visto o processo de esfriamento da água.

16 11 Figura 7 Gráfico de Temperatura x Tempo para o esfriamento da água em cada panela. A partir do gráfico mostrado acima se pode verificar o tempo necessário para esfriar a água de 99 C até 74 C, para cada panela em estudo, e o resultado pode ser visto na Tabela 7.5. Tabela 7.5 Tempo de esfriamento da água para cada panela. Panela Tempo (min.) Fundo Triplo 14,50 Alumínio 13,70 Toda Tripla 14,10 Para a variação de temperatura verificada não ocorreram grandes diferenças no tempo de esfriamento em cada panela. Porém, pode-se verificar que a diferença entre elas vai aumentando com o passar do tempo. Por esse motivo, seria interessante a realização de novos ensaios deixando ocorrer uma maior variação de temperatura da água, verificando se assim a diferença no tempo de esfriamento entre as panelas também aumentaria.

17 12 8. CONCLUSÕES De acordo com os resultados obtidos, verificou-se que os modelos de panelas estudados não apresentam uma diferença significativa para os tempos de aquecimento e esfriamento da água. No caso da distribuição de temperatura superficial a diferença é mais visível, sendo que as panelas de elementos triplos apresentaram os melhores resultados. Na panela de alumínio, a variação da temperatura na superfície é maior, o que resulta em uma pior uniformidade de aquecimento dos alimentos. Apesar da pouca diferença entre os modelos estudados, pode-se concluir que a panela que apresentou um melhor desempenho nos testes realizados foi a de Fundo Triplo.

18 13 9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Incropera, F. P., Dewitt, D. P., Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, Quinta edição, Editora LTC, acessado em 01/12/ acessado em 14/11/2007.