UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE AUMENTANDO A EFICIÊNCIA TÉRMICA DE UMA LEITEIRA por Bernardo Hausmann Claudir José Nodari Rafael Batista Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Porto Alegre, Dezembro de 2009.

2 ii RESUMO Este trabalho visa melhorar a eficiência de aquecimento de água de uma leiteira Royal nº 14 com capacidade para 1,5 litros. Para tal, são realizadas algumas modificações na leiteira. É proposta uma modificação que visa aumentar o tempo de permanência dos gases de combustão em contato com a leiteira. Para isto, uma leiteira Royal nº 18 é encaixada concentricamente em volta da leiteira Royal nº 14. O fundo da leiteira Royal nº 18 é usinado, permitindo que a chama do fogão entre em contato apenas com a leiteira Royal nº 14. Além disso, as paredes interiores da leiteira externa são isoladas com lã de vidro, visando diminuir a transferência de calor dos gases de combustão para o meio externo. Realizando os testes observa-se que a água demora aproximadamente 550 segundos para ferver na panela sem modificações, já a panela com modificações ferve a água em 505 segundos. Conclui-se assim que com a nova configuração da leiteira há uma melhora de aproximadamente 10% na eficiência da troca térmica.

3 iii ABSTRACT This work aims to improve the efficiency of heating water in a dairy Royal No. 14 with a capacity of 1.5 liters. Because of this, there were some changes in the milkmaid. We proposed a modification that aims to increase the residence time of flue gas into contact with the milkmaid. For this, a milkmaid Royal No. 18 was fitted concentrically around the milkmaid Royal No 14. The bottom of milkmaid royal No 18 has been machined, allowing the flame of the stove only contact with the milkmaid royal No 14. Moreover, the interior walls of the foreign milkmaid were isolated with glass wool in order to reduce transfer of heat from flue gases to the external environment. Conducting the tests showed that the water takes approximately 550 seconds to boil in the pot without modifications, as the pot with boiling water changes in 505 seconds. It follows that with the new configuration of the milkmaid there is an improvement of approximately 10% efficiency in heat transfer.

4 iv LISTA DE SÍMBOLOS A área, m² h coeficiente de transferência de calor por convecção, W/m²K k condutividade térmica, W/mK L comprimento, m transferência de energia, J t tempo, h T temperatura, K; tempo, h β coeficiente de expansão térmica, K-1 ε emissividade constante de Stefan-Boltzmann σ

5 v SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO 1 2. FUNDAMENTAÇÃO Carga térmica da leiteira Carga térmica devido à radiação Carga térmica devido à convecção Carga térmica devido à condução 3. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 3 4. VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO 4 5. RESULTADOS 4 6. CONCLUSÕES 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 6

6 1 1. INTRODUÇÃO Aquecer água ou qualquer outro líquido é uma prática corriqueira no dia-dia e sendo assim, melhorar o desempenho da configuração de um sistema de aquecimento é um assunto de grande valia no âmbito da engenharia. E é nesse sentido que se insere o presente trabalho. Nossa motivação para este trabalho foi o desafio de melhorar a eficiência térmica de uma simples leiteira de 1,5 litros, ou seja, diminuir o tempo que ela leva para aquecer alguma coisa. Com o aumento da eficiência térmica, teríamos melhoria também de consumo. Uma panela mais eficiente consome menos combustível (energia), o que acarreta num menor custo de operação, tornando o processo mais vantajoso do ponto de vista econômico. Nosso objetivo foi aumentar o desempenho de aquecimento de água em um recipiente que é aquecido por uma chama oriunda da combustão de GLP em um queimador. Para tanto, foi desenvolvido um aparato experimental com a configuração padrão, sem modificações e uma configuração com as alterações propostas por esse trabalho.

7 2 2. FUNDAMENTAÇÃO 2.1 Carga térmica da leiteira Tendo como base o volume de controle criado na interface da superfície interna da panela menor, pode-se avaliar a quantidade de calor que é absorvida pelo líquido. O calor que é absorvido pelo líquido nada mais é do que o calor que passa pela espessura da panela por condução. A avaliação do calor de condução pode ser vista na equação 1 e se refere a soma do calor de radiação e convecção. água água conv rad conv (1) cond ( rad conv) Calor absorvido pela água Calor de condução Calor de radiação Calor de convecção Carga térmica devido à radiação A avaliação da quantidade de calor de radiação que é a absorvida pela panela é dada pela equação 2, onde σ é a constante de Stefan-Boltzmann e vale 5,670E-08 W/(m²K 4 ). A s é a área superficial da leiteira exposta à radiação, em m². T viz é a temperatura da vizinhança, T se é a temperatura da superfície externa da caixa, ambas em K. T 4 viz T 4 se rad A s (2) Cabe aqui ressaltar que a área do recipiente exposta à radiação da chama proveniente do queimador é a área inferior do recipiente, uma vez que as outras superfícies estão paralelas a chama Carga térmica devido à convecção Como os gases oriundos da combustão foram direcionados a passar pela superfície da leiteira, pode-se avaliar a carga térmica devido à convecção de acordo com a equação 3. Nela, h representa o coeficiente convectivo W/(m²K), A se a superfície externa do recipiente menor e as temperaturas do escoamento de gases e da superfície externa da leiteira menor, são representadas por T e T se,ambas em K. conv ha se T T se (3) Carga Térmica Devido à condução O transporte da energia adquirida por convecção e por radiação é conduzida através da parede da leiteira por condução.

8 3 cond Como, t qdt ha 0 s Vc / hasln i / 1 hasvc t 0 dt (4) t (5) t / (6) Substituindo as equações (5) e (6) em (4) temos que a equação de condução em regime permanente é dada por: cond Vc 1 exp t / t (7) i 3. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Para a montagem do aparato experimental foi utilizado como recipiente uma leiteira da marca Royal, número 14 com capacidade para 1,5 litros, um queimador para a queima de GLP e a quantidade pré-estabelecida de 1 litro de água. O recipiente utilizado para este experimento está representado na figura 1. Como o objetivo do trabalho era aumentar o desempenho para o aquecimento de água em um recipiente, foram elaborados dois aparatos experimentais. Ambos com a mesma configuração de operação. O primeiro aparato se refere a uma condição de operação normal e sem modificações na configuração, já o segundo, fruto deste trabalho, está baseado nas alterações executadas a fim de se estabelecer uma maior transferência de calor para o líquido do recipiente. Figura 1 Leiteira Royal, número 14 A fim de atingir os objetivos deste trabalho, foi montada uma configuração que em linhas gerais nada mais é do que a utilização de dois recipientes concêntricos onde o menor era a leiteira número 14 e o recipiente maior, uma leiteira número 18, como pode ser visto na figura 2, logo abaixo. A utilização de uma leiteira maior permitiu que os gases oriundos da combustão fossem direcionados para contornar a superfície lateral do recipiente menor, onde estava acondicionado o líquido para aquecimento, nesse caso, água. Na parte superior foram efetuados furos para garantir que uma maior quantidade de gases passasse pela superfície, tornando assim a troca de calor para o liquido mais eficiente. Uma melhor visualização pode ser feita na figura 2 onde se encontra uma vista em corte da configuração proposta por esse trabalho.

9 4 Figura 2 Vista em corte do aparato Com o auxilio de um cronômetro, um multímetro e um sensor tipo NTC foram realizados os testes. Os testes foram realizados num mesmo dia para diminuir erros como variação da temperatura ambiente e também de maneira alternada, onde se alternava as medições entre a leiteira modificada e a leiteira simples, tudo para minimizar erros de medições. Usando um simples multímetro e um sensor de temperatura tipo NTC, foram verificadas as temperaturas da água em vários instantes. Instrumentação calibrada começa-se os testes levando as leiteiras ao fogão com a vazão ao máximo (máxima abertura da válvula), onde então era posicionado o sensor NTC ligado ao multímetro, e com o auxilio do cronômetro eram tirados as medidas de tempo. Onde todos os testes eram submetidos a um mesmo intervalo de tempo e logo depois eram comparados os resultados entre eles. Os dados obtidos da leitura do multímetro eram gravados e com o auxilio de um software eram transformados para unidades de temperatura (no caso ºC). Mas antes da panela ir ao fogo era realizado um teste para verificar a temperatura inicial da água. Com os resultados obtidos e conhecido o intervalo de tempo, era então calculada e analisada a constante de tempo de cada teste, onde então era comparada com a constante de tempo da leiteira simples. Mostrando resultados bons ou não eram então analisadas as possíveis modificações para melhorar esses resultados. 4. VALIDAÇÃO Futuramente será avaliado com maior precisão qual foi a real eficiência encontrada para a configuração da panela modificada. Para a realização desse experimento mais detalhado serão utilizados instrumentos para a medição de tempera (termopar), um multímetro e um cronômetro. Esses instrumentos possibilitarão a aquisição de dados que dará suporte a confecção de gráficos comparativos da cada caso em particular. A realização dos testes com os devidos instrumentos mencionados acima requer posteriormente a análise quantitativa dos erros relacionados aos mesmos. 5. RESULTADOS Avaliando os resultados obtidos, percebe-se que a nova configuração da panela apresenta uma eficiência superior a panela comum. Isto se deve ao maior tempo de contato dos gases com a panela em virtude da capa externa e também ao isolamento de lã de vidro que diminui a transferência de calor entre os gases e o meio externo. Para a panela de alumínio padrão chegou-se ao ponto de ebulição da água em um tempo de 9 minutos e 10 segundos. A água estava a uma temperatura inicial de 25 C.

10 5 Realizando o mesmo teste para a panela com a nova configuração verificou-se o ponto de ebulição da água num tempo de 8 minutos e 25 segundos. A água estava a uma temperatura inicial de 25 C. Através destes valores, foi possível comprovar que a nova formatação da panela aumentou a eficiência da mesma em aproximadamente 10%. Levando-se em consideração que um botijão de gás contém kcal/kg, o que equivale a 13,372 kwh/kg (1kWh = 860 kcal), então um botijão de 13 kg possui 173,837 kwh de energia (13kg x 13,372 kwh/kg). Supondo uma situação hipotética onde todo o conteúdo do botijão fosse utilizado apenas para aquecer várias vezes 1litro de água nessa panela, teríamos uma economia de 17,3837 kwh. Estimando o preço do botijão em torno de 35 reais, nossa economia por botijão seria de 3,5 reais. 6. CONCLUSÕES Como pode ser observado através das tabelas e dos gráficos, ficou comprovado que a nova configuração da panela é mais eficiente que a configuração padrão. Essa melhora na eficiência se deu graças ao maior contato dos gases quentes de combustão com a panela e devido ao isolamento térmico de lã de vidro. Apesar de melhorarmos em 10% o desempenho da panela, esse aumento poderia ser maior caso o processo de fabricação fosse mais adequado e utilizássemos materiais com maior poder de isolamento térmico. Uma idéia para próximos trabalhos sobre o mesmo tema seria mensurar o custo de vários tipos de isolamento térmico e de fabricação dessa configuração da panela para saber se o investimento teria retorno ou não.

11 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS INCROPERA, F.P.; DEWITT, D.P.; BERGMAN, T.L.; LAVINE A.S., Fundamentals of Heat and Mass Transfer, John Wiley & Sons Inc. SCHNEIDER, P.S., anotações de aula 2009.