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 AVALIAÇÃO DA VIABILIDADE DE UTILIZAÇÃO DE PANELAS COM FUNDO MODIFICADO. Por Leandro Perônio Bassim Luis Gustavo Ferrão Avancini Maurício Mazzutti Ricardo Badeck da Rosa Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Porto Alegre, junho de 2007

2 Comparação entre uma panela e outra com seu fundo modificado quanto à distribuição de temperatura na superfície, tempo de aquecimento. RESUMO O objetivo do presente trabalho é comparar uma panela comum com a panela com fundo alterado que foi idealizada e modificada pelos integrantes o grupo. Tal comparação é feita em termos de distribuição de temperatura superficial e o tempo de aquecimento de 2.25 litros de água contida em cada panela em 15 minutos. Para a verificação da distribuição de temperatura na superfície são fixados três termopares tipo J ao longo de diferentes raio de cada panela, e para a medição da temperatura da água utiliza-se outro termopares tipo J disposto no centro da panela imerso na água. Depois de realizar as análises, através da geração de gráficos, verifica-se que a diferença entre o a temperatura da água no instante que foi desligada a boca do fogão (depois de 15min) entre as panelas comum e apanela modificada não foi muito significativo. No caso da distribuição de temperatura superficial a diferença é mais visível, sendo que a panela com fundo modificado apresentam uma melhor uniformidade. PALAVRAS-CHAVE: panelas, distribuição de temperatura,, transferência de calor.

3 Comparison among the modified pan and a common pan in terms to surface temperature distribution, heating time. ABSTRACT The goal of this work is to compare the common pan and other pan that was created and modified by us. This comparison is made in terms of surface temperature distribution and warm up time of 2.25 liters of water for 15 minutes in each pan. For the verification of the temperature distribution on the surface were fixed three thermocouples type J along the different radius of each pan and for the measurement of surface temperature distribution and for the measurement of temperature s water, it s used another one thermocouples type J that was fixed immersed in the center of water. After the analysis undertaken, through graph plotting, it appears that the difference between temperatures of water, among the both pans studied, was not very significant. In the case of surface temperature distribution, the difference is more visible, and modified pan reach the best uniformity. KEY-WORDS: pans, temperature distribution, heat transfer.

4 SUMÁRIO 1 Introdução 5 2 Fundamentação teórica Condução de Calor Condutividade Térmica Aletas 6 3 Panelas Estudadas 7 4 Descrição da Bancada 8 5 Procedimento Experimental 10 6 Resultados Experimentais 11 7 Avaliação das Incertezas 13 8 Conclusões 14 9 Referências Bibliográficas 14

5 1. INTRODUÇÃO No mundo atual a economia de energia se tornou cada vez mais importante, principalmente pelo crescimento acelerado da população e surgimento de diversos problemas ambientais relacionados à utilização de combustíveis fósseis. Cabem a nós engenheiros desenvolver e projetar equipamentos cada vez mais eficientes, que utilizem de melhor forma a energia entregue, economizando combustível e garantindo assim a preservação do meio ambiente. Em praticamente todos os lares são encontrados fogões, das mais diversas marcas e modelos, porém com algo em comum. A grande maioria utiliza GLP como fonte de energia, queimando o combustível com o fim de se obter o calor necessário para o cozimento e aquecimento de alimentos ou outros mantimentos. As panelas utilizadas na tarefa representam uma fonte de estudo imensa, pois através da utilização de materiais mais eficientes ou de formas de construção que melhor aproveitem o calor é possível reduzir consideravelmente o gasto energético da tarefa. Uma das opções seria a utilização de panelas com fundo aletado, aumentando a área de troca da panela, com o objetivo de se aproveitar os gases quentes provenientes da chama. Uma construção tipo labirinto aumentaria ainda mais o rendimento do dispositivo, pois forçaria os gases quentes a permanecer mais tempo em contato com o fundo da panela. Este trabalho tem como objetivo comparar a utilização de panelas com fundo aletado com outras sem o recurso. Para tal serão realizado medições de temperatura em ambas as configurações, a fim de determinar qual possui o melhor rendimento. Também serão realizadas medições de temperatura em pontos distintos do fundo e lateral das panelas, para que seja avaliada a distribuição de temperatura ao longo da superfície (este fato é relevante no cozimento de alimentos). Ao final do trabalho será apresentada à conclusão obtida através dos experimentos, fornecendo dados suficientes para a avaliação da viabilidade da utilização de panelas de fundo aletado.

6 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Os aspectos analisados aqui foram os mecanismos de transferência de calor por condução e convecção e os conceitos básicos sobre aletas. 2.1 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 o material utilizado na fabricação das panelas e das aletas estudadas é igual a 190 W/m.K (Alumínio). 2.2 ALETAS Aletas são superfícies estendidas, e esse termo tem por objetivo explicar os casos onde ocorre transferência de calor por condução no interior de um corpo e por convecção na superfície exterior desse corpo. O fluxo de transferência de calor por convecção é dada pela equação 2. q x h. A.( T ) (1) onde h é coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m².k), A é a superfície exposta a convecção (m²) e ΔT a diferença de temperatura da superfície e o ambiente. O objetivo de se utilizar aletas, ou superfícies estendidas, é aumentar a área exposta e aumentar o fluxo de calor. 3. PANELAS ESTUDADAS Foi escolhida uma panela de alumínio com 200 mm de diâmetro, 1,4 mm de espessura e altura de 95 mm. Essa escolha se deu porque aproveitamos o modelo instrumentado por Zucco et al. (2007). As alterações foram feitas basicamente no fundo da panela nova. Primeiramente foram conformadas três

7 barras de alumínio de 19,05 mm de espessura por 25,4 mm de altura que inicialmente eram retas de modo que ficasse no formato circular, este procedimento foi repetido em cada barra com três diferentes raios. Depois cada barra, que agora forma um circulo foi cortada em três partes idênticas. Então estas barras foram soldadas ao fundo da panela nova, através do processo de solda TIG, com três diferentes raios a partir do centro da panela. O objetivo dessa modificação é analisar a distribuição de calor no fundo da panela comparado com uma panela de fundo convencional. Nas figuras 1 e 2 podem ser vistas a panela comum e a com o fundo modificado respectivamente. Figura 1: panela comum

8 Figura 2: panela modificada 4. DESCRIÇÃO DA BANCADA Para a medição de temperatura da superfície e verificação da distribuição de calor no fundo das panelas foram utilizados cabos de compensação para termopar Tipo J. Optou-se por utilizar cabos de compensação, ao invés de termopares, pelo custo ser menor. A fixação dos cabos de compensação foi realizada através de uma massa epóxi (poxipol), nas posições mostradas na Figura 3. Foi posicionado um termopar na região central da panela, imerso na água a fim de medir a temperatura dela. Figura 3: posição dos sensores

9 A aquisição dos dados foi realizada através do sistema de aquisição de dados Spider 8, da marca HBM, e o software utilizado foi o Catman 4.0 também da HBM. A bancada utilizada para os experimentos é composta de um fogão doméstico de 4 bocas abastecido com GLP. A montagem da bancada pode ser vista na Figura 4. Figura 4: visão geral da bancada 5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Para realização dos testes se adicionou 2,25 litros de água em cada panela. Esse volume foi estabelecido, pois era a quantidade necessária para cobrir todos os sensores. Foram realizadas ao todo quatro medições, duas com a panela comum uma no queimador grande e outra no queimador pequeno do fogão, e duas com o a panela de fundo modificado, também uma em cada queimador do fogão. Na figura 5 podem ser vistas as dimensões dos queimadores.

10 Figura 5: queimadores do fogão Após o enchimento, iniciou-se a contagem de tempo, e após dois minutos a chama foi acesa. Esse tempo de dois minutos serviu para verificar a estabilização do sistema e após quinze minutos a chama foi apagada e aguardaram-se mais dois minutos antes de se esvaziar a panela. Através do sistema de aquisição de dados foi realizada uma leitura por segundo em cada sensor, e com os dados adquiridos foram levantadas as curvas de Temperatura x Tempo de cada panela em cada queimador do fogão. 6. RESULTADOS EXPERIMENTAIS As curvas levantadas durante as medições podem ser verificadas nas figuras 6, 7, 8 e 9. Nestas curvas podemos ver a temperatura nas posições de medidas a qualquer tempo para as duas panelas e para dois diferentes tamanhos de queimadores do fogão.

11 Figura 6: panela comum no queimador grande Figura 7: panela comum no queimador pequeno

12 Figura 8: panela modificada no queimador grande Figura 9: panela modificada no queimador pequeno Nas tabelas abaixo pode-se ver as diferentes temperaturas de acordo com suas posições para a panela modificada em comparação com a panela comum. Estas temperaturas foram medidas no tempo igual a 15 min. Observa-

13 se que, no queimador grande, as temperaturas atingidas foram maiores quando comparadas ao queimador pequeno. Tabela 1 Medições realizadas no queimador grande do fogão. Panela Posição termopar Modificada Comum Água 72 o C 76 o C Centro 85 o C 92 o C Canto 90 o C 101 o C Lateral 78 o C 85 o C Tabela 2 Medições realizadas no queimador pequeno do fogão. Panela Posição termopar Modificada Comum Água 66 o C 67 o C Centro 78 o C 85 o C Canto 82 o C 91 o C Lateral 71 o C 75 o C Um fenômeno interessante que deve ser observado é a maneira com que o calor se distribuiu na panela. Para o panela comum, tem-se uma amplitude de temperatura maior quando comparada com a panela modificada, onde a distribuição de temperaturas é mais uniforme. 7. AVALIAÇÃO DAS INCERTEZAS 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

14 ±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. Os erros devido ao equipamento de aquisição, segundo o manual do fabricante são de 2,5º C para mais e 5ºC para menos, e a resolução máxima é de 0,1ºC para termopares tipo J. 8. CONCLUSÕES De acordo com os resultados obtidos, verificou-se que as panelas estudadas não apresentaram uma grande diferença para a temperatura da água. A temperatura da água obteve valores um pouco superiores para a panela comum, este fato provavelmente de estar associado ao aumento da distancia entre a panela e o fogão, no caso da panela modificada, devido à altura das barras de alumínio. Entretanto no caso da distribuição de temperatura superficial a diferença é mais visível, sendo que a panela modificada apresentou melhores resultado. Na panela comum, a variação da temperatura na superfície é maior, o que resulta em uma pior uniformidade de aquecimento dos alimentos. Para o acoplamento do dispositivo na panela modificada, ao ser realizada a solda TIG, observou-se que é de grande dificuldade realizar a solda em todo o contorno da aleta. Como a panela é de baixa espessura, isto faz com que esta possa furar facilmente com a ação da solda. Para realizar o experimento com melhor eficácia, se sugere que seja realizada em panelas com espessura maior, ou que seja realizada a soldagem das aletas com alguma resina epóxi que suporte alta temperatura.

15 9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Incropera, F. P., Dewitt, D. P., Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, 5ª, Editora LTC, SCHNEIDER, Paulo, Apostilas e Material de Aula, Escola de Engenharia UFRGS, ZUCCO et al., Otimização do aproveitamento térmico de uma panela convencional, UFRGS, 2007.