OTIMZAÇÃO DE LEITEIRA PADRÃO PARA DIMINUIR TEMPO DE AQUECIMENTO

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE OTIMZAÇÃO DE LEITEIRA PADRÃO PARA DIMINUIR TEMPO DE AQUECIMENTO por André Luis Fedalto Ricardo De Bastiani Grubert Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Dezembro de 2009.

2 ii FEDALTO, ANDRÉ L.; GRUBERT, RICARDO DE B. Otimização de Panela Padrão para Melhor Utilização dos Recursos Energéticos Disponíveis Trabalho Final Disciplina Medições Térmicas, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, RESUMO Este trabalho apresenta uma configuração alternativa às panelas tradicionais, buscando melhorar a eficiência dessas. Esta panela foi determinada pelo professor regente da disciplina e é confeccionada em alumínio, com capacidade de 1,5 litro, segundo o fabricante. Esta panela retém no seu interior um litro de água e é submetida à chama de um fogão alimentado por um reservatório de gás GLP (gás liquefeito de petróleo). Submete-se então a panela, em suas condições originais, a teste para verificar o tempo necessário para a água em seu interior entrar em ebulição. Posteriormente, após as modificações serem realizadas, efetua-se novamente o teste, a fim de verificar o desempenho deste protótipo. Estas modificações consistiram na instalação de uma saia metálica ao redor da panela original, a fim de reter os gases aquecidos, resultantes da combustão, em contato com a parede do recipiente, e na adição de uma tampa ao recipiente, com a finalidade de evitar a perda de calor do ambiente interno da panela. Com estes testes, observou-se que a panela original demorou cerca de 15 minutos para o aquecimento do líquido, enquanto o da panela modificada demorou pouco mais de 14 minutos. Após os testes avaliou-se que as modificações efetuadas não tiveram influência considerável sobre o desempenho da panela, sendo então inviável para aplicação comercial, visto que a quantidade de material utilizada é substancialmente maior. PALAVRAS-CHAVE: panela de alumínio, gases de combustão, eficiência energética.

3 iii FEDALTO, ANDRÉ L.; GRUBERT, RICARDO DE B. Standard Pan Optimization for Best Use of Available Energy Resources Departament of Mechanical Engineeringa, Federal University of Rio Grande do Sul, ABSTRACT This report presents an alternative configuration for traditional pans, trying to improve a standard pan efficiency. This pan was set by the discipline regent teacher and it is made of aluminum, with a capacity of 1,5 liters, according to the fabricant. It holds in its interior one liter of water and is submitted to an oven flame, fed with LPG (Liquefied Petroleum Gas). The pan was then put under test to verify the necessary time to make the water in its interior boil. Later, after the modifications to the pan were made, the tests were ran again, to verify the prototype performance. These modifications consisted on installing a metallic skirt around the original pan, to keep the hot combustion gases in contact with the recipient walls, and putting a cover on it, to avoid the heat loss from the internal ambient of the pan. With these tests, it was possibly to observe that the original pan took about 8 minutes to heat the liquid, while the modified pan took a little more than 7 minutes. After the tests, it was possibly to evaluate that the changes made did not have considerable influence over the pan performance, making then unviable to commercial application, as the quantity of material used is considerably larger. Keywords: aluminum pan,combustion gases, power eficiency.

4 iv SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA MATERIAIS E MÉTODOS RESULTADOS E DISCUSSÕES CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 8

5 1 1. INTRODUÇÃO Atualmente a economia de energia é uma questão cada vez mais importante, principalmente pelo aumento de preços dos combustíveis fósseis. Desenvolver equipamentos cada vez mais eficientes, que utilizem melhor a energia e economizem combustível é alternativa para uma marca não ficar obsoleta e sair do mercado. Na maioria dos lares brasileiros são encontrados fogões a gás GLP como fonte de energia, queimando este combustível com o fim de se obter o calor necessário para o cozimento e aquecimento. As panelas utilizadas constituem uma fonte de estudo significativa, tanto para materiais com melhor eficiência na transferência de calor, como mudanças geométricas nestas panelas, como forma de aproveitar melhor o calor fornecido pela chama e assim reduzir o gasto energético na preparação de alimentos. Foi estudado e desenvolvido um modelo de panela que concentra o calor ao redor dela, com o objetivo de se aproveitar os gases quentes provenientes da chama. Um isolamento térmico 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 este sistema de retenção dos gases com outras sem o recurso. Para tal serão realizado medições de tempo de fervura em ambas as configurações, a fim de determinar qual possui o melhor rendimento.

6 2 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA O conceito de transferência de calor que é a energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura, é aplicado em diversas atividades cotidianas, como, por exemplo, aquecer um alimento utilizando uma panela submetida à chama. Ao utilizar-se uma panela para aquecer um alimento, neste processo estão presentes três mecanismos fundamentais de trocas térmicas: condução, convecção e irradiação. A condução ocorre principalmente dentro da parede da panela, a qual tem um dos lados submetido à chama e o outro lado em contato com o alimento. Esta transmissão de energia calorífica se dá através das moléculas deste corpo que, através do movimento atômico característico a uma temperatura, transmitem da região mais quente para a região mais fria esta energia. A convecção atua de forma semelhante. O mecanismo de transferência inter-molecular ainda acontece, porém agora a situação é num fluido, onde as moléculas possuem liberdade de movimentação. Logo, a energia ainda é passada de molécula para molécula, mas estas têm a liberdade de moverem-se. A radiação é a única forma de energia que não depende da matéria para ser transferida, visto que ela se propaga através de ondas eletromagnéticas. A transferência de calor por esta forma depende da temperatura das superfícies irradiante e irradiada e das suas absortividades. Para aperfeiçoar as trocas térmicas em uma panela, melhorando o seu desempenho energético, tenta-se mudar alguns parâmetros, com a finalidade de alterar estes mecanismos de troca. Fazendo uma breve análise sobre as trocas que ocorrem nos diferentes pontos do recipiente, percebe-se que no fundo e nas laterais, pelo lado externo, ocorre o processo de convecção, onde o ar aquecido sobe naturalmente, e, ao entrar em contato com a superfície da panela a aquece. Imagina-se então que esta energia disponível poderia ser melhor aproveitada se o ar aquecido pudesse se manter em contato com a panela por mais tempo, fornecendo mais energia térmica para o conjunto. Mais adiante, mostra-se que ao modificar-se a geometria da panela e reter-se o ar junto a ela, é razoável considerar que o mecanismo de troca de calor alterou-se de convecção para condução, já que o ar aquecido, agora com um movimento relativo bem menos intenso, pode ser considerado como estático junto à parede da panela. Outro ponto a ser atacado seria a troca térmica por irradiação. Esta resolve-se com a mudança da superfície da panela. A aplicação de um revestimento com uma emissividade menor é aconselhada, mas infelizmente não pôde ser aplicada a este trabalho. Além destes dois pontos, existe a parte superior da panela. Nesta região o líquido em aquecimento, em contato com o ar mais frio transmite calor para este. Isto resulta num movimento ascendente por parte deste ar recém aquecido, que virá a ser substituído por ar frio

7 3 vindo das adjacências. Este fenômeno pode ser evitado com a utilização de uma tampa, isolando o ar aquecido do interior do ar externo, diminuindo assim as perdas térmicas por convecção natural. 3. MATERIAIS E MÉTODOS Para a realização dos estudos utilizou-se uma panela padrão de alumínio da marca Alumínio Royal, tamanho 14 e capacidade de 1,6 litros (indicada pelo fabricante) mostrada na Figura 3.1. Sobre esta panela efetuaram-se as modificações, utilizando uma forma de bolo de diâmetro menor 190 milímetros e diâmetro maior 240 milímetros, de altura 90 milímetros, cujo fundo foi cortado e adaptado ao diâmetro da panela. Posteriormente efetuou-se a vedação desta união, conforme mostrado na Figura 3.2. Esta vedação foi realizada com cola a base de silicone Superflex, do fabricante Loctite, especial para utilização em temperaturas até 320ºC. Figura 3.1 Panela padrão, tamanho 14. Esta modificação foi feita com a finalidade de reter o ar aquecido junto a parede da panela, evitando que ele se perdesse no ambiente. Ao proceder desta forma, alteramos o fenômeno de troca de calor empregado, que passou de convecção natural para condução, já que o ar junto às paredes da panela ainda possui movimento, mas estes efeitos podem ser desprezados. Assim, temos uma condição muito mais fácil de ser avaliada, considerando-se uma parede de alumínio de 1,0 milímetro de espessura com fluidos estáticos a temperaturas diferentes em seu contorno. Considerou-se ainda a possibilidade da colocação junto à parede externa do conjunto de um isolamento térmico a base de lã de rocha. Esta idéia porém não pôde ser executada, devido à

8 4 dificuldade para obtenção deste material. Acredita-se que as perdas térmicas por condução/convecção para o ar exterior, assim como as perdas radiantes seriam fortemente diminuídas com a aplicação deste material. Figura 3.2 Conjunto montado, com vedação aplicada. Outra modificação aplicada foi a colocação de uma tampa sobre o bocal da panela, cuidando-se para fazer um efeito de estanqueidade, mantendo o ar do interior da panela preso e isolado do ambiente externo. Fez-se isto com o intuito de reduzir as perdas térmicas por transferência de massa de ar, ou de forma mais clara, evitando que o ar próximo ao líquido sendo aquecido, por diferença de densidade, ascendesse e fosse então substituído por ar frio. Este processo, como se pode facilmente intuir, roubaria energia do sistema, prejudicando o desempenho do protótipo. A última modificação feita foi a retirada da alça da panela, por dificultar a colocação da saia ao seu redor, e ainda por considerar-se que seria mais uma quantidade considerável de massa a ser aquecida, fato que nos consumiria energia preciosa e causaria um acréscimo no tempo utilizado para se realizar a ebulição da água. Para a realização dos testes utilizou-se um fogão da marca Brastemp, modelo Quality, o qual é mostrado na Figura 3.3, abastecido com gás GLP em seu queimador maior, de diâmetro 75 milímetros, com a chama na sua potência máxima. Foi usado para coletar as temperaturas do processo um termômetro eletrônico da Fluke modelo 51 II de precisão 0,05% e +0,3ºC ( Figura 3.4 ) e um cronômetro digital pra fazer as tomadas de tempo.

9 5 Para efeito de comparação do desempenho do protótipo, utilizou-se uma panela idêntica à original como padrão, sendo submetida as mesmas condições, a fim de averiguar-se o tempo necessário em ambas para que o líquido em seu interior (água) entrasse em ebulição. No momento dos testes, a água utilizada encontrava-se a temperatura de 22ºC. Figura 3.3 Fogão utilizado nos testes. Figura 3.4 Termômetro eletrônico. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Fazendo o experimento com a panela padrão e com o protótipo proposto, fez-se um levantamento das temperaturas atingidas em cada minuto do teste, estes resultados são mostrados na Tabela 4.1 e na Figura 4.5. Tabela 4.1 Dados das panelas original e protótipo. Tempo ( minutos) Original Modificada 0 20,2 20,1 1 24,1 24,1 2 30,5 30,7 3 37,7 37,8 4 46,4 46,7 5 53,9 54,2 6 60, ,3 67,7 8 71,2 74,5 9 77,1 81, ,6 88, ,5 94, ,7 96, ,3 99, , ,9 100

10 6 Figura 4.5 Gráfico temperatura versus tempo. Observando-se os dados coletados, percebe-se que não houve uma mudança na eficiência da panela como esperávamos. Uma suposição que é feita é de que o ganho de eficiência com a retenção dos gases aquecidos junto à superfície da panela é perdido quando aumenta-se a massa de metal a ser aquecida. Estima-se que o peso da panela tenha aumentado para mais do que o dobro do peso original após as modificações efetuadas, e toda essa quantidade extra de material a ser aquecido utiliza energia que gostaría-se que fosse transferida para a água.

11 7 5. CONCLUSÕES Após a realização dos testes e obtenção dos resultados, percebeu-se uma variação pequena nos valores de temperatura da água dentro do recipiente. Este pequeno ganho ficou aquém dos resultados esperados, e justifica-se, em parte, pela dificuldade dos métodos de fabricação, pelas soluções artesanais que foram aplicadas, e pela impossibilidade de utilizar materiais de espessura mais finas, que com certeza aumentariam um pouco mais o rendimento do conjunto. Conclui-se então que este pequeno ganho proporcionado pela retenção dos gases aquecidos junto às superfícies quentes não justificaria o acréscimo de material utilizado neste propótipo, descartando assim a sua produção comercial.

12 8 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS INCROPERA, F. P.; DEWITT, D. P. Fundamentos de Transferência de Calor e Massa, 5ª Edição, Editora LTC, FOX, R. W.; MCDONALD, A. T. Introdução à Mecânica dos Fluidos. 5ª.edição Rio de Janeiro LTC, 2001.