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 AUMENTO DA TAXA DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR DE UMA LEITEIRA CARLOS ANDRÉ NOBRE CAVALCANTI FÁBIO SOUZA MARCELO CAJU Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Dezembro de 2009

2 2 RESUMO Atualmente tem-se uma infinidade utensílios de cozinha como panelas, leiteiras, chaleiras e formas disponíveis no comércio. Nesse trabalho a leiteira será tratada como fervedor de água. Tem-se como objetivo melhorar a eficiência térmica de um fervedor de água, possibilitando ferver água em um tempo menor com uma mesma quantidade de combustível (GLP), melhorando assim o processo. Foram realizadas quatro modificações no fervedor. A obtenção dos dados para comparação foi feita com o auxilio de um termopar tipo J e um termômetro. A comparação entre a melhoria obtida após cada alteração é feita em termos do tempo gasto para ferver um litro de água. A primeira modificação consiste em diminuir a espessura do fundo do fervedor, usinandoo em um torno mecânico. Constata-se uma pequena, mas não significativa melhoria na eficiência térmica. A segunda modificação consiste em aumentar a superfície de contato do fundo do fervedor utilizando o fundo de uma forma de fazer pudim, melhorando bastante a troca térmica do material aquecido com a água. Essa alteração foi a melhor entre as três. A terceira modificação consiste na colocação de uma aba metálica para possibilitar que o ar quente proveniente da chama passe nas laterais realizando uma melhor troca convectiva. A última modificação consiste na substituição da tampa de alumínio por uma de madeira, possibilitando uma pequena diminuição do tempo necessário para se ferver a água. Dado que as medições foram executadas utilizando-se o material adequado, pudemos definir quais alterações resultaram e m melhores ou piores resultados. Depois de realizadas as análises gráficas verifica-se que a primeira e segunda modificações juntas reduzem o tempo de fervura da água. A terceira modificação, em contrapartida, piora o desempenho do fervedor. A aba colocada no fundo do fervedor funciona como uma grande aleta prejudicando o processo ABSTRACT Nowadays you can find a profusion of kitchen appliances such as pots, milk-kettles, waterkettles and other molds available on the market. In this work, the milk kettle will be treated as a water boiler. The aim is to improve the thermal efficiency of a water boiler, thus reducing boiling time, utilizing less fuel (LPG), thus optimizing the process. In this project, it was necessary the carrying out of four changes in the boiler. The data obtained were accomplished with the aid of a thermocouple type j and a thermometer. The comparison between the improvement obtained after each change is made considering the time used to boil a litter of water. The first change consists in diminishing the thickness of the boiler bottom, machining it on a lathe. A small but not significant improvement in its thermal efficiency is observed. The second change consists in augmenting the contact surface of the boiler bottom utilizing the bottom of a flan mold, thus improving significantly the thermal exchange of the material heated with water. This change was the best among the three. The third change consists in the placement of a metallic top to enable that the hot air originating in the flame goes up laterally enabling a better convective transfer. The last change consists in the substitution of an aluminum top for a wooden one, enabling a small decrease in the time necessary to boil the water. Since the measurements were carried out using adequate materials, we have been able to define which alterations have resulted in the best or worst outcomes. After the completion of graphic analyses, it is to be observed that the first and second changes reduce w a- ter boiling time. The third change, however, worsens the performance of the boiler. The flap placed at the bottom of the boiler works as big wing jeopardizing the process.

3 3 SUMÁRIO: 1. INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA FUNDAMENTAÇÃO Redução da espessura do fundo Aumento da área de contato com o liquido Convecção de Calor TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Fervedor Analisado Acessórios Utilizados MODIFICAÇÕES Redução de Espessura Aumento da Superfície de Contato Colocação da aba metálica VALIDAÇÃO RESULTADOS CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 12

4 4 LISTA DE SÍMBOLOS A Área [m 2 ] L Espessura [m] q Fluxo de calor [W] h Coeficiente convectivo [W/m².K] dt/dx Gradiente de temperatura [ºC] Ts Temperatura superfície [ºC] T Temperatura ambiente [ºC] K Condutividade térmica [W/m.K]

5 5 1. INTRODUÇÃO Os fervedores comercializados no mercado devem atender certas necessidades básicas, como por exemplo preparar os alimentos o mais rápido possível. Há uma grande variedade de panelas disponíveis no mercado com preços atrativos. O grande problema é que o material e m- pregado em muitas panelas não é o ideal para algumas tarefas. A questão rendimento térmico na maioria das vezes é deixado de lado em função dos custos, pois a elaboração de uma panela com melhor rendimento térmico acarretaria em maior preço do produto. Entretanto, uma panela com um alto custo não necessariamente terá um bom rendimento térmico. O objetivo deste trabalho consiste em melhorar o rendimento térmico de um fervedor de água para fins didáticos, desconsiderando o custo gerado pelas modificações no produto final, e sua importância reside nos seguintes fatos: na estruturação da sociedade atual: hoje em dia, as pessoas têm cada vez menos tempo para realizarem suas tarefas cotidianas, por isso um produto que venha a minimizar tempos ociosos se apresenta como uma boa opção; na economia de combustível: além de reduzir gastos para o usuário final também vai ao encontra da necessidade crescente de otimização da utilização dos recursos naturais. Dado o exposto acima, procurou-se com este trabalho reduzir o gasto energético e o tempo de operação do produto, economizando-se assim tempo e dinheiro. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Um fervedor é um aparato, que utilizando as propriedades de condução e convecção para esquentar água ou alimentos. Devendo ser o mais eficiente possível termicamente, a fim de minimizar o gasto de GLP. 3. FUNDAMENTAÇÃO 3.1 Redução da espessura do fundo Baseado na lei de Fourier, Equação 1: dt q k A (1) dx A partir da consideração de fluxo de calor constante ao longo do fundo do fervedor, é possível reescrevê-la em termos de T/L, onde L (m) é a espessura do fundo do fervedor. Daí podemos deduzir uma dependência do fluxo com variação de L, ou seja, quanto menor for a espessura do fundo, menor será o fluxo de calor. 3.2 Aumento da área de contato com o liquido Baseado ainda na Lei de Fourier pode-se determinar como q depende da área (A). Se mantermos dt e dx constantes, enquanto o valor de A varia, se irá verificar que q é proporcional a A. Ou seja, quanto maior a área, melhor será o rendimento do fervedor.

6 6 3.3 Convecção de Calor A convecção térmica é um importante processo que pode relacionar-se com este estudo. A transferência de calor por convecção abrange dois mecanismos que são a transferência devido ao movimento molecular aleatório (difusão) e a energia sendo transferida através de movimento global do fluido. Um fenômeno importante para o estudo em questão é a convecção natural causada pelo movimento do ar aquecido que sobe e desloca o ar em temperatura mais baixa. A fórmula do processo é dada pela Lei de Resfriamento de Newton, que é dada pela Equação 2: q = ha (Ts - T ) (2) onde o parâmetro h (W/m².K) é chamado coeficiente de transferência de calor por convecção. Qs. Calor que sai. Volume de controle Qe. Calor que entra Figura 1 Esquemático da transferência de calor do fogo para o fervedor. Considerando que o calor que sai é muito pequeno, o balanço energético fica: Qe = dqacu/dt (3) Sendo: Qacu = -Kdt/dx (4) 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS O experimento foi realizado no laboratório do Grupo de Estudo Térmicos e Energéticos (GESTE), no departamento de engenharia mecânica e tem suas características descritas nos itens citados abaixo.

7 7 4.1 Fervedor Analisado Para a realização do experimento foi adquirido um fervedor (leiteira) de alumínio da marca Royal N 14 onde foram aplicadas as adequações necessárias em busca de uma melhor eficiência térmica, desconsiderando os custos de uma produção em série. O fervedor é mostrado na Figura 2. Figura 2. Fervedor Acessórios Utilizados Termopares: Foi utilizado um termopar do tipo K (MS11, ø 6mm e 382mm), responsável pela medição da temperatura da água ao longo do tempo. Multímetro: Utilizado para ler a ddp (diferença de potencial) gerada pelo termopar instalado na bancada. Marca: Minipa Termômetro: Marca INCONTERM, graduação 0,1 C e TP=25 C. Fogareiro de Ferro Fundido que, segundo dados do fabricante, consome em um sistema de alta pressão 650 gramas GLP/hora. A instrumentação está mostrada na Figura 3:

8 8 Figura 3: Equipamento Utilizado 4.3. MODIFICAÇÕES Redução de Espessura A primeira modificação consiste em diminuir a espessura do fundo do fervedor, conforme Figura 4. Para tal, fez-se necessário a usinagem do fundo do fervedor utilizando um torno mecânico. Foi retirado em torno de 0,5mm da parede do fundo. Mesmo reduzindo o seu fundo e acarretando uma diminuição da resistência total não houve uma melhora no rendimento do protótipo. Figura 4. Fervedor com fundo usinado

9 Aumento da Superfície de Contato A segunda modificação consiste em aumentar a superfície de contato do fundo do fervedor utilizando o cone de uma forma para pudim de mesmo material, melhorando a troca térmica do material aquecido com a água. Foi executado um furo no fervedor para poder alojar o cone da forma de pudim sendo ambos unidos através de um procedimento de soldagem, conforme Figura 5.Com isso foi aumentada sua superfície interna,para que houvesse uma maior eficiência na troca térmica. Figura 5. Fundo em forma de cone Colocação da aba metálica. A terceira modificação consiste na colocação de uma aba metálica para possibilitar que o ar quente nas laterais proveniente da chama seja mais bem aproveitado. Para tal, foi colocada uma chapa de zinco em volta do fervedor, conforme Figura 6. Figura 6. Fervedor com aba metálica

10 10 5. VALIDAÇÃO Cada configuração foi experimentada no mesmo dia a fim de evitar influências das condições climáticas no experimento, gerando dados com menor variação possível. Teve-se o cuidado para não haver correntes de ar que gerassem diferenças entre as medições. A ordem dos experimentos foi alternada para não haver tendência de resultados. As medições feitas nas quatro modificações foram realizadas com volume constante de 1,0 litro de água que se encontrava a uma temperatura inicial de 24,5ºC e temperatura ambiente de 25ºC. A intensidade da chama não foi modificada durante a alternância de testes para que se obtivesse o mesmo critério de queima. A posição do registro 1 não foi alterada durante as medições. Para fechamento ou abertura do GLP foi utilizado o registro 2. Conforme figura 7. Registro 1 para regulagem da vazão de GLP Registro 2 para abertura e fechamento da vazão de GLP Figura 7: Registros 1 Para a medida de temperatura foram utilizados um termopar tipo K junto com um termômetro de mercúrio que serviu para se obter a temperatura de referência, conforme figura 8.

11 11 Termopar tipo K Termômetro Figura 8:Instrumentação Foi realizada anotação de dados a cada variação de tensão do termopar e o tempo decorrido dessa variação até a água atingir a temperatura de ebulição. Os resultados obtidos foram computados e tabelados de acordo com a variação de tensão, tempo decorrido e temperatura no termômetro. A partir das leituras de tensão lidas no multímetro utilizou-se a tabela de conversão do termopar tipo K para se obter a temperatura da água.

12 12 6. RESULTADOS A temperatura ambiente medida foi de 25ºC, enquanto que a temperatura da água estava em torno de 24,5ºC. Os resultados das medições podem ser vistos na tabela Tabela 1: A tabela mostra a vantagem da modificação que consiste em colocar um cone no fundo do fervedor. O fervedor 3, colocação da aba, houve uma grande piora na eficiência térmica do experimento. A coluna da tensão indica o valor lido no multímetro e o valor da coluna 2 referindo-se a o termopar foi tirado da tabela do termopar tipo K. Tabela 1 Medidas de temperatura X tempo Fervedor original Fervedor 1 Fervedor 2 Fervedor 3 Tensão (mv) Tabela Termopar(ºC) Tempo (s) Tempera tura (ºC) Tempo (s) Tempera tura (ºC) Tempo (s) Tempera tura (ºC) Tempo (s) Tempera tura (ºC) 0,0 0,0 0 25,0 0 24, ,0 0 24,0 0,1 4, , , , ,0 0,2 6, , , , ,0 0,3 9, , , , ,0 0,4 11, , , , ,0 0,5 14, , , , ,0 0,6 16, , , , ,0 0,7 19, , , , ,0 0,8 21, , , , ,0 0,9 23, , , , ,0 1,0 26, , , , ,0 1,1 28, , , , ,0 1,2 31, , , , ,0 1,3 33, , , , ,0 1,4 36, , , , ,0 1,5 38, , , , ,0 1,6 41, , , , ,0 1,7 43, , , , ,0 1,8 46, , , , ,0 1,9 48, , , , ,0 2,0 50, , , , ,0 2,1 53, , , , ,0 2,2 55, , , , ,0 2,3 58, , , , ,0 2,4 60, , , , ,0 2,5 62, , , , ,0 2,6 65, , , , ,0 2,7 67, , , , ,0 2,8 70, , , , ,0 2,9 72, , , , ,0 3,0 74, , , , ,0 3,1 77, , , , ,0

13 Gráfico 1 - Temperatura X tempo 120,0 100,0 Fundo Espessura Reduzida Cone Interno Cone Interno + Aba Cone Interno + Tampa 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0

14 7. CONCLUSÕES Ao analisar os experimentos realizados pode-se concluir que nem todo as modificações melhoraram a eficiência térmica do fervedor. Modificando a espessura do fundo do fervedor obtivemos uma pequena diminuição do tempo necessário para ferver um litro de água. Esta modificação foi aplicada por meio da retirada de material do fundo do fervedor por meio de usinagem. Foi concluído que esta etapa de fabricação seria completamente inviável devido a dificuldade e o custo de se usinar cada fervedor, portanto, para se aplicar esta otimização seria necessário melhorar os parâmetros de conformação para se obter uma espessura mais fina do fundo do fervedor. Modificando o fundo do fervedor com a soldagem de um cone proveniente de uma forma para pudim de mesmo material consegui-se uma boa eficiência térmica devido ao aumento da superfície interna de contato com a água. Esta modificação se fosse aplicada na produção em grande escala do fervedor necessitaria de mais uma etapa de conformação. Isso elevaria o custo de produção. Incluindo também uma chapa de zinco na lateral do fervedor com o objetivo de aproveitar melhor o ar quente em contato com as paredes externas do fervedor, concluiu-se que houve maior perda de calor por condução do fervedor para a aba de zinco funcionando como uma aleta. Esse foi o pior caso. A aquisição de dados poderia ser melhores se fosse utilizado um multímetro com resolução maior. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS SCHNEIDER Paulo, Apostila Teermometria, GESTE, Porto Alegre RS, Brasil INCROPERA, F. P.e De Witt, DP.; Fundamentos da Transferência de Calor e Massa Tabela de Avaliação: Qualidade do Relatório Fundamentação Instrumentação Resultados e conclusões Incertezas Criatividade