OTIMIZAÇÃO DO APROVEITAMENTO TÉRMICO DE UMA PANELA CONVENCIONAL

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA OTIMIZAÇÃO DO APROVEITAMENTO TÉRMICO DE UMA PANELA CONVENCIONAL Por Cristiano Zucco Marcos E. Jokiaho Marcus Vinícius Rodrigo M. Huppes Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas - ENG Porto Alegre, 04 de Novembro de 2007.

2 2 ii RESUMO O presente trabalho tem como objetivo desenvolver o projeto de uma panela, buscando aumentar a sua eficiência térmica. Sabe-se que, o maior problema das panelas convencionais, são as perdas de calor, principalmente por radiação, experimentadas por suas extremidades. Logo, o projeto, através de uma saia soldada no local abordado, prevê que essa perda de calor pode ser reduzida, redirecionando praticamente todo o fluxo de calor convectivo e radioativo para a superfície inferior e lateral da panela, submetidas à troca de calor com a chama. A saia, fabricada em aço carbono, permite convergir esse fluxo devido à sua geometria côncava. Com os testes realizados, torna-se possível fazer um comparativo entre uma panela comum e a panela-protótipo e, posteriormente, pode-se avaliar, com o auxílio dos dados das eficiências térmicas das panelas, se o aumento de custo de fabricação traria retorno financeiro para aquele consumidor que adquirir a panela. Palavras chave: condução, convecção, radiação, transferência de calor, eficiência térmica.

3 3 iii SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO DADOS DAS PANELAS DESCRIÇÃO DA BANCADA PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL MENSURANDOS RESULTADOS OBTIDOS DISCUSSÃO DOS RESULTADOS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 14

4 4 1. INTRODUÇÃO As panelas comercializadas em mercados e lojas especializadas buscam atender e superar suas concorrentes atendendo às necessidades básicas do cliente - boa distribuição do calor na superfície, superfície antiaderente e preferencialmente que tenha um preço acessível ao mercado almejado. Em contrapartida, questões como o rendimento térmico são colocadas de lado, uma vez que a elaboração de uma panela com um melhor aproveitamento térmico acarretaria em um custo maior de fabricação. Porém, adquirir uma panela com um rendimento térmico maior não significa somente possuir um item com um preço maior que a panela comum. Uma panela bem projetada precisa de menos calor para aquecer uma substância qualquer ao compararmos com a panela comum. Logo se é necessário uma quantidade menor de calor, a quantidade de gás consumida pelo fogão será reduzida também, com isso reduzimos o consumo do GLP (Gás Liquefeito de Petróleo). Reduzir o consumo de GLP significa uma redução nos gastos do orçamento familiar e conforme os níveis de redução e a utilização da panela pode ser possível termos um payback do investimento inicial. Uma vez que o GLP é um dos muitos produtos derivados do petróleo, seguindo uma visão mais sistêmica, podemos dizer que reduzindo o consumo de GLP estaremos também contribuindo para a redução do consumo das reservas, já escassas, de petróleo.

5 5 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Transmissão de calor é a denominação dada à passagem da energia térmica (que durante a transferência recebe o nome de calor) de um corpo para outro ou de uma parte para outra de um mesmo corpo. Essa transmissão pode se processar de três maneiras diferentes: condução, convecção e irradiação. A condução é o processo de transmissão de calor em que a energia térmica passa de um local para outro através das partículas do meio que os separa. A passagem da energia de uma região para outra se faz da seguinte maneira: na região mais quente, as partículas têm mais energia, vibrando com mais intensidade; com esta vibração cada partícula transmite energia para a partícula vizinha, que passa a vibrar mais intensamente; esta transmite energia para a seguinte e assim sucessivamente. A condução de calor é um processo que exige a presença de um meio material e que, portanto, não ocorre no vácuo. Já a convecção é um movimento de massas de fluido, trocando de posição entre si. Notemos que não tem significado falar em convecção no vácuo ou em um sólido, isto é, convecção só ocorre nos fluidos. Por fim, a irradiação é o processo de transmissão de calor através de ondas eletromagnéticas (ondas de calor). A energia emitida por um corpo (energia radiante) se propaga até o outro, através do espaço que os separa. Sendo uma transmissão de calor através de ondas eletromagnéticas, esta não exige a presença do meio material para ocorrer, isto é, a irradiação ocorre no vácuo e também em meios materiais. Num queimador de fogão, ao aquecer-se uma panela, tem-se perda de calor pelas três maneiras. Desta forma, este experimento tem como objetivo central reduzir a perda de calor principalmente por irradiação. Para isso, foi projetado um objeto capaz de direcionar essa energia para a panela, aumentando assim, a quantidade de calor recebida pela mesma.

6 6 3. CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO A panela-protótipo foi confeccionada na empresa Metal-Sul localizada na avenida Imperatriz Leopoldinense em São Leopoldo RS. Para a construção do protótipo partiu-se da idéia de uma panela convencional, soldandose à sua base uma saia para contenção da radiação térmica e das correntes convectivas. A confecção de uma panela com materiais espessuras adequados requer materiais, ferramentas e máquinas que não são encontrados facilmente no mercado para pequenos consumidores. Para contornar esta dificuldade utilizou-se um tubo de aço com um disco soldado em uma de suas extremidades. Tanto o tubo quanto o disco possuíam uma espessura maior do que a desejada, porém devido à escassez de material fomos obrigados a utilizar esta espessura de chapa. A saia citada acima foi construída com o mesmo material do restante do protótipo e conformado em uma calandra. A panela base e a panela-protótipo podem ser vistas, respectivamente, nas figuras 2 e 3. Figura 2 Figura 3 Visando maximizar o aproveitamento térmico colocou-se uma aleta ao longo da superfície lateral externa da panela, fazendo com que a mistura ar + gás quente permanecesse mais tempo em contato com a superfície e aumentando a área trocadora de calor. Como confeccionar uma aleta para a superfície curva necessitaria a utilização de um maquinário especial, optou-se em usar uma mola de suspensão para fazer o papel da aleta, conforme a figura 4. Porém, ao utilizarmos uma mola, acrescentamos mais massa a um sistema que já possuía peso demais. Além da eficiência térmica da mola como aleta ser muito baixa, não se conseguiu a liberdade para definir o tamanho da mesma, ficando preso à espessura da mola que encaixasse na

7 7 panela. Isto tornou o diâmetro hidráulico muito pequeno, comprometendo a liberação dos gases queimados e sufocando a chama. Figura 4 Para forçar que o fluxo de ar + gás ficasse em contato com as aletas, colocou-se um outro tubo de diâmetro maior, que selasse a superfície aletada e criasse um canal para o fluxo do ar + gás. Esta adição acrescentou ainda mais massa ao sistema, como pode ser visualizado na figura 5. Figura 5 Como a nova superfície externa estaria exposta ao ar em temperatura ambiente, colocouse ainda um isolante térmico (lã de vidro) figura 6 - e mais um tubo para proteger a lã de vidro e possibilitar o manuseio da panela. Com esta adição a panela foi finalizada, mas com um peso muito acima do desejado figura 7. Figura 6

8 8 Figura DADOS DAS PANELAS Materiais Na a confecção das panela-protótipo e panela convencional foi utilizado um aço carbono 1045 sendo ainda, a mola de aço carbono 1020; Peso Ao final da construção, a panela-protótipo e a panela convencional ficaram respectivamente com pesos de 4,32 kg e 0,25 kg ; Dimensões As principais dimensões da panela convencional e da panela-protótipo estão listadas abaixo em um quadro comparativo: Dimensão Panela convencional Panela-protótipo Corpo 1,6 1,6 Espessura (mm) Pés - 3,2 Chapa em cima da panela - 4,1 Diâmetro interno (mm) 73,98 73,98 Diâmetro externo (mm) 76,2 140,3 Volume interno (m³) 0, ,00041

9 9 3.2 DESCRIÇÃO DA BANCADA Composta por: Panela comum e panela-protótipo foto 1; Foto 1 Termômetro com escala 0 50 C, termômetro com escala C, botijão de gás, medidor de vazão, fogareiro, suporte de sustentação do fogareiro para a panela, relógio com cronômetro. A bancada, de um modo geral, pode ser vista na foto 2. Foto 2

10 10 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Depois de confeccionado o protótipo da panela, o mesmo foi levado, juntamente com modelo de panela convencional, para o Laboratório de Estudos Térmicos e Aerodinâmicos - LETA, onde se realizaram testes sob a supervisão do técnico e responsável pelo laboratório, seguindo a seguinte seqüência: - Pegou-se as duas panelas, com mesmas dimensões internas, e instrumentos adequados para que fossem medidos e comparados o tempo de aquecimento, variação de temperatura e o consumo de gás - calculado a partir da medição da vazão de gás; - Encheu-se a panela com água, conforme esquema da figura 8; - Colocou-se a panela comum no fogo, com uma vazão controlada e constante de gás, salvo pequenas variações intrínsecas ao fogareiro. Para a medição das temperaturas, usaram-se os dois termômetros, simultaneamente - um para as medições de temperatura entre 0 e 50 C e outro para as medições entre 50 e 100 C. O posicionamento dos termômetros dentro das panelas deuse conforme a figura 8 abaixo; Figura 8 - Para medição do tempo usou-se um relógio com cronômetro. A medição começou com temperatura ambiente para a água e tempo zero. De 30 em 30 segundos verificou-se a temperatura e a vazão de gás. Monitorou-se as condições de operação da panela até a temperatura de 80 C;

11 11 - Repetiu-se o experimento por três vezes e calculou-se uma média dos valores encontrados nas medições, para assim, chegar-se a uma conclusão; - Realizou-se o mesmo procedimento e medições com a panela-protótipo. 4.1 MENSURANDOS Tempo Temperaturas Vazão de gás 4.2 RESULTADOS OBTIDOS Valores encontrados de tempo, temperatura e quantidade de gás consumidos pelos dois modelos de panela. Tempo (s) PANELA COMUM PANELA-PROTÓTIPO Temperatura ( C) Gás consumido (dm³) Temperatura ( C) Gás consumido (dm³) Total (dm³) = Total (dm³) =

12 12 O gráfico abaixo mostra a variação da temperatura da água contida nos dois modelos de panela em função do tempo de aquecimento. Temperatura X Tempo Temperatura ( C) Tempo (s) Panela Comum Panela Protótipo 4.3 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Percebe-se que a nossa panela possui eficiência inferior à panela comum. A causa deste baixo rendimento é o fato que devido às dificuldades encontradas durante a confecção da panela, não foi possível utilizar materiais e dimensões adequadas. Esta dificuldade gerou a necessidade do uso de materiais com forma e principalmente com espessura maior do que a desejada. O uso destes materiais resultou em um grande aumento da massa da panela, fazendo com que sua inércia térmica se tornasse muito alta. Em função da grande inércia térmica da panela-protótipo, uma grande parcela da energia liberada na queima do gás GLP é dissipada no aquecimento da panela em si e não na transferência de calor para o líquido no interior da panela. Outro fator importante que prejudicou o desempenho da panela-protótipo, foi o fato da mesma ter sido projetada para operar em fogões domésticos convencionais que podem ter sua grade removida e não em queimadores. Como o teste foi realizado em um queimador, no qual a grade de sustentação não pode ser removida, a panela operou em uma posição inadequada, deixando um grande vão livre entre o bocal de queima do gás e a panela. Isto permitiu que a radiação liberada do fogo escapasse por baixo da panela, não só tornando a saia (que deveria conter esta radiação) inútil, mas também fazendo com que ela piorasse o rendimento da panela, uma vez que a saia fez a base da panela ficar mais longe ainda do fogo.

13 13 5 CONCLUSÃO Com base nos fatos apresentados anteriormente no presente trabalho, concluímos que a panela-protótipo desenvolvida pelo grupo não apresentou os resultados desejados. Sendo o insucesso do projeto, atribuído às dificuldades do processo de fabricação, uma vez que a panela não pode ser confeccionada do modo que o grupo desejava. Entretanto acreditamos que a proposta apresentada pelo grupo, se confeccionada com materiais apropriados e nas dimensões corretas pode melhorar o rendimento térmico de uma panela convencional. Logo, seriam necessários novos estudos e um novo projeto dando ênfase à solução dos problemas detectados neste primeiro protótipo. Um aspecto que foi levantado durante a realização do trabalho foi a questão do custo de confecção da panela. Porém como a panela foi construída artesanalmente seu custo não representa o custo real que uma empresa de grande porte teria ao produzir em série uma panela com as características do nosso protótipo. Adicionando-se a isto, o fato da panela não ter apresentado os resultados esperados, faz com que a relação Custo X Benefício não possa ser calculada, uma vez que o custo para se obter a panela com as características corretas ainda é desconhecido.

14 14 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS - INCROPERA, Frank P, DEWITT, David P. Fundamentos de Transferências 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, SCHNEIDER, Paulo, Apostilas e Material de Aula, Escola de Engenharia UFRGS, 2007.