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 MEDIÇÃO DE DESEMPENHO DE CHAPAS CONCENTRADORAS DE CHAMAS por Marauê Pinheiro Nunes (124907) Ruth Renati Ractz Martins (124978) Vitor Hugo Machado da Silveira (124887) Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Porto Alegre, junho de 2008.

2 2 Medição de desempenho de chapas concentradoras de chamas RESUMO Este trabalho tem o objetivo de avaliar o desempenho de chapas metálicas concentradoras de chama como uma alternativa de melhor aproveitar a queima dos gases de uma chama de fogão. São utilizados dois tipos de chapas vendidas comercialmente e um anel envoltório desenvolvido durante esse trabalho para realização dos experimentos. Os equipamentos para os experimentos utilizados são termopares do tipo K, fios de compensação, uma panela, água como fluido, um fogão, um computador e um software para aquisição dos dados. Os resultados sem o uso de chapas concentradoras e com anel envoltório não apresentam diferenças significativas. Uso de chapas para melhor aproveitar a queima dos gases se mostra ineficiente com ambos os tipos de chapas. Com o uso destas chapas cria-se uma camada de ar entre as chapas e a panela formando uma resistência para a transferência do calor para o fundo da panela. O tempo de ebulição da água com o uso de chapas é superior do que sem o uso, indicando a ineficácia das mesmas. PALAVRAS-CHAVES: Chamas, termopares, anel, temperaturas, tempo.

3 3 Performance measurement of metal device to concentrate stove flames ABSTRACT This work is to evaluate the performance of sheet metal devices used to concentrate stove flames as an alternative to better exploit the burning of the gas flame of a stove. Two type s sheet metal devices commercialy sales and a ring wrap develop during this work for conducting the experiments. The equipments used for the experiments are the type thermocouples K, yarn compensation, a pan, water as fluid, a stove, a computer and software for data acquisition. The results without use of metal devices and with ring wrap not have significant differences. Use of sheet metal devices to concentrate the flames and increase the gas burning efficiency do not show any good result with both types of devices. With the use of these devices there is a layer of air between those and ladle forming a resistance to the transfer of heat to the bottom of the pot. The time for boiling water with using the metal devices is higher than without the use, indicating the ineffectiveness of them. KEYWORDS: Flames, thermocouples, ring, temperatures, time.

4 4 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO 5 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 6 3. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Definição dos equipamentos Montagem da bancada Procedimento experimental RESULTADOS Panela sem chapa concentradora de chamas Panela com chapa grande concentradora de chamas Panela com chapa pequena concentradora de chamas Panela com anel envoltório Resultados finais CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 24

5 5 1. INTRODUÇÃO Atualmente vivemos em um mundo com escassez de energia, portanto a sociedade deve se preocupar com os problemas que o consumo sem limites pode causar. Desperdiçando mais, ampliaremos a necessidade de geração de energia e a construção de novas unidades produtoras, o que pode causar impactos ambientais tremendos. Combater o desperdício é usar energia de forma inteligente, pensando nisso fez-se a medição de desempenho de chapas concentradores de chamas e de um anel envoltório em uma panela, pois buscamos o máximo desempenho com um mínimo consumo. Ao realizar a medição simulou-se em laboratório um ambiente com fogão e panela, colocou-se para ferver 1,8 litros de água e mediu-se o tempo que a água levaria para ferver e o quanto gastaria de gás neste mesmo tempo. Após isto se comparou o desempenho da panela com o uso de dois tipos de chapas concentradoras de chamas e também com um uso de um anel envoltório na borda inferior da panela, a fim de frear o escape da chama. Para as medições utilizamos termômetros, termopares tipo K - e fios de compensação, além de um coletor de dados que possibilitou a comparação das curvas de aquecimento.

6 6 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Transferência de calor é o nome dado ao fluxo da energia térmica (que Durante a transferência recebe o nome de calor) de uma parte para outra de um mesmo corpo. [Frank P. Incropera, 2002]. Esse fenômeno pode se processar de três maneiras diferentes: condução, convecção e radiação. 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. A lei que rege a transferência por condução é mostrada abaixo. q x T = k (1) x x Onde q x é o fluxo de calor na direção x em W/m, k x é condutividade térmica em W/m.K e T é o gradiente de temperatura na direção x. x 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. O fenômeno de convecção é descrito pela lei abaixo. q x h A T T = ( ) (2) sup ext Onde h é o coeficiente de troca de calor por convecção em W/m 2.K, A é a área de troca de calor em m 2, T ext é a temperatura do exterior e T sup é a temperatura da superfície. Por fim, a radiação 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 radiação ocorre no vácuo e também em meios materiais. Para o caso de um queimador de fogão, ao aquecer-se uma panela, tem-se perda de calor pelas três maneiras.

7 7 3. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS O procedimento de ensaios se dividiu em três etapas: Definição dos equipamentos; Montagem do bancada; Procedimento experimental Definição dos Equipamentos - PANELA Optou-se pela utilização de uma panela já existente no laboratório, sendo que essa era dotada de termopares tipo K - no centro e na parte lateral do fundo da panela. A panela apresenta 20 cm de diâmetro e 9 cm de altura com espessura de 2mm, o que representa bem uma panela normalmente utilizada no dia a dia, como mostrado na Figura 1. 9 cm 20 cm Figura 1 Panela utilizada apresentando suas dimensões - TERMOPAR DO TIPO K A utilização do termopar do tipo K (Cromel/Alumel) deveu-se não somente a já estar instalado na panela, mas também por sua boa performance neste tipo de experimento. Este termopar tem um baixo custo e, devido à sua popularidade, estão disponíveis variadas sondas. Cobrem temperaturas entre os -200 e os 1370 C, tendo uma sensibilidade de aproximadamente 41µV/ C. Figura 2 Termopar do tipo K

8 8 - FLUIDO O fluído escolhido para testes foi água devido as suas vantagens e facilidades, pois a água já tem suas características de mudanças de fase definidas. Sendo assim tivemos como estabelecer parâmetros a serem medidos, tais como a temperatura de ebulição da água. O volume de água utilizado foi de 1,8 litros, aproximadamente. - FOGÃO O fogareiro utilizado já pertencia ao laboratório e representa de maneira similar um fogão caseiro, não reproduzindo fielmente devido as quatro mini-bocas de 2 cm enquanto em um fogão caseiro normalmente apresenta somente uma boca de 8 cm de diâmetro. Foi feita uma marca no regulador de vazão, para garantir que em todos os ensaios tenhamos a mesma intensidade de chama, mostrado nas figuras abaixo. Figura 3 Fogareiro usado no experimento Figura 4 Marca para padronizar a intensidade de chama

9 9 - MEDIDOR DE VAZÃO Para realizar a medida de vazão contamos com um contador de gás já existente no laboratório, onde se anotou os valores iniciais e finais do contador. Assim a diferença entre o valor final e inicial foi a quantidade de gás utilizado para ferver a água por experimento. Figura 5 Medidor de volume de gás - CHAPAS CONCETRADORAS DE CHAMAS e ANEL As chapas concentradoras de chamas foram adquiridas mercado normal, que dispunha de dois tamanhos, materiais e formas diferentes, conforme pode ser verificado na figura abaixo: 10 cm 14 cm 4cm 4cm Figura 6 Modelos de chapas concentradoras encontradas no mercado e utilizadas no experimento

10 10 - TERMÔMETRO Para as medições utilizaram-se dois termômetros, pois precisávamos medir em faixas de temperaturas diferentes. Na primeira parte do experimento utilizou-se um termômetro com faixa de medição de 1-50ºC para verificar a temperatura inicial da água e posteriormente um termômetro com faixa de medição de 50 ºC a 110ºC, onde pudemos computar o tempo que decorreu até a água atingir 50º e 100ºC. Figura 7 Termômetros usados - AQUISIÇÃO DE DADOS Para a aquisição de dados optamos por utilizar HP3497OA Data Acquisition Switch Unit juntamente a um computador que pertencem ao laboratório. Figura 8 Equipamentos utilizados na aquisição de dados

11 Montagem da bancada A bancada utilizada no presente trabalho encontra-se no Laboratório LETA no Departamento de Engenharia Mecânica inserido na Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Esta mesma é composta por: Um fogão de uma boca; Panela; Chapas concentradoras de chamas; Termopares; Fios de compensação; Equipamento de aquisição de dados; Computador. A bancada foi montada de maneira prática para as medições. A panela inicialmente fica apoiada diretamente sob o fogão e acima dela o Termômetro fica imerso até a metade do líquido de água. Quando a medição é realizada com a chapa concentradora, esta mesma de localiza entre a panela e o fogão. Os termopares são ligados ao aparelho de aquisição de dados através de fios de compensação que possibilitam a coleta do sinal. A montagem pode ser verificada na figura abaixo: Figura 9 Bancada de experimento

12 Procedimento experimental Com base na bancada de experimento e equipamentos de citados acima, os testes seguiram o padrão descrito abaixo: Montagem da panela em todas as situações sobre o fogareiro. Observa-se que o centro da panela deve coincidir com o centro das chamas; Conexão dos termopares à placa de aquisição de dados. Os cabos de compensação definem os canais de aquisição; Preenchimento da panela de teste com água de torneira até a marca delimitada e citada anteriormente. Imediatamente mediu-se a temperatura da água usada no teste; Acomodação do termômetro no pedestal e afixação do mesmo na faixa central da panela; Configuração dos canais de aquisição de dados de acordo com os parâmetros solicitados pelo software. Ajustes para obtenção dos gráficos bem como calibração dos termopares; Coleta do dado de volume inicial de gás; Acendimento da chama seguindo padrão já mencionado e posterior inicia-se a aquisição de dados; Observação do avanço da temperatura da água, isto é, controlar o tempo de chegada da temperatura da água na faixa de 50ºC. Haja vista que o termômetro localizado no centro da panela mede temperatura na faixa dos 50ºC aos 100ºC; Observação do processo até a chegada da água na temperatura de fervura para a pressão no dia da medição; Chegada à temperatura de fervura, desliga-se a vazão de gás, anota-se o volume final de gás mostrado no medidor. Interrompe-se a aquisição de dados e exportam-se os dados para uma planilha do Microsoft Excel; Retira-se o termômetro do centro da panela; Esvazia-se a panela; Aguarda-se o resfriamento da mesma; Repetem-se as etapas anteriores para os três demais casos. Desse procedimento, definiu-se como mensurados: o consumo de gás com base nos dados de contagem inicial e final de volume de gás; o tempo para atingirem-se os 50ºC; o tempo para atingir-se a fervura do conteúdo e as temperaturas no fundo da panela tanto centro quanto parte periférica.

13 13 4. RESULTADOS 4.1. PANELA SEM CHAPA CONCENTRADORA DE CHAMAS O caso da panela sem chapa concentradora apresenta uma situação na qual a chama espalha-se por uma área maior, o que não significa uma melhor distribuição do calor. Conforme a literatura essa maior área de contato da superfície da panela com a chama favorece as correntes de convecção. Figura 10 Experimento sem chapa nem anel envoltório. Abaixo segue um esquema que exemplifica o comportamento da chama: Figura 11 Esquema indicativo do comportamento das chamas para o caso de panela sem chapa concentradora de chamas, nem anel envoltório. Com base nos dados adquiridos, a panela apresentou a seguinte distribuição de temperaturas no fundo de panela, considerando o inicio da medição até o momento que água ferve. Pelo gráfico percebe-se que a temperatura medida em ambos os termopares tende ao equilíbrio a partir dos 11 minutos de experimento. O tempo de chegada aos 50ºC foi de 4minutos e 27 segundos, já o tempo de fervura da água foi de 13minutos e meio, tudo isso com um

14 14 consumo de 11,5 decímetros cúbicos. Abaixo se tem o gráfico que ilustra a distribuição de temperaturas no fundo de panela. Temperatura (ºC) x Tempo (seg) Temperatura no fundo da panela (ºC) 150,00 120,00 90,00 60,00 30,00 0, Tempo (seg) Temperatura no fundo da panela (centro) Temperatura no fundo da panela (lateral) Figura 12 Gráfico representando a evolução da temperatura medida por ambos os termopares existentes na panela para o caso de panela sem chapa concentradora de chamas.

15 PANELA COM CHAPA GRANDE CONCENTRADORA DE CHAMAS Para a situação da panela com chapa grande concentradora apresenta uma situação na qual a chama concentra-se mais na parte central da panela, também se observa que chama não se espalha radialmente a ponto de atingir a superfície da panela. Esse fato faz com que a diferença de temperatura superficial entre os termopares fosse a maior. Figura 13 Experimento com chapa maior. Abaixo temos um esquema que exemplifica o comportamento da chama: Figura 14 Esquema indicativo do comportamento das chamas para o caso de panela com chapa grande concentradora de chamas.

16 16 Com base nos dados adquiridos, a panela apresentou a seguinte distribuição de temperaturas no fundo de panela. Graficamente percebe-se que a temperatura medida em ambos termopares tende ao equilíbrio a partir dos 26 minutos e 40 segundos de experimento. O tempo de chegada aos 50ºC foi de 8minutos e 35segundos, já o tempo de fervura da água foi de 25minutos, tudo isso com um consumo de 18,5 decímetros cúbicos. Abaixo se tem o gráfico que ilustra a distribuição de temperaturas no fundo de panela. Temperatura (ºC) x Tempo (seg.) Temperatura no fundo da panela (ºC) Tempo (seg) Temperatura no fundo da panela (centro) Temperatura no fundo de panela (lateral) Figura 15 Gráfico representando a evolução da temperatura medida por ambos os termopares existentes na panela para o caso de panela com chapa grande concentradora de chamas.

17 PANELA COM CHAPA PEQUENA CONCENTRADORA DE CHAMAS Para a panela com chapa pequena concentradora apresenta uma situação na qual a chama concentra-se mais na parte central da panela, entretanto se observa que chama se espalha radialmente a ponto de atingir a superfície da panela. Esse fato faz com que a diferença de temperatura superficial entre os termopares seja menor se comparada com o caso anterior. Com essa situação ocorre um favorecimento da convecção na região onde a chama radialmente espalhada. Outro ponto a ser frisado é que a camada de ar entre a chapa e a panela é menor se compararmos com o caso da chapa maior. Figura 16 Experimento com chapa menor. Abaixo temos um esquema que exemplifica o comportamento da chama:

18 18 Figura 17 Esquema indicativo do comportamento das chamas para o caso de panela com chapa pequena concentradora de chamas. Com base nos dados adquiridos, a panela apresentou a seguinte distribuição de temperaturas no fundo de panela. Graficamente percebe-se que a temperatura medida em ambos os termopares tende ao equilíbrio a partir dos 17 minutos de experimento. O tempo de chegada aos 50ºC foi de 7minutos e 40 segundos, já o tempo de fervura da água foi de 25minutos, tudo isso com um consumo de 17,5 decímetros cúbicos. Abaixo se tem o gráfico que ilustra a distribuição de temperaturas no fundo de panela. Temperatura (ºC) x Tempo (seg.) Temperatura no fundo da panela (ºC) 150,00 120,00 90,00 60,00 30,00 0, Tempo (seg) Temperatura no fundo da panela (centro) Temperatura no fundo da panela (lateral) Figura 18 Gráfico representando a evolução da temperatura medida por ambos os termopares existentes na panela para o caso de panela com chapa pequena concentradora de chamas.

19 PANELA COM ANEL ENVOLTÓRIO Para a panela com anel envoltório apresenta uma situação na qual a chama espraia-se radialmente, entretanto a mesma ao chegar à superfície do anel concentra-se nesta região. Esse fato faz com que a diferença de temperatura superficial entre os termopares seja menor se comparada com os demais casos. Com essa situação apresenta convecção melhor distribuída, semelhante ao caso da panela sem chapa. Figura 19 Experimento com anel envoltório. Abaixo temos um esquema que exemplifica o comportamento da chama: Figura 20 Esquema indicativo do comportamento das chamas para o caso de panela com anel envoltório.

20 20 Com base nos dados adquiridos, a panela apresentou a seguinte distribuição de temperaturas no fundo de panela. Graficamente percebe-se que a temperatura medida em ambos os termopares tende ao equilíbrio a partir dos 10 minutos de experimento. O tempo de chegada aos 50ºC foi de 4minutos e 27segundos, já o tempo de fervura da água foi de 13minutos e 6segundos, tudo isso com um consumo de 11,5 decímetros cúbicos. Abaixo se tem o gráfico que ilustra a distribuição de temperaturas no fundo de panela. Temperatura (ºC) x Tempo (seg) Temperatura no fundo da panela (ºC) 150,00 120,00 90,00 60,00 30,00 0, Tempo (seg) Temperatura no fundo da panela (centro) Temperatura no fundo da panela (lateral) Figura 21 Gráfico representando a evolução da temperatura medida por ambos os termopares existentes na panela para o caso de panela anel envoltório.

21 RESULTADOS FINAIS Com objetivo de mensurar os experimentos, os dados coletados foram reunidos em uma tabela, conforme se observa abaixo: Tabela 1 Valores medidos para os quatro casos estudados. Anel Chapa Maior Chapa Menor Sem Chapa Temperatura Inicial (em ºC) 17,5 13,5 13,5 17,5 Temperatura Final (em ºC) Contador Inicio (em m 3 ) , ,5 Contador Fim (em m 3 ) 51277, , Consumo de Gás 11,5 18,5 17,5 11,5 Tempo para 50ºC 04:29 08:35 07:40 04:27 Tempo de Fervura 13:06 26:40 25:00 13:30 A seguir têm-se gráficos que mostram a evolução da temperatura na superfície da panela em função do tempo de experimento. O primeiro gráfico mostra essa evolução para o termopar situado na parte central do fundo da panela. Observam-se dois padrões de distribuição, o primeiro sem chapa e com anel envoltório que apresenta uma convergência mais rápida ao equilíbrio e também em menos tempo, já o segundo padrão apresenta uma convergência mais lenta. Isso ficou evidenciado pelo diferencial de temperatura entre os dois pontos de medida, isto é, a diferença de temperatura medida no fundo da panela centro e lateral foi maior para os casos de uso das chapas concentradoras.

22 22 Temperatura ( C) x Tempo (seg.) Temperatura no fundo da panela (centro em C) 160,00 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0, Tempo (seg.) Anel Sem chapa Chapa menor Chapa maior Figura 22 Gráfico representando a evolução da temperatura medida no fundo da panela posição centro para as quatro possibilidades. Abaixo temos as distribuições de temperatura para o fundo da panela na região lateral. Os padrões de comportamento são mantidos em relação á análise anterior. Temperatura ( C) x Tempo (seg.) Temperatura no fundo da panela (lateral em C) 160,00 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0, Tempo (seg) Anel Sem chapa Chapa menor Chapa maior Figura 23 Gráfico representando a evolução da temperatura medida no fundo da panela posição lateral para as quatro possibilidades.

23 23 5. CONCLUSÕES O objetivo deste trabalho foi de avaliar o desempenho de placas concentradoras de chamas e anel envoltório em aplicações domésticas como esquentar água, por exemplo. Baseado na tabela e gráficos apresentados acima se pode concluir que os casos mais efetivos são aqueles em que a chama pode ser espalhada por uma maior área de contato, ou seja, o uso de chapas se torna ineficaz. Conclui-se também que esta ineficiência das chapas deve-se maior resistência á transferência de calor para a panela, e posteriormente ao fluido de estudo. Fato que pode ser evidenciado com os resultados de tempo de fervura, tempo de chegada aos 50ºC, confirmando-se com o consumo de gás que foi maior no caso de uso das chapas. A chapa maior se mostrou menos eficiente e mais lenta devido à mesma representa a maior resistência à transferência de calor e também menor área de contato direto entre os queimadores e a panela, conforme o esquema mostrado abaixo. O mecanismo de transferência de calor acontece através da placa aquecida em contacto com o ar, as moléculas de ar se chocam com a placa e absorvem energia térmica. Quando estas moléculas chocam com outras transferem parte da energia que ganharam da placa. Através de colisões sucessivas a energia térmica da placa vai sendo transferida para o ar, para regiões cada vez mais afastadas da placa quente, ou seja, um processo de condução através do ar. Se apenas houvesse este processo o aquecimento do ar seria muito lento. Montra claramente um movimento de conjunto das moléculas do ar, e é o movimento em bloco de massas de ar que corresponde ao transporte por convecção. Porém a baixa condutividade térmica e pequeno coeficiente de transferência térmica do ar causam uma restrição ao aquecimento da panela, fazendo com que o tempo de aquecimento seja superior do que sem o uso destas chapas. Os testes realizados com o anel envoltório mostram que o mesmo apresenta pouca eficiência em melhor aproveitar os gases da chama, pois os resultados não apresentaram diferenças significativas em relação ao experimento sem uso de dispositivo. Portando, podemos concluir que as chapas concentradoras de chamas não servem para melhorar a desempenho de um fogão, além de representarem uma resistência a mais na transferência de calor das chamas para o líquido que se quer esquentar.

24 24 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Frank P. Incropera, David P. Dewit, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Fifth Edition, John Wiley & Sons, Inc. Schneider Paulo, Apostila - Termometria, GESTE, Porto Alegre RS, Brasil. Guerra Rui, Condutividade, Universidade do Algarve, Portugal.