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 MELHORIA NA TRANSFERÊNCIA TÉRMICA EM UMA PANELA por Celson Eduardo Pauli Lanius Guilherme Leme Raponi Renato Tonin Dornelles Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, dezembro de 2009.

2 DORNELLES, R. T.; LANIUS, C. E. P.; RAPONI, G. L. Melhoria na Transferência Térmica em uma Panela f. Monografia (Trabalho de Final da Disciplina de Medições Térmicas) Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RESUMO Com a intenção de aumentar o a transferência de calor em equipamentos de cozinha, realizou-se um estudo para otimização do tempo de aquecimento da água em uma determinada panela. Depois de alguns testes realizados verificou-se que a melhor performance obtida foi com a panela sem tampa, com toda a parte externa pintada de preto e com um envoltório externo feito para refletir e direcionar o calor da chama. A avaliação da performance foi feita através do tempo decorrido para o aquecimento da água de 24ºC até 80ºC. Os resultados obtidos demonstram que as paredes laterais da panela também absorvem calor e a tinta preta aumenta a absortividade da panela. Observou-se que a tampa da panela serve como aleta dissipadora de calor e prejudica no rendimento. No final, chegamos a um ganho de aproximadamente 19,5% em relação à panela original comprada pelo grupo. PALAVRAS-CHAVE: Transferência de Calor, Otimização, Panela, Reflexão.

3 DORNELLES, R. T.; LANIUS, C. E. P.; RAPONI, G. L. Melhoria na Transferência Térmica em uma Panela f. Monografia (Trabalho de Final da Disciplina de Medições Térmicas) Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, ABSTRACT With the intention to increase the transfer heat in kitchen equipment, there was a study for optimization of the heating water in a given pan. After some tests it was found that the best performance was obtained with the pan without lid, with all outside painted black and with an outer envelope made to reflect heat and direct flame. The performance evaluation was made using the run-time for heating water from 24ºC to 80ºC. The results shows that the side walls of the pan also absorb heat and black ink increases the absorptivity of the pan. It was observed that the lid of the pan serves as a fin heat sink and affect the efficiency. In the end, we came to a gain of about 19,5% over the original pan bought by the group. KEYWORDS: Heat Transfer, Optimization, Pan, Reflection.

4 ÍNDICE Pág. 1. INTRODUÇÃO 5 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 6 3. EQUIPAMENTOS E MÉTODOS UTILIZADOS Materiais e equipamentos Procedimentos para análise dos protótipos construídos 7 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 8 5. VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO RESULTADOS CONCLUSÃO 16 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 17

5 5 1. INTRODUÇÃO A evolução da humanidade fez com que o tempo se tornasse cada vez mais importante para o cidadão. À medida que a globalização cresce, temos a obrigação de fazer tudo o mais rápido possível para conseguir acompanhar os avanços tecnológicos. Cada vez mais cresce a procura por equipamentos mais rápidos e eficientes que permitam a realização de alguma tarefa em um espaço curto de tempo. Outro fator que está em discussão é a diminuição do consumo de combustíveis fósseis. Sua extração e reservas são limitados e seu consumo excessivo pode causar sua extinção, sem falar nos problemas ambientais causados pela sua queima como a poluição, o efeito estufa e outros. Para buscar alternativas de um aquecimento mais rápido, fez-se um estudo sobre a velocidade do aquecimento da água em uma leiteira. Nesse estudo procuraram-se alternativas para melhorar o aquecimento da água na leiteira, procurando modificar fisicamente sua estrutura e buscando alterar alguns parâmetros da mesma. Portanto, o presente trabalho tem o objetivo de aumentar a taxa de transferência de calor da chama de um fogão para 1 litro de água colocado em uma panela padrão.

6 6 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Foi realizada uma procura de trabalhos realizados anteriormente na disciplina, e foram encontrados três trabalhos que possuíam informações pertinentes. No trabalho onde foi feito um estudo da modificação do fundo de panelas para sua melhoria, foram feitas aletas de alumínio para melhor aquecimento, através de uma maior área de contato. Os resultados obtidos não foram satisfatórios. 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. [BASSIM, et al., 2007]. Analisando outro trabalho, onde foi feito uma tentativa de aumento no aproveitamento térmico, através de uma passagem de ar pela lateral da panela, percebeu-se uma idéia interessante....foi projetado um objeto capaz de direcionar essa energia para a panela, aumentando assim, a quantidade de calor recebida pela mesma. [ZUCCO, et al., 2007]. A colocação de uma mola na parte externa para forçar o fluxo de ar quente a permanecer mais tempo em contato acredita-se ser o ponto falho do projeto. Com base nos fatos apresentados anteriormente no presente trabalho, concluímos que a panela-protótipo desenvolvida pelo grupo não apresentou os resultados desejados. [ZUCCO, et al., 2007]. Esta melhora no desempenho desses utensílios é obtida através da utilização de um dispositivo simples, esse acessório é um aro colocado ao redor da panela que tem a função de: direcionar o fluxo dos gases de combustão ao redor das paredes da panela, diminuir o efeito de aleta das paredes e refletir a radiação emitida pela panela. [PALMA, 2007]

7 7 3. EQUIPAMENTOS E MÉTODOS UTILIZADOS 3.1. Materiais e equipamentos utilizados Para a realização do experimento o grupo utilizou os seguintes materiais: Panela Royal nº14; Tinta preta fosca para alta temperatura Renner; Chapas de alumínio 1mm de espessura; Rebites; Polidor de metais Brassso; Capa para fios de fibra de vidro; Multímetro modelo FT-266-C; Termopar tipo K; Cronômetro Casio HS-10W; Água tratada; Garrafa com marcação de 1 litro; Fogão da casa do estudante de ferro fundido; Ferramentas em geral, como tesoura para metal, martelo, alicate universal, alicate rebitador, furadeira; Todos os equipamentos de medição foram testados anteriormente. Os materiais para a confecção dos protótipos foram comprados em mercados e ferragens Procedimento para análise dos protótipos construídos Para a verificação de melhora ou piora nos protótipos fabricados, utilizou-se a comparação com a panela original, antes das modificações. O desempenho foi avaliado através do tempo necessário para a água no interior da panela sair de sua temperatura ambiente, 24ºC, e atingir 80ºC. O tempo foi medido em segundos. Todas as medições foram realizadas no mesmo dia, sob as mesmas condições climáticas. Assim evitamos a influência de temperatura externa, pressão e umidade relativa diferente para as medições efetuadas.

8 8 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Para a realização das modificações na panela, seguimos duas direções: a) Aumentar absorção de calor no fundo da panela e diminuir perdas na lateral; b) Aumentar absorção de calor no fundo da panela e aumentar absorção de calor na lateral; Para verificar a performance dos conceitos independentemente, foram realizadas medições a cada modificação do protótipo construído. Esse procedimento permitiu a identificação das modificações que influenciaram positiva e negativamente no tempo de aquecimento da água. O primeiro teste de tempo realizado foi com a panela sem a tampa. Como tínhamos duas opções na hora da compra da panela, com ou sem tampa, resolvemos testar para ver os resultados com ambas as condições. Na seqüência fez-se o abaulamento do fundo desta mesma panela, com a intenção de aumentar a área de contato com a chama, como pode ser visto na figura que segue. Amassando o fundo da panela para dentro da mesma, aumentamos a área de contato dela, mas ao mesmo tempo aumentamos a distância entre o fundo e a chama. Fig. 1 Detalhe do abaulamento feito no fundo da panela. A terceira medição foi realizada pintando somente o fundo da panela original. Utilizando a tinta preta fosca buscamos aumentar a taxa de transferência de calor por radiação na área onde a chama estava em contato devido à maior absortividade das superfícies negras. Em seguida, ao analisar o equipamento utilizado no laboratório de Medições Térmicas, que segue na figura 2, percebemos que o tamanho da boca da chama era consideravelmente grande para a panela utilizada. Foi visto que parte da chama sairia pela lateral da panela. Com isso produzimos uma espécie de saia na base da panela, que funcionaria como uma aleta. Esta saia de alumínio foi feita com o propósito de aproveitar o calor que saia pela lateral da panela e tentar

9 9 transmiti-lo por condução para a lateral. A saia lateral foi colocada na panela original com o fundo pintado de preto e pode ser vista na figura 3. Fig. 2 Detalhe da boca da chama do laboratório de medições. Fig. 3 Panela com o fundo preto e a saia lateral. Posteriormente realizamos o teste com o fundo preto, a saia lateral e acrescentamos a fibra de vidro em toda a lateral da panela e por cima da parte externa da saia. O intuito da colocação da fibra de vidro foi para alcançar uma redução da possível perda de calor pela lateral da panela. O detalhe pode ser visto abaixo.

10 10 Fig. 4 Configuração com a saia no fundo, tinta preta fosca no fundo e fibra de vidro nas laterais da panela. Como os resultados obtidos até o momento não foram satisfatórios, decidiu-se em partir para uma segunda parte do experimento, que visava além do aumento da absorção no fundo da panela, também o aumento de absorção pelas laterais da panela. Para isso, o primeiro teste realizado foi pintar toda a parte externa da panela de preto fosco, tanto no fundo quanto nas laterais, procurando aumentar a taxa de transferência de calor por radiação. Por último, aplicaram-se os conceitos de convecção natural do ar quente e reflexão da radiação emitida pela chama do fogão. Como dito anteriormente, a chama do fogão saia pela lateral da panela. Para aproveitar o fluxo de calor convectivo que era dissipado e a radiação, construiuse em alumínio uma espécie de envoltório. Este por sua vez, tem a base larga para evitar que a chama saia e seja afunilada logo depois para ficar próximo à parede da panela, permitindo que o fluxo de ar fique próximo da parede da panela, aumentando a taxa de calor transferido. O envoltório em alumínio pode ser visto a seguir. Fig. 5 Panela pintada com tinta preta fosca e com envoltório de alumínio.

11 11 Para isso buscou-se deixar a parede de alumínio a uma distância de, no máximo, 5mm, para manter o fluxo de ar quente com grande velocidade e bem próximo à panela, já que o coeficiente convectivo de transferência de calor é proporcional à velocidade do fluxo. Na chapa de a- lumínio também fez-se o polimento na parte interna, utilizando o polidor de metais Brasso, para que a reflexão fosse a melhor possível, transferindo parte do calor refletido à panela. Por fim, aproveitando o isolante de fibra de vidro utilizada nos testes anteriores, colocada na parte externa do envoltório de alumínio, reduziram-se as perdas de calor do mesmo. Estes detalhes podem ser visualizados abaixo. Fig. 6 Modelo de panela pintada externamente com tinta preta fosco, com envoltório de alumínio e isolada com fibra de vidro. Fig. 7 Detalhe do afastamento da lateral da panela com o envoltório de alumínio, por onde passa o ar aquecido.

12 12 Vale ressaltar que a bancada de testes utilizada foi sempre a mesma para todos os protótipos testados, para evitar desvios nos resultados das medições. O local das medições e parte dos equipamentos e materiais usados são vistos a seguir. Fig. 8 Local onde foram realizadas todas as medições. Fig. 9 Detalhe de alguns equipamentos usados no experimento.

13 13 5. VALIDAÇÃO As medições realizadas na panela-protótipo confeccionada pelo grupo foram realizadas em um fogão com boca de ferro fundido e com uma determinada vazão de gás pelos orifícios de saída, considerada sempre constante. Apesar de colocar a chama sempre no máximo, sempre haverá pequenas diferenças de vazão no fogão utilizado para o aquecimento. Utilizamos um termopar tipo K para as medições de tensão de saída dos cabos do termopar e um multímetro com voltímetro, na escala de 200mV. O termopar tipo K tem sua perna positiva de uma liga de níquel-cromo conhecida como cromel e a negativa de outra liga níquel-alumínio, chamada alumel. Pode operar na faixa de temperatura entre -200 a 1260ºC. Sua sensibilidade gira em torno de 0,041mV/ C Com o multímetro e o termopar foram feitas medições de temperatura. Como sabíamos o tipo de termopar que possuíamos, utilizando a tabela de termopares, descobrimos que a temperatura inicial da água usada estava a aproximadamente 24 C. A temperatura final de medição, de 80 C, foi estipulada pelo grupo como o ponto final de operação, onde é tomado o tempo de a- quecimento em chama. Para 80 C o termopar deve apresentar sinal de saída de 3,267mV. Como o equipamento usado tem menor graduação de 0,1mV, na escala de 200mV, pode-se ter erros de 2 C na leitura. Nas piores condições poderíamos ter erros ainda maiores, devido ao erro aleatório do termopar. Por isso, foram feitas de três a cinco medidas para cada condição, e o tempo apresentado é a média destes. O sensor termopar K também possui um erro de ± 2,2ºC para cada medição. Os resultados apresentados a seguir apresentam as incertezas relatadas, mas estão dentro do esperado pelo grupo.

14 14 6. RESULTADOS Para a identificação da temperatura final desejada de 80 C, tiram-se os valores de tensão correspondente da tabela do fabricante do termopar, que apresenta os valores abaixo: Tabela 1 Tensões e incertezas do termopar Termopar K Ambiente 0,960mV 24ºC ± 2,2ºC Termopar K Quente 3,267mV 80ºC ± 2,2ºC Utilizando a medição do termopar K para a diferença de temperatura ( T), e sabendo qual a tensão gerada nos terminais do termopar para 80 C, é possível identificar esta temperatura a- través da tensão exibida no voltímetro/multímetro. Como as medições foram todas feitas partindo de 24ºC até chegar a 80ºC, tiramos o tempo para a comparação entre todos os testes feitos. Abaixo os resultados dos testes realizados: Tabela 2 Tempos de aquecimento para T de 56 C Nº PROTÓTIPOS TEMPO (s) 1 Panela original c/ tampa Panela original s/ tampa Panela com fundo abaulado Panela com fundo preto Panela com fundo preto e saia Panela com fundo preto, saia e isolamento de fibra de vidro Panela toda pintada de preto Panela toda pintada de preto com envoltório Panela toda pintada de preto com envoltório e fibra de vidro 290 Obs: Todos os testes foram realizados no mesmo fogão, na casa do estudante. Ao longo dos testes realizados percebemos como funcionava o aquecimento da água no seu interior e assim definimos a sua melhor configuração. A água que está dentro da panela sofre aquecimento por todas as partes da panela, fundo e lateral e não apenas pelo fundo, como se imaginava primeiramente. Para aumentar a transferência de calor para a água é necessário aumentar o calor absorvido também pelas as laterais. Quanto mais perto a panela estiver da boca do fogão melhor, qualquer abaulamento para aumentar a área de contato afasta o fundo da panela e retém ar aquecido e parado na concavidade. A pintura da panela com uma tinta preta fosca para alta temperatura aumentou muito a transferência de calor, reduzindo o tempo para o aquecimento da água. Isso se explica porque a cor preta fosco tem absortividade muito maior, se comparada ao alumínio polido, como na panela original. Com o fundo pintado de preto, o tempo de aquecimento foi reduzido em 13,6%, se comparada à panela original. Como a lateral da panela também ajuda a transferir o calor que sobe pela lateral para a á- gua, a tinta na lateral ajudou na redução do tempo de aquecimento em mais 2,0%. A estrutura externa colocada para o direcionamento ar quente que sobe por convecção natural às laterais da panela pintada no fundo e lateral melhorou o rendimento se comparada à pa-

15 15 nela apenas pintada no fundo e lateral. O isolamento de fibra de vidro no envoltório também melhorou significativamente o resultado, pois evitou as perdas de calor pela parede do envoltório. A retirada da tampa da panela melhorou os resultados, pois ela atuava como uma aleta na dissipação do calor da água e do calor transferido pelas paredes laterais. A melhoria no rendimento total com todos os materiais e dispositivos que trouxeram melhora chegou a cerca 19,5% se comparado com a panela original.

16 16 7. CONCLUSÕES Buscando aumentar a taxa de transferência de calor da chama de um fogão para 1 litro de água colocado em uma panela e analisando os resultados obtidos com os testes realizados chegamos a algumas conclusões. A melhor configuração testada é com a tinta preta fosca em toda a parte externa da panela e com a estrutura lateral de alumínio isolada para direcionar o ar quente da chama para a lateral da mesma. A retirada da tampa também proporcionou ganhos para a otimização do protótipo. Com o protótipo escolhido verificamos que a redução do tempo obtido com todas as melhorias chegou a 19,5%. O peso adicionado a ela foi elevado significativamente, mas compensa os resultados. Com um design mais bonito e melhor adaptação aos fogões do mercado pode ser produzida para comercialização sem problemas. A tinta preta fosca já é utilizada em alguns equipamentos de cozinha e os resultados são relevantes, talvez apenas não sejam conhecidos pela população em geral. Portanto depois de todos os testes e análises verificamos que o protótipo é viável e possui um rendimento melhor, mas ainda podem ser feitos pequenos ajustes. O que não foi feito pelo grupo, mas pode ser pensado em trabalhos futuros é a utilização da tampa como fornecedor de calor para o interior da panela, fazendo o fluxo de ar da lateral também passar pela tampa e sair na parte mais superior da panela.

17 17 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS PALMA, D. C., 2008 Melhora no Desempenho de Panelas e Utensílios de Cozinha pelo Melhor Aproveitamento da Combustão, Trabalho Final Medições Térmicas ZUCCO, C., JOKIAHO, M. E., VINÍCIUS, M., HUPPES, R. M., 2007 Otimização do Aproveitamento Térmico de uma Panela Convencional, Trabalho Final Medições Térmicas BASSIM, L. P., AVANCINI, L. G., MAZZUTTI, M., BADECK, R., 2007 Avaliação da Viabilidade de Utilização de Panelas com Fundo Modificado, Trabalho Final Medições Térmicas