Melhoria de uma panela convencional para obter uma maior taxa de transferência de calor proveniente de uma chama de fogão

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA Melhoria de uma panela convencional para obter uma maior taxa de transferência de calor proveniente de uma chama de fogão Cristiano Saboia Ruschel Dionisio Carmignan Neto Franco Dufloth Menegatti Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Porto Alegre, dezembro de 2009

2 RESUMO O objetivo do presente trabalho é melhorar a eficiência térmica de um modelo de leiteira disponível no mercado. Tal comparação é feita em termos de tempo de aquecimento de uma determinada quantidade de água contida na leiteira. Para a verificação do aumento da temperatura no líquido, foi colocado um sensor de resistência do tipo NTC. A aquisição dos dados é realizada através do sistema Data Aquisition Agilent 34970A conectada a um computador, onde estava instalado o software Bench Link usado para leitura dos dados Depois de realizadas a análise, através da geração de gráficos, verifica-se que a diferença entre o tempo de aquecimento da água entre a leiteira original e a leiteira modificada, foi bastante significativo. PALAVRAS-CHAVE: leiteiras, eficiência térmica, calor. ABSTRACT The goal from the present study is to improve the thermal efficiency from a comercial pot. The comparison is made by the heating time from a determined amount of water put in the pot. To verify the increase on the liquid s temperature, it was used a temperature sensor NTC. The data aquisition is performed by the system Data Aquisition Agilent 34970A connected to a computer, where the Bench Link software, used for the data reading, was installed. After performing the analysis, by generating graphics, it s seen that the difference on the heating time between the original pot and the modified pot was significant. KEYWORDS: pot, thermal efficiency, heat.

3 1. INTRODUÇÃO Atualmente existem no mercado diversos modelos de panelas de cozinha, de diversos materiais. Estão disponíveis ao consumidor leiteiras ou panelas de barro, de ferro, de vidro, com revestimentos de teflon, esmaltadas, de alumínio e aço inox. As leiteiras convencionais basicamente, além de aquecer líquidos, visam uma fácil limpeza e um custo reduzido, dificilmente vêem estes utensílios visando uma maior relação do calor absorvido com o calor fornecido. Porém no panorama atual, onde se preza muito a redução do consumo de energia, este é um ponto que ganha extrema importância. O objetivo do presente trabalho é fazer modificação em uma leiteira convencional para obter uma maior taxa de transferência de calor de uma chama de fogão para 1 litro de água. A comparação será feita em termos do tempo de aquecimento de um líquido. 2. LEITEIRA ESTUDADA Foi escolhida para realização do trabalho uma leiteira da marca Royal, número 14 de cerca de 1,5 litros. Foram realizadas modificações seqüenciais na panela, e testando a eficiência de tal modificação. As configurações testadas são as seguintes 2.1 Leiteira original Esta leiteira foi mantida original. Esta teve a função de base para teste das melhorias. Na figura 1, é mostrada a mesma com a montagem usada nos testes. 2.2 Leiteira com o exterior pintado de preto Figura 1: Leiteira original. Esta leiteira teve seu exterior pintado com uma tinta preta. Com esta configuração espera-se ter uma maior absorção do calor irradiado pela chama. Sua montagem é apresentada na figura 2.

4 Figura 2: Leiteira com o exterior pintado de preto 2.3 Leiteira pintada de preta com um cilindro auxiliar Foi adicionado um cilindro adicional ao redor da caneca, porém sem encostá-la. Esta configuração visa direcionar o ar quente para as paredes da caneca e aumentar o tempo de contato do ar com a caneca. Por dentro do cilindro foi colocado folhas de alumínio. Este alumínio tem a função de refletir a radiação produzida pela chama assim como a emitida pela própria leiteira. Na figura 3, mostra-se essa configuração. Figura 3: Panela pintada de preta com um cilindro auxiliar 2.4 Panela pintada de preta com anel auxiliar isolado do ambiente Nesta configuração, além das modificações já citas em 2.3, foi adicionado ao redor do anel, isolantes térmicos. Estes isolantes têm a função de reduzir a perda de calor do anel para o ambiente. Na figura 4, podem ser vistas as modificações.

5 Figura 4: Panela pintada de preta com anel auxiliar isolado do ambiente 3. FUNDAMENTAÇÃO TEORICA Através da teoria referente ao assunto de transferência de calor, foram montadas hipóteses de como podemos melhor a absorção de calor. 3.1 Condução Condução é a transferência de energia das partículas mais energéticas para as menos energéticas de uma substância devido às interações entre partículas. Em um sólido a condução pode ser atribuída à atividade atômica na forma de vibrações dos retículos. [1] A taxa de transferência de calor em uma direção x por unidade de área perpendicular à direção da transferência é dada por (1). Onde k (W/m.K) é uma propriedade do material conhecida como condutividade térmica. (1) No presente trabalho, foi implementado um isolante térmico ao redor do cilindro auxiliar. Este material de condutividade térmica muito pequena fez com que o calor não se perdesse para o meio. 3.2 Convecção O modo de transferência de calor por convecção abrange dois mecanismos. Além de transferência de energia devido ao movimento molecular aleatório (difusão), a energia também é transferida através do movimento global do fluido. Esse movimento do fluido está associado ao fato de que, em um instante qualquer, um grande número de moléculas está se movendo coletivamente ou como agregado. Tal movimento, na presença de um gradiente de temperatura, contribui para a transferência de calor.

6 A equação da taxa de transferência de calor esta descrita em (2), onde h (W/m 2.K) é o coeficiente de transferência de calor por convecção, T s é a temperatura da superfície e T é a temperatura do fluido. [1] (2) Na leiteira estudada, foi implantado um cilindro auxiliar que visa uma passagem de mais ar a uma temperatura mais elevada nas paredes do recipiente, isso faz aumentar a diferença de temperatura entre os meios e logo aumentar a taxa de transferência por convecção. 3.3 Radiação Radiação térmica é a energia emitida pela matéria que se encontra a uma temperatura não-nula. Independente da forma da matéria, a emissão pode ser atribuída a mudanças nas configurações eletrônicas dos átomos ou moléculas que consistem a matéria. A taxa de emissão de calor por radiação para uma superfície é dada pela expressão (3), onde T s é a temperatura da superfície, T viz é a temperatura da vizinhança do meio, ε e α é respectivamente a emissividade e a absortividade da superfície do material, e σ é constante de Stefan-Boltzmann.[1] (3) Para melhorarmos as características em relação à radiação, a superfície externa da leiteira foi pintada com uma tinta preta. A tinta de cor preta tem uma absorção de radiação muito maior que a superfície do alumínio, fazendo assim com que esta absorva mais radiação emitida pelo fogo e a refletida e emitida pelo anel. A superfície interna do anel também recebeu um acabamento diferenciado, porém esta ganhou uma superfície espelhada de alumínio, para que esta superfície reflita de volta para a leiteira a maior quantidade de radiação recebida. 3.4 Balanço energético De acordo com a primeira lei da termodinâmica, em uma superfície de controle, a energia sempre se conserva e, conseqüentemente, a única forma na qual a quantidade de energia em um sistema pode mudar, é se a energia cruzar a sua fronteira. Ó balanço de energia de um sistema é dada por (4). (4)

7 Toda aplicação da primeira lei, deve inicial com a identificação de um volume de controle apropriado e de sua superfície de controle, nos quais uma análise é posteriormente efetuada. Para o caso do presente trabalho, pode-se observar o volume de controle na figura 5, onde estão descritos os fluxos de entrada e saída. Figura 5: Volume de controle analisado no balanço energético Neste caso particular, não há geração de energia, anulando-se assim o termo de energia gerada ( ). Para o regime permanente, a variação de energia acumulada ( ) também é nula. Sendo assim toda a energia proveniente da chama que entra no volume de controle sai ou por convecção e radiação ou pela evaporação da água. A equação resultante para este caso permanente esta descrito em (5). (5) Sendo: (6) (7) 4. INTRUMENTAÇÃO Para realizar as medições e analisar o efeito das modificações na panela, foram utilizados três NTC s 5kΩ disponíveis no LAFRIG (Laboratório de Vapor e Refrigeração) em conjunto com uma placa de aquisição de dados Data Aquisition Agilent 34970A conectada a um computador, onde estava instalado o software Bench Link usado para leitura dos dados. O software possui em seu banco de dados

8 informações sobre diversos tipos de medidores que possam ser utilizados. Dentre eles, foi selecionado o NTC s 5kΩ, utilizado nas medições da panela. Porém, antes de utilizá-los, foi necessário fazer a calibração dos mesmos. Para tanto, colocaram-se os três medidores dentro de um ambiente isolado com temperatura constante e livre de efeitos como radiação ou vento. Abaixo, na figura 6 vemos o ambiente isolado utilizado para a calibração. Figura 6: Ambiente isolado utilizado na calibração Mediu-se a temperatura no interior da caixa com os três medidores durante 10 minutos, com intervalos de 15 segundos entre as medições. Feito isso, foram calculadas as temperaturas médias medidas por cada NTC, e a média entre essas médias. Foi possível, então, calcular o desvio (offset) de cada medidor em relação à média geral, e esse dado foi inserido no software Bench Link, no campo offset, fazendo com que os três NTC s apresentassem a mesma resposta quando expostos à mesma temperatura. Para realização das medições, foram utilizados, inicialmente, apenas dois desses NTC s, pois um deles possuía um fio muito curto e não chegava até o local onde estava montado o equipamento. Infelizmente, um desses medidores se descalibrou durante as medições, pois sofreu um corte em seu fio. Por isso, foi utilizado somente um medidor nas medições posteriores, sendo que esse era checado periodicamente com o terceiro, do fio mais curto. Para padronizar as medições, o NTC era colocado sempre no mesmo local da panela, aproximadamente no centro do círculo, a 6cm do topo da panela. 5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Em cada panela foi colocado um litro de água a 27 C. Regulou-se uma vazão de gás constante no queimador. Depois de regulada a vazão, foi colocada a panela sobre a chama deixando a água atingir 100 C, interrompendo-se a mesma neste momento. Todos os ensaios foram realizados com as panelas destapadas, para simular a pior condição de utilização das mesmas.

9 Através do sistema de aquisição de dados, foi realizada uma leitura a cada segundos. Com os dados obtidos, puderam-se gerar gráficos de temperatura x tempo para cada configuração, e a partir desses gráficos foram feitas as devidas análises. 6. AVALIAÇÃO DAS INCERTEZAS DE MEDIÇÃO De acordo com dados tabelados, a incerteza associada ao NTC utilizado segue um padrão. Para NTC de 5kΩ, correspondem a ±2,0 C. Assim sendo, a temperatura real Do líquido de cada panela tem 95% de probabilidade de se encontrar em torno do valor lido na aquisição de dados mais ou menos um valor de 2,0 C. A constante de tempo do NTC utilizado é de 5 segundos. 7. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Abaixo são apresentados os resultados obtidos nas medições. O tempo foi adimensionalizado para uma melhor visualização dos resultados. O tempo adimensional é dado por (8). Onde t * é o tempo adimensional e t 0 é o tempo para a panela padrão chegar a 100 o C. (8) casos. A figura 7 a seguir demonstra o comportamento da temperatura para todos os Figura 7: Gráfico da temperatura em função do tempo adimensional.

10 A tabela 1 apresenta os percentuais de melhora de desempenho obtidos com cada uma das alterações. Tabela 1: Percentuais de ganho no tempo de aquecimento relativo a cada configuração da leiteira Configuração Redução do tempo (%) Padrão 0.00 Preta 0.12 Preta c/ Anel 5.46 Preta c/ Anel Isolado CONCLUSÕES De acordo com os resultados obtidos, verificou-se que os modelos de panelas estudados apresentam uma diferença significativa para os tempos de da água. Chegando até a mais de 6% de redução no tempo de aquecimento da água. A pintura da parte externa da leiteira e o isolamento térmico do anel auxiliar não obtiveram individualmente a melhora esperada, porém juntamente com as outras modificações ajudaram para um bom resultado final. 9. BIBLIOGRAFIA [1] Incropera, F. P., Dewitt, D. P., Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, Quinta edição, Editora LTC, [2] Fox, R.W. e McDonald, A.T., 1995, Introdução à Mecânica de Fluidos, Editora Guanabara Koogan S.A., Rio de Janeiro [3]SMITH SCHNEIDER, P., 2009, Apostila da disciplina de Medições Térmicas, Engenharia Mecânica, UFRGS, Porto Alegre ( [4] Marca, D., Mallmann, H., Vieira, M. A., Comparação entre diferentes modelos de panelas quanto à distribuição de temperatura na superfície, tempo de aquecimento e de esfriamento, Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas UFRGS. [5] Zucco, C., et. all, Otimização do aproveitamento térmico de uma panela convencional, Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas UFRGS.