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 AVALIÇÃO DE MODIFICAÇÕES PARA AUMENTAR A EFICIÊNCIA TÉRMICA DE UMA LEITEIRA por Arthur Mateus Pilz Felipe de Mello Kich Tomás Eicholz Hartfelder Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br

2 Resumo A panela comum é um instrumento extremamente simples e ineficiente, que desperdiça grande parte da energia da combustão do GLP, que deveria ir para o alimento nela contido, mas acaba se perdendo para o ambiente. O estudo aqui apresentado tem o objetivo de melhorar o desempenho geral de uma leiteira, melhorando o tempo de fervura, e conseqüentemente seu rendimento térmico, sem incrementar muito o seu custo e tornar sua limpeza complicada, através de modificações no desenho da mesma. Primeiramente, coletaram-se dados do tempo necessário para que fossem atingidas cinco temperaturas diferentes, até a fervura, da leiteira original, esses dados serviram como referencia para os seguintes. A primeira modificação realizada foi colocar um cilindro de alumínio fino (lata de cerveja) no centro da leiteira para aumentar a área de parede em contato com o liquido em seu interior e os gases quentes em seu exterior. A segunda modificação foi a realização de um furo no topo do cilindro central para que houvesse uma circulação dos gases quentes dentro do mesmo. O terceiro passo foi fechar o furo no cilindro, pois esse se mostrou ineficiente, e colocar uma tampa no recipiente para evitar as perdas por convecção na superfície da água. Cinco medidas de cada configuração foram realizadas e comparadas entre si e os valores originais, a partir dessas medidas, observou-se que a configuração que se mostrou mais interessante foi a terceira, que apresentou tempo de ebulição de água aproximadamente dez por cento menor que a configuração original. Concluiu-se que, o cilindro central e a tampa, sendo alterações simples e de baixo custo, sem prejudicar substancialmente a limpeza, são alterações interessantes a serem adotadas. 2

3 Abstract MODIFICATIONS TO ASSESS IMPROVING THE EFFICIENCY OF A MILK-POT The common pot is an extremely simple and inefficient, wasting much of the energy from the combustion of LPG, which should go to the food contained within it, but ends up losing to the environment. The study presented here aims to improve the overall performance of a dairy, improving the boiling time, and therefore its thermal performance without greatly increasing its cost and make cleaning difficult, with modifications in the design of it. First, data were collected from the time they were hit for five different temperatures, to the boil, the original milk-pot, these data served as reference for the following. The first change made was to put a cylinder of thin aluminum (beer can) at the center of the milk pot to increase the wall area in contact with the liquid inside and the hot gases from the outside. The second change was the creation of a hole in the top of the central cylinder to cause a movement of hot gases inside. The third step was to close the hole in the cylinder, because this was inefficient, and put a lid on the container to avoid losses by convection in the water surface. Five measurements of each configuration were performed and compared with each other and the original values, based on these measures, it was observed that the setting that was more interesting was the third, which had boiling time about ten percent lower than the original. It was concluded that the central cylinder and the cover, and changes simple and low cost, without substantially affecting the cleanliness, interesting changes are to be adopted. 3

4 SUMÁRIO Pagina 1.INTRODUÇÃO 5 2.REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 6 3. FUNDAMENTAÇÃO 7 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 8 5. VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO RESULTADOS CONCLUSÕES 14 Referências Bibliográficas 14 Lista de Símbolos A Área [m ] 2 h Coeficiênte convectivo [W/(m² K] n Tamanho da amostra q Calor trocado [W] s Desvio padrão para pequenas amostras T Temperatura [ C] t Parâmetro de student xi Valor individual medido Diferença Σ Somatório 4

5 1. INTRODUÇÃO A utilização de fontes de energia não renováveis se apresenta como um grande desafio para o homem. A sociedade atualmente tem a sua matriz energética voltada para o consumo do petróleo, a pesar de já ter identificado tal fato como um sério problema tanto para a geração atual (pelo aumento do preço do recurso), como para as gerações futuras, devido ao impacto ambiental e o esgotamento do combustível. Os recentes estudos, sobre sérios impactos ambientais causados pelo efeito estufa têm motivado as nações a assinar tratados, ainda que tímidos, voltados para a redução da emissão de gases provenientes principalmente da queima de combustíveis fósseis derivados do petróleo. O Brasil através das suas universidades tem desenvolvido combustíveis de base renovável como o Bio- Diesel e o Álcool. Parte significativa do consumo de petróleo se dá nas residências durante o cozimento de alimentos, que são em sua maioria, a base de água e demandam uma grande quantidade de calor durante o cozimento, devido ao elevado calor específico da substância. A motivação para este trabalho é a percepção da condição de transição de uma sociedade que já identificou os problemas gerados pelo consumo excessivo de derivados do petróleo, mas tem sua matriz energética dependente do mesmo. E a responsabilidade da engenharia mecânica, como setor técnico especializado em fenômenos de trocas térmicas, em desenvolver alternativas tecnológicas à situação presente. O objetivo do trabalho é ajudar no desenvolvimento de tecnologia no sentido de tornar mais eficiente o consumo de GLP em domicílios, durante o processo de transição vivido pela sociedade para fontes renováveis de energia, através de modificações em uma leiteira convencional (Alumínio Royal n 14). As modificações pretendem aumentar a área de interface entre o meio frio (água) e o meio quente (chama e gases aquecidos provenientes da combustão do GLP). 5

6 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O trabalho AVALIAÇÃO DA VIABILIDADE DE UTILIZAÇÃO DE PANELAS COM FUNDO MODIFICADO. 2007, compartilha os mesmos objetivos deste, conforme resumo a seguir: O objetivo do trabalho foi comparar uma panela comum com a panela com fundo alterado que foi idealizada e modificada pelos integrantes o grupo. Tal comparação é feita em termos de distribuição de temperatura superficial e o tempo de aquecimento de 2.25 litros de água contida em cada panela em 15 minutos. Para a verificação da distribuição de temperatura na superfície são fixados três termopares tipo J ao longo de diferentes raio de cada panela, e para a medição da temperatura da água utiliza-se outro termopares tipo J disposto no centro da panela imerso na água. Depois de realizar as análises, através da geração de gráficos, verifica-se que a diferença entre o a temperatura da água no instante que foi desligada a boca do fogão (depois de 15min) entre as panelas comum e a panela modificada não foi muito significativo. No caso da distribuição de temperatura superficial a diferença é mais visível, sendo que a panela com fundo modificado apresenta uma melhor uniformidade. O trabalho não teve sucesso no objetivo de aumentar a eficiência da panela, com a instalação de aletas no fundo. O grupo atribui o insucesso à altura das aletas, pode-se observar também que os cordões de solda utilizados na instalação das aletas são curtos e certamente prejudicam e eficiência das mesmas, bem como que as aletas são de chapas espessas e que a adição de massa aumenta a capacidade térmica da panela. 6

7 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA O fluxo de calor q x, em W, é dado por: onde h é o coeficiente convectivo (W/(m² K)) e T a sua temperatura (K) e A é a área de troca térmica. E a equação geral do balanco de energia, U + Ec + Ep = Q + W (2) (1) As modificações propostas neste trabalho pretendem aumentar a área de troca térmica entre a água na leiteira e a chama (visto que o fluxo de calor é também função da área de troca) e reduzir as perdas convectivas na superfície da água com a colocação da tampa. A modificação proposta é uma superfície estendida em forma de cilindro no interior da leiteir, conforme a Figura 1. Superfície estendida que visa aumentar a área de troca térmica Figura 1. Representação da superfície estendida instalada no centro da leiteira. Na Figura 1. pode se observar o aumento esperado da área de troca e o confinamento dos gases quentes no interior do cilindro. 7

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9 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS O trabalho experimental foi realizado para medir o tempo de aquecimento de um litro de água em uma leiteira com quatro configurações, consideraram-se como condições iniciais de temperatura da água e do ar como 22 C e 24 C respectivamente. Realizaram-se medidas em cinco temperaturas distintas, cinco vezes em cada uma das quatro diferentes configurações adotadas, sempre na mesma boca do fogão com a chama alta, os tempos foram anotados na primeira vez em que a temperatura em questão era mostrada no visor do multímetro. Todas as medições foram realizadas com um sensor termopar tipo K conectado ao multímetro, e o tempo foi medido com a ajuda de relógio de pulso. A Figura 2 mostra os instrumentos utilizados. Figura 2: instrumentos utilizados para as medições. Foram utilizados: sensor termopar do tipo K conectado a um multímetro Minipa modelo et- 2042c com resolução de 1 C, relógio de pulso com cronômetro, uma garrafa de vodca como medida padrão e um fogão geral quatro bocas. 9

10 Foram analisadas quatro configurações distintas mostradas na Figura 3. Figura 3: configurações adotadas. A primeira configuração é a original, a segunda com cilindro central de alumínio (lata de cerveja) colada com Durepóxi, a terceira com o cilindro central furado, e a quarta com cilindro central (sem furo) e tampa. 10

11 Com a finalidade de reduzir as variações do experimento, como se percebe na Figura 4, tomou-se cuidado com o posicionamento da leiteira em relação à chama. Figura 4: marcação no fogão para o posicionamento. Foi realizada uma marcação no fogão para posicionar a leiteira no mesmo lugar nas diferentes medições, e foi construído um objeto para posicionar o termopar que foi posicionado a três centímetros de profundidade do nível da água, e a dois centímetros da parede externa da leiteira. 11

12 5. VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO Para o cálculo da incerteza do valor médio das medições (Tabela 4.1) utilizou-se a distribuição t de Student, para pequenas amostras. Conforme a Tabela 2.1: Tabela1 - Valores de t-student para diferentes níveis de confiabilidade A média é dada por onde xi é um valor individual medido, n é o tamanho da amostra (2) O desvio padrão é dado por onde xi é um valor individual medido, n é o tamanho da amostra (3) A incerteza do valor médio é dada por (4) onde n é o tamanho da amostra t é o parâmetro de student e s é o desvio padrão para pequenas amostras 12

13 O instrumento de medição foi um termopar do tipo K, montado junto a um multímetro Minipa ET- 2042C, que conforme os dados do fabricante tem uma Precisão de: ± (1,0% + 3D) < 400ºC; ± (1,5% + 15D) >= 400ºC. Foi assumido durante o experimento que variações provenientes da temperatura da água, do ar e da chama não são significativas. 6. RESULTADOS Com as medições de tempo e temperatura obtidas foi construída a Tabela2. Tabela2 Resultado das medições de tempo até atingir determinadas temperaturas, média, desvio e incerteza Leiteira original Temperatura Medição 1 Medição 2 Medição 3 Medição 4 Medição 5 Média Desvio Incerteza 40 C 2,00 2,00 2,05 2,08 2,20 2,07 0,082 0, C 4,33 4,22 4,25 4,42 4,28 4,30 0,078 0, C 6,75 6,92 6,73 6,83 6,73 6,79 0,080 0, C 8,28 8,42 8,30 8,30 8,32 8,32 0,053 0, C(fervendo) 9,67 9,85 9,68 9,75 9,80 9,75 0,077 0,099 Com cilindro central Temperatura Medição 1 Medição 2 Medição 3 Medição 4 Medição 5 Média Desvio Incerteza 40 C 2,00 2,00 2,28 2,08 2,22 2,12 0,129 0, C 4,25 4,28 4,50 4,27 4,33 4,33 0,102 0, C 6,75 7,80 6,95 6,83 7,82 7,23 0,533 0, C 8,12 8,03 8,18 8,15 8,08 8,11 0,058 0, C(fervendo) 9,28 9,18 9,40 9,33 9,23 9,29 0,084 0,108 Cilindro central furado Temperatura Medição 1 Medição 2 Medição 3 Medição 4 Medição 5 Média Desvio Incerteza 40 C 2,42 2,50 2,43 2,30 2,47 2,42 0,076 0, C 5,08 5,42 5,12 4,97 5,10 5,14 0,167 0, C 8,05 8,22 8,17 7,95 8,05 8,09 0,106 0, C 9,82 9,83 9,88 9,50 9,65 9,74 0,159 0, C(fervendo) 11,28 11,33 11,33 10,92 10,98 11,17 0,203 0,261 Com tampa Temperatura Medição 1 Medição 2 Medição 3 Medição 4 Medição 5 Média Desvio Incerteza 40 C 2,25 2,07 2,13 2,22 2,10 2,15 0,078 0, C 4,43 4,37 4,38 4,40 4,07 4,33 0,149 0, C 6,83 6,62 6,67 6,80 6,65 6,71 0,097 0, C 7,97 7,77 7,85 7,93 7,80 7,86 0,085 0, C(fervendo) 8,88 8,58 8,63 8,85 8,62 8,71 0,142 0,182 Na tabela estão representados os resultados em minutos, dos tempos até que a medida padrão de água atingisse quatro temperaturas diferentes arbitradas e 98 C, temperatura assumida como de fervura. 13

14 Com os resultados na Tabela2 foi construído o gráfico na Figura 5. 12,00 min 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 Leiteira original Com cilindro central Cilindro central furado Com tampa 0,00 40 C 60 C 80 C 90 C 98 C(f ervendo) Tem p ( C) Figura 5: Gráfico das médias dos tempos obtidos para as diferentes configurações. Pôde se observar no resultado uma significativa redução na média de tempo para a fervura, com a colocação do cilindro no centro da leiteira, bem como com a colocação da tampa. O furo feito no cilindro central, com o objetivo de aumentar a velocidade do escoamento dos gases no interior do mesmo e por conseqüência aumentar o coeficiente convectivo e a troca térmica, teve um resultado negativo, que foi atribuído à redução da temperatura média do gás no interior do cilindro. 14

15 7. CONCLUSÕES Conclui-se que panelas com um cilindro central e tampa, têm uma melhoria significativa de eficiência em relação a uma panela sem as modificações. Tanto a tampa quanto o cilindro, representam uma redução de aproximadamente 6% cada uma no tempo de fervura de 1 litro de água. Devido à facilidade na conformação de chapas de alumínio, recomenda-se que as modificações sejam feitas em panelas futuramente. Geometria muito semelhante se encontra em fôrmas de pudim. Fica de sugestão para trabalhos posteriores a análise da influência da rugosidade interna da panela no tempo de fervura da água. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Incropera, F. P., Dewitt, D. P., Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, 5ª, Editora LTC, SCHNEIDER, Apostilas e Material de Aula, Escola de Engenharia UFRGS, ZUCCO et al., Otimização do aproveitamento térmico de uma panela convencional, UFRGS, Qualidade do Relatório Fundamentação Instrumentação Resultados e conclusões

16 Incertezas Criatividade 16