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 AMELIORAÇÃO DO RENDIMENTO DE UMA LEITEIRA COMUM PARA AQUECIMENTO DE ÁGUA COM CHAMA por Felipe Camaratta Ricciano Liberali Wagner da Silva Boeira Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, dezembro de 2009

2 Resumo Este trabalho apresenta a elaboração de um sistema que visa o aumento do rendimento de leiteiras, a partir de modificações em uma leiteira padrão. As características construtivas do sistema proposto, assim como a fundamentação teórica, são apresentadas nesse relatório. Os testes comprovam que o sistema em questão, apesar de simples, é bem sólido, capaz de apresentar uma diferença significativa de rendimento quando comparado à leiteira padrão. Os cálculos demonstram que existe um aumento do aproveitamento da energia térmica, com a nova leiteira, em relação à leiteira simples. Palavras-chave: leiteira, eficiência energetica, transferência de calor, aquecimento de agua. 2

3 Abstract The present work shows the elaboration of a system to increase pan yield, designed for a standard pot. The designed features of the proposed system, as well the theoretical basis is presented in this report. The tests show us that the system in question, although simple, is very solid, able to make a significant difference in performance when compared to standard pan. The calculations show that there is an increased utilization of thermal energy, with the new pot, for the simple pot. Keywords: pan, energetic efficiency, heat transfer, water heating. 3

4 SUMÁRIO: 1 INTRODUÇÃO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA TÉCNICA EXPERIMENTAL RESULTADOS E ANÁLISES CONCLUSÃO BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

5 1 Introdução Freqüentemente utilizamos ferramentas ou sistemas para nos auxiliarem nas nossas tarefas diárias. No entanto, os sistemas que estamos acostumados a utilizar podem, por vezes, estar longe de ser ideais. Isso pode ocasionar diferentes formas de desperdício, entre elas de energia e de tempo. Nesse trabalho, o objetivo é de analisar formas viáveis de se melhorar uma leiteira, para que esta possa ter seu rendimento aumentado e necessite de menos energia e de menos tempo para aquecer. 2 Fundamentação Teórica De acordo com a primeira lei da termodinâmica: d/dt( E int )=d/dt(e ger )+d/dt(e ent )-d/dt(e sai ) (1) Sendo E int a variação da total da energia interna do sistema, E ent a energia que o sistema recebeu e E sai a energia que saiu do sistema. Para o caso de uma leiteira sendo aquecida por uma chama, podemos considerar a E ger como sendo nula, E ent a energia transferida pela chama durante o processo de combustão e E sai a energia que a leiteira perde para o ambiente. Para a E int, consideraremos somente a energia que está sendo absorvida com o aquecimento da água, desconsiderando-se assim o aquecimento da leiteira, por exemplo. Integrando-se a equação (1) no tempo, [d/dt( E int )]dt= [d/dt(e ger )+d/dt(e ent )-d/dt(e sai )]dt (2) Analisando-se o lado esquerdo da igualdade, na equação (2), temos: [d/dt( E int )]dt= [d/dt(ρvct)]dt (3a) Onde ρ é a massa específica da água, V o volume total de água, c é o calor específico da água e T é a temperatura da água dentro da leiteira. Vamos considerar que o volume de água é constante durante todo o processo de aquecimento e que ρc também não variam. Nesse caso, podemos tirar esses termos para fora da integração na equação (3a). Logo: [d/dt(ρvct)]dt= ρvc [dt/dt]dt (3b) Considerando-se um intervalo de tempo t, no qual a leiteira está exposta à chama, obtemos a seguinte expressão para a variação total da energia interna da água: E int = ρvc T (3c) Integrando-se, agora, para o mesmo intervalo de tempo t a equação (1) e aplicando-se E ger =0, conforme especificado anteriormente, obtemos: 5

6 E int = E ent -E sai (4) E substituindo o termo E int pelo resultado encontrado na equação (3c): ρvc T= E ent -E sai (5) Fica evidente, então, que para melhorar a leiteira, é necessário, para um mesmo intervalo de tempo, maximizar-se E int e/ou reduzir-se o intervalo de tempo t para que E int atinja determinado valor. Assim, estamos interessados em aumentar E ent e em reduzir E sai. Como forma de energia de entrada no sistema, temos a energia transferida pela chama durante a combustão. Existem três formas naturais de transferência de calor: Condução, Convecção e Radiação. Em um processo de combustão, temos predominância de transferência de calor por convecção e por radiação. Faremos uma análise apenas dessas duas formas de transferência de calor. Definimos, assim, a energia que entra como sendo a soma do calor que entra no sistema por convecção com o calor que entra no sistema por radiação. E ent =q conv +q rad (6) Convecção: Supondo que a temperatura de uma superfície seja uniforme, o fluxo de calor local sobre a superfície pode ser definido por: q conv =h (T s - T ) (7) Onde h é o coeficiênte de conveção local, T s é a temperatura local na superfície e T a temperatura do fluido. Definindo um coeficiente de convecção médio ħ para toda a superfície, a transferência total de calor pode ser representada como: q conv = ħa s (T s - T ) (8) Onde A s é a area da superficie. Como no nosso problema temos uma conveção livre, ħ varia de 2 a 25W/m²K 1. Consideraremos para os cálculos que esse coeficiente é valido para toda a superfície da leiteira. Assim, para A s =0,042m 2, T =1100K (Temperatura da Chama de GLP) e T s =300K, teremos q=e ent =840W. 6

7 Radiação: Admitindo que a leiteira e a chama sejam superficies negras, temos que a transferência de calor total trocada por radiação é igual a: q rad =F ij A i σ(t i 4 -T j 4 ) (9) Onde σ é a constante de Boltzman igual a 5, W/m 2. Para calcular o fator de forma, faremos a suposição de que a chama e a base da leiteira são dois discos, respectivamente representados pelos coeficientes i e j. Temos como diâmetro da chama d i =10cm e da leiteira d j =13cm e a distância entre a chama e a leiteira L=1cm. Logo F ij = 0,98. Porém a formula utilizada considera a chama como um disco onde somente uma das superficies emite radiação. Como na realidade o calor esta sendo emitido tanto para cima quanto para baixo, esse fator de forma fica dividido pela metade. Assim, F ij = 0,49. Por fim, utilizando a temperatura da chama como Ti = 1100K, a temperatura da superficie como T j = 300K, temos q rad =1270W. Dessa forma, podemos concluir que a maior parte da transferência de calor se dá por radiação, ja que, mesmo fazendo-se suposições teoricas favoraveis à convecção, a radiação tem quase duas vezes mais influência do que a convecção. Para se otimizar o rendimento da leiteira, tentaremos aumentar a captação do calor da chama e reduzir as perdas para o ambiente. Para isso, introduziremos uma saia na leiteira. Essa saia visa aumentar o fator de forma (a saia introduzida aumenta o diâmetro da leiteira para 17cm e conseqüentemente o fator de forma para 0,495). Um comentário pertinente é o de que a chama utilizada na experiência é de pequeno diâmetro, diferente da chama utilizada na competição. Logo não são esperados muitos ganhos em radiação para a chama em questão. A saia teria como papel confinar o escoamento, aumentando a superfície de troca entre o gás e a nova leiteira. Para que o gás possa escoar para fora da leiteira, alguns furos foram feitos na superfície da saia. Outra vantagem da saia é que esta captaria o calor da chama e, por estar em contato com 7

8 a leiteira, transmitiria esse calor por condução e por radiação. A desvantagem é que a saia vai aumentar a inércia do sistema. Para evitar reduzir as perdas de calor, um isolamento térmico sera utilizado. Esse isolamento vai envolver a saia e a tampa da leiteira. 3 Técnica Experimental Para a realização do experimento foram utilizados: -Uma panela no formato adequado para a confecção da saia; -Isolamento térmico (lã de vidro); -Uma fonte de calor (fogão a gas); -Arame temperado; -Leiteira padrão; -Um termostato digital (Full Gauge TIC-17RGTi). O sistema desenvolvido foi baseado em duas idéias fundamentais. A primeira idéia veio a partir da observação. Notamos que parte do calor que era gerado não era entregue ao sistema. Esse calor acabava se perdendo para o ambiente, pois a leiteira não possuía diâmetro suficiente, quando comparada ao tamanho da chama, para captar essa energia. A solução foi a confecção de uma saia, que foi feita a partir de outra panela, e que tem como objetivo captar o calor em questão. Outro ponto importante foi o efeito chaminé criado na saia, a partir de buracos feitos em seu corpo e do afastamento do isolante feito com o arame temperado na borda superior da saia. Esse efeito torna-se fundamental pois, durante a queima para a formação da chama, temos a liberação de gases que se ficassem acumulados entre a saia e a leiteira poderiam atuar como isolante térmico, ou atrapalhar a combustão da mesma, não deixando que o calor passasse para a leiteira. 8

9 Foto 1: Saia. Posteriormente buscamos diminuir as perdas de calor que ocorrem quando da dissipação de energia pela leiteira. Para isso isolamos o sistema termicamente com lã de vidro. Esse isolamento contempla toda a saia que foi desenvolvida e também a tampa da leiteira, diminuindo assim as perdas de calor para o meio. Foto 2. Isolamento Térmico. 9

10 Por último fizemos um furo na superfície da tampa para que pudéssemos inserir a ponta do nosso termostato na leiteira, de forma a conseguirmos leituras mais precisas. Foto 3: Furo na Tampa. As medições foram realizadas da seguinte forma: O primeiro teste foi feito com um litro de água e a utilização apenas da leiteira padrão. Os dados eram levantados a cada 30 segundos e o tempo total de teste foi de 300 segundos. Após desligou-se a chama e esperou-se pela estabilização da temperatura, o que ocorreu a aproximadamente 500 segundos. O segundo teste foi realizado com o sistema montado. Os dados foram obtidos da mesma maneira. 4 Resultados Obtidos e Análise Foram comparadas duas leiteiras. A primeira, chamada de Leiteira simples, não possui nenhuma modificação. A segunda, possuindo isolamento e saia, é chamada de leiteira modificada. No instante inicial dos testes, a temperatura da agua não é igual para as duas leiteiras. Isso da-se ao fato dos testes não terem sido realizados ao mesmo tempo. Iniciado o teste, percebe-se que a leiteira simples transmite mais energia à agua do que a leiteira modificada. Nos 30 primeiros segundos, a leiteira simples aumenta em 8,8% a sua temperatura, enquanto que a leiteira modifcada aumenta somente 3,3%. Isso é atribuido principalmente à maior inercia existente na leiteira com isolamento e saia, que leva mais tempo para aquecer-se. 10

11 Passados 90 segundos de teste, as duas leiteiras apresentam uma variação semelhante nas suas temperaturas. Neste instante percebe-se que tanto a variação percentual quanto as temperaturas da agua são semelhantes. Entretanto, com a sequencia do teste, fica evidente de que a leiteira simples apresenta perdas crescentes de calor, conforme a sua temperatura aumenta. Isso pode ser comprovado com a curva de variação percentual da temperatura, onde a leiteira simples apresenta uma inclinação negativa. Apesar de demorar mais do que a leiteira simples para aquecer, a leiteira modificada apresenta uma curva de variação na temperatura quase constante entre 120 e 300 segundos, o que pode ser atribuido principalmente ao isolamento térmico. Observou-se também que, aos 300 segundos, quando a chama foi desligada, a leiteira modificada variou a sua temperatura em 9%, enquanto a simples variou 6%. Esse resultado deve-se novamente à inercia da leiteira modificada e ao seu melhor isolamento. Com a curva de evolução da temperatura, notamos que inicialmente ambas as curvas são paralelas. No entanto, com o passar do tempo e com o aumento da temperatura a distância entre as curvas aumenta, justamente pelo fato de a leiteira modificada ser mais apropriada para temperaturas elevadas do que a simples. 11

12 5 Conclusão Com os testes realizados, verificou-se que a leiteira simples apresenta uma boa performance para baixas temperaturas, pois nesse caso as perdas de calor são pequenas. Ela também transmite mais rapidamente o calor para a agua devido à sua baixa inercia térmica. No entanto, com o aumento da temperatura, a leiteira modificada demonstra grande superioridade sobre a leiteira simples, devido principalmente ao isolamento. Espera-se que com temperaturas mais elevadas, a diferença seja ainda mais evidente. A saia tem um papel importante no aumento do aproveitamento na captação do calor da chama, pois aumenta o fator de forma da leiteira. No entanto ela dificulta o escoamento do gás ao redor da leiteira, o que pode piorar a combustão da chama. Embora furos foram feitos na saia para facilitar esse escoamento de gás, o isolamento não permitia que o gas fluísse de maneira correta. Era perceptível, então, um aumento da temperatura na superfície do isolamento térmico, no topo da leiteira, o que comprova que o gas escoava em parte para dentro do isolamento. Portanto melhorias poderiam ser feitas para facilitar a fuga do gás do interior da saia, afim de melhorar a performance do sistema. As condições de teste também não foram idéias para uma comparação. Pode-se citar como anomalias, por exemplo, a diferença na temperatura inicial da agua. De certa forma, por ser mais elevada essa temperatura, as perdas de calor, desde o inicio, são maiores e os ganhos menores. Além disso, matematicamente, o aumento percentual de um mesmo acréscimo em temperatura fica reduzido conforme esta aumenta. Por fim, não é possível de se assegurar que o fornecimento inicial de energia era o mesmo para ambos os sistemas, pois o gás combustível estava no final, o que pode gerar grandes flutuações durante o teste. Nota-se que diversos fatores influíram negativamente contra a leiteira modificada. No entanto, com os testes realizados, foi possível comprovar-se que a leiteira modificada é mais eficiente do que a simples e que essa diferença de performance aumenta com o aumento da temperatura e do tempo de utilização. 12

13 6 Bibliografia 1 INCROPERA, F. P.; DE WITT, D. P.; BERGMAN, T. Fundamentos de transferência de calor e massa. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, p. 2 SCHNEIDER, P. S. Termometria e Psicrometria. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre,