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 MELHORA NO DESEMPENHO DE PANELAS E UTENSÍLIOS DE COZINHA PELO MELHOR APROVEITAMENTO DA COMBUSTÃO por Diogo Cristiano Palma Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Porto Alegre, novembro de 2008

2 ii MELHORA NO DESEMPENHO DE PANELAS E UTENSÍLIOS DE COZINHA PELO MELHOR APROVEITAMENTO DA COMBUSTÃO RESUMO O objetivo deste estudo é melhorar o aproveitamento energético de panelas e outros utensílios de cozinha como leiteiras, bules e chaleiras, que utilizam para seu funcionamento a queima de algum combustível. Neste trabalho, todos estes utensílios serão tratados como panelas. 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. A contribuição destes fenômenos para o desempenho das panelas não foram estudados separadamente. A verificação do desempenho é realizada através da ebulição de um volume determinado de água em uma panela sem o dispositivo e com diferentes configurações de aros ao redor da panela, o tempo para ebulição é cronometrado e as temperaturas iniciais e de ebulição da água são registradas para comparação do tempo para ebulição de cada configuração. Apenas a influencia de parâmetros geométricos são analisados, sendo estes a altura da parede e o diâmetro do aro. Pelos resultados obtidos, tempos de ebulição pelo menos 10% mais rápidos foram obtidos, sendo perceptível, mesmo sem instrumentos, esta melhora de desempenho e conseqüente economia de combustível. PALAVRAS-CHAVE: panelas, economia de gás.

3 iii IMPROVEMENT IN THE PERFORMANCE OF COOKERS AND KITCHENWARE EXPLOITING BY THE BURNING ABSTRACT The aim of this study is to improve performance, the energy utilization, of cookers and other kitchenware as milkmaid, teapots and kettles; they use for their work some of the burning fuel. In this work, all these utensils will be treated as cookers. This improvement in the performance of these tools is by using a simple device, this accessory is a ring placed around the pot that has the function of: direct the flow of combustion gases around the walls of the pot, reduce the effect of the wing walls and reflect the radiation emitted by the pan. The contributions of these phenomena to the performance of pans were not studied separately. The verification of performance is carried out through the boiling of a given volume of water in a pot without the device and with different configurations of rings around the pot, boiling is timekeeper and the initial temperature of boiling water and are recorded for comparison of time to boil of each setup. Only the influence of geometric parameters are analyzed, which are the height of the wall and the diameter of the rim. By the results, times of boiling at least 10% faster were obtained, being perceived, even without instruments, this improvement of performance and consequent fuel economy. KEY-WORDS: pan, gas saving.

4 iv SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Equipamentos e Materiais Utilizados Parâmetro para Comparação de Performance dos Dispositivos Metodologia e Procedimento Experimental RESULTADOS INCERTEZAS DAS TÉCNICAS EMPREGADAS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...11

5 1 1. INTRODUÇÃO A economia no consumo e redução da queima de combustíveis fósseis e na atualidade um tema em forte discussão, e meta de diversos governos. Diversos fatores contribuirão para que este tema se tornasse tão importante e em voga. O crescimento acelerado dos países registrados nos últimos anos vem pressionando o preso de matérias primas no mercado. O petróleo e um exemplo, atingindo valores recordes no inicio de 2008, conseqüentemente os seus derivados também tiveram altas nos preços. O fenômeno do aquecimento global, provocado pela queima de combustíveis fósseis e outros fatores, que se iniciou com a industrialização e vem até os dias atuais, preocupa ambientalistas que alertam sobre os efeitos catastróficos deste fenômeno. Combustíveis alternativos e de fontes renováveis passaram a ter grande importância. Além de medidas que possam trazer economia no consumo de combustáveis, seja por motivos ecológicos como também econômicos. Dentro deste contexto este trabalho procura trazer uma contribuição tanto para aqueles que buscam economia no consumo de combustível e consequentemente de recursos financeiros, quanto para aqueles preocupados com questões ambientais. Objetivo deste trabalho é demonstrar a eficácia e a viabilidade de um dispositivo simples e de fácil construção que melhora o desempenho de: panelas, leiteiras, chaleiras e bules, etc., o que se traduz em um menor tempo de ebulição. Já para o cozimento de alimentos, o maior ganho é uma melhor distribuição da temperatura no interior da panela, que benéfico para o cozimento. Como se trata de uma demonstração de conceito, este trabalho não traz formulações numéricas nem equacionamentos, sendo puramente experimental, porém com metodologia científica.

6 2 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA A Figura 1 abaixo mostra de forma esquemática os fenômenos envolvidos na utilização de um aro ao redor de uma panela ou outro utensílio. Figura 1 Esquema dos fenômenos envolvidos no experimento. Na figura acima, é mostrado o efeito obtido da utilização do aro ao redor da panela este aro direciona o fluxo de gás quente, induzindo um maior contato deste gás quente com as paredes da panela, também retêm o calor gerado pelas paredes e reflete a radiação emitida pela panela. Diminui desta maneira, o efeito de aleta dissipadora da parede quando não se utiliza o aro. Produz uma proteção contra correntes de ar, que aumentariam as trocas convectivas.

7 3 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1 Equipamentos e Materiais Utilizados Para a realização dos experimentos foram utilizados os seguintes equipamentos: Um multímetro marca Minipa ET Um sensor Pt 100. Relógio digital CASIO para marcar o tempo. Um fogão doméstico. Medidor volumétrico de cozinha. Uma leiteira de alumínio com 16 mm de diâmetro. Para confecção dos cascos foram utilizadas formas para bolo adquiridas ao preço de R$1,99 cada forma, feitas de latas de biscoitos e tintas, mas não parecem ter sido utilizadas para estes fins pois o acabamento interno é muito bom. Para realizar o experimento foi utilizada água comum. 3.2 Parâmetro para Comparação de Performance dos Dispositivos Para comparação da performance das diferentes configurações ensaiadas foi utilizado como critério o tempo em segundos, marcado por um relógio digital operado manualmente, para que um determinado volume de água a partir de uma temperatura inicial Ti atingir a ebulição, temperatura final Tf. Com estes dados, o tempo para se atingir a ebulição é dividido pela diferença de temperatura Tf Ti. Obtém se desta forma um parâmetro que tem unidades de [s / ºC]. Este parâmetro elimina a dependência da análise da temperatura inicial da água, possibilitando desta forma a comparação entre resultados obtidos em dias e condições climáticas diferentes para uma mesma configuração. Este parâmetro nos informa o tempo em segundos para a elevação de um ºC de água para uma determinada configuração de panela ou utensílio. 3.3 Metodologia e Procedimento Experimental A primeira etapa do trabalho foi a confecção dos dispositivos acessórios para ensaio que podem ser vistos na Figura 2. Foram construídas três configurações diferentes nomeadas como

8 4 A, B, C e D conforme pode ser visto na Figura 2. A nomenclatura A será utiliza para a panela sem o acessório. Figura 2 Dispositivos construídos para ensaio, e respectivos nomes das configurações. As próximas figuras mostram as diferentes configurações de dispositivos montadas e ensaiadas. Figura 3 Configuração experimental A, sem acessório. Esta configuração A sem acessório serve de referência para comparação com as demais que utilizam o dispositivo.

9 5 Figura 4 Configuração experimental B, menor acessório ensaiado. A configuração B é a que utiliza o menor aro tanto em altura de parede como em diâmetro, foi a configuração construída de forma mais despretensiosa. Figura 5 Configuração experimental C, maior acessório ensaiado. A configuração C é a maior envolve toda a panela, foi a configuração construída, e que se esperava obter os melhores resultados.

10 6 Figura 6 Configuração experimental D, melhor acabamento. Último dispositivo construído possui o melhor acabamento devido a experiência adquirida com a confecção de seus antecessores, e também possui uma parede mais alta em relação ao dispositivo B. Este dispositivo pode ter seu diâmetro ajustado, o diâmetro utilizado no experimento é indicado após a letra D: Exemplo D 17 (17 mm). A metodologia na realização do ensaio é descrita a seguir: Os ensaios de cada configuração não foram realizados de forma seqüencial, ou seja, vários ensaios para a mesma configuração em um único dia. Cada configuração foi ensaiada uma após a outra dentro de um período próximo do dia, para minimizar a influência de condições climáticas no experimento, dando origem a agrupamentos de resultados para cada dia de ensaio. A ordem dos ensaios entre as configurações A, B, C e D é alternada, ou seja, o primeiro ensaio não é sempre o A. Este procedimento visa eliminar qualquer tendência nos resultados, pois o primeiro ensaio realizado no dia poderia ser considerado o mais conservador pois todo o equipamento estaria em equilíbrio térmico com o ambiente, frio. De qualquer maneira, além das práticas adotadas acima, um intervalo de tempo suficiente entre cada experimento foi adotado como forma de zerar as condições iniciais do ensaio, para que a panela o sensor e o fogão se equilibrem termicamente com o ambiente. Para a medida de temperatura foi utilizado um Pt 100, o sensor não foi calibrado pois sua função no ensaio era obter diferenças de temperatura. Além disto, os resultados lidos pelo sensor

11 7 se mostraram coerentes com o esperado. A leitura da temperatura foi feita em ohms através de um multímetro. O intervalo de tempo para Os experimentos foram realizados da seguinte forma: 1. Anotação da identificação do dispositivo ensaiado, volume de água adotado. 2. Medição da temperatura ambiente, (apenas para referencia). 3. Medição da temperatura inicial da água. 4. Anotação da hora, (apenas para referencia). 5. Início do ensaio: abertura do gás, ignição do gás por vela elétrica embutida no fogão e disparo do cronômetro. 6. Parada da marcação do tempo quando a leitura no multímetro atinge 138 ohms (critério adotado para temperatura de ebulição). 7. Registro do tempo decorrido para ebulição. 8. Tempo de espera para esfriamento dos equipamentos (mais de 30 min). 9. Novo ensaio. Volta para 1. Deve se buscar manter as condições ambientais constantes ao longo do ensaio, eliminando por exemplo correntes de ar não controladas ou outras interferências.

12 8 4. RESULTADOS A Tabela 1 mostra o conjunto dos resultados obtidos, as colunas na cor cinza são os dados coletados, as demais colunas apresentam dados e resultados processados, esta lógica é a mesma para as demais tabelas. Os dados nesta tabela estão separados em cinco grupos referentes a dias diferentes em que os experimentos foram realizados. Tabela 1 Dados obtidos e tratamento dos resultados. As colunas em amarelo na tabela acima apresentam os resultados mais importantes, a coluna (Tempo / Delta T) [s / ºC]. Ela representa a divisão do tempo para ebulição em segundos pela diferença entre a temperatura inicial da água Ti e a temperatura final Tf definida como 96,9ºC. Com este parâmetro Tempo/Delta T é possível comparar os resultados entre configurações iguais independente de diferenças na temperatura inicial da água, este parâmetro indica a performance da configuração. A opção C foi abandonada, pois seus resultados mostraram ser desvantajosa sua utilização. É possível observar na segunda coluna amarela da Tabela 1 a diferença percentual dos índices de performance (Tempo / Delta T) das panelas das diversas configurações, em relação à configuração A. O volume de água utilizado foi de ½ litro, e a temperatura de parada 96,9ºC. A opção C foi abandonada, pois seus resultados mostraram ser desvantajosa sua utilização. A seguir na Tabela 2 os dados para a configuração de referência do experimento estão agrupados.

13 9 Tabela 2 Agrupamento dos dados para a configuração A de referência. Da Tabela 2 observe a média de 3,13 s / ºC para os índices de performance da panela sem nenhum acessório de otimização, A próxima tabela, Tabela 3, corresponde ao agrupamento dos resultados da configuração do experimento B. Tabela 3 Agrupamento dos dados para a configuração B. Da Tabela 3 observe a média de 2,75 s / ºC para os índices de performance da panela com acessório de otimização B, este índice é em média doze por cento menor do que o índice médio de 3,13 para panela utilizada de forma convencional sem acessório. Isto significa 12% a menos de consumo de gás. A Tabela 4, agrupa ensaios com 1 litro de água, visando verificar a influência do aumento de volume de água. Tabela 4 Agrupamento dos dados para o experimento com 1 L de água.

14 10 Na tabela anterior a tendência de melhora dos resultados é confirmada, pela diferença percentual dos índices de performance (Tempo / Delta T) das panelas das configurações B e D 17, em relação à configuração A. A configuração C foi abandonada por não ser prática se fosse utilizada, e por não apresentar vantagens em relação as demais configurações. Seus resultados podem ser vistos na Tabela. Figura 7, mostra uma seqüência de medidas de temperatura, realizada para se tentar visualizar a distribuição de temperatura. Este ensaio foi realizado apenas a titulo de curiosidade. Figura 7 Distribuição da temperatura ao redor das panelas. Como se pode ver na figura anterior a distribuição de temperatura é coerente com o esperado, quando se utiliza o aro, a temperatura na região do fluxo de gás direcionado é bem mais alta do que a temperatura na mesma posição para a panela sem o aro. Também quando se utiliza o aro, as temperaturas ao redor do conjunto são bem mais baixas. 5. INCERTEZAS DAS TÉCNICAS EMPREGADAS Como a função final da utilização dos equipamentos Pt 100 e multímetro, no caso deste trabalho, é a obtenção de diferenças de temperatura estes equipamentos não foram calibrados, no entanto estavam em bom estado, possíveis desvios nos resultados medidos acarretariam em uma tendência, mas como o que se busca é uma diferença de temperatura, isto não seria um grande problema para este experimento. As incertezas maiores estão no método de medição manual do tempo, superando as incertezas dos demais equipamentos. Para diminuir estas incertezas, vários ensaios foram realizados, de forma cuidadosa e com critério.

15 11 6. CONCLUSÃO Com este trabalho foi possível mostrar a evidente melhora no desempenho, e consequentemente economia de energia, dinheiro e recursos naturais, que se podem obter através da utilização de um simples acessório para panelas, e utensílios de cozinha, que melhor aproveita a calor gerado por fogões para cozimento ou ebulição. Para a ebulição de água obteve se um tempo em média 12% menor em comparação a utilização convencional de panelas. Para o cozimento de alimento o efeito da utilização do dispositivo não foi ensaiado, no entanto uma melhor distribuição de temperatura deve ser obtida no interior da panela, sendo este efeito benéfico para o cozimento. Pela simplicidade do acessório, e pelos resultados obtidos sua utilização é completamente viável, também e de fácil utilização. Com os resultados obtidos, se pensados em termos de consumo mundial de gás, podemos imaginar que a adoção da idéia sugerida neste trabalho poderia acarretar em grande impacto de economia de recursos. No mais, o estudo desenvolvido neste trabalho tem muito ainda para ser desenvolvido, ficando como sugestão: maiores variações na geometria dos dispositivos, variação do acabamento interno, ensaio de cozimento, utilização de melhores equipamentos que possibilitem uma melhor visualização dos gradientes de temperatura. 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Schneider Paulo, Apostila - Termometria, GESTE, Porto Alegre RS, Brasil.