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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SULESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
AVALIAÇÃO DA VIABILIDADE DE UTILIZAÇÃO DE PANELAS COM FUNDO MODIFICADO.
Por
Leandro Perônio BassimLuis Gustavo Ferrão Avancini
Maurício MazzuttiRicardo Badeck da Rosa
Trabalho Final da Disciplina deMedições Térmicas
Porto Alegre, junho de 2007
Comparação entre uma panela e outra com seu fundo modificado quanto
à distribuição de temperatura na superfície, tempo de aquecimento.
RESUMO
O objetivo do presente trabalho é 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 apanela modificada não foi muito
significativo. No caso da distribuição de temperatura superficial a diferença é
mais visível, sendo que a panela com fundo modificado apresentam uma
melhor uniformidade.
PALAVRAS-CHAVE: panelas, distribuição de temperatura, ,
transferência de calor.
Comparison among the modified pan and a common pan in terms to
surface temperature distribution, heating time.
ABSTRACT
The goal of this work is to compare the common pan and other pan that
was created and modified by us. This comparison is made in terms of surface
temperature distribution and warm up time of 2.25 liters of water for 15 minutes
in each pan. For the verification of the temperature distribution on the surface
were fixed three thermocouples type J along the different radius of each pan
and for the measurement of surface temperature distribution and for the
measurement of temperature’s water, it’s used another one thermocouples type
J that was fixed immersed in the center of water. After the analysis undertaken,
through graph plotting, it appears that the difference between temperatures of
water, among the both pans studied, was not very significant. In the case of
surface temperature distribution, the difference is more visible, and modified
pan reach the best uniformity.
KEY-WORDS: pans, temperature distribution, heat transfer.
SUMÁRIO
1 Introdução 5
2 Fundamentação teórica 6
2.1 Condução de Calor 6
2.1.1 Condutividade Térmica 6
2.2 Aletas 6
3 Panelas Estudadas 7
4 Descrição da Bancada 8
5 Procedimento Experimental 10
6 Resultados Experimentais 11
7 Avaliação das Incertezas 13
8 Conclusões 14
9 Referências Bibliográficas 14
1. INTRODUÇÃO
No mundo atual a economia de energia se tornou cada vez mais
importante, principalmente pelo crescimento acelerado da população e
surgimento de diversos problemas ambientais relacionados à utilização de
combustíveis fósseis. Cabem a nós engenheiros desenvolver e projetar
equipamentos cada vez mais eficientes, que utilizem de melhor forma a energia
entregue, economizando combustível e garantindo assim a preservação do
meio ambiente.
Em praticamente todos os lares são encontrados fogões, das mais
diversas marcas e modelos, porém com algo em comum. A grande maioria
utiliza GLP como fonte de energia, queimando o combustível com o fim de se
obter o calor necessário para o cozimento e aquecimento de alimentos ou
outros mantimentos. As panelas utilizadas na tarefa representam uma fonte de
estudo imensa, pois através da utilização de materiais mais eficientes ou de
formas de construção que melhor aproveitem o calor é possível reduzir
consideravelmente o gasto energético da tarefa.
Uma das opções seria a utilização de panelas com fundo aletado,
aumentando a área de troca da panela, com o objetivo de se aproveitar os
gases quentes provenientes da chama. Uma construção tipo labirinto
aumentaria ainda mais o rendimento do dispositivo, pois forçaria os gases
quentes a permanecer mais tempo em contato com o fundo da panela.
Este trabalho tem como objetivo comparar a utilização de panelas com
fundo aletado com outras sem o recurso. Para tal serão realizado medições de
temperatura em ambas as configurações, a fim de determinar qual possui o
melhor rendimento. Também serão realizadas medições de temperatura em
pontos distintos do fundo e lateral das panelas, para que seja avaliada a
distribuição de temperatura ao longo da superfície (este fato é relevante no
cozimento de alimentos).
Ao final do trabalho será apresentada à conclusão obtida através dos
experimentos, fornecendo dados suficientes para a avaliação da viabilidade da
utilização de panelas de fundo aletado.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Os aspectos analisados aqui foram os mecanismos de transferência de
calor por condução e convecção e os conceitos básicos sobre aletas.
2.1 CONDUTIVIDADE TÉRMICA
Em termos práticos, a equação de Fourier nos mostra que, para uma
taxa de calor constante, quanto maior a condutividade térmica, menor o
gradiente de temperatura, ou seja, menor é a variação da temperatura ao longo
do comprimento. Para o caso da panela, menor a variação de temperatura ao
longo do raio. O valor da condutividade térmica para o material utilizado na
fabricação das panelas e das aletas estudadas é igual a 190 W/m.K (Alumínio).
2.2 ALETAS
Aletas são superfícies estendidas, e esse termo tem por objetivo explicar
os casos onde ocorre transferência de calor por condução no interior de um
corpo e por convecção na superfície exterior desse corpo. O fluxo de
transferência de calor por convecção é dada pela equação 2.
).(. TAhqx (1)
onde h é coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m².k), A é a
superfície exposta a convecção (m²) e ΔT a diferença de temperatura da
superfície e o ambiente.
O objetivo de se utilizar aletas, ou superfícies estendidas, é aumentar a
área exposta e aumentar o fluxo de calor.
3. PANELAS ESTUDADAS
Foi escolhida uma panela de alumínio com 200 mm de diâmetro, 1,4 mm
de espessura e altura de 95 mm. Essa escolha se deu porque aproveitamos o
modelo instrumentado por Zucco et al. (2007). As alterações foram feitas
basicamente no fundo da panela nova. Primeiramente foram conformadas três
barras de alumínio de 19,05 mm de espessura por 25,4 mm de altura que
inicialmente eram retas de modo que ficasse no formato circular, este
procedimento foi repetido em cada barra com três diferentes raios.
Depois cada barra, que agora forma um circulo foi cortada em três
partes idênticas. Então estas barras foram soldadas ao fundo da panela nova,
através do processo de solda TIG, com três diferentes raios a partir do centro
da panela.
O objetivo dessa modificação é analisar a distribuição de calor no fundo
da panela comparado com uma panela de fundo convencional. Nas figuras 1 e
2 podem ser vistas a panela comum e a com o fundo modificado
respectivamente.
Figura 1: panela comum
Figura 2: panela modificada
4. DESCRIÇÃO DA BANCADA
Para a medição de temperatura da superfície e verificação da
distribuição de calor no fundo das panelas foram utilizados cabos de
compensação para termopar Tipo J. Optou-se por utilizar cabos de
compensação, ao invés de termopares, pelo custo ser menor.
A fixação dos cabos de compensação foi realizada através de uma
massa epóxi (poxipol), nas posições mostradas na Figura 3. Foi posicionado
um termopar na região central da panela, imerso na água a fim de medir a
temperatura dela.
Figura 3: posição dos sensores
A aquisição dos dados foi realizada através do sistema de aquisição de
dados Spider 8, da marca HBM, e o software utilizado foi o Catman 4.0 também
da HBM. A bancada utilizada para os experimentos é composta de um fogão
doméstico de 4 bocas abastecido com GLP. A montagem da bancada pode
ser vista na Figura 4.
Figura 4: visão geral da bancada
5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Para realização dos testes se adicionou 2,25 litros de água em cada
panela. Esse volume foi estabelecido, pois era a quantidade necessária para
cobrir todos os sensores. Foram realizadas ao todo quatro medições, duas com
a panela comum uma no queimador grande e outra no queimador pequeno do
fogão, e duas com o a panela de fundo modificado, também uma em cada
queimador do fogão. Na figura 5 podem ser vistas as dimensões dos
queimadores.
Figura 5: queimadores do fogão
Após o enchimento, iniciou-se a contagem de tempo, e após dois
minutos a chama foi acesa. Esse tempo de dois minutos serviu para verificar a
estabilização do sistema e após quinze minutos a chama foi apagada e
aguardaram-se mais dois minutos antes de se esvaziar a panela.
Através do sistema de aquisição de dados foi realizada uma leitura por
segundo em cada sensor, e com os dados adquiridos foram levantadas as
curvas de Temperatura x Tempo de cada panela em cada queimador do fogão.
6. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
As curvas levantadas durante as medições podem ser verificadas nas
figuras 6, 7, 8 e 9. Nestas curvas podemos ver a temperatura nas posições de
medidas a qualquer tempo para as duas panelas e para dois diferentes
tamanhos de queimadores do fogão.
Figura 8: panela modificada no queimador grande
Figura 9: panela modificada no queimador pequeno
Nas tabelas abaixo pode-se ver as diferentes temperaturas de acordo
com suas posições para a panela modificada em comparação com a panela
comum. Estas temperaturas foram medidas no tempo igual a 15 min. Observa-
se que, no queimador grande, as temperaturas atingidas foram maiores quando
comparadas ao queimador pequeno.
Tabela 1 – Medições realizadas no queimador grande do fogão.
Panela
Posição termopar Modificada Comum
Água 72 oC 76 oC
Centro 85 oC 92 oC
Canto 90 oC 101 oC
Lateral 78 oC 85 oC
Tabela 2 – Medições realizadas no queimador pequeno do fogão.
Panela
Posição termopar Modificada Comum
Água 66 oC 67 oC
Centro 78 oC 85 oC
Canto 82 oC 91 oC
Lateral 71 oC 75 oC
Um fenômeno interessante que deve ser observado é a maneira com
que o calor se distribuiu na panela. Para o panela comum, tem-se uma
amplitude de temperatura maior quando comparada com a panela modificada,
onde a distribuição de temperaturas é mais uniforme.
7. AVALIAÇÃO DAS INCERTEZAS
O uso de cabos de compensação para medição da temperatura
superficial não influenciou significativamente nos resultados, já que o objetivo
era apenas medir diferenças de temperatura, e não o seu valor exato. De
acordo com dados tabelados, as incertezas associadas aos termopares
utilizados seguem um padrão. Para termopares do tipo J, correspondem a
±2,2°C. Assim sendo, a temperatura real da superfície de cada panela tem 65%
de probabilidade de se encontrar em torno do valor lido na aquisição de dados
mais ou menos um valor de 2,2°C.
Os erros devido ao equipamento de aquisição, segundo o manual do
fabricante são de 2,5º C para mais e 5ºC para menos, e a resolução máxima é
de 0,1ºC para termopares tipo J.
8. CONCLUSÕES
De acordo com os resultados obtidos, verificou-se que as panelas
estudadas não apresentaram uma grande diferença para a temperatura da
água. 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. Entretanto no caso da distribuição de
temperatura superficial a diferença é mais visível, sendo que a panela
modificada apresentou melhores resultado. Na panela comum, a variação da
temperatura na superfície é maior, o que resulta em uma pior uniformidade de
aquecimento dos alimentos.
Para o acoplamento do dispositivo na panela modificada, ao ser
realizada a solda TIG, observou-se que é de grande dificuldade realizar a solda
em todo o contorno da aleta. Como a panela é de baixa espessura, isto faz
com que esta possa furar facilmente com a ação da solda. Para realizar o
experimento com melhor eficácia, se sugere que seja realizada em panelas
com espessura maior, ou que seja realizada a soldagem das aletas com
alguma resina epóxi que suporte alta temperatura.
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Incropera, F. P., Dewitt, D. P., “Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa”, 5ª, Editora LTC, 2003.
SCHNEIDER, Paulo, “Apostilas e Material de Aula”, Escola de Engenharia –UFRGS, 2007-2.
ZUCCO et al., “Otimização do aproveitamento térmico de uma panela convencional”, UFRGS, 2007.