UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

MEDIÇÃO DE DESEMPENHO DE CHAPAS CONCENTRADORAS DE CHAMAS

por

Marauê Pinheiro Nunes (124907)

Ruth Renati Ractz Martins (124978)

Vitor Hugo Machado da Silveira (124887)

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas

Porto Alegre, junho de 2008.

2

Medição de desempenho de chapas concentradoras de chamas

RESUMO

Este trabalho tem o objetivo de avaliar o desempenho de chapas metálicas concentradoras

de chama como uma alternativa de melhor aproveitar a queima dos gases de uma chama de

fogão. São utilizados dois tipos de chapas vendidas comercialmente e um anel envoltório

desenvolvido durante esse trabalho para realização dos experimentos. Os equipamentos para os

experimentos utilizados são termopares do tipo K, fios de compensação, uma panela, água como

fluido, um fogão, um computador e um software para aquisição dos dados. Os resultados sem o

uso de chapas concentradoras e com anel envoltório não apresentam diferenças significativas.

Uso de chapas para melhor aproveitar a queima dos gases se mostra ineficiente com ambos os

tipos de chapas. Com o uso destas chapas cria-se uma camada de ar entre as chapas e a panela

formando uma resistência para a transferência do calor para o fundo da panela. O tempo de

ebulição da água com o uso de chapas é superior do que sem o uso, indicando a ineficácia das

mesmas.

PALAVRAS-CHAVES: Chamas, termopares, anel, temperaturas, tempo.

3

Performance measurement of metal device to concentrate stove flames ABSTRACT

This work is to evaluate the performance of sheet metal devices used to concentrate stove

flames as an alternative to better exploit the burning of the gas flame of a stove. Two type’s sheet

metal devices commercialy sales and a ring wrap develop during this work for conducting the

experiments. The equipments used for the experiments are the type thermocouples K, yarn

compensation, a pan, water as fluid, a stove, a computer and software for data acquisition. The

results without use of metal devices and with ring wrap not have significant differences. Use of

sheet metal devices to concentrate the flames and increase the gas burning efficiency do not

show any good result with both types of devices. With the use of these devices there is a layer of

air between those and ladle forming a resistance to the transfer of heat to the bottom of the pot.

The time for boiling water with using the metal devices is higher than without the use, indicating

the ineffectiveness of them.

KEYWORDS: Flames, thermocouples, ring, temperatures, time.

4

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO 5

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 6

3. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 7

3.1. Definição dos equipamentos 7

3.2. Montagem da bancada 11

3.3. Procedimento experimental 12

4. RESULTADOS 13

4.1. Panela sem chapa concentradora de chamas 13

4.2. Panela com chapa grande concentradora de chamas 15

4.3. Panela com chapa pequena concentradora de chamas 17

4.4. Panela com anel envoltório 19

4.5 Resultados finais 21

5. CONCLUSÕES 23

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 24

5

1. INTRODUÇÃO

Atualmente vivemos em um mundo com escassez de energia, portanto a sociedade deve

se preocupar com os problemas que o consumo sem limites pode causar. Desperdiçando mais,

ampliaremos a necessidade de geração de energia e a construção de novas unidades produtoras, o

que pode causar impactos ambientais tremendos.

Combater o desperdício é usar energia de forma inteligente, pensando nisso fez-se a

medição de desempenho de chapas concentradores de chamas e de um anel envoltório em uma

panela, pois buscamos o máximo desempenho com um mínimo consumo.

Ao realizar a medição simulou-se em laboratório um ambiente com fogão e panela,

colocou-se para ferver 1,8 litros de água e mediu-se o tempo que a água levaria para ferver e o

quanto gastaria de gás neste mesmo tempo. Após isto se comparou o desempenho da panela com

o uso de dois tipos de chapas concentradoras de chamas e também com um uso de um anel

envoltório na borda inferior da panela, a fim de frear o escape da chama.

Para as medições utilizamos termômetros, termopares – tipo K - e fios de compensação,

além de um coletor de dados que possibilitou a comparação das curvas de aquecimento.

6

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Transferência de calor é o nome dado ao fluxo da energia térmica (que Durante a

transferência recebe o nome de calor) de uma parte para outra de um mesmo corpo. [Frank P.

Incropera, 2002]. Esse fenômeno pode se processar de três maneiras diferentes: condução,

convecção e radiação.

A condução é o processo de transmissão de calor em que a energia térmica passa de um

local para outro através das partículas do meio que os separa. A passagem da energia de uma

região para outra se faz da seguinte maneira: na região mais quente, as partículas têm mais

energia, vibrando com mais intensidade; com esta vibração cada partícula transmite energia para

a partícula vizinha, que passa a vibrar mais intensamente; esta transmite energia para a seguinte e

assim sucessivamente. A condução de calor é um processo que exige a presença de um meio

material e que, portanto, não ocorre no vácuo. A lei que rege a transferência por condução é

mostrada abaixo.

x

Tkq xx ∂

∂⋅= − (1)

Onde qx é o fluxo de calor na direção x em W/m, kx é condutividade térmica em W/m.K e

x

T

∂∂

é o gradiente de temperatura na direção x.

Já a convecção é um movimento de massas de fluido, trocando de posição entre si.

Notemos que não tem significado falar em convecção no vácuo ou em um sólido, isto é,

convecção só ocorre nos fluidos. O fenômeno de convecção é descrito pela lei abaixo.

)(supTTAhq extx

−⋅⋅= (2)

Onde h é o coeficiente de troca de calor por convecção em W/m2.K, A é a área de troca

de calor em m2, Text é a temperatura do exterior e Tsup é a temperatura da superfície.

Por fim, a radiação é o processo de transmissão de calor através de ondas

eletromagnéticas (ondas de calor). A energia emitida por um corpo (energia radiante) se propaga

até o outro, através do espaço que os separa. Sendo uma transmissão de calor através de ondas

eletromagnéticas, esta não exige a presença do meio material para ocorrer, isto é, a radiação

ocorre no vácuo e também em meios materiais.

Para o caso de um queimador de fogão, ao aquecer-se uma panela, tem-se perda de calor

pelas três maneiras.

7

3. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS

O procedimento de ensaios se dividiu em três etapas:

� Definição dos equipamentos;

� Montagem do bancada;

� Procedimento experimental.

3.1. Definição dos Equipamentos

- PANELA

Optou-se pela utilização de uma panela já existente no laboratório, sendo que essa era

dotada de termopares tipo K - no centro e na parte lateral do fundo da panela.

A panela apresenta 20 cm de diâmetro e 9 cm de altura com espessura de 2mm, o que

representa bem uma panela normalmente utilizada no dia a dia, como mostrado na Figura 1.

Figura 1 – Panela utilizada apresentando suas dimensões

- TERMOPAR DO TIPO K

A utilização do termopar do tipo K (Cromel/Alumel) deveu-se não somente a já estar

instalado na panela, mas também por sua boa performance neste tipo de experimento. Este

termopar tem um baixo custo e, devido à sua popularidade, estão disponíveis variadas sondas.

Cobrem temperaturas entre os -200 e os 1370 °C, tendo uma sensibilidade de aproximadamente

41µV/°C.

Figura 2 – Termopar do tipo K

9 cm

20 cm

8

- FLUIDO

O fluído escolhido para testes foi água devido as suas vantagens e facilidades, pois a água

já tem suas características de mudanças de fase definidas. Sendo assim tivemos como estabelecer

parâmetros a serem medidos, tais como a temperatura de ebulição da água.

O volume de água utilizado foi de 1,8 litros, aproximadamente.

- FOGÃO

O fogareiro utilizado já pertencia ao laboratório e representa de maneira similar um fogão

caseiro, não reproduzindo fielmente devido as quatro mini-bocas de 2 cm enquanto em um fogão

caseiro normalmente apresenta somente uma boca de 8 cm de diâmetro.

Foi feita uma marca no regulador de vazão, para garantir que em todos os ensaios

tenhamos a mesma intensidade de chama, mostrado nas figuras abaixo.

Figura 3 – Fogareiro usado no experimento

Figura 4 – Marca para padronizar a intensidade de chama

9

- MEDIDOR DE VAZÃO

Para realizar a medida de vazão contamos com um contador de gás já existente no

laboratório, onde se anotou os valores iniciais e finais do contador. Assim a diferença entre o

valor final e inicial foi a quantidade de gás utilizado para ferver a água por experimento.

Figura 5 – Medidor de volume de gás

- CHAPAS CONCETRADORAS DE CHAMAS e ANEL

As chapas concentradoras de chamas foram adquiridas mercado normal, que dispunha de

dois tamanhos, materiais e formas diferentes, conforme pode ser verificado na figura abaixo:

Figura 6 – Modelos de chapas concentradoras encontradas no mercado e utilizadas no

experimento

10 cm

4cm

14 cm

4cm

10

- TERMÔMETRO

Para as medições utilizaram-se dois termômetros, pois precisávamos medir em faixas de

temperaturas diferentes.

Na primeira parte do experimento utilizou-se um termômetro com faixa de medição de 1-

50ºC para verificar a temperatura inicial da água e posteriormente um termômetro com faixa de

medição de 50 ºC a 110ºC, onde pudemos computar o tempo que decorreu até a água atingir 50º

e 100ºC.

Figura 7 – Termômetros usados

- AQUISIÇÃO DE DADOS

Para a aquisição de dados optamos por utilizar HP3497OA Data Acquisition Switch Unit

juntamente a um computador que pertencem ao laboratório.

Figura 8 – Equipamentos utilizados na aquisição de dados

11

3.2. Montagem da bancada

A bancada utilizada no presente trabalho encontra-se no Laboratório LETA no

Departamento de Engenharia Mecânica inserido na Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

Esta mesma é composta por:

• Um fogão de uma boca;

• Panela;

• Chapas concentradoras de chamas;

• Termopares;

• Fios de compensação;

• Equipamento de aquisição de dados;

• Computador.

A bancada foi montada de maneira prática para as medições. A panela inicialmente fica

apoiada diretamente sob o fogão e acima dela o Termômetro fica imerso até a metade do líquido

de água. Quando a medição é realizada com a chapa concentradora, esta mesma de localiza entre

a panela e o fogão.

Os termopares são ligados ao aparelho de aquisição de dados através de fios de

compensação que possibilitam a coleta do sinal.

A montagem pode ser verificada na figura abaixo:

Figura 9 – Bancada de experimento

12

3.3. Procedimento experimental

Com base na bancada de experimento e equipamentos de citados acima, os testes

seguiram o padrão descrito abaixo:

• Montagem da panela – em todas as situações – sobre o fogareiro. Observa-se que o

centro da panela deve coincidir com o centro das chamas;

• Conexão dos termopares à placa de aquisição de dados. Os cabos de compensação

definem os canais de aquisição;

• Preenchimento da panela de teste com água – de torneira – até a marca delimitada e

citada anteriormente. Imediatamente mediu-se a temperatura da água usada no teste;

• Acomodação do termômetro no pedestal e afixação do mesmo na faixa central da panela;

• Configuração dos canais de aquisição de dados de acordo com os parâmetros solicitados

pelo software. Ajustes para obtenção dos gráficos bem como calibração dos termopares;

• Coleta do dado de volume inicial de gás;

• Acendimento da chama – seguindo padrão já mencionado – e posterior inicia-se a

aquisição de dados;

• Observação do avanço da temperatura da água, isto é, controlar o tempo de chegada da

temperatura da água na faixa de 50ºC. Haja vista que o termômetro localizado no centro

da panela mede temperatura na faixa dos 50ºC aos 100ºC;

• Observação do processo até a chegada da água na temperatura de fervura para a pressão

no dia da medição;

• Chegada à temperatura de fervura, desliga-se a vazão de gás, anota-se o volume final de

gás mostrado no medidor. Interrompe-se a aquisição de dados e exportam-se os dados

para uma planilha do Microsoft Excel;

• Retira-se o termômetro do centro da panela;

• Esvazia-se a panela;

• Aguarda-se o resfriamento da mesma;

• Repetem-se as etapas anteriores para os três demais casos.

Desse procedimento, definiu-se como mensurados: o consumo de gás com base nos

dados de contagem inicial e final de volume de gás; o tempo para atingirem-se os 50ºC; o tempo

para atingir-se a fervura do conteúdo e as temperaturas no fundo da panela tanto centro quanto

parte periférica.

13

4. RESULTADOS

4.1. PANELA SEM CHAPA CONCENTRADORA DE CHAMAS

O caso da panela sem chapa concentradora apresenta uma situação na qual a chama

espalha-se por uma área maior, o que não significa uma melhor distribuição do calor. Conforme

a literatura essa maior área de contato da superfície da panela com a chama favorece as correntes

de convecção.

Figura 10 – Experimento sem chapa nem anel envoltório.

Abaixo segue um esquema que exemplifica o comportamento da chama:

Figura 11 – Esquema indicativo do comportamento das chamas para o caso de panela sem chapa

concentradora de chamas, nem anel envoltório.

Com base nos dados adquiridos, a panela apresentou a seguinte distribuição de

temperaturas no fundo de panela, considerando o inicio da medição até o momento que água

ferve. Pelo gráfico percebe-se que a temperatura medida em ambos os termopares tende ao

equilíbrio a partir dos 11 minutos de experimento. O tempo de chegada aos 50ºC foi de 4minutos

e 27 segundos, já o tempo de fervura da água foi de 13minutos e meio, tudo isso com um

14

consumo de 11,5 decímetros cúbicos. Abaixo se tem o gráfico que ilustra a distribuição de

temperaturas no fundo de panela.

Temperatura (ºC) x Tempo (seg)

0,0030,0060,0090,00

120,00150,00

0 90 180

270

360

450

540

630

720

756

Tempo (seg)

Tem

pera

tura

no

fund

o da

pan

ela

(ºC

)

Temperatura no fundo da panela (centro)

Temperatura no fundo da panela (lateral)

Figura 12 – Gráfico representando a evolução da temperatura medida por ambos os termopares

existentes na panela para o caso de panela sem chapa concentradora de chamas.

15

4.2. PANELA COM CHAPA GRANDE CONCENTRADORA DE CHAMA S

Para a situação da panela com chapa grande concentradora apresenta uma situação na

qual a chama concentra-se mais na parte central da panela, também se observa que chama não se

espalha radialmente a ponto de atingir a superfície da panela. Esse fato faz com que a diferença

de temperatura superficial entre os termopares fosse a maior.

Abaixo temos um esquema que exemplifica o comportamento da chama:

Figura 14 – Esquema indicativo do comportamento das chamas para o caso de panela com chapa

grande concentradora de chamas.

Figura 13 – Experimento com chapa maior.

16

Com base nos dados adquiridos, a panela apresentou a seguinte distribuição de

temperaturas no fundo de panela. Graficamente percebe-se que a temperatura medida em ambos

termopares tende ao equilíbrio a partir dos 26 minutos e 40 segundos de experimento. O tempo

de chegada aos 50ºC foi de 8minutos e 35segundos, já o tempo de fervura da água foi de

25minutos, tudo isso com um consumo de 18,5 decímetros cúbicos. Abaixo se tem o gráfico que

ilustra a distribuição de temperaturas no fundo de panela.

Temperatura (ºC) x Tempo (seg.)

0

30

60

90

120

150

0 90 180

270

360

450

540

660

750

840

930

1020

1110

1200

1290

1380

1470

1560

1650

Tempo (seg)

Tem

pera

tura

no

fund

o da

pa

nela

(ºC

)

Temperatura no fundo da panela (centro)Temperatura no fundo de panela (lateral)

Figura 15 – Gráfico representando a evolução da temperatura medida por ambos os termopares

existentes na panela para o caso de panela com chapa grande concentradora de chamas.

17

4.3. PANELA COM CHAPA PEQUENA CONCENTRADORA DE CHAM AS

Para a panela com chapa pequena concentradora apresenta uma situação na qual a chama

concentra-se mais na parte central da panela, entretanto se observa que chama se espalha

radialmente a ponto de atingir a superfície da panela. Esse fato faz com que a diferença de

temperatura superficial entre os termopares seja menor se comparada com o caso anterior. Com

essa situação ocorre um favorecimento da convecção na região onde a chama radialmente

espalhada. Outro ponto a ser frisado é que a camada de ar entre a chapa e a panela é menor se

compararmos com o caso da chapa maior.

Figura 16 – Experimento com chapa menor.

Abaixo temos um esquema que exemplifica o comportamento da chama:

18

Figura 17 – Esquema indicativo do comportamento das chamas para o caso de panela com chapa

pequena concentradora de chamas.

Com base nos dados adquiridos, a panela apresentou a seguinte distribuição de

temperaturas no fundo de panela. Graficamente percebe-se que a temperatura medida em ambos

os termopares tende ao equilíbrio a partir dos 17 minutos de experimento. O tempo de chegada

aos 50ºC foi de 7minutos e 40 segundos, já o tempo de fervura da água foi de 25minutos, tudo

isso com um consumo de 17,5 decímetros cúbicos. Abaixo se tem o gráfico que ilustra a

distribuição de temperaturas no fundo de panela.

Temperatura (ºC) x Tempo (seg.)

0,0030,0060,0090,00

120,00150,00

012

024

036

048

060

072

084

096

010

8012

0013

2014

40

Tempo (seg)

Tem

pera

tura

no

fund

o da

pan

ela

(ºC

)

Temperatura no fundo da panela (centro)

Temperatura no fundo da panela (lateral)

Figura 18 – Gráfico representando a evolução da temperatura medida por ambos os termopares

existentes na panela para o caso de panela com chapa pequena concentradora de chamas.

19

4.4. PANELA COM ANEL ENVOLTÓRIO

Para a panela com anel envoltório apresenta uma situação na qual a chama espraia-se

radialmente, entretanto a mesma ao chegar à superfície do anel concentra-se nesta região. Esse

fato faz com que a diferença de temperatura superficial entre os termopares seja menor se

comparada com os demais casos. Com essa situação apresenta convecção melhor distribuída,

semelhante ao caso da panela sem chapa.

Figura 19 – Experimento com anel envoltório.

Abaixo temos um esquema que exemplifica o comportamento da chama:

Figura 20 – Esquema indicativo do comportamento das chamas para o caso de panela com anel

envoltório.

20

Com base nos dados adquiridos, a panela apresentou a seguinte distribuição de

temperaturas no fundo de panela. Graficamente percebe-se que a temperatura medida em ambos

os termopares tende ao equilíbrio a partir dos 10 minutos de experimento. O tempo de chegada

aos 50ºC foi de 4minutos e 27segundos, já o tempo de fervura da água foi de 13minutos e

6segundos, tudo isso com um consumo de 11,5 decímetros cúbicos. Abaixo se tem o gráfico que

ilustra a distribuição de temperaturas no fundo de panela.

Temperatura (ºC) x Tempo (seg)

0,0030,0060,0090,00

120,00150,00

0 90 180

270

360

450

540

630

720

783

Tempo (seg)

Tem

pera

tura

no

fund

o da

pa

nela

(ºC

)

Temperatura no fundo da panela (centro)

Temperatura no fundo da panela (lateral)

Figura 21 – Gráfico representando a evolução da temperatura medida por ambos os termopares

existentes na panela para o caso de panela anel envoltório.

21

4.5. RESULTADOS FINAIS

Com objetivo de mensurar os experimentos, os dados coletados foram reunidos em uma

tabela, conforme se observa abaixo:

Tabela 1 – Valores medidos para os quatro casos estudados.

Anel Chapa Maior

Chapa Menor

Sem Chapa

Temperatura Inicial (em ºC) 17,5 13,5 13,5 17,5 Temperatura Final (em ºC) 98 98 98 98 Contador Inicio (em m 3) 51266 51328,5 51311 51277,5

Contador Fim (em m 3) 51277,5 51347 51328,5 51289

Consumo de Gás 11,5 18,5 17,5 11,5 Tempo para 50ºC 04:29 08:35 07:40 04:27 Tempo de Fervura 13:06 26:40 25:00 13:30

A seguir têm-se gráficos que mostram a evolução da temperatura na superfície da panela

em função do tempo de experimento. O primeiro gráfico mostra essa evolução para o termopar

situado na parte central do fundo da panela. Observam-se dois padrões de distribuição, o

primeiro – sem chapa e com anel envoltório – que apresenta uma convergência mais rápida ao

equilíbrio e também em menos tempo, já o segundo padrão apresenta uma convergência mais

lenta. Isso ficou evidenciado pelo diferencial de temperatura entre os dois pontos de medida, isto

é, a diferença de temperatura medida no fundo da panela – centro e lateral – foi maior para os

casos de uso das chapas concentradoras.

22

Temperatura (°C) x Tempo (seg.)

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

0 90 180

270

360

450

540

630

720

783

840

930

1020

1110

1200

1290

1380

Tempo (seg.)

Tem

pera

tura

no

fund

o da

pan

ela

(cen

tro e

m

°C)

Anel Sem chapa Chapa menor Chapa maior

Figura 22 – Gráfico representando a evolução da temperatura medida no fundo da panela –

posição centro – para as quatro possibilidades.

Abaixo temos as distribuições de temperatura para o fundo da panela na região lateral. Os

padrões de comportamento são mantidos em relação á análise anterior.

Temperatura (°C) x Tempo (seg.)

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

0 90 180

270

360

450

540

630

720

783

840

930

1020

1110

1200

1290

1380

1470

1560

1650

1740

Tempo (seg)

Tem

pera

tura

no

fund

o da

pa

nela

(la

tera

l em

°C)

Anel Sem chapa Chapa menor Chapa maior

Figura 23 – Gráfico representando a evolução da temperatura medida no fundo da panela –

posição lateral – para as quatro possibilidades.

23

5. CONCLUSÕES

O objetivo deste trabalho foi de avaliar o desempenho de placas concentradoras de

chamas e anel envoltório em aplicações domésticas como esquentar água, por exemplo.

Baseado na tabela e gráficos apresentados acima se pode concluir que os casos mais efetivos são

aqueles em que a chama pode ser espalhada por uma maior área de contato, ou seja, o uso de

chapas se torna ineficaz. Conclui-se também que esta ineficiência das chapas deve-se maior

resistência á transferência de calor para a panela, e posteriormente ao fluido de estudo. Fato que

pode ser evidenciado com os resultados de tempo de fervura, tempo de chegada aos 50ºC,

confirmando-se com o consumo de gás que foi maior no caso de uso das chapas. A chapa maior

se mostrou menos eficiente e mais lenta devido à mesma representa a maior resistência à

transferência de calor e também menor área de contato direto entre os queimadores e a panela,

conforme o esquema mostrado abaixo.

O mecanismo de transferência de calor acontece através da placa aquecida em contacto

com o ar, as moléculas de ar se chocam com a placa e absorvem energia térmica. Quando estas

moléculas chocam com outras transferem parte da energia que ganharam da placa. Através de

colisões sucessivas a energia térmica da placa vai sendo transferida para o ar, para regiões cada

vez mais afastadas da placa quente, ou seja, um processo de condução através do ar. Se apenas

houvesse este processo o aquecimento do ar seria muito lento.

Montra claramente um movimento de conjunto das moléculas do ar, e é o movimento em

bloco de massas de ar que corresponde ao transporte por convecção. Porém a baixa

condutividade térmica e pequeno coeficiente de transferência térmica do ar causam uma restrição

ao aquecimento da panela, fazendo com que o tempo de aquecimento seja superior do que sem o

uso destas chapas.

Os testes realizados com o anel envoltório mostram que o mesmo apresenta pouca

eficiência em melhor aproveitar os gases da chama, pois os resultados não apresentaram

diferenças significativas em relação ao experimento sem uso de dispositivo.

Portando, podemos concluir que as chapas concentradoras de chamas não servem para

melhorar a desempenho de um fogão, além de representarem uma resistência a mais na

transferência de calor das chamas para o líquido que se quer esquentar.

24

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Frank P. Incropera, David P. Dewit, 2002. Fundamentals of Heat and Mass Transfer,

Fifth Edition, John Wiley & Sons, Inc.

Schneider Paulo, 2000. Apostila - Termometria, GESTE, Porto Alegre – RS, Brasil.

Guerra Rui, 2001. Condutividade, Universidade do Algarve, Portugal.