UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

MELHORIA TÉRMICA DE UMA LEITEIRA

por

Daniel B. Machado

Francis R. Lopes

Luiz F. Schmidt Jr.

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas

Professor Paulo Smith Schneider

pss@mecanica.ufrgs.br

Porto Alegre, dezembro de 2009

MACHADO, D.B.; LOPES, F.R.; SCHMIDT,L.F.JR, Melhoria térmica de uma leiteira - 2009. 10 páginas. Trabalho de Medições Térmicas do Curso de Engenharia Mecânica – Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2009. RESUMO

O presente trabalho tem como objetivo melhorar a transferência térmica de uma leiteira padrão que funciona através da queima de um combustível em uma chama de fogão. A me-lhora no desempenho desta leiteira se dá pelo aumento da área de troca de calor entre a fonte energética e o fluido. A verificação desta melhora em seu desempenho é feita de for-ma comparativa com uma leiteira padrão através do tempo decorrido para aquecer um li-tro de água. O resultado obtido com as alterações nos mostra uma redução média de 6,6% no tempo de aquecimento quando comparado com a leiteira padrão resultando diretamen-te em uma economia de combustível.

PALAVRAS-CHAVE: Otimização de aquecimento, leiteira, economia de combustível.

ii

MACHADO, D.B.; LOPES, F.R.; SCHMIDT,L.F.JR, Thermal improvement of a milk pan - 2009. 10 pages. Final Essay of the Course of Thermal Measurement – Department of Mechanical Engineering, Federal University of the State of Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2009. ABSTRACT

This work aims to improve heat transfer from a standard milk pan that works by burning a fuel in a stove burner. The improved performance of this milk pan is caused by the increased area of heat exchange between the energy source and the fluid. Verification of this improvement in performance is done comparatively with a standard milk pan by elapsed time to heat a liter of water. The result obtained shows us an arithmetic mean at 6.6% at reduction in heating time when compared to standard milk pan, directly resulting in a fuel economy.

KEYWORDS : Optimization of heating, milk pan, fuel economy.

iii

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO.........................................................................................................................01

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.................................................................................................01

3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL .....................................................................................02

3.1 Pré-Projeto......................................................................................................................02

3.2 Testes..............................................................................................................................03

3.3 O projeto.........................................................................................................................05

4 RESULTADOS..........................................................................................................................07

5 CONCLUSÃO ...........................................................................................................................09

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .....................................................................................10

7 ANEXOS....................................................................................................................................11

iv

01 1. INTRODUÇÃO

Temas como aquecimento global, efeito estufa, energia limpa nunca foram tão discutidos

como atualmente. A redução da emissão de gases poluentes e redução em gastos de energia tem

feito muitas empresas de engenharia reverem seus projetos e compete aos engenheiros encontrar

diferentes soluções para otimização de sistemas visando uma melhor eficiência dos mesmos.

O tempo gasto com aquecimento de líquidos é substancial em nossa época, equipamentos

como o forno de microondas, foram desenvolvidos para reduzir esse tempo, no entanto o princí-

pio do funcionamento desse forno muitas vezes altera o sabor de alguns alimentos após seu co-

zimento, que diferem-se daqueles cozidos utilizando-se de um fogão convencional. Por isso de-

seja-se aproveitar ao máximo o calor gerado pela chama de um fogão, além de reduzir os gastos

energéticos e consequentemente o impacto ambiental.

O objetivo deste trabalho é demonstrar a eficácia e a viabilidade de um método simples e de

fácil construção que melhora o desempenho de leiteiras, o que se traduz em um menor tempo

para tingir a ebulição.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Existem três mecanismos conhecidos para transferência de calor: radiação, condução e con-

vecção (Fig. 2.1).

Figura 2.1 Mecanismos de transferência de calor.

02

A radiação consiste de ondas eletromagnéticas viajando com a velocidade da luz. Como é a

única que pode ocorrer no espaço vazio, esta é a principal forma pela qual o sistema Terra-

Atmosfera recebe energia do Sol por exemplo e libera energia para o espaço.

A condução ocorre dentro de uma substância ou entre substâncias que estão em contato fí-

sico direto. Na condução a energia cinética dos átomos e moléculas (isto é, o calor) é transferida

por colisões entre átomos e moléculas vizinhas. O calor flui das temperaturas mais altas (molécu-

las com maior energia cinética) para as temperaturas mais baixas (moléculas com menor energia

cinética). A capacidade das substâncias para conduzir calor (condutividade) varia consideravel-

mente. Via de regra, sólidos são melhores condutores que líquidos e líquidos são melhores con-

dutores que gases. Num extremo, metais são excelentes condutores de calor e no outro extremo,

o ar é um péssimo condutor de calor.

Para a condução do calor, a equação da taxa de transferência de calor é conhecida como a

Lei de Fourier, onde o fluxo de calor q”x na direção x, em W/m, é dado pela Equação 1:

(1)

onde k é a condutividade térmica do material (W/mK) e T a sua temperatura (K).

A convecção somente ocorre em líquidos e gases. Consiste na transferência de calor dentro

de um fluído através de movimentos do próprio fluído. A convecção ocorre como conseqüência

de diferenças na densidade de um fluido. Quando o calor é conduzido da superfície relativamente

quente para um fluido sobrejacente, este fluido torna-se mais quente que o fluido vizinho. O flui-

do quente é menos denso que o frio de modo que este fluido denso desce e força o fluido mais

quente e menos denso a subir.

Um fenômeno importante para o estudo de panelas é a convecção forçada pelos gases de

combustão. A fórmula do processo é dada pela lei de resfriamento de Newton (Eq. 2):

(2)

Desta forma, a circulação convectiva da água em uma leiteira transporta calor verticalmente

da superfície da leiteira para a parte superior do fluido, sendo responsável pela redistribuição de

calor das regiões quentes para as frias. O calor é também transportado horizontalmente, por mo-

vimentos convectivos horizontais, conhecidos por advecção.

03

3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

3.1. Pré-Projeto

Tivemos inumeras idéias para a otimização da leiteira (Ver anexo A – Fig. 1) A primeira

idéia seria construir um dispositivo cônico, lembrando as formas de pudim, e soldá-lo no centro

da leiteira Royal. Esse dispositivo aumentaria a área da interface formada entre a leiteira e a á-

gua.

Uma segunda alternativa seria soldar tubos de aluminio junto ao fundo da leiteira. Por den-

tro deles passariam os gases quentes da combustão. Por fora estaria a água.

A terceira idéia seria construir cilindros concêntricos e soldá-los no fundo da leiteira. Estes

cilindros atravessariam o fundo e ficariam em contato direto com a chama viva. Grande parte do

calor que receberiam, trocariam com a água do interior da leiteira. Ainda seria colocado um ci-

lindro externo que circundaria a leiteira. Ele conduziria os gases aquecidos próximos da parede

lateral da leiteira.

A quarta idéia foi (a mais complexa de todas). Seria uma união da segunda e da terceira i-

déias, com alguns dispositivos a mais. Seriam utilizados tubos de gases quentes, cilindros con-

cêntricos (aletas), cilindro externo, isolamento, espalhador de chama e chapéus sobre a superfície

da água. Também seria feita uma pintura negra em locais devidos para ganhos de energia térmica

radiante.

3.2. Testes

Após serem traçadas as primeiras idéias a respeito do projeto, iniciou-se uma fase de testes.

Foram testados alguns recipientes quanto a sua capacidade de aquecimento de água. Selecionou-

se quatro recipientes distintos: uma forma de pudim, uma panela comum pequena, uma panela

comum grande e uma chaleira (Fig. 3.1). Foi arbitrado que cada um deveria aquecer um litro de

água da torneira de uma temperatura inicial até uma temperatura final , onde a diferen-

ça entre elas deveria ser de .

04

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 3.1 (a) Forma de pudim (b) Panela pequena (c) Panela grande (d) Chaleira

Os testes foram realizados sob duas condições de aquecimento distintas. Uma em fogo

“baixo” e outra em fogo “alto”. Todos os testes foram realizados com os recipientes destampa-

dos, exceto a chaleira.

Para a realização dos experimentos foram utilizados os seguintes equipamentos:

� Um multímetro marca Minipa ET-1001;

� Um sensor PT 100;

� Relógio digital CASIO para marcar o tempo;

� Um fogão doméstico da marca Continental;

� Medidor volumétrico de cozinha;

� Uma leiteira de alumínio Royal número 14;

� 1 litro de água da torneira.

Para comparação da performance das diferentes configurações ensaiadas foi utilizado como

critério o tempo em segundos, marcado pelo relógio digital operado manualmente, para que um

determinado volume de água a partir de uma temperatura inicial atingisse uma temperatura

final . Com estes dados, o tempo para atingir a ebulição foi dividido pela dife-

rença de temperatura . Obtivemos desta forma um parâmetro que tem unidades de [s / ºC].

Este parâmetro elimina a dependência da análise da temperatura inicial da água, e nos informa o

tempo em segundos para a elevação de um ºC de água para um determinado tipo de recipiente.

Os resultados podem ser observados na Tabela 01.

Tabela 01: Tempo em segundos para 1 litro de água atingir ∆T = 48°C

05

1.FOGO BAIXO

Tinf = 21°C e ∆T = 22°C até

70°C

2.FOGO BAIXO

Tinf = 23°C e ∆T = 25°C até

73°C

MÉDIA EM F.B.

D.P. F.B.

3.FOGO ALTO

Tinf = 20°C e ∆T =22°C até 70°C

4.FOGO ALTO

Tinf = 23°C e ∆T = 25°até 73°C

MÉDIA EM F.A.

D. P.

F.A.

MÉDIA GERA

L

PUDIM 444,4 465,3 454,9 14,8 299,1 305,2 302,2 4,3 330,6

NORMAL

436,1 459,2 447,7 16,3 306,9 304,0 305,5 2,1 328,4

GRANDE

434,7 455,5 445,1 14,7 265,5 286,6 276,1 14,9 317,0

CHALEIRA

402,8 431,5 417,2 20,3 285,9 298,1 292,0 8,6 309,3

Conforme pode-se perceber, foram realizadas duas medições para cada situação. Com isso

calculou-se a média e o desvio padrão do tempo de aquecimento.

Com os dados acima, foi traçado o gráfico da Figura 3.2.

Figura 3.2 Aquecimento de água em diferentes recipientes.

Através dos testes preliminares pudemos observar que em fogo baixo (fogo produzido

quando o regulador de vazão de gás do fogão está na abertura mínima), o recipiente mais eficaz

quanto a taxa de aquecimento da água foi a chaleira. A panela grande foi a que apresentou os

melhores resultados quando a situação era de fogo alto (fogo produzido quando o regulador de

vazão de gás do fogão está na abertura máxima).

06

3.3. O Projeto

Baseado nos testes preliminares e nos conhecimentos adquiridos ao longo do curso de En-

genharia Mecânica, iniciamos a fase de projeto da leiteira modificada. Ela deveria aquecer a á-

gua com maior velocidade quando comparada a leiteira padrão.

Por uma questão de simplicidade de construção, resolvemos que nossa leiteira teria aletas

em forma de placas planas. Estas aletas transpassariam o fundo da leiteira e sua lateral. A região

da aleta externa ficaria em contato com os gases quentes de combustão e a região interna ficaria

em contato com a água. Um cilindro externo seria acoplado a leiteira com intuito de manter o

fluxo de gases quentes próximos da parede externa da leiteira.

Com esta idéia, partimos para a compra dos materiais necessários para a construção:

� Uma leiteira de aluminio, marca Royal, n° 14 por R$ 12,00

� Uma chapa de aluminio de 1000x200x2mm por R$ 23,00.

� O serviço de soldagem das aletas e do cilindro externo teve um custo de R$

60,00.

Totalizando um gasto de R$ 95,00 para a construção.

A chapa foi cortada e com ela foram fabricadas as aletas em uma gilhotina excêntrica. O ci-

lindro externo foi fabricado em uma calandra.

Foi necessário criar 8 rasgos na leiteira para alocar as aletas. Utilizou-se um disco de corte

nessa operação.

Na Figura 3.3 podemos observar as etapas de construção da leiteira otimizada.

(a)

(b)

(c)

07

(d)

Figura 3.3 (a) e (b) Vista das aletas (c) Soldagem (d) Leieteira com o cilindro externo.

4. RESULTADOS

Utlizando a mesma metodologia já utilizada nos testes anteriores obtivemos os seguintes

resultados (Tab. 02), quando comparamos a leiteira padrão com a leiteira otimizada.

Tabela 02: Tempo em segundos para 1 litro de água atingir ∆T = 48°C

1.FOGO BAIXO

Tinf = 21°C e d =

22°C até 70°C

2.FOGO BAIXO

Tinf = 23°C e d =

25°C até 73°C

MÉDIA

EM F.B.

D.P.

F.B.

3.FOGO ALTO

Tinf = 20°C e d =

22°C até 70°C

4.FOGO ALTO

Tinf = 23°C e d =

25°C até 73°C

MÉDIA

EM F.A.

D. P.

F.A.

MÉDIA

GERAL

LEITEIRA

COMUM

485,6 488,6 487,1 2,1 320,3 320,5 320,4 0,1 403,7

LEITEIRA

PROJETO

453,9 459,2 456,6 3,7 299,6 297,1 298,4 1,8 377,5

Pode-se observar novamente uma redução no tempo para uma variação de 48°C de tempe-

ratura da água.

Os resultados também foram plotados no gráfico da figura 4.1.

08

Figura 4.1 Comportamento do aquecimento de água na leiteira padrão e da leiteira melho-

rada.

Analisando os dados acima, pode-se perceber que em fogo “baixo” a leiteira modificada

aqueceu a água 6,3% mais rapidamente quando comparada a sua versão padrão de fábrica. Já em

fogo “alto”, esta diferença pró leiteira modificada sobe para 6,9%.

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, os en-

saios foram realizados, de forma cuidadosa por mais de uma vez.

09

5. CONCLUSÃO

Pode-se observar com este experimento que uma relativa melhora no tempo de aqueciemn-

to de água pode ser alcançada em uma leiteira comum através da utilização de aletas e concen-

tradores de calor. Essa melhora de desempenho tem como consequência uma economia de ener-

gia e financeira. O tempo médio para o aquecimento de água foi 6,6% menor quando comparado

à leiteira convencional.

Deve-se salientar porém que a leiteira melhorada deixa a desejar no quesito praticidade,

tanto de uso, como de limpeza visto que para sua higienização será necessário utilizar uma esco-

va especial para que alcance todas as partes da mesma, além de limitações quanto ao uso. Outro

fator é o custo que embora não analisado neste trabalho para produção em escala industrial, cer-

tamente sofrerá um reajuste para mais.

Trabalhos futuros podem ainda melhorar a distribuição dessas aletas em função da higieni-

zação, além de inserir tubos por onde passariam os gases de combustão, e ainda uma pintura ne-

gra para ganho de energia térmica radiante.

10 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

MOREIRA, A. L., GALARCE A. E. I. LISBÔA F. C. BORGES F. B. Validação de Conceito Para Aplicação de Um Sistema Portátil de Refrigeração de Líquidos para Bicicletas 2009. 13f. (Trabalho de Medições Térmicas do Curso de Engenharia Mecânica) – Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2009.

INCROPERA F. P. & DE WITT, D. P., Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, 4ªEd, Editora LTC, 1998.(Livro texto).

KREITH, F., & BOHN, M. S, Princípios da Transmissão de Calor, Editora Thomson, 2003.

BRAGA FILHO, W., Transmissão de Calor, Editora Thomson, 2004.

MORAN,M. J. et. al, Introdução à Engenharia de Sistemas Térmicos: termodinâmica, mecânica dos fluidos e transferencia de calor, LTC, 2005.

Fundamentação Teórica - Disponível em: <http://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap2/cap2-9.html> Acesso em: 12 dez. 2009.

SCHNEIDER, P. S. Medições Térmicas – ENG03108. Porto Alegre: UFRGS, 2009. (Comunica-ção oral).

11

ANEXOS

Anexo A

Figura A1. Rascunho com as primeiras idéias do projeto