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 6: panela comum no queimador grande

Figura 7: panela comum no queimador pequeno

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.