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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
AVALIAÇÃO DE CABOS DE PANELAS
por
Mateus Borges Knapp
Paulo Oliveira Fraga
Pedro Lewgoy Dalpiaz
Trabalho Final da Disciplina de
Medições Térmicas
Porto Alegre, novembro de 2008
ii
AGRADECIMENTOS
O grupo agradece a colaboração do Sr. Batista, técnico do laboratório LETA pela ajuda
prestada, o colega Edgar Oppitz, pela ajuda na montagem do projeto e a Magnesita Refratários
S.A., pelo material disponibilizado para o desenvolvimento do trabalho.
iii
AVALIAÇÃO DE CABOS DE PANELAS
RESUMO
Este trabalho tem por objetivo a medição da temperatura superficial em diferentes cabos de
panelas de cozinha, com foco na segurança do operador da panela. Através de uma panela defi-
nida como padrão para o ensaio, são analisados alguns dos principais modelos de cabos vendidos
no mercado. Os parâmetros do ensaio são: o a quantidade de água utilizada dentro da panela du-
rante o processo, a quantidade mássica do fluido, a vazão de combustível saindo do queimador, o
tamanho do queimador, o tempo do ensaio com o aquecimento do fluido, a posição da panela
com relação ao queimador, a distribuição de sensores de temperatura ao longo do cabo, o tipo de
sensor de temperatura. As temperaturas dos cabos são comparadas ao longo do tempo e são defi-
nidos os cabos seguros e não seguros. Como adicional, é proposto a utilização de um material
alternativo para a confecção de um cabo. O material de natureza isolante foi conseguido junto a
uma empresa de refratários. Ao final do experimento, sob as condições estabelecidas para o en-
saio, nenhum dos cabos propostos foi aprovado.
iv
ABSTRACT
“SAUCEPAN CABLES EVALUATION”
This work has as a goal the measure of superficial temperatures on different kitchen’s sau-
cepan cables, focused on the operator security. Trough a saucepan set as default to test, some
models of cables sold in the market are analyzed. The default parameters are: the amount of wa-
ter used in the saucepan during the process, the mass quantity of the fluid, the flow of fuel com-
ing out of the burner, the size of burner, the time of test of heating the fluid, the saucepan posi-
tion in relation of the burner, the distribution of the temperature sensors along the cable and the
sensor type. The temperatures of the cables are compared along time and are set the safe and
unsafe cables. As additional, is proposed the use of an alternative material for the construction of
another cable. The insulating material was obtained from a refractory company. In the end of the
experiment, under the conditions set for test, none of the cables were approved.
v
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO.............................................................................................................. 1
2. FUNDAMENTACÃO TEÓRICA................................................................................. 1
3. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS.................................................................................... 3
4. ESPECIFICAÇÃO DOS CABOS.................................................................................. 4
5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL E RESULTADOS........................................... 7
6. INCERTEZAS................................................................................................................ 11
7. CONCLUSÕES.............................................................................................................. 12
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................... 13
9. ANEXO.......................................................................................................... ............ 14
vi
LISTA DE SÍMBOLOS
A Área da Seção [mm²]
D Diâmetro [mm]
H Altura [mm]
L Comprimento [mm]
T Temperatura [°C]
Ts Temperatura de superfície [K]
Tviz Temperatura da vizinhança [K]
T∞ Temperatura do fluido [K]
V Tensão [V]
w Largura [mm]
ε Emissividade [Adimensional]
kx Condutividade térmica do material [W/(mK)]
σ Constante de Stefan-Boltzmann [W/m² K4]
h Coeficiente de transferência de calor por convecção [W/m²K]
Qcond.e Fluxo de Calor que entra por Condução [W/m²]
Qconv.e Fluxo de Calor que entra por Convecção [W/m²]
Qrad.viz.e Fluxo de Calor que entra por Radiação [W/m²]
Qconv.s Fluxo de Calor que sai por Convecção [W/m²]
Qrad.viz.s Fluxo de Calor que sai por Radiação [W/m²]
1
1. INTRODUÇÃO
Uma cozinha oferece muitos riscos por ter instrumentos afiados e fontes de calor por com-
bustão. Acidentes com queimadura e improvisação com panos são constantemente observados
em fogões. Estes acidentes podem ser diminuídos se medidas de segurança forem adotadas.
Qualquer cozinheiro utiliza panelas para preparar diversas comidas, sendo que a grande
maioria já vivenciou um acidente por queimadura. O que acontece é que muitas vezes tanto as
panelas quanto seus respectivos cabos são mal dimensionados.
Este tema foi proposto porque o engenheiro não pode se preocupar apenas com a eficiência
dos equipamentos, a segurança de operação é um ponto extremamente importante e tem sido um
dos principais valores das empresas globais atualmente.
O objetivo deste trabalho é a comparação de diversos tipos de cabos de panela. No experi-
mento serão medidas as temperaturas de todos os cabos selecionados previamente, bem como
comparadas as suas temperaturas após o ensaio e, com isso, será avaliado a qualidade dos cabos
para a situação proposta. Assim, serão indicados quais os cabos de panelas são seguros dentre os
ensaiados.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA E INSTRUMENTAÇÃO
No processo foram analisados alguns pontos fundamentais que abordam a transferência de
calor. São eles:
• Condução Térmica
Transferência de calor pelo contato entre dois corpos em diferentes temperaturas. Confor-
me a Segunda Lei da Termodinâmica a direção do fluxo de calor é sempre do corpo mais quente
para o mais frio. Dessa forma o fluxo de calor qx na direção x, em W/m², é dado pela Equação 1:
�� � �����
�� (1)
onde kx é a condutividade térmica do material (W/(m K)) e T a sua temperatura (K).
• Convecção Térmica
É a transmissão de energia que ocorre na presença de um gradiente de temperatura entre
um fluido e um corpo sólido, ou entre fluidos. O fenômeno da convecção térmica é descrito pela
Equação 2:
2
� � ��� � � � (2)
onde q é o fluxo de calor convectivo (W/m²), h o coeficiente de transferência de convecção
(W/m² K), Ts a temperatura da superfície (K) e T∞ a temperatura do fluido (K).
• Radiação Térmica
É a transferência de energia que ocorre entre dois ou mais corpos, através da emissão de
calor por ondas eletromagnéticas, inerente a toda matéria. Este fenômeno é dado pela Equação 3:
� � ������ � ����
�� (3)
onde q é o fluxo de calor por radiação (W/m²), ε a emissividade do material (adimensional), σ a
constante de Stefan-Boltzmann (σ = 5,67x10-8 W/m² K4), Ts a temperatura absoluta da superfície
(K) e Tviz é a temperatura da vizinhança (K).
• Balanço Térmico
O volume de controle considerado para análise do balanço térmico é visto na Figura 1.
Figura 1 – Volume de controle adotado.
Conforme é visto na figura acima, admite-se como calor que entra, em W/m², no volume
de controle a condução Qcond.e pelo contato entre a panela e o cabo, a convecção Qconv.e dos gases
da combustão e o cabo e a radiação Qrad.viz.e emitida pela vizinhança (panela, fogão, chama, etc.).
O calor que sai, em W/m², do volume de controle é convecção Qconv.s do cabo da panela com ar
3
ambiente e a emissão de radiação Qrad.viz.s para a vizinhança. Utilizando a primeira lei da termo-
dinâmica, este balanço térmico pode ser visualizado na Equação 4:
������� � ������� � �� ������� � ������� � �� ������� (4)
Para garantir uma transferência de calor uniforme, a altura de contato adotada de cada cabo
com a panela foi a mesma. Sendo a transferência de calor da chama na panela uniforme e cons-
tante ao longo da área da superfície de baixo da panela e a mesma com geometria simétrica, po-
de-se aplicar a hipótese de que a temperatura e o calor, na altura onde os cabos estão conectados
são os mesmos. A altura média de fixação dos cabos adotada foi de 62,4 mm. Esse valor foi ba-
seado nas comparações com demais panelas, calculando-se a média.
3. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS
Para a realização do experimento foi escolhida uma panela padrão de 200 mm de diâmetro,
95 mm de altura e 1 mm de espessura.
Para assegurar que todas as condições iniciais e condições de estado transiente do ensaio
seriam as mesmas, adotou-se um sistema de medir as temperaturas dos cabos ao mesmo tempo,
através de termopares ligados a uma placa de captura, instalada no computador do LETA, marca
Hewlett Packard modelo 34970A que comporta 20 canais.
Os cabos de compensação usados para fazer a medição são do tipo J (ferro/costantan). Os
“fios compensadores” trabalham na faixa de 0 a 200 °C, possuem sensibilidade de 50 µV/°C e
uma incerteza maior que 2,2 ºC. No experimento foram utilizados fios de compensação por mo-
tivos econômicos e de precisão. Não foi preciso utilizar um termopar muito preciso nos resulta-
dos.
O fluido usado foi água da torneira da rede pública de Porto Alegre. Foram despejados 400
ml de água na panela momentos antes de iniciar o ensaio. Considerando que Porto Alegre situa-
se ao nível do mar, portanto a pressão barométrica local é aproximadamente 1 atm. A temperatu-
ra do laboratório, onde o experimento foi realizado, era 27 °C.
Por último, os parâmetros restantes adotados foram o combustível usado, que é o GLP usa-
do em cozinhas comuns; o diâmetro do queimador, que é o queimador do laboratório de 70 mm;
a vazão de gás no queimador, a vazão foi determinada como máxima da válvula instalada, vazão
foi constante desde o início do ensaio, até o final.
A temperatura máxima para o limiar da dor na pele humana foi adotada como sendo 45°C.
4
“Skin temperature greater than 45°C or less than 18°C causes pain” [Hardy et al. 1952]. Adotou-
se este valor para a determinação entre o cabo a ser aprovado ou reprovado
Desse modo o ensaio é padronizado e os resultados serão válidos.
4. ESPECIFICAÇÃO DOS CABOS
Os cabos utilizados no experimento estão especificados através das Tabelas 1, 2, 3 e 4 e
das Figuras 2, 3, 4 e 5, onde podem ser visualizados:
Figura 2 – Cabos tipo longitudinal de baquelite
Tabela 1 – Dimensões de cabos tipo longitudinal de baquelite
Tipo Longitudinal
Comprimento Área da seção da medição
L (mm) H x w (mm²) Cabo 1 135 448 Cabo 2 160 468
Cabo 3 155 500
Na tabela acima pode ser visto a relação existente entre o comprimento e a área de seção
de cada cabo do tipo longitudinal.
5
Figura 3 – Cabos tipo “alça” de baquelite
Tabela 2 – Dimensões de cabos tipo “alça” de baquelite
Tipo Alça
Comprimento Área da seção da medição
L (mm) H x w (mm²)
Cabo 4 70 214
Cabo 5 55 120
Cabo 6 40 88
Já na Tabela 2 pode ser visto a relação existente entre o comprimento e a área de seção de
cada cabo do tipo alça.
Figura 4 – Cabo tipo “alça” de alumínio
6
Tabela 3 – Dimensões de cabo tipo “alça” de alumínio
Tipo Alça Comprimento Área da seção da medição
L (mm) H x w (mm²)
Cabo 7 65 225
Na Tabela 3 pode ser visto a relação existente entre o comprimento e a área de seção do
cabo do tipo alça de alumínio.
Figura 5 – Cabo tipo longitudinal de Intoval
Tabela 4 – Dimensões de cabo tipo longitudinal de Intoval
Tipo Longitudinal
Comprimento Área da seção da medição
L (mm) D (mm)
Cabo 8 65 25,0 + 2,0 de PVC
Finalmente na tabela acima, pode ser visto a relação existente entre o comprimento e a área
de seção do cabo do tipo longitudinal feito de Intoval.
Juntamente com os cabos escolhidos para o ensaio, foi testado um material isolante propos-
to no presente trabalho e fornecido por uma empresa especializada na produção de refratários
para fornos de siderúrgicas e processos que exigem altas temperaturas. O material é denominado
Intoval (empresa Magnesita). As características técnicas deste produto se encontram no Anexo I.
7
Este material possui uma preparação similar ao cimento de construção civil. Para prepará-
lo foi preciso adicionar água e fazer a mistura. A preparação do molde foi feita de modo rápido e
simples e uma semana antes de realizar o ensaio, tempo estimado para a cura. Foi utilizado um
tubo de PVC de 25mm de diâmetro cortado em pedaços de comprimento similares aos cabos de
baquelite. Em uma das pontas foi colocado papel, preso por fita colante. Após a preparação do
molde, foi depositado o isolante na sua cavidade, como se pode visualizar na Figura 6.
Figura 6 – Detalhe da preparação do cabo de isolante Intoval.
Após uma semana de espera para cura do material isolante, foi feita retirada do molde de
PVC com uma serra manual. A técnica, não muito adequada, ocasionou a quebra de um cabo
durante o corte do PVC. Devido à fragilidade mostrada pelo material, achou-se conveninte man-
tê-lo envolto pelo tubo.
5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL E RESULTADOS
Utilizando uma furadeira, foram feitos os furos necessários na panela para fixação dos ca-
bos, sendo que estes foram presos posteriormente com rebites de alumínio, conforme mostra a
Figura 7.
Figura 7 – Detalhe da fixação dos cabos.
8
Os fios do termopar tipo J depois de terem sua ponta desencapada foram entrelaçados e
bem prensados, formando um tipo de ponteira, como se pode visualizar na Figura 8. O adesivo
plástico foi o material utilizado para fixar os fios nos lugares pré-determinados.
Figura 8 – Detalhe da fixação do termopar no cabo da panela.
Através de aproximação visual, centralizou-se a panela no queimador, de forma que o calor
ficasse uniformemente distribuído. É importante que este fato seja enfatizado, pois as medições
serão feitas simultaneamente. A Figura 9 ilustra o posicionamento, e a Figura 10 mostra a panela
com os todos os cabos fixados e devidamente instrumentados.
Figura 9 – Detalhe da posição da panela em relação à chama.
9
Figura 10 – Aspecto final da panela, em cima do queimador para fazer o ensaio.
Após a conexão dos fios no computador para a aquisição dos dados, configurou-se o soft-
ware Agilent Bench Data Loger com o modelo e parâmetros do fio utilizados. Com a entrada
destes dados no programa, o mesmo automaticamente o identificou, calibrando o sistema.
Com tudo devidamente montado, adicionou-se um volume de 400 ml de água na panela e
deu-se início ao ensaio medindo-se a temperatura inicial dos cabos (temperatura ambiente do
dia) e, após isto, ligando-se o queimador. Depois de 12 minutos, com o queimador na máxima
potência, observou-se as seguintes temperaturas nos cabos, conforme indicado na Tabela 5 e os
gráficos conforme as figuras 11, 12 e 13 que seguem abaixo:
Tabela 5 – Temperatura final dos pontos de medição, após os 12 minutos de ensaio, no queima-
dor funcionando com vazão máxima (dados por ordem decrescente de temperatura).
Formato
cabo Material
Temperatura final (°C)
Cabo 7 alça alumínio 96,7 Cabo 8 longitudinal Intoval 73,0 Cabo 1 longitudinal baquelite 72,2 Cabo 6 alça baquelite 68,8 Cabo 2 longitudinal baquelite 65,4 Cabo 3 longitudinal baquelite 61,2 Cabo 5 alça baquelite 59,4
Cabo 4 alça baquelite 53,9
Com a tabela acima, pode-se observar as relações entre os formatos dos cabos e seu mate-
rial com a temperatura final do ensaio.
Figura 11 – Comparação de temperaturas
Com o gráfico acima podemos notar que a variaç
comportou-se de modo inversamente proporcional
Figura 12 – Comparação de temperaturas entre os cabos tipo “alça” de baquelite.
Com o gráfico acima podemos notar que a variaç
comportou-se do mesmo modo que os cabos longitudinais.
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
0 200
Tem
pe
ratu
ra (
°C)
Comparação entre os cabos longitudinais de
Cabo 1 - Longitundinal / Baquelite
Cabo 3 - Longitundinal / Baquelite
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
0 200
Tem
pe
ratu
ra (
°C)
Comparação entre os cabos tipo "alça" de
Cabo 4 - Alça / Baquelite
de temperaturas entre os cabos longitudinais de baqu
áfico acima podemos notar que a variação de temperatura dos cabos longitudinais
inversamente proporcional aos tamanhos das áreas de seç
Comparação de temperaturas entre os cabos tipo “alça” de baquelite.
áfico acima podemos notar que a variação de temperatura dos cabos
o mesmo modo que os cabos longitudinais.
400 600 800
Tempo (s)
Comparação entre os cabos longitudinais de
baquelite
Longitundinal / Baquelite Cabo 2 - Longitundinal / Baquelite
Longitundinal / Baquelite
ΔT
400 600 800
Tempo (s)
Comparação entre os cabos tipo "alça" de
baquelite
Alça / Baquelite Cabo 5 - Alça / Baquelite Cabo 6 - Alça / Baquelite
Δ
10
entre os cabos longitudinais de baquelite.
ão de temperatura dos cabos longitudinais
áreas de seção.
Comparação de temperaturas entre os cabos tipo “alça” de baquelite.
ão de temperatura dos cabos do tipo alça
Longitundinal / Baquelite
T = 11,0 °C
Alça / Baquelite
ΔT = 15,0 °C
Figura 13 – Comparação de temperaturas entre todos os cabos ensaiados.
Através do gráfico acima, podemos notar que a maior diferença de temperatura se deu
tre os cabos de alumínio e baquelite de formato tipo alça.
6. INCERTEZA
É comum a utilização de cabos de compensação para medição de temperatura, p
em comportamento similar ao termopar e, principalmente, menor custo. Para avali
incertezas, os mesmos podem ser tratado
res são maiores que os especificados em um termopar com pont
As incertezas associadas ao termopar tipo “J”
de erro, definido como padrão, variando entre mais ou menos 2,2°C
entre mais ou menos 1,1°C.
No experimento proposto, utilizou
tando-se incertezas e erros maiores que
Os erros devido ao equipamento de aquisição, segundo o manual do fabricante são de
2,5°C para mais e 5°C para menos e a resolução máxima é 0,1°C para termop
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
0 100 200
Tem
pe
ratu
ra (
°C)
Comparação entre todos os tipos de cabos testados
Cabo 1 - Longitundinal / Baquelite
Cabo 3 - Longitundinal / Baquelite
Cabo 5 - Alça / Baquelite
Cabo 7 - Alça / Alumínio
Comparação de temperaturas entre todos os cabos ensaiados.
áfico acima, podemos notar que a maior diferença de temperatura se deu
ínio e baquelite de formato tipo alça.
É comum a utilização de cabos de compensação para medição de temperatura, p
em comportamento similar ao termopar e, principalmente, menor custo. Para avali
ser tratados como termopares. No entanto, sabe-se que estes val
res são maiores que os especificados em um termopar com ponta de alumínio encapsulada.
ao termopar tipo “J” (Iron vs. Copper-Nickel) possuem um limite
padrão, variando entre mais ou menos 2,2°C, e especial,
osto, utilizou-se para medição cabos de compensação tipo “J”,
maiores que do termopar padrão tipo “J” de mesmas cara
Os erros devido ao equipamento de aquisição, segundo o manual do fabricante são de
is e 5°C para menos e a resolução máxima é 0,1°C para termopares tipo J.
300 400 500 600 700 800
Tempo (s)
Comparação entre todos os tipos de cabos testados
Longitundinal / Baquelite Cabo 2 - Longitundinal / Baquelite
Longitundinal / Baquelite Cabo 4 - Alça / Baquelite
Alça / Baquelite Cabo 6 - Alça / Baquelite
Alça / Alumínio Cabo 8 - Longitudinal / Intoval
11
Comparação de temperaturas entre todos os cabos ensaiados.
áfico acima, podemos notar que a maior diferença de temperatura se deu en-
É comum a utilização de cabos de compensação para medição de temperatura, pois possu-
em comportamento similar ao termopar e, principalmente, menor custo. Para avaliação de erros e
se que estes valo-
a de alumínio encapsulada.
possuem um limite
cial, com variação
se para medição cabos de compensação tipo “J”, ado-
tipo “J” de mesmas características.
Os erros devido ao equipamento de aquisição, segundo o manual do fabricante são de
res tipo J.
800
Comparação entre todos os tipos de cabos testados
Longitundinal / Baquelite
Longitudinal / Intoval
ΔT = 37,4 °C
12
7. CONCLUSÕES
Com a realização desse experimento pode-se ter uma breve visão do funcionamento, de-
sempenho térmico e influência geométrica de determinados cabos de panelas em sua aplicação.
O principal ponto analisado, a segurança do operador, deixou claro que existe a necessidade de
um estudo aprofundado pelos fabricantes no desenvolvimento de melhorias na função de isolan-
tes que os cabos devem exercer. Os resultados obtidos nos mostram, explicitamente, que a gran-
de maioria dos cabos é de baixa qualidade no quesito isolante térmico.
O cabo de alumínio com perfil tipo “alça”, por sua característica de bom condutor, apre-
sentou grande variação de temperatura, atingindo valores extremos rapidamente, sendo assim
reprovado.
Já os cabos de baquelite mostraram-se mais eficientes, apresentando um aumento mais len-
to na sua temperatura de superfície, porém nenhum foi eficiente o bastante para manter-se abaixo
de 48ºC (temperatura máxima para limiar da dor). Dentre os cabos de baquelite ensaiados, ob-
servou-se que os cabos com geometria longitudinal atingem um valor bastante elevado na parte
próxima a panela, onde normalmente o operador apóia seu polegar, sendo todos os ensaiados
reprovados conforme se pode ver na tabela 5. Os cabos com geometria tipo “alça” tiveram a pe-
culiaridade de ter dimensões variadas proporcionalmente, facilitando a comparação dos mesmos.
Obviamente o cabo de menor dimensão foi o que atingiu a temperatura mais elevada, devido sua
proximidade à panela, o que facilitou a troca térmica por convecção com gases da chama. O cabo
tipo “alça” de dimensão intermediária entre o menor e o maior, comportou-se de forma interme-
diária como era esperado. Isto pode ser perfeitamente visualizado na figura 11. Porém o maior
deles, depois de decorridos doze minutos, atingiu uma temperatura superficial máxima de
53,9ºC, valor considerado não satisfatório pelo grupo, apesar de ter o melhor desempenho entre
os cabos propostos.
O cabo proposto pelo grupo, feito de material isolante, perfil tipo cilíndrico, não obteve o
resultado esperado, sendo reprovado como a maioria dos outros. A obrigatoriedade de manter o
tubo de PVC prejudicou o resultado, pois o mesmo funcionou como “abafador” do cabo.
Finalmente, podemos afirmar que nenhum dos cabos testados foi aprovado, segundo o critério de
45ºC como temperatura máxima admitida. Podemos deixar como sugestão para um futuro expe-
rimento, o ensaio de cabos de diferentes materiais e formas geométricas.
13
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Incropera, F. P., Dewitt, D. P., 2003. “Fundamentos de Transferência de Calor e Mas-
sa”, Quinta edição, Editora LTC, Rio de Janeiro.
American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2001. “2001
ASHRAE Handbook - Fundamentals”, Atlanta.
Schneider, P. S., 2008. “Termometria e Psicrometria”, Departamento de Engenharia
Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre.
http://www.nmead.ufrgs.br/cursos/ENG03108/
14
9. ANEXO
Anexo I – Descrição técnica do material fornecido para teste pela Magnesita SA.
