Upload
doanh
View
215
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
OTIMIZAÇÃO DO APROVEITAMENTO TÉRMICO DE
UMA PANELA CONVENCIONAL
Por
Cristiano Zucco
Marcos E. Jokiaho
Marcus Vinícius
Rodrigo M. Huppes
Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas - ENG 03108
Porto Alegre, 04 de Novembro de 2007.
2
ii – RESUMO
O presente trabalho tem como objetivo desenvolver o projeto de uma panela, buscando
aumentar a sua eficiência térmica. Sabe-se que, o maior problema das panelas convencionais, são
as perdas de calor, principalmente por radiação, experimentadas por suas extremidades. Logo, o
projeto, através de uma saia soldada no local abordado, prevê que essa perda de calor pode ser
reduzida, redirecionando praticamente todo o fluxo de calor convectivo e radioativo para a
superfície inferior e lateral da panela, submetidas à troca de calor com a chama. A saia, fabricada
em aço carbono, permite convergir esse fluxo devido à sua geometria côncava.
Com os testes realizados, torna-se possível fazer um comparativo entre uma panela
comum e a panela-protótipo e, posteriormente, pode-se avaliar, com o auxílio dos dados das
eficiências térmicas das panelas, se o aumento de custo de fabricação traria retorno financeiro
para aquele consumidor que adquirir a panela.
Palavras chave: condução, convecção, radiação, transferência de calor, eficiência térmica.
3
iii – SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO......................................................................................................................... 4
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................................................ 5
3. CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO .......................................................................................... 6
3.1 DADOS DAS PANELAS..................................................................................................................8
3.2 DESCRIÇÃO DA BANCADA .........................................................................................................9
4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL .................................................................................. 10
4.1 MENSURANDOS...........................................................................................................................11
4.2 RESULTADOS OBTIDOS .............................................................................................................11
4.3 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ...............................................................................................12
5 CONCLUSÃO.......................................................................................................................... 13
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 14
4
1. INTRODUÇÃO
As panelas comercializadas em mercados e lojas especializadas buscam atender e superar
suas concorrentes atendendo às necessidades básicas do cliente - boa distribuição do calor na
superfície, superfície antiaderente e preferencialmente que tenha um preço acessível ao mercado
almejado. Em contrapartida, questões como o rendimento térmico são colocadas de lado, uma
vez que a elaboração de uma panela com um melhor aproveitamento térmico acarretaria em um
custo maior de fabricação.
Porém, adquirir uma panela com um rendimento térmico maior não significa somente
possuir um item com um preço maior que a panela comum. Uma panela bem projetada precisa de
menos calor para aquecer uma substância qualquer ao compararmos com a panela comum. Logo
se é necessário uma quantidade menor de calor, a quantidade de gás consumida pelo fogão será
reduzida também, com isso reduzimos o consumo do GLP (Gás Liquefeito de Petróleo). Reduzir
o consumo de GLP significa uma redução nos gastos do orçamento familiar e conforme os níveis
de redução e a utilização da panela pode ser possível termos um “payback” do investimento
inicial.
Uma vez que o GLP é um dos muitos produtos derivados do petróleo, seguindo uma
visão mais sistêmica, podemos dizer que reduzindo o consumo de GLP estaremos também
contribuindo para a redução do consumo das reservas, já escassas, de petróleo.
5
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Transmissão de calor é a denominação dada à passagem da energia térmica (que durante a
transferência recebe o nome de calor) de um corpo para outro ou de uma parte para outra de um
mesmo corpo. Essa transmissão pode se processar de três maneiras diferentes: condução,
convecção e irradiação.
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.
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.
Por fim, a irradiação 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 irradiação
ocorre no vácuo e também em meios materiais.
Num queimador de fogão, ao aquecer-se uma panela, tem-se perda de calor pelas três
maneiras. Desta forma, este experimento tem como objetivo central reduzir a perda de calor
principalmente por irradiação. Para isso, foi projetado um objeto capaz de direcionar essa energia
para a panela, aumentando assim, a quantidade de calor recebida pela mesma.
6
3. CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO
A panela-protótipo foi confeccionada na empresa Metal-Sul localizada na avenida
Imperatriz Leopoldinense em São Leopoldo – RS.
Para a construção do protótipo partiu-se da idéia de uma panela convencional, soldando-
se à sua base uma saia para contenção da radiação térmica e das correntes convectivas. A
confecção de uma panela com materiais espessuras adequados requer materiais, ferramentas e
máquinas que não são encontrados facilmente no mercado para pequenos consumidores. Para
contornar esta dificuldade utilizou-se um tubo de aço com um disco soldado em uma de suas
extremidades. Tanto o tubo quanto o disco possuíam uma espessura maior do que a desejada,
porém devido à escassez de material fomos obrigados a utilizar esta espessura de chapa. A saia
citada acima foi construída com o mesmo material do restante do protótipo e conformado em
uma calandra. A panela base e a panela-protótipo podem ser vistas, respectivamente, nas figuras
2 e 3.
Figura 2 Figura 3
Visando maximizar o aproveitamento térmico colocou-se uma aleta ao longo da
superfície lateral externa da panela, fazendo com que a mistura ar + gás quente permanecesse
mais tempo em contato com a superfície e aumentando a área trocadora de calor. Como
confeccionar uma aleta para a superfície curva necessitaria a utilização de um maquinário
especial, optou-se em usar uma mola de suspensão para fazer o papel da aleta, conforme a figura
4. Porém, ao utilizarmos uma mola, acrescentamos mais massa a um sistema que já possuía peso
demais.
Além da eficiência térmica da mola como aleta ser muito baixa, não se conseguiu a
liberdade para definir o tamanho da mesma, ficando preso à espessura da mola que encaixasse na
7
panela. Isto tornou o diâmetro hidráulico muito pequeno, comprometendo a liberação dos gases
queimados e sufocando a chama.
Figura 4
Para forçar que o fluxo de ar + gás ficasse em contato com as aletas, colocou-se um outro
tubo de diâmetro maior, que selasse a superfície aletada e criasse um canal para o fluxo do ar +
gás. Esta adição acrescentou ainda mais massa ao sistema, como pode ser visualizado na figura 5.
Figura 5
Como a nova superfície externa estaria exposta ao ar em temperatura ambiente, colocou-
se ainda um isolante térmico (lã de vidro) – figura 6 - e mais um tubo para proteger a lã de vidro
e possibilitar o manuseio da panela. Com esta adição a panela foi finalizada, mas com um peso
muito acima do desejado – figura 7.
Figura 6
8
Figura 7
3.1 DADOS DAS PANELAS
� Materiais
Na a confecção das panela-protótipo e panela convencional foi utilizado um aço carbono 1045 sendo ainda, a mola de aço carbono 1020;
� Peso
Ao final da construção, a panela-protótipo e a panela convencional ficaram
respectivamente com pesos de 4,32 kg e 0,25 kg ;
� Dimensões
As principais dimensões da panela convencional e da panela-protótipo estão listadas
abaixo em um quadro comparativo:
Dimensão Panela
convencional Panela-protótipo
Corpo 1,6 1,6
Pés - 3,2 Espessura (mm)
Chapa em cima da panela - 4,1
Diâmetro interno (mm) 73,98 73,98
Diâmetro externo (mm) 76,2 140,3
Volume interno (m³) 0,00041 0,00041
9
3.2 DESCRIÇÃO DA BANCADA
Composta por:
� Panela comum e panela-protótipo – foto 1;
Foto 1
� Termômetro com escala 0 – 50°C, termômetro com escala 50 – 100°C, botijão de
gás, medidor de vazão, fogareiro, suporte de sustentação do fogareiro para a panela, relógio com
cronômetro.
A bancada, de um modo geral, pode ser vista na foto 2.
Foto 2
10
4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Depois de confeccionado o protótipo da panela, o mesmo foi levado, juntamente com
modelo de panela convencional, para o Laboratório de Estudos Térmicos e Aerodinâmicos -
LETA, onde se realizaram testes sob a supervisão do técnico e responsável pelo laboratório,
seguindo a seguinte seqüência:
- Pegou-se as duas panelas, com mesmas dimensões internas, e instrumentos
adequados para que fossem medidos e comparados o tempo de aquecimento, variação de
temperatura e o consumo de gás - calculado a partir da medição da vazão de gás;
- Encheu-se a panela com água, conforme esquema da figura 8;
- Colocou-se a panela comum no fogo, com uma vazão controlada e constante de gás,
salvo pequenas variações intrínsecas ao fogareiro. Para a medição das temperaturas, usaram-se os
dois termômetros, simultaneamente - um para as medições de temperatura entre 0 e 50°C e outro
para as medições entre 50 e 100°C. O posicionamento dos termômetros dentro das panelas deu-
se conforme a figura 8 abaixo;
Figura 8
- Para medição do tempo usou-se um relógio com cronômetro. A medição começou
com temperatura ambiente para a água e tempo zero. De 30 em 30 segundos verificou-se a
temperatura e a vazão de gás. Monitorou-se as condições de operação da panela até a temperatura
de 80 °C;
11
- Repetiu-se o experimento por três vezes e calculou-se uma média dos valores
encontrados nas medições, para assim, chegar-se a uma conclusão;
- Realizou-se o mesmo procedimento e medições com a panela-protótipo.
4.1 MENSURANDOS
Tempo Temperaturas Vazão de gás
4.2 RESULTADOS OBTIDOS
Valores encontrados de tempo, temperatura e quantidade de gás consumidos pelos dois
modelos de panela.
Temperatura (°C) Gás consumido (dm³) Temperatura (°C) Gás consumido (dm³)
0 27.1 50.44 27 50.44230 31 50.44 28 50.44260 32 50.44 29.5 50.44290 35 50.44 31.1 50.442
120 38 50.44 33.4 50.443150 41.5 50.44 34.9 50.443180 45.5 50.44 36.9 50.443210 47.6 50.44 39.1 50.443240 50.5 50.44 42 50.443270 53 50.44 44.3 50.444300 55 50.44 46.5 50.444330 59.4 50.44 48.7 50.444360 65 50.441 50.8 50.444390 71 50.441 53.2 50.444420 77 50.441 55.3 50.444450 82.5 50.441 57.4 50.445480 - - 59.3 50.445510 - - 61.4 50.445540 - - 63.3 50.445570 - - 64.5 50.445600 - - 67.7 50.445630 - - 69.4 50.445660 - - 71.2 50.446690 - - 73.1 50.446720 - - 74.5 50.446750 - - 75.9 50.446780 - - 77.4 50.446810 - - 79.1 50.446840 - - 80.4 50.446
Total (dm³) = 807.044 Total (dm³) = 1462.884
Tempo (s)PANELA COMUM PANELA-PROTÓTIPO
12
O gráfico abaixo mostra a variação da temperatura da água contida nos dois modelos de
panela em função do tempo de aquecimento.
4.3 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Percebe-se que a nossa panela possui eficiência inferior à panela comum. A causa deste
baixo rendimento é o fato que devido às dificuldades encontradas durante a confecção da panela,
não foi possível utilizar materiais e dimensões adequadas. Esta dificuldade gerou a necessidade
do uso de materiais com forma e principalmente com espessura maior do que a desejada. O uso
destes materiais resultou em um grande aumento da massa da panela, fazendo com que sua
inércia térmica se tornasse muito alta. Em função da grande inércia térmica da panela-protótipo,
uma grande parcela da energia liberada na queima do gás GLP é “dissipada” no aquecimento da
panela em si e não na transferência de calor para o líquido no interior da panela.
Outro fator importante que prejudicou o desempenho da panela-protótipo, foi o fato da
mesma ter sido projetada para operar em fogões domésticos convencionais que podem ter sua
grade removida e não em queimadores. Como o teste foi realizado em um queimador, no qual a
grade de sustentação não pode ser removida, a panela operou em uma posição inadequada,
deixando um grande vão livre entre o bocal de queima do gás e a panela. Isto permitiu que a
radiação liberada do fogo escapasse por baixo da panela, não só tornando a saia (que deveria
conter esta radiação) inútil, mas também fazendo com que ela piorasse o rendimento da panela,
uma vez que a saia fez a base da panela ficar mais longe ainda do fogo.
Temperatura X Tempo
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
0 60120
180240
300360
420480
540600
660720
780840
Tempo (s)
Tem
pera
tura
(°C
)
Panela Comum Panela Protótipo
13
5 CONCLUSÃO
Com base nos fatos apresentados anteriormente no presente trabalho, concluímos que a
panela-protótipo desenvolvida pelo grupo não apresentou os resultados desejados. Sendo o
insucesso do projeto, atribuído às dificuldades do processo de fabricação, uma vez que a panela
não pode ser confeccionada do modo que o grupo desejava. Entretanto acreditamos que a
proposta apresentada pelo grupo, se confeccionada com materiais apropriados e nas dimensões
corretas pode melhorar o rendimento térmico de uma panela convencional. Logo, seriam
necessários novos estudos e um novo projeto dando ênfase à solução dos problemas detectados
neste primeiro protótipo.
Um aspecto que foi levantado durante a realização do trabalho foi a questão do custo de
confecção da panela. Porém como a panela foi construída artesanalmente seu custo não
representa o custo real que uma empresa de grande porte teria ao produzir em série uma panela
com as características do nosso protótipo. Adicionando-se a isto, o fato da panela não ter
apresentado os resultados esperados, faz com que a relação “Custo X Benefício” não possa ser
calculada, uma vez que o custo para se obter a panela com as características corretas ainda é
desconhecido.
14
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
- INCROPERA, Frank P, DEWITT, David P. Fundamentos de Transferências de Calor e
Massa, 5ª edição, editora LTC, 2002.
- FOX, R. W.; MCDONALD, A. T. Introdução à Mecânica dos Fluidos. 5ª.edição Rio de
Janeiro LTC, 2001.
- SCHNEIDER, Paulo, “Apostilas e Material de Aula”, Escola de Engenharia – UFRGS,
2007.