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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE
AUMENTO DA TAXA DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR DE UMA LEITEIRA
CARLOS ANDRÉ NOBRE CAVALCANTI
FÁBIO SOUZA
MARCELO CAJU
Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas
Professor Paulo Smith Schneider
Porto Alegre, Dezembro de 2009
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RESUMO
Atualmente tem-se uma infinidade utensílios de cozinha como panelas, leiteiras, chaleiras e
formas disponíveis no comércio. Nesse trabalho a leiteira será tratada como fervedor de água.
Tem-se como objetivo melhorar a eficiência térmica de um fervedor de água, possibilitando fer-
ver água em um tempo menor com uma mesma quantidade de combustível (GLP), melhorando
assim o processo. Foram realizadas quatro modificações no fervedor. A obtenção dos dados para
comparação foi feita com o auxilio de um termopar tipo J e um termômetro. A comparação entre
a melhoria obtida após cada alteração é feita em termos do tempo gasto para ferver um litro de
água. A primeira modificação consiste em diminuir a espessura do fundo do fervedor, usinando-
o em um torno mecânico. Constata-se uma pequena, mas não significativa melhoria na eficiência
térmica. A segunda modificação consiste em aumentar a superfície de contato do fundo do fer-
vedor utilizando o fundo de uma forma de fazer pudim, melhorando bastante a troca térmica do
material aquecido com a água. Essa alteração foi a melhor entre as três. A terceira modificação
consiste na colocação de uma aba metálica para possibilitar que o ar quente proveniente da cha-
ma passe nas laterais realizando uma melhor troca convectiva. A última modificação consiste na
substituição da tampa de alumínio por uma de madeira, possibilitando uma pequena diminuição
do tempo necessário para se ferver a água. Dado que as medições foram executadas utilizando-se
o material adequado, pudemos definir quais alterações resultaram em melhores ou piores resulta-
dos. Depois de realizadas as análises gráficas verifica-se que a primeira e segunda modificações
juntas reduzem o tempo de fervura da água. A terceira modificação, em contrapartida, piora o
desempenho do fervedor. A aba colocada no fundo do fervedor funciona como uma grande aleta
prejudicando o processo
ABSTRACT
Nowadays you can find a profusion of kitchen appliances such as pots, milk-kettles, water-
kettles and other molds available on the market. In this work, the milk kettle will be treated as a
water boiler. The aim is to improve the thermal efficiency of a water boiler, thus reducing boi l-
ing time, utilizing less fuel (LPG), thus optimizing the process. In this project, it was necessary
the carrying out of four changes in the boiler. The data obtained were accomplished with the aid
of a thermocouple type j and a thermometer. The comparison between the improvement obtained
after each change is made considering the time used to boil a litter of water. The first change
consists in diminishing the thickness of the boiler bottom, machining it on a lathe. A small but
not significant improvement in its thermal efficiency is observed. The second change consists in
augmenting the contact surface of the boiler bottom utilizing the bottom of a flan mold, thus im-
proving significantly the thermal exchange of the material heated with water. This change was
the best among the three.
The third change consists in the placement of a metallic top to enable that the hot air originating
in the flame goes up laterally enabling a better convective transfer. The last change consists in
the substitution of an aluminum top for a wooden one, enabling a small decrease in the time ne-
cessary to boil the water. Since the measurements were carried out using adequate materials, we
have been able to define which alterations have resulted in the best or worst outcomes. After the
completion of graphic analyses, it is to be observed that the first and second changes reduce wa-
ter boiling time. The third change, however, worsens the performance of the boiler. The flap
placed at the bottom of the boiler works as big wing jeopardizing the process.
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SUMÁRIO:
1. INTRODUÇÃO........................................................................................................................... 5
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................................... 5
3. FUNDAMENTAÇÃO................................................................................................................. 5
3.1 Redução da espessura do fundo ............................................................................................. 5
3.2 Aumento da área de contato com o liquido............................................................................ 5
3.3 Convecção de Calor ............................................................................................................... 6
4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS................................................................................................. 6
4.1 Fervedor Analisado ................................................................................................................ 7
4.2 - Acessórios Utilizados .......................................................................................................... 7
4.3. MODIFICAÇÕES .................................................................................................................... 8
4.3.1.Redução de Espessura ......................................................................................................... 8
4.3.2 – Aumento da Superfície de Contato .................................................................................. 9
4.3.3 Colocação da aba metálica. ................................................................................................. 9
5. VALIDAÇÃO ........................................................................................................................... 10
6. RESULTADOS ......................................................................................................................... 12
7. CONCLUSÕES ......................................................................................................................... 12
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................... 12
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LISTA DE SÍMBOLOS
A Área [m2]
L Espessura [m]
q Fluxo de calor [W]
h Coeficiente convectivo [W/m².K]
dT/dx Gradiente de temperatura [ºC]
Ts Temperatura superfície [ºC]
T∞ Temperatura ambiente [ºC]
K Condutividade térmica [W/m.K]
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1. INTRODUÇÃO
Os fervedores comercializados no mercado devem atender certas necessidades básicas,
como por exemplo preparar os alimentos o mais rápido possível. Há uma grande variedade de
panelas disponíveis no mercado com preços atrativos. O grande problema é que o material e m-
pregado em muitas panelas não é o ideal para algumas tarefas. A questão rendimento térmico na
maioria das vezes é deixado de lado em função dos custos, pois a elaboração de uma panela com
melhor rendimento térmico acarretaria em maior preço do produto. Entretanto, uma panela com
um alto custo não necessariamente terá um bom rendimento térmico.
O objetivo deste trabalho consiste em melhorar o rendimento térmico de um fervedor de
água para fins didáticos, desconsiderando o custo gerado pelas modificações no produto final, e
sua importância reside nos seguintes fatos:
na estruturação da sociedade atual: hoje em dia, as pessoas têm cada vez menos tempo para realizarem suas tarefas cotidianas, por isso um produto que venha a minimizar tempos ociosos se
apresenta como uma boa opção;
na economia de combustível: além de reduzir gastos para o usuário final também vai ao en-contra da necessidade crescente de otimização da utilização dos recursos naturais.
Dado o exposto acima, procurou-se com este trabalho reduzir o gasto energético e o tempo
de operação do produto, economizando-se assim “tempo e dinheiro”.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Um fervedor é um aparato, que utilizando as propriedades de condução e convecção para
esquentar água ou alimentos. Devendo ser o mais eficiente possível termicamente, a fim de mi-
nimizar o gasto de GLP.
3. FUNDAMENTAÇÃO
3.1 Redução da espessura do fundo
Baseado na lei de Fourier, Equação 1:
dx
dTAkq (1)
A partir da consideração de fluxo de calor constante ao longo do fundo do fervedor, é pos-
sível reescrevê-la em termos de ∆T/L, onde L (m) é a espessura do fundo do fervedor. Daí po-
demos deduzir uma dependência do fluxo com variação de L, ou seja, quanto menor for a espes-
sura do fundo, menor será o fluxo de calor.
3.2 Aumento da área de contato com o liquido
Baseado ainda na Lei de Fourier pode-se determinar como q depende da área (A). Se man-
termos dT e dx constantes, enquanto o valor de A varia, se irá verificar que q é proporcional a A.
Ou seja, quanto maior a área, melhor será o rendimento do fervedor.
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3.3 Convecção de Calor
A convecção térmica é um importante processo que pode relacionar-se com este estudo. A
transferência de calor por convecção abrange dois mecanismos que são a transferência devido ao
movimento molecular aleatório (difusão) e a energia sendo transferida através de movimento
global do fluido. Um fenômeno importante para o estudo em questão é a convecção natural cau-
sada pelo movimento do ar aquecido que sobe e desloca o ar em temperatura mais baixa. A fór-
mula do processo é dada pela Lei de Resfriamento de Newton, que é dada pela Equação 2:
q = hA (Ts - T∞) (2)
onde o parâmetro h (W/m².K) é chamado coeficiente de transferência de calor por convecção.
Figura 1 – Esquemático da transferência de calor do fogo para o fervedor.
Considerando que o calor que sai é muito pequeno, o balanço energético fica:
Qe = dQacu/dt (3)
Sendo:
Qacu = -Kdt/dx (4)
4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS
O experimento foi realizado no laboratório do Grupo de Estudo Térmicos e Energéticos
(GESTE), no departamento de engenharia mecânica e tem suas características descritas nos itens
citados abaixo.
Volume de controle
Qs. Calor que sai.
Qe. Calor que entra
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4.1 Fervedor Analisado
Para a realização do experimento foi adquirido um fervedor (leiteira) de alumínio da marca
Royal N˚14 onde foram aplicadas as adequações necessárias em busca de uma melhor eficiência
térmica, desconsiderando os custos de uma produção em série. O fervedor é mostrado na Figura
2.
Figura 2. Fervedor
4.2 - Acessórios Utilizados
Termopares: Foi utilizado um termopar do tipo K (MS11, ø 6mm e 382mm), responsável
pela medição da temperatura da água ao longo do tempo.
Multímetro: Utilizado para ler a ddp (diferença de potencial) gerada pelo termopar instalado
na bancada. Marca: Minipa
Termômetro: Marca INCONTERM, graduação 0,1˚C e TP=25˚C.
Fogareiro de Ferro Fundido que, segundo dados do fabricante, consome em um sistema de
alta pressão 650 gramas GLP/hora.
A instrumentação está mostrada na Figura 3:
8
Figura 3: Equipamento Utilizado
4.3. MODIFICAÇÕES
4.3.1.Redução de Espessura
A primeira modificação consiste em diminuir a espessura do fundo do fervedor, conforme
Figura 4. Para tal, fez-se necessário a usinagem do fundo do fervedor utilizando um torno mecâ-
nico. Foi retirado em torno de 0,5mm da parede do fundo. Mesmo reduzindo o seu fundo e acar-
retando uma diminuição da resistência total não houve uma melhora no rendimento do protótipo.
Figura 4. Fervedor com fundo usinado
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4.3.2 – Aumento da Superfície de Contato
A segunda modificação consiste em aumentar a superfície de contato do fundo do fervedor
utilizando o cone de uma forma para pudim de mesmo material, melhorando a troca térmica do
material aquecido com a água. Foi executado um furo no fervedor para poder alojar o cone da
forma de pudim sendo ambos unidos através de um procedimento de soldagem, conforme Figura
5.Com isso foi aumentada sua superfície interna,para que houvesse uma maior eficiência na troca
térmica.
Figura 5. Fundo em forma de cone
4.3.3 Colocação da aba metálica.
A terceira modificação consiste na colocação de uma aba metálica para possibilitar que o ar
quente nas laterais proveniente da chama seja mais bem aproveitado. Para tal, foi colocada uma
chapa de zinco em volta do fervedor, conforme Figura 6.
Figura 6. Fervedor com aba metálica
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5. VALIDAÇÃO
Cada configuração foi experimentada no mesmo dia a fim de evitar influências das condi-
ções climáticas no experimento, gerando dados com menor variação possível. Teve-se o cuidado
para não haver correntes de ar que gerassem diferenças entre as medições. A ordem dos experi-
mentos foi alternada para não haver tendência de resultados.
As medições feitas nas quatro modificações foram realizadas com volume constante de 1,0
litro de água que se encontrava a uma temperatura inicial de 24,5ºC e temperatura ambiente de
25ºC. A intensidade da chama não foi modificada durante a alternância de testes para que se ob-
tivesse o mesmo critério de queima. A posição do registro 1 não foi alterada durante as medi-
ções. Para fechamento ou abertura do GLP foi utilizado o registro 2. Conforme figura 7.
Figura 7: Registros 1
Para a medida de temperatura foram utilizados um termopar tipo K junto com um termô-
metro de mercúrio que serviu para se obter a temperatura de referência, conforme figura 8.
Registro 1 para regula-
gem da vazão de GLP
Registro 2 para abertura e fechamento da vazão de
GLP
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Figura 8:Instrumentação
Foi realizada anotação de dados a cada variação de tensão do termopar e o tempo decorrido
dessa variação até a água atingir a temperatura de ebulição. Os resultados obtidos foram compu-
tados e tabelados de acordo com a variação de tensão, tempo decorrido e temperatura no termô-
metro. A partir das leituras de tensão lidas no multímetro utilizou-se a tabela de conversão do
termopar tipo K para se obter a temperatura da água.
Termopar tipo K
Termômetro
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6. RESULTADOS
A temperatura ambiente medida foi de 25ºC, enquanto que a temperatura da água estava
em torno de 24,5ºC. Os resultados das medições podem ser vistos na tabela Tabela 1:
A tabela mostra a vantagem da modificação que consiste em colocar um cone no fundo do
fervedor. O fervedor 3, colocação da aba, houve uma grande piora na eficiência térmica do expe-
rimento.
A coluna da tensão indica o valor lido no multímetro e o valor da coluna 2 referindo-se a o
termopar foi tirado da tabela do termopar tipo K.
Tabela 1 – Medidas de temperatura X tempo
0,0 0,0 0 25,0 0 24,50 0 24,0 0 24,0
0,1 4,00 31 29,00 29 28,50 35 28,0 49 28,0
0,2 6,00 57 31,00 56 30,50 54 30,0 67 30,0
0,3 9,00 76 34,00 64 33,50 65 33,0 83 33,0
0,4 11,00 85 36,00 82 35,50 79 35,0 99 35,0
0,5 14,00 97 39,00 94 38,50 90 38,0 115 38,0
0,6 16,00 105 41,00 108 40,50 104 40,0 132 40,0
0,7 19,00 119 44,00 122 43,50 115 43,0 150 43,0
0,8 21,00 135 46,00 134 45,50 129 45,0 165 45,0
0,9 23,00 148 48,00 145 47,50 145 47,0 180 47,0
1,0 26,00 169 51,00 160 50,50 159 50,0 200 50,0
1,1 28,00 173 53,00 173 52,50 165 52,0 217 52,0
1,2 31,00 195 56,00 188 55,50 180 55,0 237 55,0
1,3 33,00 202 58,00 200 57,50 195 57,0 253 57,0
1,4 36,00 218 61,00 212 60,50 212 60,0 272 60,0
1,5 38,00 229 63,00 225 62,50 228 62,0 288 62,0
1,6 41,00 242 66,00 239 65,50 245 65,0 308 65,0
1,7 43,00 253 68,00 245 67,50 258 67,0 326 67,0
1,8 46,00 279 71,00 268 70,50 274 70,0 346 70,0
1,9 48,00 291 73,00 279 72,50 292 72,0 365 72,0
2,0 50,00 310 75,00 296 74,50 304 74,0 383 74,0
2,1 53,00 330 78,00 309 77,50 314 77,0 398 77,0
2,2 55,00 368 80,00 325 79,50 330 79,0 419 79,0
2,3 58,00 375 83,00 340 82,50 343 82,0 438 82,0
2,4 60,00 395 85,00 357 84,50 361 84,0 464 84,0
2,5 62,00 421 87,00 374 86,50 373 86,0 483 86,0
2,6 65,00 442 90,00 393 89,50 397 89,0 510 89,0
2,7 67,00 459 92,00 408 91,50 415 91,0 527 91,0
2,8 70,00 476 95,00 428 94,50 426 94,0 560 94,0
2,9 72,00 490 97,00 440 96,50 438 96,0 585 96,0
3,0 74,00 509 99,00 461 98,50 445 98,0 605 98,0
3,1 77,00 523 102,00 480 101,50 452 101,0 620 101,0
Tensão
(mV)
Tabela
Termopar(ºC)
Tempo
(s)
Tempera
tura (ºC)
Tempo
(s)
Tempo
(s)
Tempera
tura (ºC)
Tempo
(s)
Tempera
tura (ºC)
Fervedor original Fervedor 1 Fervedor 2 Fervedor 3
Tempera
tura (ºC)
Gráfico 1 - Temperatura X tempo
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
0 36
59
72
86
99
11
2
12
7
14
1
15
5
17
2
18
2
20
0
21
3
22
9
24
3
25
9
27
1
29
2
30
7
32
3
33
8
36
1
37
4
39
4
41
3
43
6
45
2
47
3
48
8
50
5
51
9
Fundo Espessura Reduzida
Cone Interno
Cone Interno + Aba
Cone Interno + Tampa
7. CONCLUSÕES
Ao analisar os experimentos realizados pode-se concluir que nem todo as modificações
melhoraram a eficiência térmica do fervedor. Modificando a espessura do fundo do fervedor
obtivemos uma pequena diminuição do tempo necessário para ferver um litro de água. Esta mo-
dificação foi aplicada por meio da retirada de material do fundo do fervedor por meio de usina-
gem. Foi concluído que esta etapa de fabricação seria completamente inviável devido a dificul-
dade e o custo de se usinar cada fervedor, portanto, para se aplicar esta otimização seria necessá-
rio melhorar os parâmetros de conformação para se obter uma espessura mais fina do fundo do
fervedor. Modificando o fundo do fervedor com a soldagem de um cone proveniente de uma
forma para pudim de mesmo material consegui-se uma boa eficiência térmica devido ao aumento
da superfície interna de contato com a água. Esta modificação se fosse aplicada na produção em
grande escala do fervedor necessitaria de mais uma etapa de conformação. Isso elevaria o custo
de produção.
Incluindo também uma chapa de zinco na lateral do fervedor com o objetivo de aproveitar
melhor o ar quente em contato com as paredes externas do fervedor, concluiu-se que houve mai-
or perda de calor por condução do fervedor para a aba de zinco funcionando como uma aleta.
Esse foi o pior caso.
A aquisição de dados poderia ser melhores se fosse utilizado um multímetro com resolução
maior.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
SCHNEIDER Paulo, 2000. Apostila – Teermometria, GESTE, Porto Alegre – RS, Brasil
INCROPERA, F. P.e De Witt, DP.;’ Fundamentos da Transferência de Calor e Massa
Tabela de Avaliação:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Qualidade do
Relatório
Fundamentação
Instrumentação
Resultados e
conclusões
Incertezas
Criatividade