UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

CÚPULA PARA LEITEIRA

por

Evandro Luís Flesch

Franciele Stail Bordin

Otávio Teixeira Pinto

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas

Professor Paulo Smith Schneider

pss@mecanica.ufrgs.br

Porto Alegre, Dezembro de 2009.

AGRADECIMENTOS

Gostaríamos de agradecer substancialmente ao técnico de laboratório João Batista da Rosapelo auxílio prestado ao grupo no desenvolvimento do trabalho. Da mesma forma, devemosagradecimentos aos seguintes professores: Dr. Paulo Smith Schneider, pela sua presteza em nosatender e pela oportunidade criada para o desenvolvimento deste trabalho; Dr. Marcelo Godinho,pelas considerações à respeito de trocas térmicas que serviram de auxílio ao grupo e, finalmente,Dr. Francis Henrique Ramos França, que discutiu com o grupo os efeitos da radiação térmica noprocesso. Além disso, de caráter inegavelmente grato somos ao Eng. José Vanderlei Feltrin, doLAFUN -UFRGS, que nos forneceu de bom grado um termopar para realizarmos a coleta dedados no experimento.

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RESUMO

O presente trabalho propõe-se a criar um método para melhorar a transferência de calorentre uma chama padrão de um fogão doméstico e uma leiteira. O objetivo é reduzir as perdasde calor para o ambiente, a fim de maximizar o fluxo térmico para a leiteira. Numa primeiraavaliação são concebidos os critérios relevantes do problema, a fim de direcionar o trabalho aser realizado. Tais critérios são sedimentados no conhecimento teórico dos integrantes dogrupo e em pesquisas realizadas. Com as informações necessárias, o grupo construiu umsistema de direcionamento dos gases de exaustão que também atua como refletor de radiaçãotérmica. O intuito do sistema é evitar trocas térmicas convectivas com massas de ar que seencontram afastadas da leiteira, dissipando a energia fornecida à mesma. Além disso, osistema tem como função refletir a radiação emitida pela chama, a fim de aquecer a leiteira econseqüentemente o fluido em seu interior. A radiação térmica envolvida é analisadaqualitativamente com o objetivo de melhorar a absorção desta por parte do utensílio decozinha. Com as informações obtidas o fundo da leiteira é pintado de preto para aumentar suaabsortividade. São realizados experimentos em laboratório com diversas configurações dosistema durante dois dias, obtendo como resultados uma significativa melhora noaproveitamento do calor produzido pela combustão. É possível atingir uma diminuição naconstante de tempo da leiteira na ordem de 23 % . Considerando o fato de a leiteira continuarcumprindo perfeitamente sua função, sem alteração significativa que a condene ou acréscimode material que dificulte sua limpeza, é possível concluir que o sistema desenvolvido paraotimizar o aproveitamento da chama se revela bastante eficaz. Além disso, o custo dedesenvolvimento do sistema é baixo, uma vez que se utiliza de material simples (liga dealumínio) que pode inclusive ser reciclado.

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ABSTRACT

MILKMAID'S DOME

The present work aims to create a method to optimize the heat transfer between a stove'sflame and a milkmaid. The objective is reduce the environmental heat losses, to maximize theheat flux for the milkmaid. At a first evaluation the problem relevant criteria are conceived, inorder to direct the work. Such criteria are sedimented in team members theoretical knowledgeand researches. Thus, the team members built an exhaustion gas conveyance that also acts as athermal radiation reflector. This system aims to block the convective thermal exchange thatinclude environmental air masses away the milkmaid, because the energy is dissipated. Be-sides, this system acts as a thermal radiation reflector, using the flame radiation to warm themilkmaid and its content . The thermal radiation in the process is qualitatively analyzed to op-timize the milkmaid's bottom absorption. The bottom is black painted to increase its ab-sorptivity. There has been laboratory experiment, during two days, with the most amazingconfigurations. This experiments show a meaningful increase in heat use, reaching time con-stant values 23 % lower than the simple utensil. With no significant alterations, easy to clean,the system developed is really effective. Also, low development cost is reached, since it canbe manufactured of aluminium alloy, even recycled.

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO 62. FUNDAMENTAÇÃO 7 2.1. Condução de calor 7 2.2. Convecção 8 2.3. Radiação 83. ANÁLISE DO PROBLEMA 10 3.1. Isolamento das laterais 11 3.2. Colocação de Aletas 11 3.3. Colocação de tampa 12 3.4. Gerar movimentação na água 12 3.5. Confinar o escoamento dos gases de combustão 12 3.6. Pintar a superfície inferior 12 3.7. Introduzir na leiteira tubos de cobre 13 3.8. Confinar a chama 13 3.9. Refletir o calor perdido por radiação de volta para a leiteira 134. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 14 4.1. O envoltório 14 4.2. Termopar 14 4.3. Montagem do experimento 15 4.4. A constante de tempo 165. RESULTADOS 176. CONCLUSÕES 187. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 19

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1. INTRODUÇÃO

Durante muito tempo, o ser humano atuou como um dos mais básicos organismosexistentes: o vírus. Incapaz de utilizar seu intelecto para julgar necessária a preservação doplaneta, o homem esbanjou, consumiu inconseqüentemente e explorou o planeta até a quaseexaustão. Contudo, a evolução permitiu que o senso anterior de exploração exacerbada fossesusbtituído por outro de consciência ambiental.

Assim, este trabalho desenvolve um sistema capaz de otimizar o aproveitamento energéticoem uma atividade bastante comum na atualidade: o aquecimento de alimentos em fogões à gás.O caso específico em estudo é o de uma leiteira, onde foi colocado um fluido teste (no caso,água) e a mesma foi posicionada sobre um fogão, à fim de promover o aquecimento do fluído atéa temperatura desejada. Esta leiteira, suas modificações e seus possíveis agregados passaram aconstituir um sistema. Como a avaliação realizada foi da constante de tempo do sistema, pode-seperceber a diminuição da quantidade de energia (fluxo de calor vezes tempo) necessária para oaquecimento.

O problema em questão diz respeito à uma leiteira específica, padrão para odesenvolvimento. Tal utensílio foi produzido pela Alumínios Royal, sendo identificado pelo seudiâmetro interno nominal (no caso, 14, equivalente a 140 milímetros). Cabe ressaltar que aconcepção do sistema que promove o melhor aproveitamento da energia disposta pela chama dofogão deve ser simples, de maneira a não diminuir a funcionalidade da leiteira. Dessa maneira, osistema desenvolvido buscou aprimorar ao máximo o rendimento provocando a menorquantidade possível de alterações na leiteira.

Assim sendo, um estudo sobre o comportamento das trocas de calor entre chama, leiteira evizinhança foi realizado, com a intenção de estabelecer as diretrizes a serem tomadas paradiminuir a constante de tempo do sistema.

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2. FUNDAMENTAÇÃO

As trocas térmicas secas (calor sensível) constituem as formas de transferência de calorque ocorrem devido a um gradiente de temperatura, podendo ocorrer por condução, convecçãoou radiação.

2.1. Condução de calor

Trata-se da transmissão de calor molécula a molécula, conseqüentemente havendonecessidade de um meio material, ocorrendo sempre de um ponto de maior potencial energético(maior temperatura) para um de menor potencial (menor temperatura).

Verifica-se experimentalmente que a quantidade de calor que flui através de um elementoopaco é função do material que o constitui, da espessura do elemento e do gradiente detemperatura. A grandeza física que caracteriza se um material é melhor ou pior condutor de calorchama-se condutibilidade térmica (k).

Para regime transiente, temos a equação da difusão do calor (1).

(1)

= Geração de calor [J/m³]− = Condutividade térmica [W/mK]−

−

−

Em termos práticos, para uma taxa de calor constante, quanto maior a condutividadetérmica, menor o gradiente de temperatura, ou seja, menor é a variação da temperatura ao longodo comprimento. A tabela 1 mostra a condutividade térmica de alguns materiais.

Material Condutividade térmica k (W/mK)Ferro 80,3Vidro 0,86Alumínio 190Aço inox AISI 430 26,1

Tabela 1 – Condutividade térmica dos materiais

O produto ρCp (J/m³K), normalmente denominado capacidade calorífica volumétrica,representa a capacidade do material de armazenar energia térmica. Na análise de transferência decalor, a razão entre a condutividade térmica e a capacidade calorífica volumétrica é umapropriedade importante chamada difusividade térmica α, em m²/s, dado pela Equação 2.

(2)

A difusividade térmica mede a capacidade do material de conduzir energia térmica emrelação a sua capacidade de armazená-la. Materiais com valores mais elevados de α responderãorapidamente a mudanças nas condições térmicas expostas. Materiais com valores reduzidos de αresponderão mais lentamente, levando um tempo maior para atingir uma nova condição deequilíbrio. O valor da difusividade térmica para cada material utilizado na fabricação das panelasestudadas é apresentado na Tabela 2.

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Material Difusividade térmica α (m2/s)Ferro 22,1x10-6Vidro 3,4 x10-7Alumínio 79,96x10-6Aço inox AISI 430 7,27 x10-6

Tabela 2 – Difusividade térmica dos materiais

2.2. Convecção

Trata-se da transmissão de calor que ocorre entre um corpo sólido e um fluido emmovimento, podendo o corpo fluído ser líquido ou gasoso. A convecção pode ser natural ouforçada. Diz-se que a convecção é natural quando o movimento do fluído ocorre unicamentedevido a variações de seu peso específico (densidade). Na convecção forçada o movimento dofluído é provocado por uma bomba, no caso de um líquido, ou por um ventilador, no caso de umfluido gasoso.

Verifica-se experimentalmente que a quantidade de calor que flui no processo deconvecção é diretamente proporcional ao gradiente de temperatura entre o material sólido e aregião do fluído não “perturbado” pelo deslocamento do fluído. A grandeza física que caracterizase o processo convectivo é mais ou menos intenso chama-se coeficiente de trocas térmicas porconvecção (hc). A equação 3 mostra como varia essa quantidade de calor.

(3)

Onde:− q = Intensidade de fluxo de calor [W/m2]− hc = Coeficiente de convecção [W/m2K]− Tsi = Temperatura da superfície do sólido [K]− Tar = temperatura do fluido não perturbado [K]

A determinação do coeficiente de transmissão de calor por convecção depende deinúmeros fatores, dentre os quais podem ser citados:

− Natureza do fluido;− Velocidade do fluido;− Geometria e rugosidade da superfície sólida; − Características da camada limite; − Se a convecção é natural ou forçada;− Da direção de deslocamento do fluido.

2.3. Radiação

Radiação térmica ou irradiação térmica (quando incidente sobre um corpo) é a radiaçãoeletromagnética emitida por um corpo causada pelo maior potencial térmico do mesmo.

A energia radiante incidente sobre um corpo é em parte absorvida, refletida e transmitidaatravés do corpo. A energia incidente se divide nessas três parcelas, dependendo das condiçõesde incidência, se o corpo é opaco ou transparente à radiação, de condições de superfície, demassa e de transmissividade.

A energia radiante absorvida por um corpo se transforma em calor, contribuindo paraaumentar sua temperatura, no entanto as parcelas transmitidas e refletidas não sofrem mudançaem seus comprimentos de onda.

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Chamam-se coeficientes de absorção (α), de reflexão (ρ) e de transmissão (τ) aospercentuais da energia total incidente que são, respectivamente, absorvido, refletido etransmitido por um corpo como mostrado na figura e equações seguintes.

Dois corpos a diferentes temperaturas (Ts1 > Ts2), separados por uma determinadadistância, e sem contato físico trocam calor entre eles por meio de ondas eletromagnéticas. Ofluxo líquido de calor radiante entre os dois corpos pode ser estimado pela equação 4.

(4)

Onde:− Ts1 , Ts2 = Temperatura das superfícies [K]− q = calor transmitido por radiação [W/m2]− σ = constante de Stephan Boltzmann (5,67 x 10-8 W/m2. K4)− F = fator de forma

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3.ANÁLISE DO PROBLEMA

As grandezas envolvidas neste problema possuem características de difícil modelagemmatemática, dado o alto grau de influência de fenômenos como o escoamento tridimensional dosvórtices da chama. Além disso, a transferência de calor se processa em caráter transiente. Nãoobstante, há troca de fase do líquido em estudo, concomitante à reações químicas. Com isso,ocorrem variações consideráveis de peso específico dos materiais participantes.

As condições acima estão presentes em todos os casos estudados e não podem serdesprezadas. Contudo, tentativas de modelar tais condições exigiriam um custo desproporcionalao resultado pretendido. Dessa forma, optou-se por uma análise qualitativa do problema eposteriormente uma comprovação experimental das hipóteses levantadas.

A análise qualitativa inicia-se com a discussão dos parâmetros envolvidos no problema equais as grandezas que são passíveis de serem minimizadas ou maximizadas.

O problema consiste em uma única fonte de calor (um queimador de gás de perfil radialduplo com geometria e vazão de gás fixos); um recipiente de volume, formato e material pré-definidos (Leiteira Alumínio Royal n° 14), porém com possibilidade de sutis alterações; umfluido a ser aquecido pré-definido, o qual terá sua temperatura observada; e de um objetivo,minimizar o tempo de aquecimento do fluido (água).

Inicialmente nesta abordagem qualitativa analisaram-se os fenômenos envolvidos nofornecimento de calor. Concordávamos inicialmente que dos três meios possíveis detransferência de calor para a leiteira a convecção dos gases queimados na superfície da leiteira ea radiação emitida pela chama seriam significativamente superiores a condução de calor nocontato entre a leiteira e o suporte do queimador. Verificou-se, contudo, após analisar a estruturado suporte, que deveríamos observar com mais cuidado a transferência por condução do suportepara a leiteira uma vez que se trata de um suporte bastante robusto e com grande capacitânciatérmica.

Dado o alto grau de dificuldade em estabelecer o percentual de participação de cadafenômeno envolvido decidiu-se abordar os três sem desconsiderar a participação de nenhumdeles.

O ponto de maior debate dentro do grupo até então foi qual destes fenômenos seria o maissignificativo. Inicialmente supomos que a radiação proveniente da chama seria o processo maisinfluente. Tal hipótese foi sustentada por alguns professores que foram consultados; contudo, elase revelou falsa a partir de uma análise extremamente simples que consistiu em posicionarnossas mãos ao redor da chama para verificar o ponto de maior transferência de calor de formaqualitativa.

Sendo a convecção por hipótese o processo principal, a forma do escoamento recebeu umtratamento especial. Sabe-se que quanto maior a velocidade do escoamento maior suatransferência de calor, pois o número de Reynolds cresce com a velocidade. Isto faz crescer onúmero de Nusselt médio e por consequência o coeficiente convectivo médio (1).

Chegou-se a conclusão que o enclausuramento do escoamento seria de grande influênciana constante de tempo do equipamento, pois aumenta a velocidade na superfície de contato dosgases aquecidos com a leiteira. Além disso diminuiria a perda de massa de gás aquecido para oambiente.

Uma grandeza bastante citada em nossos debates foi a capacitância térmica; tal grandezafoi tratada pelo grupo com extrema atenção, pois qualquer acréscimo de massa deveria não sómelhorar o sistema, como, tal melhoria deveria superar o calor gasto com o aquecimento damassa adicional.

Outro ponto é a transferência de calor via radiação entre a chama, a leiteira e o ambiente. Atransferência de calor da chama para a base da leiteira deve ser maximizada e a perda de calor dachama para o ambiente e da leiteira para o ambiente deveria ser minimizada. Sabe-se que aemissividade do alumínio polido não é muito grande, assim como sua absortividade. Buscou-seentão aumentar a absortividade da base da leiteira e diminuir sua emissividade em outros pontosda superfície.

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Outro ponto de nosso interesse é a perda de massa quente de água para o ambiente atravésda troca de fase e ascensão devido à alta temperatura. Esta perda de massa gera uma conseqüenteperda de calor, pois para a água evaporar ela necessita de altas quantidades de calor latente deevaporação que será retirado da fase líquida e irá para o ambiente. Contudo, a ebulição da águapossui um ponto positivo que é o de gerar agitação no fluido, aumentando a transferência decalor das paredes da leiteira para o fluido.

O calor transferido por condução pelo suporte não recebeu tratamento especifico;deixamos de lado alterações neste processo devido à baixa expectativa de resultadossignificativos. Apesar de reconhecermos sua importância não acreditamos que alterações nesteprocesso possam gerar resultados proporcionais ao trabalho investido.

Após a análise destes pontos foram pensadas diversas possibilidades de solução. Dentreelas estão:− Isolar as laterais da leiteira.− A colocação de aletas.− A colocação de uma tampa.− Gerar de alguma forma uma movimentação na água.− Confinar o escoamento dos gases de combustão.− Pintar a superfície inferior da leiteira de preto.− Introduzir na leiteira tubos de cobre (serpentina).− Confinar a chama.− Refletir o calor irradiado pela leiteira e pela chama para a leiteira.

Após isto debatemos sobre todas as possíveis soluções acima quanto a sua viabilidade eprincipalmente sobre sua capacidade em contribuir com a diminuição da constante de tempo doexperimento.

3.1. Isolamento das laterais

Esta possibilidade tinha como objetivo diminuir o calor perdido pela leiteira para o meioatravés da aplicação de um material isolante sobre as paredes da leiteira. Este material iriaaumentar a resistência térmica das paredes da leiteira para o que, com a mesma diferença detemperatura, teríamos como consequência a diminuição no fluxo de calor da leiteira para o meiopelas laterais.

Entretanto, o acréscimo de massa no sistema é prejudicial ao tempo de aquecimento, poisacrescenta mais uma capacitância térmica. Além disto, o isolante iria prejudicar a transferênciade calor devida à radiação.

3.2. Colocação de Aletas

Já foi estudado por nós o aumento na eficiência de trocadores de calor através do uso dealetas. Sabe-se que o aumento na área de contato que elas geram melhora a troca de calor porconvecção. Porém, a dificuldade em instalar aletas em paredes tão finas quanto as da nossaleiteira e o acréscimo de massa que elas iriam provocar contribuíram para que abandonássemosesta idéia.

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3.3. Colocação de tampa

Esta possibilidade foi analisada como uma solução possível pois ao tampar o recipienteestaríamos evitando a perda de massa de água e estaríamos gerando um aumento na pressão devapor no interior da leiteira. Confeccionamos uma tampa com uma pequena chapa de forma areduzir sua massa, e a mesma gerou uma piora no desempenho do equipamento durante oexperimento.

3.4. Gerar movimentação na água.

De diversas formas esta solução poderia ser executada, porém entendemos que até mesmoa entropia gerada pela movimentação do fluido poderia ser tratada como uma fonte secundária decalor, o que não se enquadra com o experimento, logo foi descartada.

3.5. Confinar o escoamento dos gases de combustão

Esta solução mostrou-se como a mais interessante, pois a confecção de uma parede externaà leiteira, confinando o escoamento de gás queimado, possibilitaria uma maior velocidade noescoamento e uma menor perda de calor dos gases de combustão para o ambiente.

Tivemos o cuidado de utilizar uma parede com a menor capacitância térmica possível, comespessura de 0,5 mílimetros (a menor espessura comercial de alumínio, 0,3 milímetros, não foiencontrada). Concomitantemente, esta parede se estenderia até a chama para guiar a mesma parao canal em forma de anel que foi formado.

Pode-se observar o aumento na transferência de calor com o aumento no número deReynolds na relação abaixo (equação 5) para uma placa plana.

(5)

= Numero de Nusselt médio para a direção longitudinal.− ReL= Numero de Reynolds para um dado comprimento característico “l”− Pr = Numero de Prandtl do fluido envolvido no problema.− C, m e n = Constantes de ajuste.

3.6. Pintar a superfície inferior.

Neste caso o objetivo é aumentar a absortividade da superfície inferior da leiteira,recobrindo-a com uma tinta de absortividade superior. Sabe-se que parte do calor radiante dachama encontra-se na faixa visível pois pode-se ver a chama (França, F. H. R.) porém boa parteda troca radiante do sistema está no infra vermelho; logo, é difícil dizer quais recobrimentosaumentarão a absortividade do alumínio nesta faixa.

Sabe-se que a cor que mais absorve radiação visível é o preto; assim, optou-se por umatinta que suportasse relativamente bem a temperatura elevada da superfície inferior da leiteira ede cor preta para que se aumentasse a absortividade.

Além de simples esta solução é extremamente barata e por isso foi adotada.

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3.7. Introduzir na leiteira tubos de cobre

Além de atravessar a leiteira com tubos de cobre poderia-se também substituir o fundo delapor uma chapa de cobre.

Sabe-se que o cobre eletrolítico é o material de melhor condutividade térmica ao nossoacesso e que se guiássemos os gases de forma que eles passassem por dentro da água obteríamosuma maior eficiência térmica no sistema. Porém o aumento na massa do sistema poderia serconsiderável e além disso a dificuldade de construção desta solução poderia gerar muitosproblemas como, por exemplo, o uso de materiais tóxicos em contato com a água poderia tornara leiteira inútil. Por isso, decidiu-se descartar esta hipótese.

3.8. Confinar a chama

Esta solução esta diretamente acoplada com o confinamento dos gases de combustão. Tem-se aqui um processo de otimização onde quanto mais confinada esta a chama pior é a queima equanto menos confinada maior a perda de energia para o ambiente.

É de interesse desta solução, assim como da solução que confina os gases de combustão, aabertura da superfície superior do sistema de confinamento. Caso a abertura superior estejafechada o gás quente escapará pela parte inferior. Se a superfície superior for grande demais, aperda de ar quente será maior.

Logo se construiu um sistema de forma a deixar uma abertura suficiente, ajustável tantoabaixo quanto acima e, além disso, provocamos uma perda de carga na saída de forma que osgases quentes que saem aqueçam o sistema, recuperando parte do calor que iria ser perdido.

3.9. Refletir o calor perdido por radiação de volta para a leiteira

Para aproveitar ao máximo o calor radiado pela chama e para devolver para a leiteira aradiação emitida por ela, fez-se o sistema de confinamento de alumínio. O alumínio possui umarefletividade relativamente alta, uma massa pequena e resiste às temperaturas envolvidas.

A radiação que é emitida pela chama para o ambiente é devolvido para a leiteira pelaparede de alumínio e a radiação emitida pela leiteira também passa por uma série de reflexõesque culminam por entregar mais calor à leiteira do que sem este sistema.

Além disso, a tampa superior do sistema encontra-se a altas temperaturas devido a perda decarga naquele ponto e parte do calor desta tampa segue um fluxo de radiação de calor para asuperfície interna da leiteira.

Continuando o processo de análise qualitativa teórica observou-se que de certa forma asuperfície externa da parede usada para o confinamento dos gases de combustão servia como umisolante térmico, pois, na sua parte mais externa não existe mais o movimento de gasesprovocado pela chama e sim uma massa de ar com velocidade zero.

Sabe-se que a convecção natural (ou seja, gerada apenas pelo movimento provocado porvariações no peso especifico do fluido) possui coeficiente de transferência de calor de ordemconsideravelmente inferior ao coeficiente de transferência de calor da convecção forçada para omesmo fluido e mesmas condições de temperatura. Optou-se então pela realização de experimentos na leiteira para verificar a eficiência dasseguintes modificações:− Colocação de um confinamento feito em chapa de alumínio com perda de carga na partesuperior e aberturas na inferior para encaixar-se ao suporte e permitir a entrada de ar para acombustão.− Pintura da parte inferior da leiteira com spray automotivo preto.− Utilização de uma tampa fina de alumínio.

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4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS

Uma grande fração da energia obtida pela queima do gás é perdida para o ambiente. Aidéia para aumentar a eficiência da leiteira foi a de construir um envoltório que reflita parte destaenergia. A matéria prima foi escolhida analisando-se dados de refletividade, custo de material efacilidade de manuseio. Assim, optamos por uma placa de alumínio. Além disso, pensamos empintar o fundo da leiteira com tinta preta para aumentar a absortividade.

Os equipamentos e materiais utilizados foram:− Leiteira de alumínio número 14;− Placa de alumínio;− Termopar tipo J;− Termopar tipo K;− HP Hewlett Packard 34970A Data Aquisition/Switch Unit;− Software Agilent Benchlink Data Logger;− Haste para apoio do sensor;− Fogão doméstico; − Ferramentas gerais.

4.1. O envoltório A figura 1 mostra o projeto inicial do envoltório de alumínio.

Figura 1 – Projeto do envoltório de aluminio.

4.2. Termopar

Os termopares são dispositivos eletrônicos que têm como função medição datemperatura. O seu funcionamento baseia-se no Efeito de Seebeck, a junção de dois metais gerauma tensão elétrica que varia com a temperatura.

O termopar tipo K é um termopar de uso genérico. Tem um baixo custo e, devido à suapopularidade estão disponíveis variadas sondas. Cobrem temperaturas entre os -200 e os 1370°C, tendo uma sensibilidade de aproximadamente 41µV/°C.− Termoelemento positivo (KP): Ni90%Cr10% (Cromel)− Termoelemento negativo (KN): Ni95%Mn2%Si1%Al2% (Alumel)− Faixa de utilização: -270°C a 1200°C− f.e.m. produzida: -6,458 mV a 48,838 Mv

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4.3. Montagem do experimento

São vários os detalhes importantes para realização de uma medição. No nosso caso tivemosque ter o cuidado de encontrar o sensor ideal e manter a chama controlada. Para isso, deixamos aválvula esfera aberta em 50% e a válvula de agulha totalmente aberta. Já com relação ao sensor,primeiramente utilizamos um termopar tipo J para as medições de temperatura. Este tinha umrevestimento polimérico que não suportou as altas temperaturas a que foi submetido na partesuperior do envoltório onde saem os gases. Assim, optamos por utilizar um termopar tipo K comhaste metálica.

A figura 2 mostra a bancada de medições, onde a leiteira esta confinada no envoltório.

Pode-se ver o fogão doméstico, a entrada de gás, o suporte para o sensor e o termopar, neste casotipo J.

Figura 2 – Bancada de medições.

O sensor foi mergulhado na água e conectado ao sistema de aquisição de dados HPHewlett Packard. Utilizando o software Agilent Benchlink Data Logger foi possível gravar asmedições de temperatura realizadas a cada três segundos. Este sistema permite que os dadossejam lidos no Excel, onde foram feitas as análises para determinar as constantes de tempo.

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4.4. A constante de tempo

A constante de tempo é definida como o tempo necessário para a temperatura alcançardois terços da diferença entre seu valor máximo e mínimo, conforme as equações 6 e 7.

(6)

(7)

= Temperatura de referência;

− To = Temperatura inicial;

− ∆T = Diferença entre temperaturas máxima e mínima;

− τ = Constante de tempo;

− = Tempo na temperatura de referencia;

− = Tempo inicial.

Foram realizados cinco tipos de experimentos, numerados abaixo:1) Leiteira original, sem alterações2) Leiteira com fundo pintado com tinta preta3) Leiteira original com o envoltório 4) Leiteira original com o envoltório e tampa furada5) Leiteira com fundo pintado com tinta preta e envoltório

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5. RESULTADOS

Para cada tipo de experimento foram realizadas duas medições. A tabela 3 mostra amédia dos resultados obtidos:

Tabela 3 – Resultados.

Como podemos observar, a melhor solução é aquela em que o fundo da leiteira estápintado na cor preta e ela está com o envoltório. O gráfico 1 apresenta as curvas de temperaturaem função do tempo para os diversos experimentos.

Gráfico 1 – Comparação entre os 5 experimentos distintos.

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6. CONCLUSÕES

A análise de um problema sob um ponto de vista teórico pode nos fornecer uma serie deorientações de como proceder em vários casos, porém existem situações não muito incomuns emque problemas de alta complexidade podem ser resolvidos através de medições experimentais.

Este trabalho se enquadra neste perfil. Neste trabalho estão presentes fenômenosaltamente complexos com características que fogem do escopo da graduação, alem distoapresenta fenômenos acoplados, como por exemplo reações químicas e escoamentotridimensional transiente.

Porem este é um caso que exige uma solução simples, inteligente e clara de modelagem eesta modelagem é a modelagem experimental. Casos como este tornam-se extremamente maissimples de serem analisados quando aumenta-se as variáveis conhecidas a partir de uma analiseexperimental bem feita.

No nosso caso especifico verificamos uma série de fatos que a teoria não nos poderesponde imediatamente, e é disso que se trata a pesquisa a busca pela previsibilidade de umdado fato.

Conseguimos ao final deste trabalho fazer uma série de afirmações que antes destaanálise experimental não poderiam ser feitas com certeza.

Podemos afirmar que a massa dos materiais envolvidos no processo de aquecimento deum fluido possui um alto grau de influencia no resultado final. Concluímos que boa parte dosucesso do nosso experimento se deve ao fato de não adicionarmos grandes massas ao sistema,pois até mesmo uma fina tampa de alumínio gerou grandes alterações negativas no resultado.

Pode-se afirmar também que o melhor aproveitamento dos gases de combustão em umprocesso de troca de calor não necessariamente envolve complexos sistemas de tubos ou aletas eque na simplicidade da solução os verdadeiros motivos do resultado medido ficam mais clarostornando o processo de otimização mais racional.

Outra conclusão que se retira destes experimentos diz respeito a visualização da diferençaque gerou uma simples pintura, que , foi um fator responsável por uma considerável queda notempo de aquecimento

Dentro deste período de estudo notamos uma grande exigência de conhecimento teóricopara a realização de uma prática satisfatória, nos foi exigido, dentre outras habilidades: Bomcenso, experiencia, trabalho duro e o tão falado feeling de engenharia; habilidades extremamentedifíceis de serem avaliadas em uma prova.

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7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

(1) Incropera, F. P., Dewitt, D. P., 2003. “Fundamentos de Transferência de Calor e Massa”Quinta edição, Editora LTC, Rio de Janeiro.

(2) Schneider, P. S., 2008. “Termometria e Psicrometria”, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre.

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