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.

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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.

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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

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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.

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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.

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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

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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

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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

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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;

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- 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

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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

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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.

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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.