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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
COMPARAÇÃO ENTRE DIFERENTES MODELOS DE PANELAS QUANTO À
DISTRIBUIÇÃO DE TEMPERATURA NA SUPERFÍCIE, TEMPO DE AQUECIMENTO E
DE ESFRIAMENTO
por
Dhiones Marca
Helene Mallmann
Marcelo Azambuja Vieira
Trabalho Final da Disciplina de
Medições Térmicas
Porto Alegre, 2007
ii
Comparação entre diferentes modelos de panelas quanto à distribuição de temperatura na
superfície, tempo de aquecimento e de esfriamento.
RESUMO
O objetivo do presente trabalho é comparar três modelos de panelas disponíveis ao consu-
midor, uma com paredes simples em alumínio, outra de fundo triplo e por último uma toda tripla.
Tal comparação é feita em termos de distribuição de temperatura superficial e tempo de aqueci-
mento e esfriamento de uma determinada quantidade de água contida em cada panela. Para a
verificação da distribuição de temperatura na superfície são fixados três termopares Tipo J ao
longo do raio de cada panela, e para a medição da temperatura da água utiliza-se um sensor de
resistência de platina do tipo PT100. A aquisição dos dados é realizada através do sistema de
aquisição HP 34970A Multiplex, com 20 canais de entrada, e o software utilizado é o HP Benc-
hlink Data Logger. Depois de realizadas as análises, através da geração de gráficos, verifica-se
que a diferença entre o tempo de aquecimento e esfriamento da água entre as panelas estudadas
não foi muito significativo. No caso da distribuição de temperatura superficial a diferença é mais
visível, sendo que as panelas de elementos triplos apresentam os melhores resultados.
PALAVRAS-CHAVE: panelas, distribuição de temperatura, condução, difusão, calor.
iii
Comparison among different kinds of pans in relation to surface temperature distribution,
heating time and cooling time.
ABSTRACT
The goal of this work is to compare three models of pans available to the consumer, one
with simple aluminum walls, other of triple bottom and finally a whole triple one. This compari-
son is made in terms of surface temperature distribution and heating and cooling time of a certain
water quantity contained in each pan. For the verification of the temperature distribution on the
surface are fixed three thermocouples Type J along the radius of each pan and for the measure-
ment of water temperature, it’s used a platinum-type resistance sensor PT100. The data acquisi-
tion is carried out through the HP 34970A Multiplex acquisition system, with 20 channels of
entry, and the software used is the HP Benchlink Data Logger. After the analysis undertaken,
through graph plotting, it appears that the difference between heating and cooling time of water,
among the pans studied, was not very significant. In the case of surface temperature distribution,
the difference is more visible, and the triple-element pans reach the best results.
KEY-WORDS: pans, temperature distribution, conduction, diffusion, heat.
iv
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 1
2. PANELAS ESTUDADAS ............................................................................................ 2
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .............................................................................. 2
3.1. CONDUÇÃO DE CALOR .................................................................................... 2
3.2. PROPRIEDADES TÉRMICAS DA MATÉRIA ................................................... 3
3.2.1. Condutividade Térmica ........................................................................ 3
3.2.2. Difusividade Térmica ............................................................................ 3
4. DESCRIÇÃO DA BANCADA .................................................................................... 4
5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ..................................................................... 6
6. AVALIAÇÃO DAS INCERTEZAS DE MEDIÇÃO ................................................ 6
7. RESULTADOS EXPERIMENTAIS .......................................................................... 6
7.1. DISTRIBUIÇÃO DE TEMPERATURA SUPERFICIAL .................................... 6
7.2. TEMPO DE AQUECIMENTO DA ÁGUA .......................................................... 9
7.3. TEMPO DE ESFRIAMENTO DA ÁGUA ......................................................... 10
8. CONCLUSÕES .......................................................................................................... 12
9. REFERÊNCIAS BOBLIOGRÁFICAS ................................................................... 13
v
LISTA DE SÍMBOLOS
Cp Calor específico [J/kgK]
k Condutividade térmica do material [W/mK]
qx Fluxo de calor na direção x [W/m]
T Temperatura [kelvin]
� Difusividade térmica [m²/s]
� Massa específica [kg/m³]
1
1. INTRODUÇÃO
Atualmente existem no mercado diversos modelos de panelas de cozinha, de diversos ma-
teriais. Estão disponíveis ao consumidor panelas de barro, de ferro, de vidro, com revestimentos
de teflon, esmaltadas, de alumínio e também panelas compostas por diferentes materiais, como
as de Fundo Triplo.
As panelas de Fundo Triplo são conhecidas por apresentarem uma melhor distribuição de
temperatura se comparada com outros modelos, além de proporcionar economia de tempo e e-
nergia no cozimento dos alimentos. Também são conhecidas por permitirem um rápido aqueci-
mento e por manter os alimentos aquecidos por mais tempo.
O objetivo do presente trabalho é comparar três modelos de panelas encontradas no merca-
do, uma com paredes simples em alumínio, outra de fundo triplo e por último uma toda tripla, as
quais serão detalhadas a seguir. A comparação será feita em termos de distribuição de temperatu-
ra na superfície de cada panela e também quanto ao tempo de aquecimento e esfriamento dos
alimentos.
2
2. PANELAS ESTUDADAS
Foram escolhidas para realização do trabalho três modelos de panelas, todas com 200 mm
de diâmetro, as quais são apresentadas abaixo.
Panela de Alumínio:
• Corpo em alumínio com 1,4 mm de espessura;
• Altura: 95 mm.
Panela de Fundo Triplo:
• Corpo em aço inox AISI 304 com espessura de 0,7 mm;
• Cápsula do fundo em aço inox AISI 430 com espessura de 0,6 mm;
• Alumínio entre corpo e cápsula com 5 mm de espessura;
• Altura: 120 mm.
Panela com paredes triplas:
• Parte interna e externa em aço inox AISI 304 com 0,5 mm de espessura;
• Alumínio entre as duas partes com 1,6 mm de espessura;
• Altura: 100 mm.
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Através da teoria referente ao assunto de condução de calor foram formuladas hipóteses
sobre quais panelas seriam mais eficientes em termos de taxa de aquecimento, taxa de resfria-
mento e distribuição do calor.
3.1. CONDUÇÃO DE CALOR
A condução é o processo de transferência de energia das partículas mais energéticas para
as partículas de menos energia. Para a condução do calor, a equação da taxa de transferência de
calor é conhecida como a Lei de Fourier, onde o fluxo de calor qx na direção x, em W/m, é dado
pela Equação 1:
�� � ��� ���
�� (1)
onde kx é a condutividade térmica do material (W/mK) e T a sua temperatura (K).
3.2 PROPRIEDADES TÉRMICAS DA MATÉRIA
3
3.2.1 Condutividade Térmica
Em termos práticos, a equação de Fourier nos mostra que, para uma taxa de calor constan-
te, quanto maior a condutividade térmica, menor o gradiente de temperatura, ou seja, menor é a
variação da temperatura ao longo do comprimento. Para o caso da panela, menor a variação de
temperatura ao longo do raio. O valor da condutividade térmica para cada material utilizado na
fabricação das panelas estudadas é apresentado na Tabela 3.1.
Tabela 3.1 – Condutividade Térmica dos materiais das panelas.
Material Condutividade Térmica (k)
Alumínio 190 W/mK
Aço inox AISI 304 16,2 W/mK
Aço inox AISI 430 26,1 W/mK
Considerando somente a condutividade térmica de cada material como parâmetro de análi-
se, podemos supor que a panela que terá uma melhor distribuição de temperatura ao longo do
raio e das paredes, em um regime próximo ao estacionário, será a panela de alumínio, seguida
pela toda tripla e, por último, a de fundo triplo. Deve-se salientar que não foi levada em conside-
ração a espessura de cada material, e que o disco de alumínio da panela de fundo triplo é muito
mais espesso do que as demais, podendo apresentar uma melhor distribuição de temperatura no
fundo da panela.
3.2.2 Difusividade Térmica
Na análise de transferência de calor é necessário utilizar-se de diversas propriedades da
matéria. O produto � � (J/m³K), normalmente denominado capacidade calorífica volumétrica,
representa a capacidade do material de armazenar energia térmica. Na análise de transferência de
calor, a razão entre a condutividade térmica e a capacidade calorífica volumétrica é uma proprie-
dade importante chamada difusividade térmica �, em m²/s, dado pela Equação 2:
��
���� (2)
onde � é a massa específica do material, em kg/m³, e Cp o calor específico, em J/kg.K.
4
A difusividade térmica mede a capacidade do material de conduzir energia térmica em re-
lação a sua capacidade de armazená-la. Materiais com valores mais elevados de � responderão
rapidamente a mudanças nas condições térmicas expostas, enquanto materiais com valores redu-
zidos de � responderão mais lentamente, levando um tempo maior para atingir uma nova condi-
ção de equilíbrio.
O valor da difusividade térmica para cada material utilizado na fabricação das panelas es-
tudadas é apresentado na Tabela 3.2.
Tabela 3.2 – Difusividade térmica dos materiais das panelas.
Material Difusividade Térmica (�)
Alumínio 79,96x10-6 m²/s
Aço inox AISI 304 4,05 x10-6 m²/s
Aço inox AISI 430 7,27 x10-6 m²/s
Levando em consideração apenas a difusividade térmica dos materiais, pode-se supor que a
panela que apresentará um menor tempo, tanto de aquecimento quanto de esfriamento da água,
será a de alumínio, seguida pela toda tripla e por último a de fundo Triplo. Deve-se salientar que,
devido à maior espessura da panela toda tripla, esta deverá apresentar uma maior inércia térmica,
provocando uma maior resistência na variação de temperatura.
4. DESCRIÇÃO DA BANCADA
Para a medição de temperatura da superfície das panelas foram utilizados cabos de com-
pensação para termopar Tipo J. Optou-se por utilizar cabos de compensação, ao invés de termo-
pares, pelo custo e também pela dificuldade de se encontrar termopares sem ponteiras já prontas.
A fixação dos termopares (cabos de compensação) foi realizada através de uma massa epóxi, nas
posições mostradas na Figura 1. Para a medição de temperatura da água utilizou-se um sensor de
resistência de platina do tipo PT100, mergulhado diretamente na água, aproximadamente no cen-
tro de cada panela.
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Figura 1 – Representação esquemática da disposição dos sensores de temperatura.
Unidades em mm.
A aquisição dos dados foi realizada através do sistema de aquisição HP 34970A Multiplex,
com 20 canais de entrada, e o software utilizado foi o HP Benchlink Data Logger.A bancada
utilizada para os experimentos é composta de um queimador doméstico abastecido por um painel
de suprimento de GLP. A montagem da bancada pode ser visto na Figura 2.
Figura 2 – Visão geral da bancada utilizada nos ensaios.
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5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Em cada panela foram colocados 2420g de água a 24°C. Regulou-se uma pressão manomé-
trica de gás constante de 200 mmH2O, o que correspondeu a uma vazão de gás constante no
queimador. Depois de regulada a vazão, foi colocada a panela sobre a chama deixando a água
atingir 99°C, interrompendo-se a mesma neste momento. Depois de interrompida a chama, a-
guardou-se até a água atingir 74°C e então o ensaio foi encerrado.
Todos os ensaios foram realizados com as panelas destapadas, para simular a pior condição
de utilização das mesmas.
Através do sistema de aquisição de dados, foi realizada uma leitura a cada 3 segundos, em
cada um dos sensores. Com os dados obtidos, puderam-se gerar gráficos de temperatura x tempo
para cada sensor, e a partir desses gráficos foram feitas as devidas análises.
6. AVALIAÇÃO DAS INCERTEZAS DE MEDIÇÃO
O uso de cabos de compensação para medição da temperatura superficial não influenciou
significativamente nos resultados, já que o objetivo era apenas medir diferenças de temperatura,
e não o seu valor exato. De acordo com dados tabelados, as incertezas associadas aos termopares
utilizados seguem um padrão. Para termopares do tipo J, correspondem a ±2,2°C. Assim sendo, a
temperatura real da superfície de cada panela tem 65% de probabilidade de se encontrar em torno
do valor lido na aquisição de dados mais ou menos um valor de 2,2°C.
Para o caso do PT100, o valor real de medida da temperatura tem os mesmos 65% de pro-
babilidade de se encontrar em torno do valor lido na aquisição de dados mais ou menos um valor
de 0,2°C.
7. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Abaixo serão apresentados os resultados obtidos para os diferentes testes realizados.
7.1. DISTRIBUIÇÃO DE TEMPERATURA SUPERFICIAL
Um dos objetivos do presente trabalho é a verificação da distribuição de temperatura na
superfície de cada panela. Esta análise pode ser feita através dos gráficos mostrados nas Figuras
3, 4 e 5.
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Figura 3 – Gáfico de Temperatura x Tempo pra a panela de Alumínio.
Figura 4 – Gáfico de Temperatura x Tempo pra a panela de Fundo Triplo.
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Figura 5 – Gáfico de Temperatura x Tempo pra a panela toda Tripla.
Dos gráficos mostrados acima, pode-se obter alguns dados para comparar a distribuição de
temperatura entre as panelas. As temperaturas mostradas na Tabela 7.1 foram obtidas após 10
minutos de aquecimento, para cada ensaio.
Tabela 7.1 – Temperaturas (°C) em 10 minutos de aquecimento.
A partir da Tabela 7.1 pode-se verificar a variação máxima de temperatura, entre o centro e
a lateral da panela, mostrada na Tabela 7.2 e também a variação de temperatura no fundo da pa-
nela, mostrada na Tabela 7.3.
Posição Alumínio Fundo Triplo Toda Tripla
Centro 92,72 85,99 82,60
Canto 79,63 80,25 71,50
Lateral 66,01 61,18 61,30
Água 63,70 62,35 60,60
9
Tabela 7.2 – Máxima variação de temperatura superficial para cada panela.
Panela Temperatura (°C)
Alumínio 26,71
Fundo Triplo 24,81
Toda Tripla 21,30
Tabela 7.3 – Variação de temperatura no fundo de cada panela.
Panela Temperatura (°C)
Alumínio 13,09
Fundo Triplo 5,74
Toda Tripla 11,10
Pode-se verificar que a panela que apresentou maior variação de temperatura foi a de alu-
mínio e a menor foi a toda tripla. Se levarmos em consideração apenas a distribuição de tempera-
tura no fundo da panela, a que obteve melhor desempenho foi a de fundo triplo, já a de alumínio
continuou apresentando a distribuição menos uniforme entre as panelas estudadas.
7.2 TEMPO DE AQUECIMENTO DA ÁGUA
Outro objetivo deste trabalho era verificar o tempo de aquecimento da água contida em ca-
da panela. O processo de aquecimento da água pode ser visto no gráfico da Figura 6.
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Figura 6 – Gráfico de Temperatura x Tempo para o aquecimento da água em cada panela.
A partir do gráfico mostrado acima se pode verificar o tempo necessário para aquecer a
água de 24°C até 99°C, para cada panela em estudo, e o resultado pode ser visto na Tabela 7.4.
Tabela 7.4 – Tempo de aquecimento da água para cada panela.
Panela Tempo (min.)
Fundo Triplo 22,90
Alumínio 24,00
Toda Tripla 24,95
Pode-se verificar que não houve uma grande variação no tempo de aquecimento da água
dentre os ensaios realizados.
7.3 TEMPO DE ESFRIAMENTO DA ÁGUA
Após a água ter atingido 99°C em cada ensaio, a chama foi interrompida e aguardou-se até
que esfriasse a 74°C. No gráfico da Figura 7 pode ser visto o processo de esfriamento da água.
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Figura 7 – Gráfico de Temperatura x Tempo para o esfriamento da água em cada panela.
A partir do gráfico mostrado acima se pode verificar o tempo necessário para esfriar a água
de 99°C até 74°C, para cada panela em estudo, e o resultado pode ser visto na Tabela 7.5.
Tabela 7.5 – Tempo de esfriamento da água para cada panela.
Panela Tempo (min.)
Fundo Triplo 14,50
Alumínio 13,70
Toda Tripla 14,10
Para a variação de temperatura verificada não ocorreram grandes diferenças no tempo de
esfriamento em cada panela. Porém, pode-se verificar que a diferença entre elas vai aumentando
com o passar do tempo. Por esse motivo, seria interessante a realização de novos ensaios deixan-
do ocorrer uma maior variação de temperatura da água, verificando se assim a diferença no tem-
po de esfriamento entre as panelas também aumentaria.
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8. CONCLUSÕES
De acordo com os resultados obtidos, verificou-se que os modelos de panelas estudados
não apresentam uma diferença significativa para os tempos de aquecimento e esfriamento da
água. No caso da distribuição de temperatura superficial a diferença é mais visível, sendo que as
panelas de elementos triplos apresentaram os melhores resultados. Na panela de alumínio, a vari-
ação da temperatura na superfície é maior, o que resulta em uma pior uniformidade de aqueci-
mento dos alimentos.
Apesar da pouca diferença entre os modelos estudados, pode-se concluir que a panela que
apresentou um melhor desempenho nos testes realizados foi a de Fundo Triplo.
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9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Incropera, F. P., Dewitt, D. P., “Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa”,
Quinta edição, Editora LTC, 2003.
http://www.matweb.com, acessado em 01/12/2007.
http://www.tramontina.com.br, acessado em 14/11/2007.