Relatório de op 2 forno

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Relatório de op 2 forno

  1. 1. UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA ENGENHARIA DE ALIMENTOS RELATÓRIO DE AULA PRÁTICA – OPII ALUNOS: Amanda Cunha, Caroline Marques, José Pedro W., Lucas Mezzomo e Taís Cardoso. PONTA GROSSA, PR MAIO DE 2013
  2. 2. UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA ENGENHARIA DE ALIMENTOS TRANSMISSÃO DE CALOR NO FORNO Relatório elaborado para a disciplina de Operações Unitárias II, do curso de Engenharia de Alimentos, sob revisão do professor Augusto P. Ramos, como requisito para avaliação parcial do 1º Semestre. PONTA GROSSA/PR MAIO DE 2013
  3. 3. 1. INTRODUÇÃO 1.1 TRANSMISSÃO DE CALOR Sempre que existir um gradiente de temperatura no interior de um sistema, ou que dois sistemas à diferentes temperaturas forem colocados em contato, haverá transferência de energia. O processo pelo qual a energia é transportada chama-se transmissão de calor (OLIVEIRA, 2006). A literatura geralmente reconhece três modos distintos de transmissão de calor: condução, radiação e convecção. Teoricamente, somente os processos de condução e radiação podem ser classificados como transmissão de calor já que o processo de convecção depende do transporte mecânico de massa. 1.1.1 Convecção A convecção é um processo de transporte de energia pela ação combinada da condução de calor, armazenamento de energia e movimento de mistura. Esta é classificada de acordo com o modo de motivação do fluido (OLIVEIRA, 2006). 1.1.1.1 Convecção natural A transmissão de calor por convecção natural ocorre sempre quando um corpo é colocado num fluido a uma temperatura maior ou menor do que a do corpo. Em conseqüência da diferença de temperatura, o calor flui entre o fluido e o corpo e causa uma variação de densidade nas camadas fluidas situadas nas vizinhanças da superfície. A diferença de densidade induz um escoamento descendente do fluido mais pesado e ascendente do fluido mais leve. Esse mecanismo de transmissão de calor é chamado de convecção natural ou livre. O movimento do ar no deserto, num dia calmo; a troca de calor nos radiadores de vapor, nas paredes de um edifício e no corpo humano estacionário numa atmosfera calma, são exemplos de convecção natural.
  4. 4. 1.1.1.2 Convecção forçada Quando o movimento é causado por um agente externo, como uma bomba ou um ventilador, tem-se a convecção forçada. O resfriamento de um radiador de automóvel, pelo ar soprado por um ventilador, é um exemplo de convecção forçada. 1.1.2 Escoamento interno e externo Escoamentos, em geral, podem ser classificados como externos ou internos. No primeiro caso, o fluido movimenta-se em relação a um sólido ao redor deste. Desta forma, longe da superfície sólida só há fluido. Já em escoamentos internos, o movimento do fluido se dá de maneira confinada entre superfícies sólidas, como é o caso do escoamento em dutos, canais e cavidades. Neste tipo de escoamento não faz sentido imaginar posições longe das superfícies sólidas, uma vez que o fluido está sempre confinado entre estas (SPHAIER, 2010). Como pode-se esperar estas duas situações resultarão em padrões diferentes de escoamento, e assim sendo, diferentes comportamentos para os coeficientes convectivos h e Cf. Por isso o cálculo destes coeficientes também é feito de maneira diferentes para os dois casos. 1.2 FORNOS DE CONVECÇÃO O principio de cocção do forno convecção como o da Figura 1 é a circulação de ar quente em torno do alimento. O alimento preparado mantém seu sabor natural e composição/nutrição completo. A fonte de calor utilizada é o GLP (Gás Liquefeito do Petróleo) é composto basicamente de 30% de gás Butano e 70% de Propano - e uma vez que, o gás é inodoro, é adicionado ao GLP, o mercaptano, cujo produto, tem como objetivo proporcionar o cheiro do gás, para que o usuário possa detectar eventuais vazamentos (CAPITALGAS, 2013).
  5. 5. Figura 1 – Forno utilizado na prática, Progás Turbo 10000. 2. OBJETIVO Encontrar tempo prático e teórico para o forno chegar a 180°C e calcular os coeficientes convectivos (h) para todas as interfaces de perda de calor durante assamento. 3. MATERIAIS E EQUIPAMENTOS Forno de convecção Progás Turbo 10000; Termômetro de infravermelho; 5Kg de farinha; Melhorador de panificação; Levedura de panificação; Sal; Água; Cronômetro.
  6. 6. 4. PROCEDIMENTO A massa dos pães foi preparada, pesaram-se os ingredientes conforme a tabela 1 e então tudo foi misturado até dar o ponto da massa; Formulação do pão: Tabela 1 – Formulação do pão Francês Formulação do pão Farinha 5Kg 100% Fermento 150g 3% Melhorador 60g 1.2% Sal 100g 2% Água 2.9Kg 58% A massa foi cortada, boleada e enrolada para só então enformar para começar o assamento; Foi contado o tempo que o forno levou para chegar a 180°C, quanto a temperatura caiu quando o forno foi aberto, e então quanto tempo levou para chegar a 180°C novamente; O pão demorou alguns minutos para ficar pronto, então foi medido todas as temperaturas superficiais para calcular o coeficiente convectivo das superfícies do forno, para depois encontrar o calor total (Q) para comparar o teórico e o prático; Para fins de cálculo, as dimensões do forno foram medidas. 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO Para análise do fenômeno de transferência de calor no forno, foram observadas algumas propriedades do forno e do gás, que estão descritas abaixo: Poder calorífico médio do gás (Pc): 49115 kJ/kg; Vazão mássica de gás ( ), fornecida pelo fabricante: 1,6 kg/h; Massa do forno (m1): 245 kg; Massa inicial do botijão de gás: 25,6 kg. Dimensões externas: altura = 1,37m; profundidade = 1,34m; largura = 0,96m;
  7. 7. Dimensões do vidro: altura = 0,97m; largura = 0,41m; espessura = 0,004m; Com esses dados, foram calculados o tempo teórico para que o forno chegasse a 180°C, bem como o calor necessário para isso e a sua velocidade de transferência fornecido pelo gás, descritos abaixo: 1) Cálculo da velocidade de transferência de calor do gás para o forno: 2) Cálculo do calor necessário para aquecer o forno até 180°C: sendo: Cp do aço = 0,46 kJ/kg.°C; Temperatura ambiente: 17°C 3) Cálculo do tempo teórico para chegar a 180°C: pode ser obtido pela relação abaixo: Ao ser ligado, foi observado um tempo de 14,12 minutos para que o forno chegasse a 180°C, valor próximo do teórico (3). A partir disso, os pães foram levados ao forno para serem assados. Uma queda de 36°C foi notada quando a porta do forno foi aberta para o acondicionamento dos pães. O tempo necessário para que a temperatura se estabilizasse novamente foi de 8,5 minutos, e esse tempo relativamente grande pode estar associado ao consumo de calor pelos pães já adicionados ao equipamento. Após essa parte inicial de assamento e retirada dos pães do forno, a perda de calor pelas paredes do equipamento foi calculada. Nessa etapa de cálculo, foram
  8. 8. utilizadas tabelas das propriedades do ar a pressão atmosférica descritas por Çengel (2004). A perda de calor foi monitorada nas superfícies laterais esquerda e direita, do fundo, superior e frontal (perda de calor pelo vidro). Para isso, foram medidas temperaturas na parte superior, média e inferior de cada uma das superfícies, obtendo-se assim, a temperatura média de cada face do forno. A temperatura ambiente medida no momento do experimento foi de 17°C. As propriedades do ar para o cálculo do coeficiente convectivo de troca térmica foram obtidas realizando a média entre a temperatura média de cada superfície e a temperatura ambiente, e o resultado, interpolado nas tabelas de propriedades do ar. Tais valores estão descritos na tabela 2. Com a soma de todos os calores perdidos pela superfície do equipamento, chegou-se a um valor total de perda de calor de 1,20E3 kW, ou seja: total perdido = 1,23E3 kW Com isso, foi necessário calcular qual o tempo para que o forno perdesse calor diminuindo sua temperatura de 180°C para 100°C. Então, o calor a ser perdido pode ser expresso por: O tempo de resfriamento pode ser calculado por: O tempo para o forno resfriar, segundo o calculado, é de 7,5s. Esse tempo deveria ser muito maior, visto que o forno é revestido com material isolante. Outro fator a ser considerado é que nos cálculos, foi considerado estado permanente e não transiente. Esse último considera a variação da temperatura média da superfície do forno com o tempo, ou seja, a cada variação de segundo, a temperatura da superfície diminui, alterando assim a temperatura média e as propriedades do ar utilizadas no cálculo. Assim, para melhores observações do tempo de resfriamento deveriam ser
  9. 9. analisados do ponto de vista do estado transiente, cujo não foi o objetivo da presente prática. Após o assamento dos pães, foi calculado também a quantidade de gás consumida durante o processo, a fim de comparar com o fornecido pelo fabricante. Para isso, o botijão de gás foi pesado no final do processo, e os dados estão descritos abaixo. mfinal do botijão: 24,86 kg; Tempo total de uso do botijão: 14,12 minutos + 8,5 minutos = 23 minutos Assim, a vazão mássica de gás obtida foi de: Pelo valor obtido, pode-se perceber um aumento no consumo de gás. Para o assamento, a massa requer calor que é fornecido pela combustão do gás. Esse fator, aliado a perda de calor pelas laterais do forno, requer uma quantidade de gás superior ao fornecido se nenhum produto fosse adicionado ao equipamento. Isso foi observado pela queda de temperatura e reacendimento do gás para fornecimento de mais calor durante o processo. Para o cálculo final de eficiência do forno, foi relacionado o quanto de calor de calor o forno requer para aumentar a sua temperatura nas condições específicas do experimento (17 a 180°C) e o quanto a combustão do gás fornece de energia para esse aumento, através das equações abaixo: E a eficiência é por fim calculada por: ou seja, uma eficiência de 50,41%.
  10. 10. Tabela 2 – Propriedades do ar, coeficiente convectivo de troca térmica e calor total perdido. * Valores obtidos pelo produto dos números de Grashof e Prandtl; *² Valores obtidos pela tabela 9.1 (Çengel, 2003), determinados a partir da faixa de Ra; *³ Valores obtidos pela relação h = (Nu.k)/L, sendo L o comprimento característico de cada superfície e kaço = 45,30 W/m°C; kvidro = 1 W/m°C; *4 Valores obtidos por Q = h.A.ΔT; *5 Valores obtidos seguindo parâmetros da tabela 9.1 (Çengel, 2003). Propriedade Superfície 1 (direita) Superfície 2 (esquerda) Superfície do fundo Superfície de Cima Vidro Tméd das superfícies (°C) 37,63 41,36 44,63 41,60 106 Tméd para propriedades do ar (°C) 27,32 29,18 30,82 29,30 61,50 β (1/K) 3,33E-3 3,31E-3 3,29E-3 3,31E-3 2,99E-3 Pr 0,7288260 0,7283220 0,7278795 0,7282890 0,7198220 ν (m²/s) 1,58E-05 1,60E-05 1,61E-05 1,60E-05 1,91E-5 Ra* 5,06E9 5,79E9 6,44E9 4,96E7 4,70E9 Nu*² 204,29 213,06 220,37 49,79 199,28 h (kW/m²°C)*³ 6,75 7,05 7,29 8,07 0,21 (kW)*4 255,82 315,06 369,61 255,28 7,27 k (W/m°C) 45,30 45,30 45,30 45,30 1 Área (m²) 1,8358 1,8358 1,8358 1,2864 0,3977 Lcaracterístico (m)*5 1,37 1,37 1,37 0,2796 0,97
  11. 11. 6. CONCLUSÃO Pela realização do experimento, pode-se perceber que o tempo para aquecimento do equipamento calculado e prático foi praticamente o mesmo, e o calor total perdido pelo forno foi de 1,23E3 kW. Também, a eficiência do processo de assamento calculado nas condições utilizadas foi de 50%.
  12. 12. 7. REFERENCIAS CAPITALGAS. Informações sobre o GLP. Disponível em: <http://www. capitalgas.com.br/info01.htm>. Acesso em 11 de maio de 2013. ÇENGEL, Y. Transferencia de Calor. 2 ed. México: McGraw-Hill. OLIVEIRA, L.L. et al. Transmissão de calor/Convecção forçada e natural. UNESP – Universidade Estadual Paulista. Sorocaba, Nov, 2006. SPHAIER, L.A. Notas de Aula de Transferência de Calor. Departamento de Engenharia Mecânica-Universidade Federal Fluminense. Maio, 2010.

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