Análise experimental e modelagem matemática da transferência de calor em forno de cocção doméstico a gás

Abstract

O aumento da eficiência de fornos e fogões para cocção doméstica, satisfazendo critérios de segurança e usabilidade, apresenta vantagens ambientais e competitivas no setor. O objetivo do presente trabalho é analisar, usando modelagem e medições, o comportamento térmico de um forno a gás para cocção doméstica, visando o aumento da eficiência térmica e a redução da temperatura superficial externa. A modelagem térmica baseou-se em circuito de resistências térmicas, resolvidas no software EES (Engineering Equation Solver), e teve o objetivo de fornecer as taxas de transferência de calor e prever os efeitos das variações geométricas e dos materiais utilizados. Um forno com dimensões 62 cm x 36 cm x 45 cm foi instrumentado com termopares para medição das temperaturas superficiais internas na cavidade, nas superfícies externas da unidade, nos orifícios do chão móvel, no interior da cavidade e na chaminé. Na medição do campo de temperatura na porta com vidro duplo também se utilizou uma câmera de termografia no infravermelho. Foram aplicadas várias modificações geométricas e de materiais na unidade e observou-se seus efeitos nas temperaturas. Os ensaios foram realizados com a temperatura do centro geométrico do forno em 202°C ± 2°C. O modelo térmico previu as temperaturas medidas com desvios médios de 20 %. O modelo também permitiu prever os coeficientes de transmissão de calor, a eficiência de isolamento de cada parede e a eficiência térmica global do forno. Em conclusão, a modelagem térmica demonstrou ser capaz de prever as temperaturas externas com precisão aceitável e mostrou que existem relações cruzadas entre o escoamento de ar quente na cavidade, as temperaturas externas e a eficiência do forno, as quais são afetadas pelas modificações geométricas e de materiais de uma forma complexa.

Abstract: Increasing the energy efficiency of domestic cooktops and ovens, while still satisfying safety and usability requirements, has advantages from the environmental and sustainability aspects. This work aims at analyzing, using modeling and measurements, the thermal behavior of a gas oven for domestic cooking, aiming at increasing the thermal efficiency and reducing the external surface temperature. The thermal modeling was based on a thermal circuit network solved in the software EES - Engineering Equation Solver. The objective was to estimate the heat transfer rates across each oven wall and predict the effects of changes in geometry and materials. In the experimental approach, a gas oven with a chamber measuring 62 cm x 36 cm x 45 cm was instrumented, with type k thermocouples, to measure the temperatures of the internal and external surfaces, and in the hot air flows in the orifices of the movable floor and chimney. An infrared thermography camera was also used to measure the temperature field on the external surface of the door. Several geometric and material modifications were applied in the unit and the effects on the temperatures were observed. The tests were carried out keeping the temperature of the geometric center of the oven at 202°C ± 2°C. The model developed predicted the measured temperatures with average deviations of 20 %. The model also allowed us to predict the convection and radiation heat transfer coefficients, the insulation efficiency of each wall, and the overall thermal efficiency of the oven. In conclusion, the thermal modeling proved to be able to predict the external temperatures with acceptable accuracy and showed that there are cross-relationships between the flow of hot air in the cavity, the external temperatures, and the efficiency of the furnace, which are affected by the geometry and materials used in a complex way.