quarta-feira, 30 de novembro de 2011

RELATÓRIO SEMANAL DE ATIVIDADES

FOGÃO DE AQUECIMENTO INDUTIVO - SEMANA N° 12


1. AÇÕES PREVISTAS PARA A SEMANA
Organizar a apresentação em power-point do projeto e escrever o relatório técnico de conclusão do projeto.


2. AÇÕES REALIZADAS NA SEMANA
O professor orientador emprestou uma peça ao grupo, uma espécie de motor de indução, que foi estudado e modificado com o intuito de se adequar ao funcionamento de um fogão eletroindutivo.
Conversa com o profissional Itamar do CEFET-MG, que deu dicas e sugestões ao projeto, além de fabricar o recipiente de alumínio necessário ao funcionamento do protótipo.
Conclusão do protótipo.

3. PENDÊNCIAS PRINCIPAIS
Apresentação pública do projeto.


4. DIFICULDADES PRINCIPAIS
Fabricação do recipiente de alumínio e adaptação do motor de indução para o funcionamento do fogão de indução eletromagnética.


5. MATERIAIS PRÁTICOS A PROVIDENCIAR
Peça de alumínio.

6. MATERIAIS TEÓRICOS A PROVIDENCIAR
Pesquisas sobre campo magnético, efeito Joule e potencia dissipada para aquecimento, condução e convecção para fins de melhoramento do blog.

7. CONTATOS A REALIZAR
Professor Orientador Anderson Higino e Itamar (profissional do CEFET-MG).


8. IDÉIAS A EXPLORAR
Como ocorre o aquecimento da água realmente?

9. ENCAMINHAMENTOS PARA A SEMANA SEGUINTE
Apresentação pública do projeto.


10. ENCAMINHAMENTOS PARA AS SEMANAS POSTERIORES
Não haverá.


11. ANÁLISE DO CUMPRIMENTO DO CRONOGRAMA
O grupo encontra-se dentro do que foi previsto.

12. AVALIAÇÃO DO ANDAMENTO DO PROJETO
O projeto encontra-se concluído.

Condução térmica, Convecção térmica e Aquecimento no fogão de indução eletromagnética

Apesar de o nome do Projeto remeter a um aquecimento provocado por indução eletromagnética, o que ocorre, na verdade, é um aquecimento por condução térmica do recipiente que contém o líquido e esse, por sua vez, aquece devido a correntes de convecção. Embora esse calor seja gerado pela dissipação de correntes induzidas no material ferromagnético (aço) que reveste o vasilhame de alumínio, onde está contida a água, e essas correntes sim são geradas pelo fluxo de campo magnético, o aquecimento da água conta com princípios do condução e da convecção térmicas para ocorrer efetivamente.
Para entender melhor o processo, é necessário maiores explicações sobre condução térmica, convecção e indução eletromagnética.
A indução eletromagnética é o fenômeno pelo qual aparece corrente elétrica num condutor, quando ele é colocado num campo magnético e o fluxo que o atravessa varia. No caso do fogão de indução, a bobina primária, excitada com corrente alternada é a responsável pela geração do campo magnético alternado. A peça de aço que sustenta o vasilhame de alumínio sofre alterações desse campo magnético variável, fazendo com que surjam correntes  induzidas nesse material. Chamam-se corrente de Foucalt a correntes elétricas induzidas circulares que aparecem por indução em blocos metálicos.
                             Representação da bobina primária e do núcleo de ferrite

Quando uma corrente elétrica passa por um condutor, o condutor se aquece, a peça de aço é um condutor, portanto ela se aquece. Esse fenômeno é chamado efeito Joule. A quantidade de calor libertada pela passagem da corrente elétrica pode ser calculada pela aplicação do 1º princípio da Termodinâmica, também chamado princípio da equivalência. Seu enunciado é: “quando há transformação da quantidade de energia W na quantidade de calor Q, ou vice-versa, o quociente de W por Q é constante, quaisquer que sejam W e Q ”. Significa que:




Quando a corrente de intensidade I circula por um condutor de resistência R durante o tempo t, a energia necessária para que essa corrente circule vale:
                                                                   W= RI²t = VIt

A condução térmica é a propagação de calor no interior de um corpo sólido, aquecido irregularmente ou entre corpos sólidos distintos em contato direto.
 As correntes induzidas pelo campo magnético variável gerado pela bobina excitada por meio da corrente alternada (de rede) promovem um aquecimento na peça de aço. O recipiente de alumínio está em contato direto com a peça e, por isso, o calor gerado nela consegue aquecer o alumínio. Note que a condução térmica precisa de um meio material para ocorrer. A peça de aço é essencial nesse caso, pois é um material ferromagnético, onde a indução ocorre, e garante o aquecimento, uma vez que é difícil manusear e vazar peças se ferro, e, então, a indução seria prejudicada. O aço vai sofrer as influencias do campo magnético alternado, o que gerará correntes induzidas e a dissipação delas, o aquecimento. Por condução, o calor passará para o vasilhame de alumínio, um ótimo condutor térmico.

Aquecido o recipiente de alumínio, as camadas do fluido em contato com o recipiente recebem quantidades de calor e ficam mais aquecidas. As moléculas que compõem o fluido passam a se mover com maior intensidade, ocupando maior volume e tornando, assim, aquela massa de fluido menos densa. Dentro do líquido surgem as correntes de convecção, responsáveis pelo aquecimento homogêneo do fluido.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Efeito Joule.
 http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/termo/intro/
Acessado em 30/11/11, as 14 horas

Eletrodinâmica- Calor e Eletricidade.
http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/termo/
Acessado em 30/11/11, as 14 horas

Convecção.
http://pt.wikipedia.org/wiki/Convec%C3%A7%C3%A3o#Transmiss.C3.A3o_de_calor
Acesado em 30/11/11, as 14 horas

Condução Térmica
http://www.infoescola.com/termodinamica/conducao-termica/
Acessado em 30/11/11, as 13 horas



Explicação do funcionamento do protótipo

Em vista de alguns empecilhos, como aumentar de forma exacerbada a frequência da corrente a ser usada para excitar a bobina e produzir o campo magnético, o grupo se reuniu e, por meio de pesquisas, resolveu mudar a estrutura e adaptar o princípio de funcionamento do fogão de aquecimento indutivo.
O grupo acatou sugestões do professor-orientador para melhorar o trabalho e contornar essas dificuldades.
A foto abaixo ilustra o circuito do protótipo.

O funcionamento do fogão de indução eletromagnética se assemelha ao funcionamento de um transformador de tensão. O transformador é um dispositivo de corrente alternada, constituído por uma peça de ferrite, denominada de núcleo do transformador, ao redor do qual são enroladas duas bobinas. Em uma dessas bobinas é aplicada a tensão que se deseja transformar, ou seja, aumentar ou diminuir. Essa bobina é chamada de bobina primária (enrolamento de fios de cobre). Depois de transformada, a tensão é estabelecida nos terminais da outra bobina, que é denominada bobina secundária.Um transformador funciona do seguinte modo: ao aplicar uma tensão alternada no enrolamento primário surgirá uma corrente, também alternada, que percorrerá todo o enrolamento. Através dessa corrente estabelece-se um campo magnético na peça de aço que reveste o vasilhame de alumínio, onde ficará a água. O campo, por sua vez, é variável e, consequentemente, surge um fluxo magnético que é induzido na bobina secundária. Esse fluxo magnético induz correntes na outra bobina.Esse evento é justificado pela Lei de Faraday, ou lei da indução eletromagnética, é uma lei da física que quantifica a indução eletromagnética, que é o efeito da produção de corrente elétrica em um circuito colocado sob efeito de um campo magnético variável ou por um circuito em movimento em um campo magnético constante.

No caso do fogão, à bobina primária é aplicada uma tensão de 127 V, gerando um campo magnético alternado no núcleo de ferrite. A bobina secundária é constituída por uma peça de aço que reveste um vasilhame de alumínio, material não ferromagnético, mas a seguir será explicado o porquê. Esse campo induzirá correntes no material de aço e a passagem de corrente pelo material dissipará potência elétrica, provocando o efeito de aquecimento nessa peça, ou seja, ocorre o efeito Joule. Para melhor explicar, quando uma corrente elétrica atravessa um material condutor, há produção de calor. Essa produção de calor é devida ao trabalho realizado para transportar as cargas através do material em determinado tempo. Como todo material oferece certa resistência à passagem de corrente, haverá dissipação de energia e aquecimento.
A resistividade do aço é 0,070 ohm.

Por condução, o calor será levado ao recipiente de alumínio, que contém água no seu interior, provocando o aquecimento do líquido. O uso do alumínio se justifica pois ele é um excelente condutor térmico, assim otimiza o aquecimento do líquido em seu interior. A resistividade do alumínio é 0,029 ohm, ou seja, ele é um melhor condutor térmico do que o aço ou ferro, o que otimiza o aquecimento da água e justifica seu uso em detrimento de um material ferromagnético.



REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Tabela de Resistividade de Materiais.
http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/almanaque/203-tabela-de-resistividades-de-materiais-.html. Acessado em 30/11/11, as 11 horas

Lei de Faraday.
 http://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Faraday-Neumann-Lenz.
Acessado em 30/11/11, as 11:30 horas

Lei de Joule.
 http://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_Joule.
Acessado em 30/11/11, as 12 horas