CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO ESTUDO DA PERDA DE CALOR NAS TUBULAÇÕES DE ÁGUA QUENTE EM PAREDE DE ALVENARIA

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1 CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO ESTUDO DA PERDA DE CALOR NAS TUBULAÇÕES DE ÁGUA QUENTE EM PAREDE DE ALVENARIA CURITIBA 2007

2 RAPHAEL MARZOLA CARDOSO RENAN ADOLFO ZANINI DAMO ROGER MIRANDA MATTER ESTUDO DA PERDA DE CALOR NAS TUBULAÇÕES DE ÁGUA QUENTE EM PAREDE DE ALVENARIA Monografia apresentada para obtenção do título de Engenheiro Mecânico, no Curso de Graduação em Engenharia Mecânica do Centro Universitário Positivo. Orientador: Prof. Fabio Alencar Schneider CURITIBA 2007

3 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS... v LISTA DE TABELAS... vi LISTA DE GRÁFICOS... ix LISTA DE SÍMBOLOS...x RESUMO... xi 1 INTRODUÇÃO JUSTIFICATIVA OBJETIVO DO PROJETO MÉTODO DE CÁLCULO E CONSTRUÇÃO DO EXPERIMENTO RESTRIÇÕES DO PROJETO Dimensões Limites PREMISSAS Especificações Técnicas Cotações REVISÃO BIBLIOGRÁFICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR Transferência de Calor por Condução Transferência de Calor por Convecção Transferência de Calor por Radiação CONDUTIVIDADE TÉRMICA SISTEMAS RADIAIS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONDUÇÃO RAIO CRÍTICO DE ISOLAMENTO ISOLANTE TÉRMICO Lã de Vidro Lã de Rocha Polietileno de Baixa Densidade (PEBD) Espuma Elastomérica...25 ii

4 2.6 TUBULAÇÕES Cobre Policloreto de Vinila Clorado (CPVC) Polietileno Reticulado (PEX) Polipropileno Copolímero Random Tipo 3(PPR) FORMAS DE AQUECIMENTO DA ÁGUA Sistema Individual Sistema Central Privado Sistema Central Coletivo ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS EXPERIMENTO RESULTADOS ANÁLISE TÉRMICA ANÁLISE ECONÔMICA LEVANTAMENTO DE CUSTOS ALTERAÇÕES DO PROJETO CONCLUSÃO...49 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...51 DOCUMENTOS CONSULTADOS...53 APÊNDICE 1 PROPRIEDADE TERMOFÍSICAS DO AR ATMOSFÉRICO.54 APÊNDICE 2 PROPRIEDADE TERMOFÍSICA DA ÁGUA A PRESSÃO ATMOSFÉRICA...55 APÊNDICE 3 ORÇAMENTO PARA CONTRUÇÃO DE 1m 2 DE PAREDE COM TUBO DE COBRE SEM ISOLANTE...56 APÊNDICE 4 ORÇAMENTO PARA CONTRUÇÃO DE 1m 2 DE PAREDE COM TUBO DE COBRE COM ISOLANTE DE LÃ DE VIDRO...57 APÊNDICE 5 ORÇAMENTO PARA CONTRUÇÃO DE 1m 2 DE PAREDE COM TUBO DE COBRE COM ISOLANTE DE POLIETILENO DE BAIXA DENSIDADE...58 iii

5 APÊNDICE 6 ORÇAMENTO PARA CONTRUÇÃO DE 1m 2 DE PAREDE COM TUBO DE POLIPROPILENO SEM ISOLANTE...59 APÊNDICE 7 MEMORIAL DE CÁLCULO DO TUBO DE COBRE SEM ISOLANTE...60 APÊNDICE 8 MEMORIAL DE CÁLCULO DO TUBO DE COBRE COM ISOLAMENTO DE LÃ DE VIDRO...64 APÊNDICE 9 MEMORIAL DE CÁLCULO DO TUBO DE COBRE COM ISOLAMENTO DE PEBD...68 APÊNDICE 10 MEMORIAL DE CÁLCULO DO TUBO AMANCO PPR...72 ANEXO 1 CRONOGRAMA DO PROJETO...76 ANEXO 2 PROPRIEDADES DO COBRE...77 ANEXO 3 FATORES DE FORMA PARA SISTEMAS BIDMENSIONAIS...78 ANEXO 3 FATORES DE FORMA PARA SISTEMAS BIDMENSIONAIS (CONINUAÇÃO)...79 ANEXO 4 PROPRIEDADES TERMOFÍSICAS DO COBRE...80 ANEXO 5 PROPRIEDADES TERMOFÍSICAS DE MATERIAIS COMUNS.81 ANEXO 5 PROPRIEDADES TERMOFÍSICAS DE MATERIAIS COMUNS (CONTINUAÇÃO)...82 iv

6 LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 EXPERIMENTO... 5 FIGURA 2 FLUXO DE CALOR... 8 FIGURA 3 LÃ DE VIDRO FIGURA 4 LÃ DE ROCHA FIGURA 5 - PEBD FIGURA 6 ESPUMA ELASTOMÉRICA FIGURA 7 APLICAÇÕES DE ESPUMA ELASTOMÉRICA FIGURA 8 TUBOS DE COBRE FIGURA 9 TUBO DE CPVC FIGURA 10 TUBO DE PEX FIGURA 11 TUBO DE PPR FIGURA 12 CONSTRUÇÃO DO EXPERIMENTO FIGURA 13 AQUECEDOR FIGURA 14 MEDIÇÕES DA TEMPERATURA FIGURA 15 PRÁTICA DO EXPERIMENTO FIGURA 16 POSIÇÃO DOS PONTOS DE MEDIÇÃO FIGURA 17 EXPERIMENTO v

7 LISTA DE TABELAS TABELA 1 ESQUEMA DE TUBULAÇÃO X ISOLAMENTO... 4 TABELA 2 COEFICIENTE PARA CÁLCULO DE NUSSELT TABELA 3 COEFICIENTE DE CONVECÇÃO DE DIFERENTES MATERAIS TABELA 4 INDICE C DE ACORDO COM A FORMA TABELA 5 DIMENSÃO SIGNIFICATIVA TABELA 6 RESISTÊNCIA TÉRMICA DA LÃ DE VIDRO TABELA 7 ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DA LÃ DE ROCHA TABELA 8 PROPRIEDADES FÍSICAS DO PEBD TABELA 9 LISTA DE MATERIAIS TABELA 10 VALORES DE RESISTÊNCIA TÉRMICA E VAZÃO TABELA 11 CUSTO POR M² TABELA 12 CUSTO TOTAL DO EXPERIMENTO TABELA 13 CUSTO TOTAL DA PAREDE COM TUBULAÇÃO COM E SEM ISOLANTE TABELA 14 PROPRIEDADE TERMOFÍSICAS DO AR ATMOSFÉRICO TABELA 15 PROPRIEDADE TERMOFÍSICA DA ÁGUA A PRESSÃO ATMOSFÉRICA TABELA 16 CUSTO DE 1M 2 DE PAREDE COM TUBULAÇÃO DE COBRE SEM ISOLANTE TABELA 17 CUSTO DE 1M 2 DE PAREDE COM TUBULAÇÃO DE COBRE COM LÃ DE VIDRO TABELA 18 CUSTO DE 1M 2 DE PAREDE COM TUBULAÇÃO DE COBRE COM POLIETILENO DE BAIXA DENSIDADE TABELA 19 CUSTO DE 1M 2 DE PAREDE COM TUBULAÇÃO DE POLIPROPILENO SEM ISOLANTE TABELA 20 GEOMETRIA DA TUBULAÇÃO E PAREDE TABELA 21 CÁLCULOS DA GEOMETRIA DA TUBULAÇÃO E PAREDE TABELA 22 PARÂMETROS MEDIDOS NO EXPERIMENTO TABELA 23 PARÂMETROS DA TUBULAÇÃO E PAREDE TABELA 24 PARÂMETROS ESCOAMENTO INTERNO PARA A ÁGUA TABELA 25 PARÂMETROS ESCOAMENTO EXTERNO PARA O AR TABELA 26 ESCOAMENTO INTERNO TABELA 27 ESCOAMENTO EXTERNO TABELA 28 RESISTÊNCIA TÉRMICA TABELA 29 REGIME PERMANENTE X=L/ vi

8 TABELA 30 PERFIL DETEMPERATURA ( C) TABELA 31 PERDAS MEDIDAS TABELA 32 GEOMETRIA DA TUBULAÇÃO E PAREDE TABELA 33 CÁLCULOS DA GEOMETRIA DA TUBULAÇÃO E PAREDE TABELA 34 PARÂMETROS MEDIDOS NO EXPERIMENTO TABELA 35 PARÂMETROS DA TUBULAÇÃO E PAREDE TABELA 36 PARÂMETROS ESCOAMENTO INTERNO PARA A ÁGUA TABELA 37 PARÂMETROS ESCOAMENTO EXTERNO PARA O AR TABELA 38 ESCOAMENTO INTERNO TABELA 39 ESCOAMENTO EXTERNO TABELA 40 RESISTÊNCIA TÉRMICA TABELA 41 REGIME PERMANENTE X=L/ TABELA 42 PERFIL DE TEMPERATURA ( C) TABELA 43 PERDAS MEDIDAS TABELA 44 GEOMETRIA DA TUBULAÇÃO E PAREDE TABELA 45 CÁLCULOS DA GEOMETRIA DA TUBULAÇÃO E PAREDE TABELA 46 PARÂMETROS MEDIDOS NO EXPERIMENTO TABELA 47 PARÂMETROS DA TUBULAÇÃO E PAREDE TABELA 48 PARÂMETROS ESCOAMENTO INTERNO PARA A ÁGUA TABELA 49 PARÂMETROS ESCOAMENTO EXTERNO PARA O AR TABELA 50 ESCOAMENTO INTERNO TABELA 51 ESCOAMENTOEXTERNO TABELA 52 RESISTÊNCIA TÉRMICA TABELA 53 REGIME PERMANENTE X=L/ TABELA 54 PERFIL DETEMPERATURA ( C) TABELA 55 PERDAS MEDIDAS TABELA 56 GEOMETRIA DA TUBULAÇÃO E PAREDE TABELA 57 CÁLCULOS DA GEOMETRIA DA TABELA 58 PARÂMETROS MEDIDOS NO EXPERIMENTO TABELA 59 PARÂMETROS DA TUBULAÇÃO E PAREDE TABELA 60 PARÂMETROS ESCOAMENTO INTERNO PARA A ÁGUA TABELA 61 PARÂMETROS ESCOAMENTO EXTERNO PARA O AR TABELA 62 ESCOAMENTO INTERNO TABELA 63 ESCOAMENTO EXTERNO TABELA 64 RESISTÊNCIA TÉRMICA TABELA 65 REGIME PERMANENTE X=L/ vii

9 TABELA 66 PERFIL DE TEMPERATURA ( C) TABELA 67 PERDAS MEDIDAS viii

10 LISTA DE GRÁFICOS GRAFICO 1 PERFIL DE TEMPERATURA PARA TUBO DE COBRE SEM ISOLANTE GRAFICO 2 PERFIL DE TEMPERATURA PARA TUBO DE COBRE COM ISOLANTE LÃ DE VIDRO GRAFICO 3 PERFIL DE TEMPERATURA PARA TUBO DE COBRE COM ISOLANTE PEBD40 GRAFICO 4 PERFIL DE TEMPERATURA PARA TUBO DA AMANCO PPR GRAFICO 5 CUSTOS DA PAREDE COM E SEM REVESTIMENTO ix

11 LISTA DE SÍMBOLOS A c p G h L N u Pr R a R e Área analisada Calor Específico Irradiação Coeficiente de transferência térmica por convecção Dimensão Número de Nusselt Número de Prandtl Número de Rayleigh Número de Reynolds T Temperatura U Coeficiente Global de Transferência de Calor V Velocidade x Espessura ε Índice de Emissividade µ Viscosidade Absoluta ρ σ v Densidade Constante de Stefan-Bolzmann Viscosidade Relativa x

12 RESUMO Este trabalho apresenta um estudo de diferentes composições de materiais isolantes que podem ser aplicadas em paredes de alvenaria que se destinam a gerar uma possível economia de energia e água, e que exigem condições especiais, conforme as necessidades mundiais. A princípio, os materiais isolantes foram aplicados diretamente sobre a superfície externa dos tubos para proporcionar a conservação da energia térmica existente no seu interior e diminuir conseqüentemente a perda de temperatura. Para a definição do melhor revestimento foram executados cálculos dos coeficientes globais de transferência de calor e a partir destes valores, foram obtidos dados de economia de energia de acordo com os diferentes materiais aplicados. Para os referidos cálculos, foram abordados conceitos de transferência de calor por condução, convecção e radiação e ainda, princípios de resistência térmica em paredes compostas. Também foram levantados todos os custos para a instalação da parede de alvenaria e os respectivos sistemas térmicos, para finalmente definir qual a estrutura com melhor relação custo / benefício. Dentre os materiais isolantes estudados, destacam-se a lã de vidro, lã de rocha, polietileno de baixa densidade, espuma elastomérica e polipropileno. Após idealizados os cálculos teóricos e práticos, conclui-se que apesar de todos os isolantes terem tido valores satisfatórios a tubulação com lã de vidro conseguiu um índice de perda de calor muito menor quem os outros e um custo pequeno em relação a economia que ele gera. Palavras chaves: Conservação da energia térmica, transferência de calor xi

13 1 INTRODUÇÃO Desde a realização da Convenção Marco sobre Mudança Climática na ECO- 92, realizada no Rio de Janeiro, onde mais de 160 governos se reuniram para tratar dos danos causados pelo homem no meio ambiente, a preocupação em preservar os recursos naturais e, ao mesmo tempo, possibilitar um desenvolvimento social justo, tem sido prioridade em vários países ao redor do globo terrestre. A partir de 1997, com a assinatura do Protocolo de Kyoto, uma série de nações industrializadas concordaram em reduzir as emissões de gases de efeito estufa na atmosfera em 5,2%, em relação aos níveis de 1990 para o período de O Protocolo ainda estabeleceu três mecanismos, chamados de mecanismos de flexibilidade, que permitem à esses países cumprir com as exigências de redução de emissões, fora de seus territórios. São eles: Implementação Conjunta (Joint Implemention), Comércio de Emissões (Emission Trading) e o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo MDL (Clean Development Mechanism). Este último trata de projetos, realizados por países industrializados, que reduzam ou absorvam as emissões de gases em países em vias de desenvolvimento, como o Brasil, mediante a obtenção de créditos de carbono (Certified Emission Reduction units, CERs). Com isso, surge a necessidade de consolidar novos modelos de preservação do meio ambiente, visando o desenvolvimento sustentável, que é o desenvolvimento capaz de suprir as necessidades da geração atual, sem comprometer a capacidade de atender as necessidades das futuras gerações, isto é, um desenvolvimento que não esgota os recursos para o futuro. Para ser alcançado, o desenvolvimento sustentável depende de planejamento e do reconhecimento de que os recursos naturais são finitos. Esse conceito representou uma nova forma de desenvolvimento econômico, que leva em conta o meio ambiente. Seguindo este raciocínio, atualmente a procura por meios que auxiliem na redução do consumo de água e de energia tem se tornado cada vez mais presente dentro dos projetos de engenharia, uma vez que ambos os recursos são considerados fontes não renováveis.

14 2 Diariamente, observa-se o desperdício, tanto de água quanto de energia, em situações corriqueiras como, por exemplo, o ato de lavar o carro e deixar a torneira aberta sem necessidade, esquecer as luzes acesas, demorar no banho, etc. Uma destas situações, objeto deste estudo, trata do desperdício de água que ocorre dentro das tubulações das residências, uma vez que a água quente, depois de utilizada, permanece parada na tubulação e perde calor para o meio. Ao fazer uso da água quente novamente, o usuário leva um determinado tempo esperando que a mesma seja aquecida, uma vez que se encontra fria dentro da tubulação. Neste tempo, a água está sendo desperdiçada. Além disso, existe o desperdício de energia, referente à perda de calor da água aquecida, isto é, a água perde calor para a tubulação, que por sua vez perde para a parede de alvenaria pela condução térmica e a parede perde calor para meio por meio da convecção. Sendo assim, boa parte, ou toda parte, da energia que estava na água é dissipada. Os autores entendem que desenvolver uma solução para esse caso acarretaria em uma economia considerável de dois dos bens mais importantes para a sociedade. 1.1 JUSTIFICATIVA A justificativa para realização deste trabalho está na necessidade de estudar formas de economizar energia e consumo de água. A água, além de ser um recurso finito, possui um processo de tratamento criterioso e caro. Para evitar seu desperdício, é indicado que se mantenham as torneiras bem fechadas, uma vez que se deixada aberta durante um minuto, uma torneira gasta 3 litros de água. Uma torneira gotejando, por exemplo, gasta 46 litros de água/dia e apenas um filete de água caindo de uma torneira pode desperdiçar de 180 a 750 litros/dia /10/2007. Disponível em: Acesso em:

15 3 A utilização de isolantes térmicos na tubulação de água quente pode auxiliar na redução de perda de energia da água para o meio, evitando assim que o desperdício da mesma enquanto o usuário espera pelo aquecimento. 1.2 OBJETIVO DO PROJETO Este trabalho tem como objetivo estudar a economia de energia gerada pela utilização de uma tubulação de cobre com dois tipos de isolantes térmicos, sendo eles Lã de Vidro, Polietileno de Baixa Densidade (PEBD), por uma tubulação de cobre sem isolante térmico e pela utilização da tubulação de Polipropileno Copolímero Random Tipo 3 (PPR), de forma a obter valores teóricos de economia de energia visando a identificação do isolante que forneça maior economia de energia e água associado ao melhor custo. Para a definição das premissas deste projeto, serão levados em conta, alguns objetivos específicos, como: Comparação entre os isolantes térmicos Lã de Vidro e Polietileno de baixa densidade (PEBD), com relação ao seu desempenho na economia de energia e conseqüentemente de água; Verificação dos custos de construção e período para retorno do investimento, levando em conta toda instalação do sistema e previsão das manutenções. 1.3 MÉTODO DE CÁLCULO E CONSTRUÇÃO DO EXPERIMENTO Na construção do experimento serão utilizados tijolos, argamassa, quatro tubos, sendo três de cobre e um de polipropileno, e isolantes de forma a simular situações reais de perda de energia e água em uma residência.

16 4 A Tabela 1 representa esquema de montagem do experimento. TABELA 1 ESQUEMA DE TUBULAÇÃO X ISOLAMENTO TUBULAÇÃO ISOLANTES Cobre Polipropileno Lã de Sem PEBD Vidro isolante Diâmetro do tubo Tubulação 1 O X O X X 22mm Tubulação 2 O X X O X 22mm Tubulação 3 O X X X O 22mm Tubulação 4 X O X X O 25mm O = PRESENTE; X= AUSENTE Serão levadas em consideração as seguintes perdas: A perda de calor ao abrir uma torneira de água quente que inicialmente está com sua tubulação preenchida de água fria; A perda de calor retido na tubulação de água quente ao fechar a torneira; A perda de água que escoa pela torneira até se atingir a temperatura desejada para água quente. Para que isso ocorra, montaremos a parede de alvenaria comum, passaremos as tubulações propostas, com e sem isolante. Abriremos uma torneira de cada vez e será cronometrado o tempo que a água demora pra chegar aquecida ao seu final e o quanto de água foi desperdiçado. A medição será realizada com três termopares, um na entrada da água e outro na saída e um no meio da tubulação, um cronômetro pra verificar o tempo que essa água demora pra chegar aquecida ao seu final e um recipiente graduado pra verificação do volume de água desperdiçado. Este procedimento será repetido para cada uma das quatro tubulações e os resultados serão comparados entre si e com modelos matemáticos que calculam a perda térmica em regime permanente, isto é, depois que a parede não possui variações de temperatura no tempo.

17 5 A Figura 1 demonstra a ilustração do experimento. FIGURA 1 EXPERIMENTO 1.4 RESTRIÇÕES DO PROJETO Algumas características, informações e itens poderão restringir a execução total do projeto ou ainda de alguma etapa dele, portanto devem ser antecipadamente levantados e avaliados Dimensões Limites A espessura da parede do isolante possuirá dimensão limitada, ou seja, deve ser menor a largura(l) de um tijolo comum e, portanto terá L<100mm, pois uma dimensão superior a esta pode prejudicar a rigidez da estrutura da parede.

18 6 1.5 PREMISSAS Durante a execução do presente projeto, serão levados em consideração itens que serão relevantes para a definição do produto final Especificações Técnicas As especificações repassadas pelos fornecedores dos produtos que serão empregados no projeto servirão como dados reais a serem utilizados para os cálculos de desenvolvimento do sistema de isolamento, portanto não serão efetuados exames ou análises para comprovação dos valores abordados, sendo consideradas confiáveis as informações emitidas pelo fabricante Cotações Serão considerados todos os custos envolvidos no trabalho, baseando-se em cotações solicitadas no ano vigente, ou seja, o projeto avaliará a otimização dos custos com base no ano que transcorre não levando em considerações possíveis oscilações de valores de mercado nos anos que antecederam ou que seguirão após o período de pesquisa.

19 7 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 TRANSFERÊNCIA DE CALOR Segundo Holman (1983), transferência de calor é o processo em que energias são transferidas entre corpos materiais devidos ás suas diferenças de temperaturas. Sempre que houver diferença de temperatura entre dois meios, haverá necessariamente transferência de calor, sendo que pode pelos processos de: condução, convecção e radiação térmica Transferência de Calor por Condução A condução pode ser vista como a transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas de menor energia, em um meio devido às interações que existem entre elas. É possível quantificar os processos de transferência de calor em termos de equações de taxas de transferências de calor apropriadas. Essas equações são usadas para calcular a quantidade de energia transferida por unidade de tempo. Para a condução de calor, a equação da taxa de transferência de calor é conhecida por Lei de Fourier, sendo que para a definição da transferência de calor em uma parede plana unidimensional que apresenta uma distribuição de temperatura, fazendo-se uso da Equação (2.1). " q = k dt dx (2.1) Onde: q Fluxo de calor por convecção (W/m²) k Coeficiente de condutividade térmica (W/m².K) dt/dx Gradiente de temperatura ( C)

20 8 A equação determina o fluxo de energia q (W/m 2 ) e equivale à taxa de transferência de calor na direção x por unidade de área perpendicular à direção de transferência Figura 2, sendo proporcional ao gradiente de temperatura, dt/dx, nesta direção. A constante de proporcionalidade k é denominada coeficiente de condutividade térmica (W/mK) e varia de acordo com as propriedades de cada material. O sinal negativo é uma conseqüência do fato de que o calor é transferido no sentido da diminuição da temperatura. FIGURA 2 FLUXO DE CALOR q FONTE: INCROPERA (1998) Sob as condições de estado estacionário em que a distribuição da temperatura é linear, o gradiente de temperatura deve ser expresso conforme Equação (2.2). T T2 T = 1 x L (2.2) E o fluxo de calor dado pela Equação (2.3):

21 9 q n x T1 T2 T = k = k (2.3) L L Transferência de Calor por Convecção É caracterizado o modo de transferência de calor por convecção como sendo transferência de energia no interior de um fluido devido aos efeitos combinados da condução e do escoamento de fluidos, sendo que estes atuam como meio transportador da energia. Contudo, existem processos de convecção nos quais também a troca de calor latente. Essa troca de calor latente é geralmente associada com uma mudança de fase entre os estados líquidos e vapor do fluido. A Equação (2.4) apropriada para a taxa de transferência possui a forma: q n = h( T sup T ) (2.4) Onde: n q Fluxo de calor por convecção (W/m²) T sup Temperatura superficial (K) T Temperatura do fluido (K) h Constante de proporcionalidade ou coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m².K) Portanto n q define o fluxo de calor por convecção (W/m²) que é proporcional à diferença entre as temperaturas da superfície e do fluido, T sup e T, respectivamente. Essa expressão é conhecida como a Lei do Resfriamento de Newton, e a constante de proporcionalidade h (W/m². K) é chamada de coeficiente de transferência de calor por convecção.

22 10 Esta expressão depende das condições na camada limite, as quais, por sua vez, são influenciadas pela geometria das superfícies, pela natureza do escoamento do fluido e por uma série de propriedades termodinâmicas e de transporte do fluido. Segundo Araújo (1978), caso uma partícula estiver em contato com uma superfície aquecida esta dilatará aumentando seu volume e Mantendo seu peso, tornando-se menos densa, de forma que se afastará da superfície quente deixando as partículas mais densas se aproximar da superfície, propiciando o fluxo das partículas. A essa convecção comandada pela diferença de densidade de partículas dá-se o nome de convecção livre ou convecção natural. Ao mencionar que o mecanismo de convecção natural ou livre ocorre quando há contato entre um fluido e uma superfície e entre estes existir uma diferença de temperatura dando origem à movimentação de partículas comandadas pela distinção de densidade, visto que os fluidos possuem a propriedade de expandirem-se ou contraírem-se quando aquecidos ou resfriados. No escoamento laminar as partículas fluídas têm deslocamento disciplinado com trajetórias paralelas e velocidade constante em cada camada do fluído e no escoamento turbulento ocorre um movimento desordenado e muitas vezes aleatório das partículas que apresentam flutuações de velocidade. De acordo com Incropera (1998), as equações normalizadas para o cálculo da transferência de calor por convecções denominadas parâmetros de similaridade que são importantes por permitirem a utilização de resultados obtidos em uma superfície submetida a um determinado conjunto de condições na resolução de problemas em superfícies geometricamente similares, podendo variar com a natureza do fluído, sua velocidade ou com o tamanho da superfície. Entre tais equações esta o Número de Reynolds mostrado na Equação (2.5), que depende fortemente das condições de rugosidade superficial e do nível de turbulência da corrente livre e destina-se aos cálculos de convecção forçada. ρvdi R e = (2.5) µ

23 11 Onde: R e Número de Reynolds (adimensional) V Velocidade (m/s) Di Dimensão característica (m) ρ Massa específica do fluído µ Viscosidade absoluta Com o seu resultado adimensional V referindo a velocidade do fluido, D a dimensão do corpo avaliado, ρ a massa específica do fluído, µ a viscosidade absoluta. O Numero de Prandtl é a relação entre o coeficiente de viscosidade cinemática e a difusão térmica, podendo ser obtido, dependendo do material, em tabelas apropriadas ou em forma geral pela Equação (2.6): P r v c p. µ = = (2.6) α K Onde: Pr Número de Prandtl (tabelado e adimensional) α Difusividade térmica (m²/s) v Viscosidade cinemática (m²/s) c p Calor específico µ Viscosidade absoluta K Na qual c p representa o calor específico e o resultado é um número adimensional. Segundo Incropera (1998), o escoamento na convecção livre se origina tipicamente em uma estabilidade térmica, isto é, o fluido mais quente e mais leve, se move verticalmente no sentido ascendente em relação ao fluido mais frio e mais

24 12 pesado. Entretanto, como ocorre na convecção forçada, instabilidades fluidas dinâmicas também podem aparecer, ou seja, as perturbações no escoamento podem ser amplificadas, levando à transição de um escoamento laminar para um turbulento. A transição na camada limite de convecção livre da magnitude relativa das forcas de empuxo e das forcas viscosas no fluido. É comum correlacionar a sua ocorrência em termos Número de Rayleigh, que é simplesmente o produto dos números de Grashof e de Prandtl, conforme Equação (2.7): 3 g. β.( T ). L R a = (2.7) α. v Onde: Ra Número de Rayleigh g Aceleração da gravidade β Coeficiente de expansão volumétrica T Variação da temperatura L Dimensão do corpo considerado α Difusividade térmica (m²/s) V Viscosidade cinemática Uma vez que a analise das condições em escoamentos turbulentos é consideravelmente mais complicada, uma ênfase maior é atribuída à determinação de correlações empíricas. As equações Dittus-Boelter, representada na Equação (2.8) é uma versão ligeiramente diferente, porém preferida para determinar o número de Nusselt que representa para cada camada limite térmica o que o coeficiente de atrito representa para a camada limite fluidodinâmica. N = 0,027. R. P (2.8) u 0,8 e n r Onde:

25 13 N u Número de Nusselt R e Número de Reynolds Pr Número de Prandtl Sendo que o expoente n provêm da Tabela 2. TABELA 2 COEFICIENTE PARA CÁLCULO DE NUSSELT Situação Valor de n Para resfriamento 0,4 Para aquecimento 0,3 FONTE: HOLMAN, 1983 Segundo Holman (1983), o Número de Nusselt para casos de convecção natural pode ser definido através do Numero de Grashof pela Equação (2.9), pode ser interpretado fisicamente como sendo um grupo adimensional que representa a relação entre as forças de empuxo e as forças viscosas na convecção natural. Este número desempenha um papel semelhante ao do Número de Reynolds na convecção forçada, sendo usado com critério para a transição da camada laminar para turbulenta. 3 g.β.( Tp T ). L G r = = 2 v R P a r (2.9) volumétrica, Onde g representa a aceleração da gravidade, β o coeficiente de expansão T p e T as temperaturas do corpo e ambiente respectivamente, L a dimensão do corpo considerado, v viscosidade cinemática, R a o Número de Reynolds e P r o Número de Prandtl. O Numero de Nusselt baseado no conceito do Numero de Grashof é definido pela Equação (2.10): N 3 u = 0,13 ( Gr Pr ) L (2.10)

26 14 Bejan (1996), explica que a convecção natural em cilindros horizontais isotérmicos é similar a convecção em superfícies verticais. A única diferença é o fato de que, agora, a superfície é curva e não reta, como dimensão característica vertical, o qual aplica a Equação (2.11) a seguir representada. Nu = 0,825+ (2.11) 1 / 6 0,387Ra [ ] 1+ (0,492 / Pr) 9 / 8 / Onde, R a e P r referem-se respectivamente aos números adimensionais de Rayleigh e Prandtl. Todo o estudo da convecção ao final se reduz a um estudo de procedimentos pelos os quais o valor de h pode ser determinado. A transferência de calor por convecção surgirá freqüentemente como uma condição de contorno na solução de problemas envolvendo a transferência de calor por condução. Na solução de tais problemas, o valor de h é considerado conhecido, sendo que seus índices podem variar de acordo com os valores mencionados na Tabela 3. TABELA 3 COEFICIENTE DE CONVECÇÃO DE DIFERENTES MATERAIS h Processo (W/m²K) Convecção Natural Gases 2-25 Líquidos Convecção Forçada Gases Líquidos Convecção com mudança de fase Ebulição ou Condensação FONTE: HOLMAN, 1983 Para a determinação do coeficiente de convecção podem ser aplicados diferentes métodos como: solução exata, combinação de análise dimensional com recursos experimentais, análise aproximada da camada limite por métodos integrais e

27 15 ainda a analogia entre transmissão de calor, de massa, de energia elétrica e de quantidade de movimento. O método para determinação do coeficiente de convecção por análise dimensional utiliza-se da Equação (2.12) que é a expressão do coeficiente de convecção livre. 2 3 K g ρ Ω L h= C L K T µ 1 4 = N u D k (2.12) Onde C é o fator de forma e posição e é obtido da Tabela 4, g é a aceleração da gravidade, ρ a densidade do material. TABELA 4 INDICE C DE ACORDO COM A FORMA DESCRIÇÃO COEFICIENTE C TUBOS HORIZONTAIS 0,725 PAREDES OU PLANOS VERTICAIS 0,943 FONTE: HOLMAN, 1983 O índice D é denominado dimensão significativa e assume os valores de acordo com a forma do corpo analisado e pode ser obtida na Tabela 5. TABELA 5 DIMENSÃO SIGNIFICATIVA DESCRIÇÃO PAREDE PLANA OU CILINDRICA VERTICAL PAREDE PLANA HORIZONTAL CILINDROS HORIZONTAIS LONGOS CILINDROS HORIZONTAIS CURTOS FONTE: HOLMAN, 1983 DIMENSÃO SIGNIFICATIVA ALTURA MAIOR DIMENSÃO DIÂMETRO COMPRIMENTO Transferência de Calor por Radiação A Radiação térmica é o processo gerado a partir da propagação da radiação eletromagnética em um meio, independente da existência da diferença de temperatura,

28 16 sendo que a transferência de calor por radiação ocorre mais eficientemente quando no vácuo. A radiação que é emitida por uma determinada superfície tem sua origem na energia térmica da matéria que esta limitada pela superfície, e a taxa pela qual a energia é liberada por unidade de área (W/m²), conforme Equação (2.13) é conhecida como poder emissivo E da superfície, que é previsto pela lei de Stefan-Bolzmann. 4 E n = σt sup (2.13) Onde T sup é definido como sendo a temperatura absoluta da superfície e σ é a constante de Stefan-Bolzmann (σ =5,67x10-8 W/m 2.K 4 ), contudo, o fluxo de calor emitido por uma superfície real é menor que aquele emitido por um corpo negro à mesma temperatura, demonstrado pela Equação (2.14). E σ 4 n = ε (2.14) T sup No qual ε é um coeficiente denominado emissividade que varia de acordo com a propriedade radiante da temperatura, e esta propriedade fornece a capacidade de emissão de energia de uma superfície em relação a um corpo negro, dependendo do material que compõem a superfície e de seu acabamento. A radiação pode originar-se de uma forma natural, tal como o sol, ou de outras superfícies as quais a superfície de interesse esteja exposta. Uma certa parte, ou toda, a irradiação pode ser absorvia pela superfície, aumentando desta forma a energia térmica do material. A taxa de energia absorvida por unidade de área de superfície é determinada pela propriedade denominada absortividade. Equação (2.15), transferência de calor por radiação. q u rad q 4 4 = = ε En ( Tsup ) αg = εσ ( Tsup Tviz ) (2.15) A

29 CONDUTIVIDADE TÉRMICA Incropera (1998) define, a condutividade térmica como sendo também uma propriedade determinada pela de Lei de Fourier e onde determina a taxa de transferência de energia pelo processo de difusão. O índice de condutividade térmica varia de acordo com o material e depende da estrutura física, a níveis atômico e molecular, os quais estão relacionados ao referido estado físico. A Equação (2.16) é responsável pela determinação da condutividade térmica, e baseando-se na sua definição podem ser realizadas, de forma experimental, medidas que determinam a condutividade térmica de diferentes materiais. n T k = q x / (2.16) x A partir da análise da equação e considerando um dado gradiente de temperatura, constata-se que o fluxo térmico condutivo aumenta de acordo com o aumento da condutividade térmica. Cabe mencionar que devido à diferença no espaçamento intermolecular, o índice de condutividade térmica é maior nos materiais sólidos, que é maior do que nos líquidos e que, por sua vez é maior do que nos gases. 2.3 SISTEMAS RADIAIS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONDUÇÃO Nos sistemas cilíndricos e esféricos existem gradientes de temperatura somente na direção radial, isso permite analisá-los como sistemas unidimensionais. A partir da análise uns cilindros ocos, cujas superfícies interna e externa estão expostas a fluidos que se encontram a diferentes temperaturas, é possível definir a forma para determinar a taxa de energia conduzida em qualquer superfície cilíndrica no sólido, aplicando a Equação (2.17):

30 18 q r T T = ka = k( 2 πl) (2.17) r r Desta equação, A=2pL representa a área normal à direção da transferência de calor. A resolução da Equação (2.18) permite determinar a Equação (2.19) capaz de avaliar a distribuição de temperatura em um cilindro. Tsup,1 Tsup,2 r T ( r) = ln + Tsup, 2 ln( r1 r2) r (2.18) 2 Esta equação permite observar que a distribuição de temperaturas associada à condução radial de calor através de uma parede cilíndrica é logarítmica e não linear. Aplicando a Lei de Fourier à equação de distribuição de temperatura em sistemas radias, obtém-se a Equação (2.19) para a taxa de transferência de calor: q r ( T T ) 2 Lk sup,1 sup,2 = π (2.19) n ( r r ) 1 2 sistemas radiais. É possível ainda determinar a Equação (2.20) de resistência térmica para ( r r ) ln 2 1, = (2.20) 2π kl R t cond Considerando um sistema composto, conclui-se que a taxa de transferência de calor pode ser representada pela Equação (2.21).

31 19 (2.21) Sendo que este resultado pode também ser apresentando como um índice global de transferência de calor, Equação (2.22). q r T = R T,1, 4 total = U A T (2.22) Caso U seja definido em função da área da superfície interna do cilindro, gerase uma Equação (2.23) para o coeficiente global de transferência de calor. 1 Rtot = (2.23) UA 2.4 RAIO CRÍTICO DE ISOLAMENTO Para Holman (1983), o desenvolvimento de isolamento térmico para meios cilíndricos, deve se levar em consideração o conceito de raio crítico. A partir da Equação (2.24) deve-se comparar o raio externo do sistema cilíndrico analisado com o raio obtido desta expressão, sendo que se o raio externo do sistema for menor que o valor dado por esta equação, a transferência de calor será aumentada com a colocação de mais isolante, entretanto se o raio externo for maior que o valor crítico, um aumento da espessura de isolamento causará um decréscimo na transferência de calor.

32 20 k r e = (2.24) h 2.5 ISOLANTE TÉRMICO Segundo Incropera (1998), existem diversas utilidades e aplicações para os isolantes térmicos. Na área industrial é encontrado dentro de fornos, câmaras climatizadas e na fabricação de ar condicionado. Já na construção civis muitos isolantes térmicos são utilizados como isolantes acústicos, isolantes térmico de residências. Os isolantes térmicos até então, não são utilizados em residências como revestimento de tubulações, uma vez que até a década passada não se pensava em economia de água e energia. Sendo assim, não era usual sua empregabilidade. Atualmente este tema é muito discutido, visando economia dos recursos naturais e energéticos. A partir de então as empresas vêem desenvolvendo soluções de isolantes para diversos tipos de tubulações. Como existem vários isolantes serão necessárias às comparações destes para definir qual tem maior eficácia, e com isso determinar qual a melhor matéria prima para o isolamento de tubulações de água quente. Após realização de intensa pesquisa de isolantes térmicos no mercado foram encontrados diversos fabricantes de isolantes térmicos cujos produtos satisfizeram as especificações necessárias à comprovação deste experimento, os principais produtos serão explicados abaixo: Lã de Vidro A lã de vidro Figura 3 é um componente fabricado em alto forno a partir da sílica e sódio aglomerados por resinas sintéticas.

33 21 FIGURA 3 LÃ DE VIDRO De acordo com a Tabela 6 observa-se que lã de vidro possui um baixo coeficiente de condutividade térmica junto à espessura e densidade adequada, a lã de vidro é conhecida mundialmente por um alto poder de isolação térmica sendo aplicada em equipamentos industriais, dutos de ar condicionados, caldeiras, fornos, tubulações, telhados, suportando até temperaturas de 450ºC (ISAR, 2007). TABELA 6 RESISTÊNCIA TÉRMICA DA LÃ DE VIDRO RESISTÊNCIA TÉRMICA DA LÃ DE VIDRO Condutividade térmica Material Densidade Kg/m³ Espessura K (W / m ºC) Temp. méd. = 24ºC Lã de Vidro FONTE: METÁLICA, 2007 Resistência térmica R (m² ºC / W) 12 50mm 0,045 1, mm 0,038 1, mm 0,034 1, mm 0,045 1,67 Dentre as principais características da lã de vidro destacam-se:

34 22 É um material incombustível portanto não propaga chamas com isso diminui risco de incêndio; Não deteriora, nem apodrece; Mantém mesmo com o passar dos anos sua capacidade de isolamento térmico; Não absorvem umidade e não sofrem danos estruturais, com isso não prolifera fungos; Lã de Rocha Segundo Metálica (2007), a lã de rocha provém de fibras minerais de rocha vulcânica, onde foi descoberta no Hawaii nos anos 20 por um grupo de cientistas, no qual houve um desenvolvimento e atingiu escala industrial, sendo um dos isolantes mais utilizados atualmente. Esta possui excelentes níveis de isolamento térmico, pois tem como característica uma baixa condutividade térmica sendo um material incombustível e também é utilizada como isolamento acústico. Fabricado a partir de rochas basálticas especiais e outros minerais. Estes ao serem aquecidos à cerca de 1500 C são transformados em filamentos que, aglomerados com soluções de resinas orgânicas, permitem a fabricação de produtos leves e flexíveis até muito rígidos, dependendo do grau de compactação. A Lã de Rocha Figura 4 é encontrada na forma de placas ou mantas.

35 23 FIGURA 4 LÃ DE ROCHA FONTE: METALICA, 2007 Lã de rocha Tabela 7, é um material fabricado em todo o mundo, devido a suas características termo-acústicas e atende os mercados da construção civil, industrial e automotivo entre outros, pois garante conforto ambiental, segurança e aumento no rendimento de equipamentos industriais, geram economia de energia com aumento de produtividade, porém seu custo ainda elevado restringe sua utilização na construção civil. TABELA 7 ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DA LÃ DE ROCHA Densidade Espessura Comprimento Largura Cond. Térmica (kg/m³) (mm) (mm) (mm) (Kcal/mhºC) 32 25, 40, , , 40, ,032 FONTE: METÁLICA, Polietileno de Baixa Densidade (PEBD) É um polímero parcialmente cristalino cuja temperatura de fusão é na região de 110º e 115ºC. O PEBD tem uma combinação única de propriedades, dentre elas podemos citar algumas como: a tenacidade, alta resistência ao impacto e alta flexibilidade :

36 24 A Figura 5 ilustra aplicações em tubulação do PEBD FIGURA 5 - PEBD O Polietileno de baixa densidade expandido que tem capacidade de isolar com eficiência tubulações submetidas a diferenças maiores de temperatura interna (do fluído) e externa (do ambiente), tendo como faixa de temperatura de 70ºC a +90ºC, (POLIPEX, 2007). Utilizados em tubulações de refrigeração, ar condicionado e água quente, proporcionando uma economia de até 80% da energia consumida nos respectivos processos de resfriamento e aquecimento. O processo de produção de PEBD utiliza pressões entre 1000 e 3000 atm e temperatura entre 100º e 300ºC. A reação é altamente exotérmica.

37 25 Densidade: A Tabela 8 demonstra as propriedades físicas do Polietileno de Baixa TABELA 8 PROPRIEDADES FÍSICAS DO PEBD Propriedade Método ASTM PEBD Densidade, g/cm³ D 792 0,912-0,925 Temperatura de fusão cristalina, ºC Índice de refração, n D D 542 1,51-1,52 Tração de escoamento, MPa D 638 6,2-11,5 Alongamento no escoamento, % D Resistência à tração, MPa D 638 6,9-16 Alongamento Máximo, % D Módulo elástico, MPa D Dureza, Shore D D FONTE: POLIPEX, Espuma Elastomérica A Espuma Elastomérica Figura 6 tem como sua matéria prima à base de borracha sintética de alta densidade (60 +/- 6 kg m³). Pode ser aplicado onde à temperatura encontra-se entre 60ºC a 105ºC. Possui características como resistência ao fogo e baixa absorção de água, (ARMAZÉM DO ISOLAMENTO, 2007). FIGURA 6 ESPUMA ELASTOMÉRICA FONTE: ISAR, 2007

38 26 Pode-se observar na Figura 7 uma das utilizações da espuma elastomérica, mas alem desta ela é utilizada em isolamento de tubulações, dutos de ar, depósitos, refrigeração e ar condicionado. FIGURA 7 APLICAÇÕES DE ESPUMA ELASTOMÉRICA FONTE: ARMAZÉM DO ISOLAMENTO, TUBULAÇÕES São encontrados no mercado alguns tipos de tubos, estes possuem como material utilizado o CPVC, o Cobre e o polietileno reticulado, com isto será verificado qual destes será mais apropriado com aplicação dos diversos tipos de isolantes Cobre O cobre é usado principalmente no transporte de água aquecida tanto em casas com aquecimento central ou de passagem, pois é necessário o uso de tubos que possam suportar altas temperaturas. Os tubos de cobre Figura 8 são conformados pelos processos de extrusão e em seguida calibrados nos diâmetros comerciais por trefilação. São produzidas conforme norma ABNT-NBR 13206, apresentando resistência química, resistências à corrosão e é reciclável. Possui várias classes de identificação sendo a classe E utilizada em tubulações de água quente, (Eluma, 2007).

39 27 FIGURA 8 TUBOS DE COBRE FONTE: ELUMA, Policloreto de Vinila Clorado (CPVC) O Policloreto de Vinila Clorado Figura 9 é um derivado do PVC e vem para competir mercadologicamente com o cobre nas instalações de água aquecida. É um termoplástico que suporta a pressão existente em um sistema de água quente e temperatura de até 80ºC, (materiais da UFSC, 2006). Estes são utilizados na construção civil em tubulações de água quente. Como o material é relativamente novo, não se tem informações exatas sobre seu comportamento em instalações, e sua utilização ainda gera alguma polêmica. FIGURA 9 TUBO DE CPVC FONTE: TIGRE, 2007

40 Polietileno Reticulado (PEX) O PEX (Polietileno Reticulado), Figura 10, tem resistência a altas temperaturas, à dilatação de água congelada, à corrosão química e a impactos (Metálica, 2007). FIGURA 10 TUBO DE PEX FONTE: DBGRAUS, 2007 Este material é facilmente dobrável, este sistema elimina uma série de conexões comparadas às instalações tradicionais, sendo também de fácil e rápida instalação, diminuindo em muito o tempo total de mão-de-obra necessária, além de que este sistema facilita a retirada do tubo para manutenção, sem danificar os revestimentos devido a sua alta flexibilidade, mas seu custo elevado ainda inviabiliza sua utilização em maior escala. O PEX é um sistema que utiliza cinco camadas sobrepostas de dentro para fora com utilização de Polietileno (PEX), firmemente unidos com adesivo aquecido em um tubo com alma de alumínio. Todas as camadas são extrudadas separadamente. A parte interna e externa do PEX é de PE especial, higienizado, não tóxico e completamente isento de rugosidade internas.

41 29 Este sistema inovador confere alta resistência à corrosão e é indicado para uso em baixas e altas pressões de serviço, pois o tubo interno confere alta resistência a vazamento de gás e líquidos em geral Polipropileno Copolímero Random Tipo 3(PPR) O PPR Polipropileno Copolímero Random tipo 3, é um componente novo resultado de grande pesquisa e desenvolvimento em laboratório, no qual este tubo pode operar até 80ºC e resistindo a grandes picos de temperatura, sendo que seu ponto forte é a alta resistência a ataques químicos como ferro, cloro ou flúor e é anticorrosivo (Amanco, 2007). A Figura 11 ilustra a tubulação de PPR FIGURA 11 TUBO DE PPR Dentre as principais características do PPR destacam-se: Sem incrustações, por terem paredes lisas proporcionam uma instalação sem incrustações e sem redução do diâmetro ao longo dos anos;

42 30 É um material atóxico; Resistência a impactos; Não requer isolamento térmico, devido a baixa condutividade térmica; Custo reduzido em relação ao cobre; 2.7 FORMAS DE AQUECIMENTO DA ÁGUA Conforme Ilha (1991), os sistemas de aquecimento de água podem ser classificados em: sistema individual, sistema central privado e sistema central coletivo Sistema Individual Este sistema consiste na alimentação de um único ponto sem a necessidade de uma rede de água quente. Utiliza essencialmente como fonte de energia gás combustível e eletricidade, (Ilha, 1991) Sistema Central Privado O sistema possui um equipamento responsável pelo aquecimento da água em uma rede de tubulações que distribui a água a pontos de utilização que pertencem à mesma unidade, é utilizado em apartamentos. Possui como fontes energéticas basicamente o gás combustível, eletricidade, óleo combustível, lenha, (Ilha, 1991) Sistema Central Coletivo É constituído por um equipamento gerador de água quente e uma rede de tubulações que conduzem a água até os pontos de utilização pertencente a mais de uma unidade utiliza-se em edifícios. O sistema é aquecido através de caldeiras a gás combustíveis e eletricidade, (Ilha, 1991).

43 ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS De acordo com Incropera (1998) terá como base teorias de condução convecção e radiação térmica de forma a explicar estes fenômenos de transferência de calor usando embasamento teórico, assim, explicando como é feita toda a troca de calor desde a água interna na tubulação até o meio externo. Conforme Incropera (1998) tem como base equações de taxas de condução, propriedades térmicas da matéria, condutividade térmica além de também usar as teorias dos fundamentos de transferência de calor. Será possível a comparação da teoria descrita acima com os dados obtidos através da prática que será executada a fim de conseguir o mesmo objetivo que é a economia tanto de água como de energia.

44 32 3 EXPERIMENTO Para a realização do experimento, primeiramente foi levantada a lista de materiais necessários e mão-de-obra para a construção do mesmo. A Tabela 9 representa a lista de materiais para construção do experimento TABELA 9 LISTA DE MATERIAIS Tijolos 6 furos Barra de ferro 5/16 Cimento Cal Areia Tabua 1x6m Arame recozido Pregos 17x27 Pedra Tubo da Amanco (polipropileno) 25mm Tubo de Cobre 22mm Isolante de lã de vidro Isolante de polietileno de baixa densidade (PEBD) Niple de redução ¾ para ½ de latão Luva de cobre 22mm Solda de estanho 50x50 2,4mm Pasta de solda Conectores fêmea 22mm TE de PVC com rosca de ¾ Nipel de redução de ¾ para ½ de PVC Conector fêmea 25mm Mangueira Bico de mangueira Torneira Baldes Abraçadeira Termopar Broca 2,5mm Veda rosca Mão de obra civil

45 33 Após o levantamento, foram realizados as cotações de preços com três fornecedores, visando reduzir custos. Com os materiais e mão-de-obra contratada, foi dado início à construção da parede. Inicialmente, a parede seria construída no Unicenp, por motivos descritos em alteração de projetos, foi necessária a definição de um novo local, acarretando em atraso colocando em risco o projeto. Com lugar para a construção definido, iniciou-se a primeira etapa de construção, estruturando a base (fundação). A Figura 12 apresenta a primeira etapa de construção do experimento. FIGURA 12 CONSTRUÇÃO DO EXPERIMENTO Em seguida, foram feitos recortes na parede para a colocação das tubulações. Após o término da parede, foi adquirido o restante do material para as conexões com a rede de água e medições de temperatura, bem como: mangueiras, redutores, registros, torneiras, broca, baldes e termopares.

46 34 Na segunda etapa do experimento, foi instalado um aquecedor de passagem Longvie modelo 116c, com capacidade de 15 litros/minuto, ligado na rede de água da rua e, através de mangueiras, conectado as tubulações na parede, conforme Figura 13. FIGURA 13 AQUECEDOR Na terceira etapa do experimento, foram realizados três furos em cada tubulação para a passagem de termopares, sendo um para medição da temperatura de entrada, outro, introduzido no interior do tubo, para uma medida no meio e um terceiro para obtenção da temperatura de saída, obtendo assim a curva de temperatura, conforme Figura 14.

47 35 FIGURA 14 MEDIÇÕES DA TEMPERATURA Por fim, para a medição do volume de água, foram utilizados baldes graduados para possibilitar a medição da quantidade de água desperdiçada, conforme observado na Figura 15. FIGURA 15 PRÁTICA DO EXPERIMENTO

48 36 4 RESULTADOS Para conseguir os dados necessários para realização dos cálculos foi realizado o experimento com três termopares sendo um em cada ponta e um no meio, os termopares ficaram na mesma posição em todas as medições que teve a seguinte ordem, tubulação de cobre com lã de vidro, tubulação de cobre sem isolante, tubulação do cobre com PEBD e tubulação da Amanco. Os valores apresentados serão as médias das medições realizadas em cada tubulação. 4.1 ANÁLISE TÉRMICA Os apêndices 7 até 10 apresentam os Memoriais de Cálculo para os quatro casos estudados: a) Tubo de cobre sem isolante; b) Tubo de cobre com isolamento de Lã de vidro; c) Tubo de cobre com isolamento de PEBD; d) Tubo da Amanco PPR. As Gráficos1 até 4 apresentam os valores dos perfis de temperatura obtidos nos apêndices 7 ao 10 para os quatro casos. A posição de medição (extremos) e cálculo de temperaturas (no centro e transversalmente à parede) está representada para o caso do Tubo de cobre com isolamento de Lã de vidro

49 37 A Figura 16 representa posição dos pontos de medição e cálculo de temperaturas no caso do Tubo de cobre com isolamento de Lã de vidro. FIGURA 16 POSIÇÃO DOS PONTOS DE MEDIÇÃO Tmáx(medido) Ta Tb Tc Td Tar(medido) Água quente Tubo de cobre Lã de vidro Lext Parede de alvenaria Ar externo Lp

50 38 isolante. O Gráfico 1 representa o perfil de temperaturas para Tubo de cobre sem GRAFICO 1 PERFIL DE TEMPERATURA PARA TUBO DE COBRE SEM ISOLANTE Transiente 55,0 50,0 45,0 temperatura ( C) 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 Tmáx Ta Tb Tc Tar inf 49,9 49,8 49,8 37,2 20,5 43,0 49,3 49,1 49,1 36,8 20,5 36,9 49,1 48,6 48,6 36,6 20,5 30,7 48,6 47,5 47,5 35,9 20,5 24,6 48,0 46,1 46,1 35,1 20,5 18,4 46,8 43,8 43,8 33,8 20,5 12,3 45,0 38,9 38,9 31,0 20,5 6,1 40,4 27,2 27,2 24,3 20,5 0,0 31,8 25,1 25,1 23,1 20,5 Posição

51 39 O Gráfico 2 representa o perfil de temperaturas para Tubo de cobre com isolamento de Lã de vidro. GRAFICO 2 PERFIL DE TEMPERATURA PARA TUBO DE COBRE COM ISOLANTE LÃ DE VIDRO Transiente 45,0 40,0 temperatura ( C) 35,0 30,0 25,0 20,0 Tmáx Ta Tb Tc Td Tar inf 42,0 42,0 42,0 24,6 23,9 20,5 40,0 41,9 41,7 41,7 24,6 23,8 20,5 33,3 41,7 41,3 41,3 24,5 23,8 20,5 26,7 41,2 40,3 40,3 24,3 23,6 20,5 20,0 41,1 39,2 39,2 24,1 23,5 20,5 13,3 39,7 35,1 35,1 23,3 22,8 20,5 6,7 35,1 28,0 28,0 21,9 21,7 20,5 0,0 25,2 22,0 22,0 20,8 20,7 20,5 Posição