Módulo: REFRATÁRIOS Agosto/2014

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1 Módulo: REFRATÁRIOS Agosto/2014 Refratários Isolantes e Cálculos de Isolação Moacir da Ressurreição Agosto /30

2 Isolantes Definição Tipos Finalidade Características Formatos Processo de Fabricação Vantagens Aplicação 2/30

3 Isolantes -Definição - São chamados de isolantes, os materiais refratários que suportam convenientemente bem as temperaturas elevadas (em contato direto ou indireto com o ambiente de trabalho e baixa massa específica aparente) e que conduzem a menor quantidade possível de calor para o meio externo (baixa condutibilidade térmica). - Geralmente são feitos de material sílico-aluminoso através de um processo artificial de fabricação e apresentando uma infinidade de poros vazios em toda sua massa (porosidade total superior à 45%), poros estes responsáveis pela predominante característica de isolamento térmico. 3/30

4 Isolantes -Tipos - Peças moldadas - Concretos isolantes - Fibra cerâmica - Lã de vidro - Lã de rocha - Silicato de cálcio - Cortiça - Vermiculita 4/30

5 Isolantes -Finalidade - A principal é a diminuição das perdas de energia calorífica geradas ou contidas em equipamentos térmicos (de qualquer tipo), com o objetivo também de um estudo da performance técnico-energética e visando ainda a economia de energia através de recursos próprios. - A especificação de um isolamento é realizada através de uma análise técnica, proposição de soluções para a economia de energia e a validação da performance do equipamento. 5/30

6 Isolantes -Características - Baixa condutividade térmica (K); - Facilidade de cortes, ajustes e manuseios (devido à baixa densidade aparente); - Média ou baixa resistência mecânica. 6/30

7 Isolantes -Características Condutibilidade Térmica (k) 7/30

8 Isolantes -Formatos - Tijolos paralelos, arcos e cunhas; - Mantas; - Módulos; - Flocos 8/30

9 Isolantes -Processo de Fabricação Mistura Conformação Secagem Queima Embalagem Embalagem Para monolíticos (concretos, argamassas, massas) Agentes orgânicos que formam poros abertos: Casca de coco Vermiculita Cortiça Isopor Outros materiais utilizados como: alumina globular, zircônia globular. 9/30

10 Isolantes -Processo de Fabricação 10/30

11 Isolantes -Vantagens - Baixo peso; - Baixo calor armazenado; - Boa resistência ao choque térmico; - Eficiência térmica; - Alta porosidade. 11/30

12 Isolantes -Exemplos de Aplicação - Fornos em geral; - Reformadores; - Reatores; - Trocadores de Calor; - Caldeiras; - Tratamentos Térmicos; - Pelotização; - Cerâmica Vermelha; - Vagonetas; - Sinterização 12/30

13 Cálculo de Isolamento Térmico Conceitos Básicos Cálculos Envolvidos Exemplos 13/30

14 Cálculo de Isolamento Térmico Conceitos Básicos Parâmetros para determinar o tipo de refratário adequado para um projeto: - Tipo do equipamento; - Tipo de Material em processo; - Continuidade de operação; - Abrasão resultante da movimentação das cargas; - Fonte de calor e temperaturas nas diversas regiões; - Face fria desejada (temperatura externa ao isolamento); - Ataque químico; - Impacto de cargas e das chamas; - Etc... 14/30

15 Cálculo de Isolamento Térmico Conceitos Básicos Os conceitos básicos aqui adotados são de uso estritamente elementar e prático, não podendo ser aplicados em casos complexos de isolação térmica, pois são básicos e não aprofundados, portanto, não é possível aplicá-los em cálculos de projetos de equipamentos e nem em balanços térmicos precisos (para conhecimentos mais detalhados e precisos é necessário consultar a literatura pertinente ao assunto). Existem 2 maneiras para calcularmos as perdas de calor, a saber: Regime Permanente (que será adotado para os cálculos que seguem) ou Regime Transitório; 15/30

16 Cálculo de Isolamento Térmico Regime permanente: Conceitos Básicos 16/30

17 Cáculo de Isolamento Térmico Conceitos Básicos Condutividade (ou Condutibilidade) Térmica (k kcal/m.h ºC): É a quantidade horária de energia que atravessa um cubo de 1 m 3, mantendo uma diferença de 1 ºC entre as faces opostas e que pode ser expressa em: onde: Q quantidade de calor (kcal) S área da parede (m 2 ) t 1 e t 2 temperaturas (ºC) e espessura da parede (m) ө tempo (h) k condutividade térmica (kcal/m. h ºC) 17/30

18 Cálculo de Isolamento Térmico Conceitos Básicos A condutividade térmica (k), como dissemos anteriormente, é a quantidade de calor que passa na unidade de tempo através de uma superfície unitária, quando a diferença de temperatura é de 1ºC por unidade de espessura. Sua unidade de inglesa é: BTU/ft.h ºF, sendo 1 BTU/ft.h ºF = 1488 kcal/m.h ºC. Nos cálculos referentes a isolantes térmicos, os ingleses usam uma unidade 12 vezes maior, pois está relacionado à uma camada de isolante de 1 pol de espessura e 1 sq.ft. de superfície 1 BTU.pol/h.sq.ft.ºF = 0,1242 kcal.m/m².h ºC. A condutibilidade térmica (k) depende do material e quanto maior ela for, tanto melhor condutor de calor será o corpo em estudo; também podemos considerá-la constante para um mesmo material, dentro de certos limites de temperatura. 18/30

19 Cálculo de Isolamento Térmico Conceitos Básicos A condutividade térmica (k) pode ser usada como classificação dos materiais em condutores e isolantes, como descrito no quadro a seguir: 19/30

20 Cálculo de Isolamento Térmico Conceitos Básicos A resistência térmica (R) é a capacidade que cada corpo específico tem em retardar o fluxo de energia (calor), sendo expressa como: onde: e espessura da parede (m) k condutividade térmica (kcal/m.h ºC) Outro fator que incide sobre o cálculo do fluxo de calor é a resistência superficial (Rs), que espressa por: onde: he coeficiente de superfície Por convenção para ambientes externos: Rs (1/he) = 0 para ambientes internos: he = 10 kcal/m².h ºC 20/30

21 Cálculo de Isolamento Térmico Obtenção da Temperatura Superficial Para esse cálculo interativo convencionamos que o coeficiente de película (he) é de: - Ambientes Internos = 7 kcal/m.h ºC - Ambientes Externos = 10 kcal/m.h ºC Superfície Plana: onde: Tse temperatura superficial (ºC) e espessura do isolamento (m) k condutividade térmica (kcal/m.h ºC) he coeficiente de superfície (kcal/m².h ºC) t op temperatura de operação (ºC) t a temperatura ambiente (ºC) 21/30

22 Cálculo de Isolamento Térmico Obtenção da Temperatura Superficial Superfície Cilíndrica: onde: Tse temperatura superficial (ºC) Ln logaritmo neperiano e espessura do isolamento (m) k condutividade térmica (kcal/m.h ºC) he coeficiente de superfície (kcal/m².h ºC) t op temperatura de operação (ºC) t a temperatura ambiente (ºC) d diâmetro externo da tubulação (m) D diâmetro externo do isolamento (m) (D = d + 2. e) 22/30

23 Parte Plana: Cálculo de Isolamento Térmico Perda de Energia (calor) onde: Q quantidade de energia perdida (kcal/h.m²) R resistência térmica do isolante (m².h ºC/kcal) Rs resistência térmica da superfície externa (m².h ºC/kcal) e espessura do isolante (m) k condutividade térmica do isolante (kcal/m.h ºC) he coeficiente de película (kcal/m².h ºC) he ambientes internos = 10 kcal/m².h ºC he ambientes externos = 0 kcal/m².h ºC t op temperatura de operação (ºC) t a temperatura ambiente (ºC) 23/30

24 Parte Cilíndrica: Cálculo de Isolamento Térmico Perda de Energia (calor) onde: Q quantidade de energia perdida (kcal/h.m²) Ln logaritmo neperiano e espessura do isolante (m) k condutividade térmica do isolante (kcal/m.h ºC) he coeficiente de película (kcal/m².h ºC) he ambientes internos = 10 kcal/m².h ºC he ambientes externos = 0 kcal/m².h ºC t op temperatura de operação (ºC) t a temperatura ambiente (ºC) d diâmetro externo da tubulação (m) D diâmetro externo do isolamento (m) (D = d + 2. e) 24/30

25 Cálculo de Isolamento Térmico Exemplo de Cálculo do Calor Perdido Exemplo 1: dados: ambiente interno (he = 10 kcal/m².h ºC) espessura do isolante (e = 160 mm = 0,16 m) condutividade térmica do isolante (k = 0,060 kcal/m.h ºC) temperatura de operação (t op = 500 ºC) temperatura ambiente (t a = 20 ºC) kcal/m².h ºC 25/30

26 Exemplo 2: Cálculo de Isolamento Térmico Exemplo de Cálculo do Calor Perdido dados: ambiente interno (he = 10 kcal/m².h ºC) espessura do isolante (e = 150 mm = 0,15 m) condutividade térmica do isolante (k = 0,070 kcal/m.h ºC) temperatura de operação (t op = 500 ºC) temperatura ambiente (t a = 20 ºC) diâmetro externo da tubulação (d = 300 mm = 0,3 m) diâmetro externo do isolamento (m) (D = d + 2.e = 0, ,15 = 0,6 m) kcal/m².h ºC 26/30

27 Cálculo de Isolamento Térmico Outro Modo de Obter o Fluxo de Energia 27/30

28 Cálculo de Isolamento Térmico Outro Modo de Obter o Fluxo de Energia TEMPERATURA C TEMPERATURA C TEMPERATURA C 1235 C 1533 C 1700 C 1224 C 1520 C 1600 C 940 C 1250 C 1300 C ISOLANTE Dens. 1,5 g/cm3 K=1,1 W/m.K DENSO Dens. 3,07 g/cm3 K=2,6 W/m.K ISOLANTE DENSO Dens. 2,90 g/cm3 Dens. 1,2 g/cm3 K=1,9 W/m.K K=0,5 W/m.K ISOLANTE DENSO Dens. 2,60 g/cm3 Dens. 1,1 g/cm3 K=1,9 W/m.K K=0,4 W/m.K 193 C ISOLANTE Dens. 1,05 g/cm3 K=0,38 W/m.K INTERFACE 2 INTERFACE 1 FACE QUENTE 131 C ISOLANTE Dens. 0,8 g/cm3 K=0,15 W/m.K INTERFACE 2 INTERFACE 1 FACE QUENTE 93 C ISOLANTE Dens. 0,4 g/cm3 K=0,15 W/m.K INTERFACE 2 INTERFACE 1 FACE QUENTE FACE FRIA T. m. u C 114 mm T. m. u C 114 mm T. m. u C 114 mm FACE FRIA T. m. u C 114 mm T. m. u C 114 mm T. m. u C 114 mm FACE FRIA T. m. u C 114 mm T. m. u C 114 mm T. m. u C 114 mm SITUAÇÃO A ESPESSURA mm SITUAÇÃO B ESPESSURA mm ESPESSURA mm SITUAÇÃO C 28/30

29 Isolantes -Considerações Gerais - Cabe a nós mostrarmos algumas vantagens e desvantagens dos diversos produtos que são comumente usados na aplicação de isolação térmica. - Lembramos ainda que essas comparações são baseadas nas experiências vividas em campo e somente são empregadas em condições específicas, pois cada caso de aplicação de uma isolação térmica deve ser analisado separadamente. 29/30

30 Isolantes -Bibliografia - Annual Book of A.S.T.M. Standards, vol Thermal Insulation, Enviromental Acoustics N-250-D Petrobras. - Thermal Insulation Hand Book. - Transferência de Calor M. Necati Ozisik. - Princípios da Transmissão de Calor Frank Kregth. 30/30