Volume II Isolamento Térmico

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1 INSTITUTO FEDERAL DE SANTA CATARINA CAMPUS SÃO JOSÉ ÁREA TÉCNICA DE REFRIGERAÇÃO E CONDICIONAMENTO DE AR TRANSFERÊNCIA DE CALOR (TCL) Vlume II Islament Térmic Curs Técnic Módul 2 Prf. Carls Babaid Net, M.Eng. 2009

2 . DEFINIÇÃO O islament térmic cnsiste em prteger as superfícies aquecidas, cm a parede de um frn, u resfriadas, cm a parede de um refrigeradr, através da aplicacã de materiais de baixa cndutividade térmica (k). OBJETIVO minimizar s fluxs de calr, quer pr prblemas técnics (segurança, evitar cndensaçã), quer pr prblemas ecnômics (ecnmizar energia), u ainda pr critéri de cnfrt térmic. FUNDAMENTO nrmalmente, s materiais islantes sã prss, e aprisinam ar ( k 0,02 kcal/h.m.ºc, quand parad) nas pequenas cavidades d material sólid, evitand sua mvimentaçã, e impendind a cnvecçã. Pr ist, materiais prss cm prs pequens e paredes finas de materiais de baix valr de k, ilustrads na Figura, resultam em bns islantes térmics. Figura 2. CARACTERÍSTICAS DE UM BOM ISOLANTE baix valr de k Quant menr k, menr será a espessura necessária para uma mesma capacidade islante. Apenas a títul ilustrativ, a Figura 2 mstra algumas espessuras (em [mm]) de alguns materiais, baseads na mesma capacidade de islament.

3 pliestiren lã de vidr crtiça am iant madeira tijls cncret baixa capacidade higrscópica m m Figura 2 Capacidade higrscópica é a prpriedade d material relacinada à absrçã de água. Água, a penetrar ns prs, substitui ar, aumentand valr de k. Além dist, quand se tratar de islament de ambientes cuja temperatura seja inferir a 0ºC, existe a pssibilidade da água absrvida passar para estad sólid cm cnseqüente aument de vlume, que causará ruptura das paredes islantes. baixa massa específica Em certas aplicações, um bm islante precisa ser leve, de md a nã sbrecarregar desnecessariamente aparelh islad, principalmente n cas de aviões, barcs, autmóveis, u ainda n cas de frrs u utras partes de fábricas e edifícis nde material terá de ficar suspens. resistência mecânica cmpatível cm us De maneira geral, quant mair a resistência mecânica d material islante, mair será númer de cass que ele pderá reslver, além d que apresentará menr fragilidade, que é cnveniente ns prcesss de transprtes e n tcante à facilidade de mntagem. incmbustibilidade, estabilidade química, utrs Uma série de utras características serã necessárias, dependend da aplicaçã a que material islante se destina. 3. MATERIAIS ISOLANTES BÁSICOS A mairia ds islantes usads industrialmente sã feits ds seguintes materiais : amiant, carbnat de magnési, sílica diatmácea, vermiculita, lã de rcha, lã de vidr, crtiça, plástics expandids, aglmerads de fibras vegetais, silicat de cálci.

4 O amiant é um mineral que pssui uma estrutura fibrsa, d qual se btém fibras individuais. O amiant de ba qualidade deve pssuir fibras gas e finas e além dist, infusibilidade, resistência e flexibilidade. O carbnat de magnési é btid d mineral "dlmita", e deve sua baixa cndutividade a grande númer de micrscópicas células de ar que cntém. A sílica diatmácea cnsiste de pequens animais marinhs cuja carapaça se depsitu n fund ds lags e mares. A vermiculita é uma "mica" que pssui a prpriedade de se dilatar em um só sentid durante aqueciment. O ar aprisinad em blsas entre as camadas de mica trna este material um bm islante térmic. A lã de rcha u lã mineral, assim cm a lã de vidr, sã btidas fundind minerais de sílica em um frn e vertend a massa fundida em um jat de vapr a grande velcidade. O prdut resultante, parecid cm a lã, é quimicamente inerte e incmbustível, e apresenta baixa cndutividade térmica devid as espaçs cm ar entre as fibras. A crtiça é prveniente de uma casca de uma árvre e apresenta uma estrutura celular cm ar encerrad entre as células. Os plástics expandids sã essencialmente pliestiren expandid e pliuretan expandid, que sã prduzids destas matérias plásticas, que durante a fabricaçã sfrem uma expansã cm frmaçã de blhas internas micrscópicas. 4. FORMAS DOS ISOLANTES Os islantes térmics pdem ser adquirids em diversas frmas, dependend da cnstituiçã e da finalidade à qual se destinam. Alguns exempls cmumente encntrads sã : calhas Sã aplicadas sbre paredes cilíndricas, e fabricadas a partir de crtiça, plástics expandids, fibra de vidr impregnadas de resinas fenólicas, etc.

5 mantas Sã aplicadas n islament de superfícies planas, curvas u irregulares, cm é cas de frns, tubulações de grande diâmetr, etc. placas Sã nrmalmente aplicadas n islament de superfícies planas, cm é cas de câmaras frigríficas, estufas, fgões, etc. segments Sã nrmalmente aplicads em tubulações de grande diâmetr, tanques e equipaments cilíndrics de grandes dimensões, nde é difícil aplicar calhas pré-mldadas. Em geral, sã feits a partir de silicat de cálci u lã de vidr. Oferecem grande durabilidade e pdem ser utilizads tant em ambientes interns quant externs flcs

6 Sã nrmalmente aplicads para islar lcais de difícil acess, u ainda na fabricaçã de mantas csturadas cm telas metálicas. Sã fabricads a partir de lãs de vidr e de rcha. crdas Sã aplicadas n islament de registrs, válvulas, juntas, cabeçtes, etc, principalmente em lcais sujeits a desmntagem para manutençã periódica. papel O papel de fibra de cerâmica é refratári, apresenta baix pes, e é prcessad a partir de uma mistura de fibras de sílica e alumina de alta pureza em uma flha unifrme, altamente flexível. É fácil de manusear e pde ser crtad rapidamente pr uma faca, tesurã u matrizes de crte de aç cmum. Sua flexibilidade permite que seja dbrad e enrlad para adaptar- se às cnfigurações mais cmplexas. pulverizads u granulads

7 Sã aplicads n islament de superfícies cm cnfigurações irregulares, u aindas n preenchiment de vãs de difícil acess. pré-frmads (mldads) Sã peças especiais fabricadas cnfrme especificações e desenhs slicitads pel cliente, pdend apresentar uma variedade de frmats. 5. APLICAÇÃO DE ISOLANTES islament de equipaments u dependências cuja temperatura deve ser mantida inferir à temperatura ambiente lcal. Exempl: câmaras frigríficas, refrigeradres, trcadres de calr usand fluids a baixa temperatura, etc. principal prblema migraçã de vapres O fenômen da migraçã de vapres em islament de superfícies resfriadas é resultante de uma depressã interna causada pelas baixas temperaturas e pde ser esquematizad assim : reduçã da temp. interna depressã tendência a equalizaçã migraçã d ar umidade elevaçã d valr de k (reduçã da capacidade islante) e pssíveis dans físics a islament. A aplicaçã de "barreiras de vapr" cnsiste em usar materiais impermeáveis para evitar que vapres d'água atinjam islament. Um tip de barreira de vapr, cmumente utilizad para prteger islament de tubulações que transprtam fluids em baixas temperaturas, cnsiste de flhas de alumíni (nrmalmente cm 0,5 mm)

8 cladas cm adesiv especial n sentid gitudinal e cm uma superpsiçã de 5 cm n sentid transversal para cmpleta vedaçã. islament de equipaments u dependências cuja temperatura deve ser mantida superir à temperatura ambiente lcal Exempl : estufas, frns, tubulações de vapr, trcadres de calr usand fluids a altas temperaturas. Principal prblema dilatações prvcadas pelas altas temperaturas. Neste cas, nã existe prblema da migraçã de vapres, prém devem ser esclhids materiais que pssam suprtar as temperaturas de trabalh. 6. CÁLCULO DE ESPESSURAS DE ISOLANTES O cálcul leva em cnta as limitações de temperatura e questões ecnômicas: Limitaçã da Temperatura Tant externamente (cas de um frn n qual a temperatura externa nã deve ser mair d aquela que causa queimaduras ns trabalhadres) quant interirmente (cm em um recint nde devems ter a temperatura superir a de rvalh, de md a evitar a cndensaçã e gtejament de água), cálcul da espessura islante pderá ser feit fixand as temperaturas envlvidas e calculand a espessura islante necessária. Cm exempl, cálcul da espessura islante L i de um frn, pde ser feit cnsiderand que a temperatura T 4 da superfície é fixada pr razões de segurança. Cnhecend-se as temperaturas ds ambientes e s ceficiente de película ds ambientes intern e extern e ainda as cndutividades térmicas ds materiais das paredes, cálcul pde ser feit cm mstrad na equaçã. [ Figura 3 ]

9 Cnsiderand as resistências térmicas entre T e T4 e entre T4 e T5, btems as seguintes expressões para flux de calr : q& T T4 T4 T5 L Li ( eq. ) h h k. A k. A h. A i e i e Exercíci. Ar cndicinad para um centr de prcessament de dads é distribuíd em um dut retangular de alumíni ( k 200 Kcal/h.m. C ) de espessura 0,5 mm. A temperatura n ambiente deve ser mantida em 25 C e ceficiente de película é 8 Kcal/h.m 2.ºC. Sabend-se que a temperatura na superfície interna d dut é 2 C, calcular a espessura d islante térmic ( k 0,028 kcal/h.m C ) a usar, para que nã crra cndensaçã na superfície externa d dut islad, cm segurança de 2 C, cnsiderand que a temperatura de rvalh lcal é 9,3 C. T T 2 C 9, 3 2 2, 3 C 2 A m l 0, 5mm 0, 0005m T 2 C T 25 C k k S i is Al rvalh ar 0, 028 Kcal h. m. C 200 Kcal h. m. C 2 h 8 Kcal h. m. C Utilizand a equaçã, btems a espessura d islante : Ts Ti Tar Ts LAl Lis k. A k. A h. A Al is e Substituind s dads frnecids, pdems bter a espessura d islante : 2, , 2 Lis 0, 0088m 8, 8mm L is 0, ,

10 espessura islante mais ecnômica A medida que se aumenta a espessura de islante de qualquer superfície, regime de perda de calr da superfície diminui, prém, aumenta em cntrapsiçã cust d islament. A espessura mais ecnômica d islament é aquela para a qual a sma d cust anual da perda de calr e d cust anual d islament seja mínim. O prcess de cálcul cnsiste em determinar as quantidades de calr perdidas cnsiderand a aplicaçã de várias espessuras de islament, btend-se a quantidade de calr anual, cnsiderand temp de utilizaçã d equipament. O valr em quilcalrias deve ser cnvertid em cruzeirs pr an, cnsiderand cust da prduçã d calr. A seguir, cnsiderand cust d islament nas várias espessuras calculadas, determinam-se s custs anuais d islament desde que se cnsidere temp de amrtizaçã em ans para a instalaçã. Clcand em um gráfic tend em abcissa a espessura d islament e em rdenadas cust anual, btém-se uma curva decrescente para cust d calr perdid, e uma curva ascendente para cust d islament. Evidentemente a sma ds custs (cust d calr perdid mais cust d islament) resultará em uma curva que deverá passar pr um mínim, u seja, para determinada espessura de islante haverá um cust mínim anual. A espessura ótima d islante é aquela que apresenta um cust ttal ( cust d calr perdid cust d islante ) mínim, cm pde ser bservad na Figura 4. Figura 4

11 7. ISOLAMENTO DE TUBOS - CONCEITO DE RAIO CRÍTICO O aument da espessura islante de paredes cilíndricas de pequens diâmetrs nem sempre leva a uma reduçã da transferência de calr, pdend até mesm a vir aumenta-la. Vejams a expressã para flux de calr através de uma parede cilíndrica, de cmpriment L, cmpsta pela parede de um tub metálic e de uma camada islante, cm pde ser vist na Figura 5. Figura 5 Cnsiderand as quatr resistências térmicas entre T i e T e ( duas a cnvecçã e duas a cnduçã ), a expressã para flux de calr é : q& Tttal R R R R Ti Te r r 2 3 r r 2 h. A k.2. π. L k.2. π. L h. A i i t is e e ( eq. 2 ) As áreas interna e externa da parede cilindrica dependem ds rais r e r 2, prtant : q& h. i Ti Te r r 2 3 r r 2 ( 2. π. r. L) k.2. π. L k.2. π. L h.( 2.. r. L) t is e π 3 ( eq. 3 ) Observand a equaçã 3, pdems analisar efeit da elevaçã da espessura d islante, u seja, elevaçã d rai r3 na Figura 5, nas resistências térmicas. A Tabela sintetiza efeit da elevaçã de r 3 em cada resistência:

12 RESISTÊNCIA EXPRESSÃO EFEITO R inalterada h i. 2. π. r. L R2 R3 ( ) r 2 r k.2. π L t. r 3 r 2 k.2. π L is. R4 h e.( 2. π. r. L) 3 inalterada aumenta diminui A representaçã gráfica da variaçã de cada resistência e d flux de calr resultante em funçã d aument da espessura islante ( aument de r3 ) é mstrada na Figura 6 : Figura 6 Observams que existe um rai crític ( rc ) que prpicia um flux de calr mair inclusive d que sem nenhum islament. Este rai crític é cmumente usad para cálcul de cndutres elétrics, em que se quer islament elétric e, a mesm temp, uma dissipaçã d calr gerad. N cas de islament de tubs, de uma maneira geral, é desejável manter rai crític menr pssível, tal que a aplicaçã da islaçã resultará em reduçã da perda

13 de calr. Ist pde ser cnseguid utilizand-se uma islaçã de baixa cndutividade térmica, tal que rai crític seja puc mair, igual u até mesm menr que rai da tubulaçã. A Figura 7(a) ilustra a situaçã nde rai crític é igual a rai d tub e a Figura 7(b) a situaçã nde rai crític é menr que rai d tub. 7 [ Figura Cnsiderems que a temperatura da superfície externa de um tub a ser islad seja fixada em T s, enquant que a temperatura n ambiente extern é T e. Neste cas, a equaçã 3 pde ser clcada na seguinte frma : q& Ti Te r 3 r 2 k.2. π. L h. is e ( 2. π. r. L) 3 ( eq. 4 ) A cndiçã para que flux de calr express pela equaçã 4 seja máxim é : dq& dr 3 0 ( eq. 5 ) Neste cas, tems que rai r 3 é igual a rai crític ( r cr ). Através de alguma manipulaçã a equaçã 5 pde ser clcada na seguinte frma : 2. π. L. ( T T ). s r k cr is 2.. e kis rcr h rcr r 2 rcr. h Da equaçã 6 btems que : 0 ( eq. 6 ) 0 ( eq. 7 ) 2 k. r h. r is cr cr

14 A expressã para rai crític fica assim : r cr kis h ( eq. 8 ) A equaçã 8 expressa cnceit de rai crític de islament. Se rai extern d islante ( r3 ) fr menr que valr dad pela equaçã, entã a transferência de calr será elevada cm a clcaçã de mais islante. Para rais externs maires que valr crític, um aument da espessura islante causará um decréscim da transferência de calr. O cnceit central é que para valres de ceficiente de película ( h ) cnstantes, quant menr valr de cndutividade térmica d islante ( kis ), u seja, quant melhr islante utilizad, menr rai crític. Deve também ser ressaltad que para valres de h e kis nrmalmente encntrads nas aplicações mais cmuns rai crític é pequen. Prtant, smente tubulações de pequen diâmetr serã afetadas. Exercíci 2. Um cab elétric de alumíni cm 5 mm de diâmetr deverá ser islad cm brracha ( k 0,34 kcal/h.m. C ). O cab estará a ar livre ( h 7,32 Kcal/h.m 2. C ) a 20 C. Investigue efeit da espessura da islaçã na dissipaçã de calr, admitind que a temperatura na superfície d cab é de 65 C. 5mm r 7, 5mm 0, 0075m c k 0, 34 Kcal h. m. C 2 h 7, 32 Kcal h. m. C T 65 C T 20 C s L m ar c Cálcul d rai crític : ( Kcal h. m. C) ( Kcal h. m. C) k 0,34 rcr 0,083m 8, 3mm 2 h 7,32 A dissipaçã de calr é dada pela seguinte expressã : q& Ts T r is r c k.2. π. L h. is ar ( 2. π. r. L) is Para um cmpriment unitári de cab ( L m ), flux de calr dissipad é funçã d rai d islante :

15 q& ris 0,0075 0,34 2 π 7,32 ( 2 π r ) is Dand valres para ris na equaçã acima, pdems bservar efeit da espessura islante na dissipaçã de calr : Rai Islante Espessura Flux Cmentári 7,5 mm 0,0 mm 5,52 Kcal/h sem islaçã 2,9 mm 5,4 mm 9,3 Kcal/h rai menr que crític 8,3 mm 0,8 mm 20,02 Kcal/h rai crític : flux máxim Observams que, quand cab está islad cm espessura crrespndente a rai crític, flux de calr dissipad é 22% mair d que sem nenhuma islaçã. A figura abaix mstra graficamente a variaçã d flux de calr dissipad cm a espessura islante flux de calr 22,00 20,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 espessura Ntams também na figura que, para valres de espessura crrespndente a rais maires que crític, flux de calr dissipad tende a se reduzir nvamente.

16 EXERCÍCIOS PROPOSTOS : Exercíci 3. Querems determinar a cndutividade térmica de um material à base de brracha. Para ist, cnstruíms uma caixa em frma de cub, de dimensões m x m, cm placas d referid material cm 0 cm de espessura. Dentr da caixa, clcams uma resistência elétrica de dissipaçã KW. Ligada a resistência e aguardad equilíbri térmic, mediram-se as temperaturas nas superfícies interna e externa d material e achams, respectivamente, 50 e 40 C. Qual é valr da cndutividade térmica d material : (a) em unidades d sistema métric; (b) em unidades d sistema inglês. DADO : KW 343 Btu/h 860 Kcal/h Exercíci 4. Uma parede de um tanque de armazenagem de ácid deve ser cnstruída cm revestiment de chumb /8" de espessura (k 20 Btu/h.ft.ºF), uma camada de tijl islante de sílica (k0,5 Btu/h.ft.ºF) e um invólucr de aç de /4" de espessura (k 26 Btu/h.ft.ºF). Cm a superfície interna d revestiment de chumb a 90 ºF e mei ambiente a 80 ºF, a temperatura da superfície externa d aç nã deve ser mair que 40 ºF de md a evitar queimaduras ns trabalhadres. Determinar a espessura d tijl refratári de sílica se ceficiente de película d ar é 2 Btu/h.ft 2.ºF. Tente reslver utilizand smente as unidades inglesas. Prém, se preferir cnverter: Btu/h.ft.ºF,73073 W/m.K Btu/h.ft 2.ºF 5,67826 W/m 2.K u seja, - para cnversã de Btu/h.ft.ºF para W/m.K multiplicar pr, para cnversã de Btu/h.ft 2.ºF para W/m 2.K multiplicar pr 5,67826 Exercíci 5. Qual é a espessura de islament de fibra de vidr (k 0,02 kcal/h.m.ºc) necessária para permitir uma garantia de que a temperatura externa de um frn de czinha nã excederá 43 ºC? A temperatura máxima na superfície interna d frn a ser mantida pel tip cnvencinal de cntrle termstátic é 90ºC, a temperatura da czinha pde variar de 5ºC (invern) a 32ºC (verã) e ceficiente de película entre a superfície d frn e ambiente pde variar entre 0 kcal/h.m 2.ºC (czinha fechada) e 5 kcal/h.m 2.ºC (czinha arejada).

17 RESPOSTAS DOS EXERCÍCIOS PROPOSTOS : Exercíci 3 : a) 0,3 Kcal/h.m.C b) 0,087 Btu/h.ft.F Exercíci 4 : a) 0,207 ft 2,5" Exercíci 5 : a) 0,027 m 2,7 cm Material extraíd de: Eduard Emery Cunha Quites, Luiz Renat Basts Lia; INTRODUÇÃO À TRANSFERÊNCIA DE CALOR. Apstila.