FIBRA DA CASCA DO COCO COMO ISOLANTE TÉRMICO DE SUPERFÍCIE AQUECIDA. Coconut rusk fiber as a thermal insulation material of a heated surface

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1 Simpósio: Desempenho Térmico de Sistemas Construtivos Alternativos 06, 07 e 08 de Agosto de 2003 Natal RN FIBRA DA CASCA DO COCO COMO ISOLANTE TÉRMICO DE SUPERFÍCIE AQUECIDA Coconut rusk fiber as a thermal insulation material of a heated surface ABSTRACT Luiz Gustavo Teixeira do Amaral Jonas da Silva Gomes José Ubiragi de Lima Mendes George Santos Marinho Departamento de Engenharia Mecânica CT UFRN Campus Universitário Lagoa Nova Natal/RN CEP: Thermal insulate materials are directly linked to energy economy, basically because they are used to reduce the heat transfer tax between the thermal systems ( hot or cold ) and the environment. The main difficult to chose the adequate material for the insulation of the thermal systems concern about the relation cost x efficiency. Due to the relatively low cost, the glass fiber is one of the most common insulate material used in industry, in applications where the temperature of the surfaces can be as higher as 550 C. Otherwise, the asbestos is appropriate to applications where the temperatures are beyond C; however, it s much more expensive. Considering that a significant part of the applications, in industry as well in commercial establishment, the mean temperature of the surfaces that must to be insulated can be found down the limit of approximately 200 C. At this limit, it s possible to use vegetal fibers to the fabrication of thermal insulating composites. In the present work, we describe the development of a composite (matrix of latex and coconut husk fiber as the reinforcement) to thermal insulation of heated surfaces and the experiments conducted to the quantification of the limits of operation. Analyzing the results we concluded that the composite is appropriate to application where the temperatures are nearly around 150 C. Beside that characteristic, the use of vegetal fibers to the fabrication of thermal insulation composite consist of a technology that contribute to reduction of environmental pollution caused by the conventional insulation materials (glass fiber or asbestos) when they are discard. Key-words: thermal insulation, vegetal fiber, coconut rusk, energy economy.

2 RESUMO Isolantes térmicos estão intrinsecamente ligados à economia de energia, já que são utilizados com o objetivo de reduzir transferência de calor entre um meio quente e um meio frio. A maior dificuldade na escolha do tipo de isolamento adequado a uma determinada aplicação diz respeito ao binômio custo eficiência. Devido ao custo relativamente baixo, a fibra de vidro constitui um dos materiais isolantes mais difundidos na indústria; é indicada para aplicações cujas superfícies encontram-se até 550ºC, enquanto mantas de amianto, mais caras, são recomendadas para situações onde a temperatura pode superar 1000ºC. Considerando-se que para uma parte relativamente ampla de aplicações, tanto na indústria como no comércio, as superfícies que devem ser isoladas encontram-se abaixo de 200ºC, é possível utilizar fibras vegetais para fabricação de materiais isolantes térmicos. No presente trabalho descreve-se o desenvolvimento e o uso de um compósito formado por matriz de látex reforçada com fibra da casca do coco a ser usado como isolante térmico de tubulações de escoamento de fluido cuja temperatura de trabalho oscila em torno de 150ºC. Os resultados comprovam a eficiência do compósito que tem como principal atrativo a propriedade de não agredir ao ambiente quando no fim de sua vida útil. Palavras-chave: isolamento térmico, fibra vegetal, casca do coco, economia de energia.

3 INTRODUÇÃO Nas últimas décadas, o homem tem voltado sua atenção para solução de problemas direcionados a economia de energia elétrica e ao meio ambiente. Pesquisas buscando uma combinação desses assuntos têm sido um desafio. Para sistemas comerciais ou industriais, tanto frios como quentes, o uso de isolantes térmicos tem atendido muito bem no que diz respeito à economia de energia elétrica. Todavia, os isolantes térmicos empregados comercialmente, como o EPS, lã de vidro e amianto, além de ter restrições em seu manuseio, não atendem ao requisito de não agressão ao meio ambiente e fica a pergunta o que fazer com esses materiais após sua vida útil? O uso de fibras vegetais vem sendo estudado para diversos fins, inclusive como isolantes térmicos, uma vez que se trata de recursos renováveis, leves, biodegradáveis e principalmente de baixo custo. SADOV (1978) afirma que as fibras vegetais têm um grande número de poros e vazios, e que o volume total de vazios na fibra seca é avaliado entre 31 e 41%. Estes vazios tendem e reter ar no seu interior aumentando a resistência térmica ao fluxo de calor. Sabendo-se que o ar é um isolante térmico e segundo a afirmação de SADOV (1978), se faz coerente a uso de fibras vegetais na aplicação de isolação térmica. Na figura 1 observam-se as microestruturas de uma célula individual de uma fibra vegetal e uma fibra em corte transversal demonstrando os vazios.

4 Fig. 1 - Esquema da fibra vegetal: (a) estrutura; (b) corte transversal. Satyanarayana et al. (1982), Gram (1988a) e Coutts (1992). No presente trabalho, foi analisado o comportamento de um isolante à base de fibra da casca do coco, na forma de manta, de composição 1:5 (uma parte de fibra para cinco partes de látex) para comprovar sua eficiência térmica diante de superfícies aquecidas.

5 METODOLOGIA O experimento foi realizado no Laboratório de Transferência de Calor LTC do Núcleo Tecnológico Industrial NTI da UFRN. Para a realização do experimento, utilizamos os seguintes materiais: 01 Aleta em forma de pino circular 01 Fonte CC 01 Sistema de aquisição de dados 04 Termopares tipo T (cobre-constantan) 01 Manta do compósito 1:5 (fibra látex) A aleta utilizada foi uma barra de aço escalonada cuja base corresponde ao seu maior diâmetro e a superfície de análise, ao menor. Na base, encontram-se os terminais da fonte CC cujo papel é aquecer a aleta. Toda a base da aleta foi isolada com lã de vidro para minimizar as perdas térmicas. Nas figuras 2 e 3, abaixo, vêem-se os detalhes da aleta e do isolamento da base da aleta. Fig. 2 Aleta. Fig. 3 - Detalhe do isolamento da base.

6 A fonte CC foi regulada para gerar 23V de tensão em seus terminais. A corrente ficou em torno de 0,45A. Logo, a potência foi aproximadamente de 21W. Preparamos o sistema de aquisição de dados para registrar as temperaturas dos referentes termopares a cada dois minutos durante um total de 10 horas. Envolvemos a manta com dimensões 20x7,5x1cm na aleta, fixando-a com duas abraçadeiras plásticas. Os termopares foram colocados nos seguintes locais: na interface entre a aleta e a manta (T interf ), no interior da manta (T int ), na superfície externa da manta (T sup ) e outro medindo a temperatura ambiente (T amb ). Os termopares representados nas figuras abaixo estão fixados a uma distância de 1pol do topo da manta, conforme indicado na fig. 4. Fig. 4 - Termopar no interior da manta. Fig. 5 - Termopares na interface e na superfície externa. Na fig. 6 observa-se a fixação dos termopares na manta.

7 Fig. 6 Fixação dos termopares. Na fig. 7 observa-se o sistema de medição montado. Fig. 7 Conjunto montado.

8 RESULTADOS E ANÁLISES Pelo gráfico 01 observou-se que o tempo para estabilização do sistema foi relativamente elevado (aproximadamente 600min), o que denota a alta inércia térmica deste C T sup ext T int T interf T amb min Fig. 1 Curva de aquecimento da aleta. A T méd_interf, após a estabilização, foi de 78,9ºC. A uma distância de 0,5cm da aleta, a T méd_int foi de 68,8ºC, ou seja um T de 10,1ºC em apenas 0,5 cm de espessura do material. A diferença entre a T méd_interf e a T méd_int foi cerca de 10ºC, o que corresponde a uma redução de aproximadamente 13%. Tendo a manta uma espessura de aproximadamente 1cm, a T méd_sup, após a estabilização, ficou em 35ºC e a T méd_amb de 24,4ºC. A diferença entre T méd_interf e a T méd_sup foi cerca de 43,9ºC (em 1 cm de material), equivalendo a uma redução de aproximadamente de 55% em relação a T interf.

9 CONCLUSÕES De acordo com os resultados obtidos, comprovamos a eficiência da fibra da casca do coco como isolante térmico para superfícies quentes. Por se tratar de matéria-prima renovável, biodegradável, atendendo aos requisitos ambientais, as fibras vegetais se portam como grande alvo de pesquisas. Vimos que, para uma manta relativamente fina (1cm), obtivemos uma redução de mais de 50% da temperatura entre a fonte quente e o meio externo, o que é muito satisfatório por se tratar de material natural. Futuramente, pretende-se analisar tal desempenho térmico com outros compósitos de natureza vegetal e efetuar comparações entre com isolantes disponíveis comercialmente. BIBLIOGRAFIA INCROPERA, Frank P. e DeWITT, David P. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. 4 a ed. LTC Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. São Paulo, Mendes, J. U. L. e Marinho, G. S. Desenvolvimento de um Compósito Biodegradável para Isolamento Térmico. Tese de Doutorado PDCEM-UFRN, Mendes, J. U. L., Ladchumananandasivam, R. e Marinho, G. S. Análise de Desempenho de Compósito de Fibra Natural Utilizado como Isolante Térmico. XV CBECIMAT- Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais. Natal, 09 a 13 de novembro de 2002.

10 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao apoio obtido junto aos seguintes fomentadores da pesquisa Direção do Núcleo Tecnológico Industrial NTI da UFRN Direção do Centro de Tecnologia CT da UFRN Prof. Marciano Furukava Equipe CT ENERG, pela aquisição do software ECOTECT APOIO A realização da pesquisa descrita neste trabalho só se tornou possível graças ao financiamento do CNPq, através do Projeto CT ENERG Processo N /01-3.