Capítulo 3- Estudo experimental do comportamento térmico de garrafas de plástico PET
3.1. Introdução
Neste capítulo pretende-se estimar o comportamento térmico de garrafas de plástico PET através da determinação experimental da resistência térmica (R). Numa primeira fase, proceder-se-á à descrição das soluções estudadas e de cada um dos casos de estudo. Numa segunda fase, será descrito o procedimento de ensaio e a metodologia de cálculo utilizado para determinar o valor de resistência térmica (R) “in-situ” para cada uma das soluções estudadas. Finalmente, serão apresentados e analisados os resultados obtidos.
3.2. Materiais e Métodos
3.2.1. Caracterização do Material de Enchimento
Neste trabalho são utilizadas garrafas de plástico PET com três enchimentos distintos (terra, água e ar). Foram também estudadas duas potenciais orientações das garrafas PET, tanto na Horizontal como na Vertical, pelo facto destas serem possíveis e com o propósito da comparabilidade de dados adquiridos.
De maneira a simplificar a apresentação e a discussão dos resultados durante este trabalho, os diferentes enchimentos e disposições foram designados por Hterra, Hag, Har, Vterra,
Vag, Var sendo H a orientação das garrafas na Horizontal e V a orientação das garrafas na
Vertical e o enchimento de terra, água e ar, respetivamente. Foram, portanto, definidos 6 painéis constituídos com garrafas PET, 3 painéis foram dispostos na horizontal e outros 3 na vertical e em cada um dos casos com os três tipos de enchimento.
Cada painel é composto por 25 garrafas de plástico (5x5). Foi indispensável rodear todos os painéis com 4 placas de EPS, Poliestireno Expandido, e foi colocado num vão de janela da fachada numa sala de laboratório, como se descreverá de forma mais pormenorizada de seguida, de maneira a preencher o espaço vazio entre o painel e a caixilharia da janela, minimizando a transferência de calor nas zonas referida. Foi também necessário a utilização de uma espuma expansiva de Poliuretano (PU) para preencher os espaços vazios evitando fugas no sistema e reduzindo as pontes térmicas.
A área dos painéis com enchimento de Terra e de Água é de 4662 cm2, sendo que os
vãos têm 74 cm de largura e 63 cm de altura, enquanto a área do painel com enchimento de Ar é de 4315,5cm2, sendo ligeiramente inferior pois a base deste vão de janela é de 68,5 cm
e a altura de 63 cm. No entanto, esta diferença apenas se reflete na maior ou menor quantidade de isolamento térmico usado, não havendo interferência no número de garrafas usadas. A Figura 3.1 representa o processo de construção do molde do painel. Inicialmente,
é preparado o invólucro em EPS (Figura 3.1 a) para posterior colocação no vão de janela e montagem dos painéis (Figura 3.2 b).
Figura 3.1 - Processo de construção do molde de EPS
A Figura 3.2 representa a perspetiva em 3D das garrafas nas duas orientações em estudo: a) Horizontal e b) Vertical, tendo cada garrafa 8 cm de diâmetro e 31,5 cm de comprimento
.
Figura 3.2 - Perspetiva em 3D das garrafas, a) Horizontal e b) Vertical
3.2.1.1. Terra
Na figura 3.3 está representado o processo de enchimento das garrafas com terra. Inicialmente, está representado o local da recolha de terra que se situa no Campus da UTAD (Figura 3.3 a) para posterior introdução da mesma nas garrafas (Figura 3.3 b) e por fim são visíveis todas as garrafas utilizadas com o respetivo enchimento, para a posterior montagem do painel (Figura 3.3 c).
No processo da introdução do enchimento nas garrafas, todas elas foram pesadas posteriormente, tendo sido utilizado 43,8 kg de solo.
a) b)
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a) b) c)
Figura 3.3 - Processo de enchimento das garrafas.
Na Figura 3.4 é apresentada a vista interior (a) e exterior (b) do local de estudo correspondente ao painel Hterra, em (c) a vista interior e (d) exterior do painel Vterra.
Figura 3.4 - Vista interior e exterior de Hterra e Vterra.
3.2.1.2. Água
Relativamente ao enchimento com água, a quantidade utilizada foi de 37,5 L.
A Figura 3.5 representa a vista interior (a) e exterior (b) correspondente ao painel Hag,
em (c) a vista interior e (d) exterior do painel Vag.
Figura 3.5 - Vista interior e exterior de Hag e Vag.
a) b) c) d)
3.2.1.3. Ar
Relativamente a este enchimento, desprezando o peso do ar, o peso das garrafas é somente de 700g.
A Figura 3.6 representa a vista interior (a) e exterior (b) correspondente ao painel Har,
em (c) a vista interior e (d) exterior do painel Var.
Figura 3.6 - Vista interior e exterior de Har e Var
Na figura 3.7 está representada a vista exterior dos seis painéis nas duas orientações propostas.
Figura 3.7 - Vista exterior de todos os painéis em a) na orientação horizontal e em b) na orientação
vertical.
3.2.2. Caracterização dos Casos de Estudo
No decorrer deste trabalho, foram realizados 2 ensaios, cada um deles com 3 painéis, com 3 materiais de enchimento diferentes. Os 2 casos de estudo realizados referem-se a períodos de ensaio distintos e a duas orientações distintas em que se repete a montagem das garrafas nos vãos de janela, designado por Estudo H e Estudo V. No estudo H, a orientação das garrafas é na horizontal, no estudo V, as garrafas estão dispostas na vertical. Em cada estudo os materiais de enchimento foram analisadas em simultâneo para o mesmo período de ensaio. Como foi mencionado previamente, neste trabalho pretendeu-se avaliar a
a) b) c) d)
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influência dos diferentes materiais de enchimento, bem como a orientação dos painéis, no seu desempenho térmico. Os painéis foram reutilizados do estudo H para o estudo V.
A Tabela 3.1 apresenta uma descrição das características de cada caso de estudo considerado.
Tabela 3.1 - Caracterização dos casos de estudo
Caso de estudo H V
Orientação Horizontal Vertical
Material de Enchimento Terra Água Ar Terra Água Ar
Painel Hterra Hag Har Vterra Vag Var
Período de estudo 19 Nov. a 7 Dez. de 2015 10 Dez. de 2015 a 7 Jan. de 2016
3.2.3. Local de ensaio
A Figura 3.8 representa o compartimento de teste onde foram realizados os ensaios, indicando a orientação dos 3 diferentes painéis. Como é possível observar foram utilizados dois espaços separados, ainda que com ligação entre eles. No compartimento à esquerda foram colocados dois painéis com os materiais de enchimento de terra e água e no compartimento à direita o painel com garrafas vazias. Esta disposição dos compartimentos levou a que se verificasse um diferencial, ainda que reduzido, na temperatura interior dos dois espaços, como se poderá verificar posteriormente aquando da análise de resultados.
Os painéis foram ensaiados no laboratório de Engenharia Civil, cujo edifício é anexo ao Engenharias I, na fachada que tem orientação a Norte, que se encontra levemente sombreada por árvores de Pinheiro Bravo (Pinus pinaster). A Figura 3.9 representa a localização do edifício no Campus da UTAD, onde foram realizados os ensaios referidos.
Figura 3.9 - Local do Ensaio (Google Earth)
3.2.4. Equipamento utilizado
Para determinar o valor experimental de U foram utilizados 3 sistemas de medição de fluxo de calor que permitiram a aquisição de dados de 10 em 10 minutos. Cada sistema de medição é composto por dois sensores de fluxo de calor e por quatro sensores de temperatura superficial que são dispostos na superfície interior de cada um dos painéis em estudo.
Nos ambientes interior e exterior foram feitas medições relativas às condições atmosféricas por meio de termohigrómetros que permitem o registo dos valores de temperatura e humidade relativa, igualmente em intervalos de 10 em 10 minutos.
Este procedimento experimental foi executado segundo a norma internacional (ISO 9869 2014) e tendo em conta a experiência adquirida no trabalho desenvolvido anteriormente neste âmbito (Cunha 2010).
Para manter as condições ambientais necessárias à realização dos diversos ensaios foi essencial utilizar dois aquecedores no interior do compartimento de teste.
Também foi realizada a análise termográfica com recurso a uma câmara de termografia com o objetivo de analisar as temperaturas superficiais dos painéis em diferentes períodos de ensaio.
De seguida é feita uma breve explicação de cada um dos equipamentos que foram referidos anteriormente.
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3.2.4.1. Termofluxímetro
Na Figura 3.10 está presente um Termofluxímetro (HF) que é um transdutor que transmite um sinal elétrico que é uma função direta do fluxo de calor transmitido por ele.
Figura 3.10 - Termofluxímetro (Cunha 2010)
Geralmente, os HF são placas finas, termorresistentes, com diversos sensores de temperatura repartidos na superfície para que o sinal elétrico transmitido pelos sensores esteja diretamente relacionado com o fluxo de calor que atravessa a placa, de forma a preservar o HF contra fluxos laterais, estes podem conter também chapas laterais. As chapas metálicas devem ser colocadas de forma a não comprometer as suas propriedades térmicas. As propriedades essenciais de um HF são ter uma baixa resistência térmica, para minimizar as perturbações causadas pelo próprio, e sensibilidade suficiente para transmitir um sinal de fácil análise, para uma gama de variações de fluxo de calor mais baixas (Cunha 2010). As dimensões do HF devem ser escolhidas de acordo com o elemento a ser testado. Se for usado um HF num elemento construtivo com fluxo de calor lateral, deverá ser feito um ajuste, nomeadamente através de cálculos, de forma a assegurar que os dados de saída do HF são proporcionais à média do fluxo de calor que atravessa o elemento (Cunha 2010)
Neste trabalho foram utilizados dois termofluxímetros, designados por HF1 e HF2, estando estes colocados sobre as garrafas que se encontram no interior do laboratório. Estes são constituídos por um corpo heterogéneo cerâmico/plástico que preserva a sua resistência térmica baixa e que rodeia a zona de medição dos HF.
3.2.4.2. Sensores de temperatura superficial
Os sensores de temperatura superficial são transdutores de temperatura que transferem um sinal elétrico que é uma função constante da sua temperatura de contato com o elemento em teste. Neste ensaio foram dispostos 4 sensores em cada um dos diferentes painéis, dois deles do lado de HF1 e dois do lado de HF2. Na figura estão assinalados os sensores de temperatura superficial.
A Figura 3.11 representa a posição dos sensores de temperatura superficial em relação ao HF.
Figura 3.11 – Sensores de temperatura superficial instalados lateralmente em relação ao HF
Na Figura 3.12, estão representados os desenhos esquemáticos com a localização dos sensores instalados em qualquer um dos painéis ensaiados, sendo HF1 e HF2 os sensores de medição de fluxo de calor e tsi1,1; tsi1,2; tsi2,1 e tsi2,2 os sensores que medem a
temperatura superficialdo painel.
Figura 3.12 - Esquema de localização dos sensores em ambos os casos de estudo
Na figura 3.13 está representada a localização dos sensores nas duas diferentes orientações do painel: Horizontal e Vertical.
Figura 3.13 - Colocação dos sensores em ambos os casos de estudo
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3.2.4.3. Termohigrómetro
Neste trabalho foram utilizados três termohigrómetros, dois instalados no interior do compartimento onde foram feitos os ensaios, um em cada uma das salas e o restante no exterior do edifício. Já foi dito anteriormente que este instrumento tem agrupado uma sonda de temperatura e uma sonda de humidade relativa que possibilita a medição e o registo destas grandezas no ambiente interior e exterior. Na Figura 3.14 é observável em a) o “datalogger”, em b) o sensor de temperatura e em c) o sensor de humidade.
a) b) c)
Figura 3.14 - a) “Datalogger” , b) Sonda de temperatura , c) Sonda de humidade
Na Figura anterior, o datalogger de temperatura, também chamado de monitor de temperatura, é um instrumento de medição portátil capaz da gravação autónoma da temperatura num período de tempo definido. Os dados digitais podem ser recuperados, revistos e avaliados posteriormente ao seu registo. Os dados de humidade adquiridos não são utilizados no cálculo da resistência térmica, mas podem ajudar a perceber certos resultados conseguidos (Gonçalves do Poço 2015).
3.2.4.4. Software utilizado
Para realizar a recolha dos dados, foi indispensável examinar o software especializado. Desta forma foi utilizado o LoggerNet cujo software serve de apoio ao “datalogger” da Campbell Scientific. Este é conhecido como “full-featured” pois permite efetuar quase todas as tarefas essenciais para concluir o uso de um datalogger, que no caso deste trabalho são os termohigrómetros, os termofluxímetros, bem como os sensores de temperatura superficial. Este software possibilita logo após o início de registo que o datalogger possa ser desligado do computador, continuando os registos para que possam ser adquiridos na conexão posterior (Gonçalves do Poço 2015). Na Figura 3.15 é apresentado um dos “dataloggers” que possibilitaram a recolha dos dados adquiridos, designadamente os valores de fluxo de calor (2 sensores) e dos valores da temperatura superficial (4 sensores).
Figura 3.15 - Datalogger utilizado na recolha dos dados dos termofluxímetros e dos sensores de
temperatura superficial.
3.2.4.5. Aquecedores
De maneira a conservar a temperatura interior com valores superiores aos registados no exterior e para que o sentido do fluxo de calor se efetuasse sempre do interior para o exterior, foram instalados dois aquecedores iguais no interior do compartimento de teste. Na figura 3.16. é exibido um dos aquecedores utilizados no estudo experimental.
Figura 3.16 - Aquecedor utilizado
3.2.4.6. Câmara de termografia
Para além dos equipamentos descritos anteriormente recorreu-se também ao uso da câmara de termografia para recolha de termogramas figurativos de alguns dos períodos de ensaio. A termografia por raios infravermelhos é a ciência que analisa e adquire valores de temperatura obtidos através de câmaras termográficas.
Com base nesses conceitos, a Técnica de Termografia Infravermelha (TIV) permite determinar a temperatura de um objeto através da captura da sua radiação infravermelha emitida e, posteriormente, convertendo-a em temperatura. Uma câmara termográfica é um dispositivo que opera na gama de comprimentos de onda de 13-14 µm, utilizando a radiação
Capítulo 3- Estudo experimental do comportamento térmico de garrafas de plástico PET
infravermelha na criação de imagens (Mendonça 2008). A saída é uma imagem em escala de cor que representa um mapa de variação de temperatura. Cada imagem é composta por uma matriz de pixéis, cujos valores são analisados pelo software que permite, entre outras coisas, o isolamento de intervalos de temperatura específicos, a deteção de anomalias térmicas, a medida da diferença de temperatura entre dois ou mais pontos/pixéis e a escolha da paleta de cores mais adequada. No entanto, a radiação medida pela câmara depende não só da temperatura do objeto, mas também da temperatura originada a partir do ambiente circundante (isto é, radiação parasita) e pode ser refletida pelo objeto, bem como parcialmente absorvida ou dispersada pela atmosfera (Pappalardo et al. 2016).
As principais vantagens de TIV residem na sua aplicação não destrutiva, rapidez de execução e ausência de contaminação.
Além disso, uma vez que é um método de deteção remoto, pode ser utilizado para uma grande variedade de fins e para a investigação de vários fenómenos, abrangendo muitos campos, como o militar, a indústria, a medicina e a ciência (Pappalardo et al. 2016).
Todos os materiais emitem energia (calor) do espectro eletromagnético na zona de radiação infravermelha. A quantidade de energia transferida de um material está relacionada com a sua temperatura. As câmaras de infravermelhos (câmaras termográficas) conseguem ler esta radiação e transformam-na, dando-nos a conhecer a temperatura na superfície do material emissor (Mendonça 2008).
Na elaboração deste trabalho, foi utilizada uma câmara de termografia da FLIR que é representada na Figura 3.17.
Figura 3.17.- Câmara de termografia utilizada
A utilização da câmara de termografia possibilita a análise das diversas temperaturas superficiais, no momento em que o termograma é adquirido, permitindo a verificação da distribuição de temperatura nas faces dos painéis em estudo.
Também no estudo V foram consideradas as temperaturas retiradas pelo “datalogger” de cada uma dos painéis como temperaturas de referência.
3.3. Metodologia de cálculo do coeficiente de transmissão
térmica (U)
A metodologia utilizada para a análise do desempenho do isolamento térmico dos painéis “in-situ” tiveram como apoio um trabalho experimental de conformidade com a norma (ISO 9869 2014) designada por “Thermal insulation: building elements in-situ measurement of thermal resistance and thermal transmittance”.
O coeficiente de transmissão térmica (U) de um material ou de um elemento construtivo, como é o caso, pode ser quantificado através da aplicação da equação 3.1:
⋃
𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙=
∑𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑛=1 𝑞 (𝑛)∑𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑛=1 (𝑇𝑖 (𝑛)−𝑇𝑒 (𝑛))
[3.1]
onde, q(n) é o fluxo de calor medido no termofluxímetro, no instante n, e Ti(n) e Te(n) são respetivamente as temperaturas interior e exterior registadas nos termohigrómetros instalados, em cada instante n (Cunha 2010).
De acordo com os ensaios de estudo efetuados, será feito o cálculo da resistência térmica (R) através da equação seguinte:
𝑅 =
1𝑈
[3.2]
Onde (R) é a resistência e (U) o coeficiente de transmissão térmica. Posteriormente ao cálculo desta resistência, é necessário calcular a resistência dos painéis considerando as resistências superficiais internas e externas através da seguinte equação:
𝑅
𝑇= ∑
𝑅𝑖+ 𝑅
𝑆𝑖+ 𝑅
𝑆𝑒[3.3]
Onde (RT) é a resistência que foi calculada anteriormente, ∑Ri é o valor da resistência dospainéis, RSi é a resistência superficial interna e RSe a resistência superficial externa, cujos
valores são 0,13m2ºC/W e 0,04 m2ºC/W, respetivamente.
Em concordância com a norma citada anteriormente, o período de tempo mínimo deverá ser de três dias de testes se a temperatura em redor dos termofluxímetros se mantiver estável. No entanto o modelo utilizado nas folhas de cálculo Excel somente retribui resultados a partir do quinto dia e portanto seriam necessários no mínimo oito dias para a execução de cada
Capítulo 3- Estudo experimental do comportamento térmico de garrafas de plástico PET
ensaio. Foi estipulado um período mínimo de 15 dias por cada ensaio cuja espera contribuirá para a credibilidade do resultado final ao aumentar o número de instantes n.
3.4. Análise e Discussão de Resultados
Nesta secção irão ser apresentados e discutidos os resultados obtidos para os vários casos de estudo que foram considerados para estimar o desempenho térmico dos diferentes painéis constituídos por garrafas PET.
Irão ser analisadas as condições climáticas no interior e exterior do local de estudo que foram adquiridas ao longo de cada um dos ensaios efetuados, tal como os valores dos fluxos de calor, das temperaturas superficiais e por fim do coeficiente de transmissão térmica.
Será igualmente efetuada a análise termográfica dos painéis de modo a reconhecer o padrão de temperaturas superficiais dos vários painéis nos diferentes casos de estudo.
Sempre que possível será efetuada uma análise comparativa entre valores obtidos para as temperaturas superficiais através dos sensores com os adquiridos nos termogramas. Inicialmente irão ser apresentados os resultados para o caso de estudo H, em 3.4.1. as temperaturas interior e exterior, de seguida em 3.4.2. as temperaturas superficiais, depois em 3.4.3. os fluxos de calor e por fim em 3.4.4. os coeficientes de transmissão térmica. Relativamente ao caso de estudo V, os resultados irão ser apresentados pela mesma ordem descrita anteriormente.
3.4.1. Caso de estudo H
Como já foi referido, neste caso de estudo foram construídos 3 painéis cada um com um dos tipos de enchimento considerados. A orientação das garrafas PET é na Horizontal e o período de ensaio decorreu de 19 de novembro a 7 de dezembro de 2015.
3.4.1.1. Temperaturas Interior e Exterior
Na determinação experimental da resistência térmica é indispensável que se preservem certas condições climáticas no interior da divisão onde foram feitos os ensaios e no exterior, como mencionado anteriormente.
Visto que não é de todo possível controlar o ambiente exterior, é essencial sempre que possível, a estabilidade da temperatura interior, para que o fluxo de calor seja feito somente num sentido ao longo de todo o período de ensaio. Deste modo, os resultados obtidos irão ser mais credíveis.
Dada esta condição de ensaio ser fundamental na determinação de valores plausíveis de U, é de facto importante a análise, primeiramente, dos valores das temperaturas interior e exterior, sendo esta realizada para os dois casos de estudo.
O Gráfico 3.1 é referente à temperatura interior obtida durante os ensaios de Hterra e
Hag e de Har. Como já foi referido anteriormente, os painéis correspondentes ao enchimento
de terra e água foram colocados num compartimento de maior dimensão do que aquele em que foram ensaiados os painéis com enchimento de ar. Esta situação leva a que se verifique um diferencial ainda que reduzido, nos valores das temperaturas interiores.
Desse modo, como podemos verificar, o diferencial médio de temperatura interior entre Har e
Hterra,Hag é de 2,6ºC.
Gráfico 3.1 - Temperatura interior de Hterra, Hag e Har
No gráfico 3.2 podemos observar a variação dos valores das temperaturas, interior (Ti) e exterior (Te), para o intervalo de tempo relativo ao caso de estudo H para os materiais de enchimento de terra e de água, dado que estes se encontram no mesmo compartimento. A temperatura exterior é sempre inferior à assinalada no ambiente interior, tal como se pretendia, de modo a que a transferência de calor seja feita do interior para o exterior. Tendo em conta o diferencial de temperatura interior existente entre os dois espaços do compartimento em que foram feitos os ensaios para as garrafas com enchimento de terra, água e ar, optou-se por efetuar uma análise dos resultados separando os enchimentos de terra e água das garrafas PET vazias, sendo no entanto efetuada uma análise comparativa