4.1 TRATAMENTO DOS DADOS
A seguir veremos tabelas que ilustram os dados coletados e computacionalme nte tratados após à realização dos testes.
Serão tratados aqui de maneira qualitativa e quantitativa os dados dos testes realizados com as mantas finas e grossas, comparando os métodos plano e cilíndrico de analise térmica.
Através desses dados é possível demonstrar a variação máxima da temperatura; o tempo total de teste, correspondendo à energia total consumida; bem como a comparação dos dados da eficiência da manta em atenuar calor para cada teste realizado.
A tabela abaixo (Tabela 1) ilustra as variações das temperaturas, determinadas por meio do experimento da propagação plana, para cada configuração das mantas e o tempo das respectivas tomadas das medidas.
Tabela 1 – Variação das temperaturas para cada configuração – Parede plana. [Autor, 2016]
Conforme experimento realizado na parede plana acima ilustrada, é possível concluir que as mantas apresentam valores significantes de atenuação de calor, alcançando um ponto máximo de atenuação – dados em vermelho– e, após isso, sua eficiência é reduzida.
PLACA PLANA: ∆T PARA RESPECTIVO ARRANJO - ∆T [ °C ] E TEMPO [min]
1 FINA 1 GROSSA 2 FINAS 2 GROSSAS FINA - GROSSA GROSSA FINA TEMPO ∆T TEMPO ∆T TEMPO ∆T TEMPO ∆T TEMPO ∆T TEMPO ∆T
5 17,4 5 22,1 5 9,9 5 22,1 5 17,2 5 29,7 15 31,4 15 43,5 20 38,7 15 53,5 15 41,3 15 53,4 25 33,8 30 58,0 30 50,6 30 79,8 30 62,8 30 79,8 35 33,8 40 67,9 45 62,9 40 89,6 40 77,4 45 96,9 45 41,3 50 73,0 75 68,4 55 99,7 50 89,9 60 107,4 55 39,0 60 78,1 85 66,1 70 110,0 65 100,0 75 110,2 60 39,1 75 85,6 100 61,3 90 90,9 80 105,2 85 107,9 65 39,1 80 85,6 105 61,3 95 90,9 85 105,2 90 107,9
Assim, observa-se que este fato ocorreu porque os poros das mantas se abriram neste ponto máximo da variação da temperatura, por conseguinte as mantas iniciaram a liberação de gases, ocasionando na perda de calor e massa. Após este ponto as mantas diminuíam a sua capacidade de isolamento, pois se encontravam encharcadas de calor. Salienta-se que o experimento apresentou um tempo muito longo de duração (variando de 65 a 95 minutos), uma vez que a fixação da resistência na placa, através de miçangas de cerâmica, ocasionou um afastamento entre ambas e fazendo com que o calor fosse transmitido da resistência para placa por convecção. Desta forma o calor demorava para alcançar a primeira superfície das mantas (em contato com a placa), pois tinha que encharcar a placa de massa 8,9 kg quais estavam em contato direto com a placa.
Abaixo (Tabela 2) são apresentados e debatidos os resultados para o experimento da propagação cilíndrica, o qual utiliza de uma resistência do tipo cartucho como fonte de calor.
RESISTÊNCIA TIPO CARTUCHO: ∆T [ °C ] PARA RESPECTIVO ARRANJO
1 FINA 1 GROSSA 2 FINAS 2 GROSSAS FINA - GROSSA GROSSA FINA MEDIDA ∆T MEDIDA ∆T MEDIDA ∆T MEDIDA ∆T MEDIDA ∆T MEDIDA ∆T
1 18,7 1 12,3 1 17,7 1 12,3 1 13,8 1 19,2 2 45,6 2 30,9 2 36,7 2 27,9 2 31,8 2 48,7 3 64,7 3 54,0 3 59,3 3 49,7 3 56,4 3 77,6 4 96,1 4 79,0 4 88,8 4 82,0 4 79,1 4 114,7 5 113,9 5 102,3 5 118,1 5 110,7 5 103,4 5 161,5 6 117,7 6 130,1 6 123,6 6 141,5 6 135,5 6 190,0 7 127,1 7 159,4 7 149,6 7 174,5 7 167,1 7 225,2 8 133,6 8 189,1 8 192,8 8 215,8 8 198,1 8 263,5
Tabela 2 – Variação da temperatura para cada arranjo – Parede Cilíndrica.
Foi possível observar que não existia fluxo de calor através da manta até a temperatura de 100°C, pois até esta temperatura não havia variação na temperatura da superfície externa da manta que se mantinha constante a uma temperatura de 20 °C. Também não se notou um valor de pico como no experimento da parede plana, pois neste experimento os gases só eram liberados no momento da desmontagem da configuração quanto a manta era retirada da resistência. Com isso, foi possível se chegar à conclusão de que o experimento não durou o tempo necessário para garantir o encharcamento das mantas.
O tempo insuficiente para garantir o encharcamento da manta fez com que a mesma apresentasse uma maior atenuação do calor, pois não havia tempo necessário para que o calor alcançasse a extremidade externa da manta, fazendo com que se tivesse uma ideia ilusória de um bom isolamento.
Por estar em contato direto com a fonte de calor – Resistência – as mantas apresentaram um certo desgaste após os testes, umas mais que outras sendo que os maiores desgastes se davam quando a manta grossa estava em contado direto com a resistência levando a concluir que a manta fina apresenta uma resistência maior ao calor.
4.2 ANÁLISE COMPARATIVA DA EFICIÊNCIA ENTRE OS MÉTODOS DE EXPERIMENTO
Com intuito de fazer uma comparação entre os valores da atenuação para a propagação plana e a propagação cilíndrica, elaborou-se uma tabela com os resultados das eficiências apresentadas abaixo, que é a média das eficiências calculadas para cada medida da variação de temperatura tomada para a respectiva configuração da manta. Os valores tabelados da eficiência média na atenuação do calor são mostrados a seguir.
Tabela 3 – Medida de eficiência média da manta para cada um dos aparatos. MEDIDA DE EFICIÊNCIA MÉDIA DA MANTA PARA CADA UM DOS APARATOS
CONFIGURAÇÃO PLACA PLANA
𝜂 [média] RESISTÊNCIA CARTUCHO 𝜂 [média] 1 MANTA FINA 31,62% 53,4% 1 MANTA GROSSA 50,64% 70,2% 2 MANTAS FINAS 45,50% 74,9% 2 MANTAS GROSSAS 62,89% 75,0%
1 FINA [INT] 1 GROSSA [EXT] 59,16% 74,4%
Em ambos os métodos de propagação, dentre as configurações das mantas analisadas, as que se destacaram por apresentar a maior eficiência no isolamento, foram as sextas configurações com uma eficiência média de 64,5% para placa plana e de 79,4% para parede cilíndrica. A configuração que apresentou a menor eficiência foi a primeira com o uso de apenas uma manta fina, onde para a parede plana e cilíndrica obteve-se uma eficiência média de aproximadamente 32% e 54% respectivamente.
Através destes dados é possível apontar que a manta grossa atenua melhor quando em contato com a fonte quente, e seu efeito é potencializado quando a mesma é revestida externamente pela manta fina. Quando a configuração inversa (fina em contato direto com resistência e grossa por cima) foi testada, mostrou uma queda considerável na eficiência do conjunto (de 79,4% para 74,4% na parede cilíndrica, e de 64,5% para 59,2% para parede plana), mesmo contendo a mesma massa.
De posse destes valores, e a fim de visualizar melhor a comparação entre os dados, foi construído um gráfico onde é ilustrado a diferença em eficiência para as mesmas configurações diferenciando os modelos de aparatos, como apresentado abaixo.
Gráfico 1 – Comparação eficiência térmicas das mantas para cada Aparatos.
31,62% 50,64% 45,50% 62,89% 59,16% 64,50% 53,40% 70,20% 74,90% 75,00% 74,40% 79,40% 0,00% 10,00% 20,00% 30,00% 40,00% 50,00% 60,00% 70,00% 80,00% 90,00% F G F F G G F G G F
EFICIÊNCIA 𝜂 [MÉDIA]
Observa-se no gráfico acima que existe um certo paralelismo entre a curvas, um acréscimo médio de 50% dos valores das eficiências médias para a parede plana ( linha vermelha), leva uma adesão das curvas.
Portanto, deduz-se que esta diferença de 50 % é devido a alguns fatores relacionados a montagem dos aparatos. Por exemplo, a perda de calor por convecção na parede plana, causado tanto pelo afastamento entre a resistência e a placa, quanto pelo corte inadequado da manta (manta pequena não cobria toda a chapa), deixando espaços na superfície, expostos a ação da convecção, aumentando assim a perda de calor pelas bordas. Deve-se mencionar também o tempo de encharcamento que não houve na parede cilíndrica, o que elevou os valores da atenuação, não refletindo assim as reais propriedades das mantas.
De acordo com a norma ASTM C 177 o corte da manta deve ser feito de tal maneira a cobrir toda a superfície da fonte quente, para que assim possa ser minimizada a perda de calor pelas extremidades, e evitar o aquecimento por convecção, por fora da manta, do termopar externo. Verifica-se que o corte da amostra para o teste na parede plana que não foi efetuado de maneira a cobrir toda a superfície da placa, não atendendo esse item da norma, fazendo com que exista a passagem de parcela considerável de calor por convecção pelas bordas para o termopar externo.
4.3 ANÁLISE DO CONSUMO DOS MÉTODOS DE EXPERIMENTO
Com o intuito de quantificar o consumo da energia envolvido no processo, e assim poder comparar a eficiência energética do uso e aplicação dos métodos, foram coletados os dados das resistências espiral e cartucho, assim como o tempo de cada teste, como apresentado abaixo, tabela 4.
CONSUMO E CUSTO Tipo
dispositivo
Potência[w] Arranjo Temp o [h] Potência [w]) Pot. Total [w] Custo (R$) Custo total[R$] RESISTENCI CARTUCHO 500,00 0,13 62,50 375,00 0,04 0,21
RESISTÊNCI ESPIRAL 1250,00 CMF 1,08 1354,17 10833,33 0,76 6,07 CMG 1,33 1666,67 0,93 CUSTO ENERGIA [R$/W] CMFF 1,75 2187,50 1,23 0,00056 CMGG 1,58 1979,17 1,11 CMFG 1,42 1770,83 0,99 CMGF 1,50 1875,00 1,05
Tabela 4 – Dados do custo e consumo de cada teste.
Os tempos individuais de cada arranjo da propagação plana estão discriminados, e duraram de 65 a 95 minutos. Para os testes de propagação cilíndrica foi considerado o tempo médio de cada teste de 7,5 minutos, pois estes duraram apenas de 7 a 8 minutos. Foi considerado cinco rearmes do relé que alimenta a resistência para cada temperatura ensaiada, considerou-se que estas tentativas de manutenção da temperatura seriam suficientes para uma homogeneidade, ou uma temperatura interna constante.
O valor da energia foi retirado direto do site do fornecedor, COELBA. As respectivas potências de cada resistência são: 500W para resistência de cartucho e 1250 W para resistência espiral.
Após a realização dos cálculos foi notada uma grande diferença do consumo de energia. O método da parede plana no total, custou R$ 6,07, e apresentou um consumo de ordem de 29 vezes maior do que o método da parede Cilíndrica que custou R$ 0,21 para as 6 configurações de experimento.
Com intuito de ilustrar a disparidade entre os consumos dos métodos, é apresentado e discutido o gráfico a seguir.
Gráfico 2 – Consumo de energia dos aparatos. [Autor, 2016]
Os valores para a propagação cilíndrica se apresentam como uma reta, o método tem o consumo relativamente baixo de 62,5 𝑊. ℎ para cada teste, enquanto o método da propagação plana apresenta um consumo alto, variando de 1354,2 𝑊. ℎ na manta fina, a 2187,5 𝑊. ℎ na configuração da camada dupla de mantas finas.
Dentre os métodos analisados, com relação ao consumo e custo de realização, o teste da parede Cilíndrica se mostrou o mais indicado, porém o método da parede plana, apesar das perdas por convecção, apresentou resultados mais confiáveis pois se aproxima mais de condições reais.
4.3 CÁLCULO DA CONDUTIVIDADE
A determinação do valor da condutividade térmica, foi realizado afim de compara-las com o padrão estabelecidos por laboratórios conceituados (Asociación Argentina de Materiales testes).
Para tanto, foi utilizado apenas o método da propagação cilíndrica para obtenção dos valores ao longo dos experimentos, pelo fato de no mesmo podermos considerar apenas
62,5 62,5 62,5 62,5 62,5 62,5 1354,2 1666,7 2187,5 1979,2 1770,8 1875,0 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 CMF CMG CMFF CMGG CMFG CMGF
CONSUMO DE ENERGIA [W.h]
CARTUCHO ESPIRALo fenômeno da condução, tendo em vista que a convecção neste caso se torna desprezível. Daí, utilizando os valores dos dados da resistência de cartucho, apresentados na tabela (5) a seguir,
Tabela 5 – Dados da resistência do tipo cartucho. [Autor, 2016]
Foi calculada a condutividade através da equação adaptada da equação de Fourier para propagação cilíndrica,
𝑘 = 𝑞𝑟 𝑑𝑟 (2𝜋𝑟𝐿)∆𝑇 Onde,
𝑞𝑟: Potência da resistência do tipo cartucho 𝑑𝑟: Espessura da manta
(2𝜋𝑟𝐿): Área superficial da resistência.
E em seguida montada a seguinte tabela com os respectivos valores da condutividade térmica do EVA. Condutividade F G FF GG FG GF MÁXIMA 4,72 21,22 9,94 42,44 25,32 18,23 DADOS RESISTÊNCIA D [mm] 22,5 L [mm] 265,15 Área [m²] 0,01874235 Pot. [W] 500
Espessura manta fina [m] 0,0033 Espessura manta fina [m] 0,0098
MÉDIA 2,69 11,30 5,43 22,43 13,54 9,78
MÍNIMA 0,66 1,38 0,91 2,42 1,76 1,33
Tabela 6 – Medidas da Condutividade para as variações máximas, médias e mínimas da temperatura. [Autor, 2016]
Foram selecionados os valores das variações máximas e mínimas das temperaturas (diferença máxima e mínimas entre as superfícies da manta), para verificação das condutividades mínimas e máximas, respectivamente. O menor valor da condutividade de 0,66 W/m°C (maior atenuação), foi para a manta fina quando montada sozinha em contato direto com a resistência do tipo cartucho.
A menor condutividade (maior atenuação) foi da manta fina de 0,66 W/m°C, enquanto que a maior condutividade (menor atenuação) foi para configuração com duas mantas grossas de 42,4 W/m°C. Para materiais isolantes o esperado do valor da condutividade é de 0 a 1 W/m°C, portanto apenas as configurações simples e dupla da manta fina se encontram dentro do que se espera para um isolante.
Segundo o laboratório Argentino de teste para mateiras, SAM – Asociación Argentina de Materiales testes – a condutividade térmica do EVA corresponde a 0.25 W/ m °C. Sabe-se que esse valor corresponde ao EVA virgem, e que as mantas utilizadas nos testes são confeccionadas pela própria empresa, Bibi calçados, diferindo, portanto, sua composição da utilizada pela SAM, além da densidade variada e do grau de deformação para a soldagem das partículas.
Daí as diferenças entre os valores experimentais e teóricos da condutividade térmica do EVA, são justificadas pelo fato de que os valores teóricos foram obtidos a partir do EVA virgem, enquanto as mantas aqui testadas contém aditivos necessários a produção de solados. Pode-se inferir também que existe a influência erros oriundos dos métodos, tais como, a suposição da convecção desprezível, o tempo de encharcamento de calor da manta que não foi suficiente, o método de fixação das mantas na resistência no qual algumas partes sofreram maior influência da pressão exercida pelas fitas adesivas no local da aplicação, entre outros.
Afim de ilustrar os resultados foi construído o seguinte gráfico, gráfico 3.
Gráfico 3 – Condutividade para devida espessura. [Autor, 2016]
O gráfico foi confeccionado de forma a mostra a relação entre as condutividades e as espessuras de cada configuração da manta. Como os valores das condutividades das mantas são muito maiores do que sua espessura, foi escolhido o gráfico log para poder visualizar com clareza os valores ilustrados.
Neste gráfico foi possível observar as variações da condutividade do material para cada espessura chegando a relação de que a mínima espessura de 3,3 mm (manta fina) ofereceu a menor condutividade térmica de 0,66 𝑊/𝑚°𝐶. A relativa alta condutividade das mantas grossas pode ser devido a presença de poros com diâmetros maiores quando comparados aos das mantas finas, e que atravessam todo o material. Dessa forma ocorre uma transferência de calor direta por esses poros através das mantas grossas, o que não acontece nas mantas finas pois os poros são menores e retém o calor fato característico de um bom isolante. 4,72 21,22 9,94 42,44 25,32 18,23 0,66 1,38 0,91 2,42 1,76 1,33 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 F G FF GG FG GF
CONDUTIVIDADE
4.2 ANALISE DA ADESÃO DOS MÉTODOS AS NORMAS
As normas ASTM não limitam quanto a questão do projeto de novos aparatos a serem desenvolvidos, desde que os mesmos se adequem a algumas exigências para sua confecção, e de todos os métodos por elas já descritos.
Nenhum dos dois métodos de experimentos propostos foram calibrados. Para a calibração deve-se realizar os testes com pelo menos dois materiais padrão de isolamento, como o vidro a fibra de vidro, com propriedades térmicas conhecidas, comparando os valores encontrados nos testes com os já conhecidos, determinado assim um fator de correção, garantindo assim a validação dos dados obtidos pelo experimento.
De acordo com a norma ASTM C177 no item 7.1.2 é recomendado que o corte das mantas seja feito de forma a cobrir toda a superfície da fonte quente, minimizando assim a perda pelas bordas. No experimento da parede plana, as mantas foram cortadas em tamanhos inadequados pois, foram cortadas nas dimensões 210 mm × 210 mm para fixação na placa quente de aço 1020 com dimensões 300 mm × 300 mm × 12,7 mm.
No experimento da parede cilíndrica as mantas foram recortadas de tal maneira que foi possível formar uma casca cilíndrica e garantir a cobertura total de toda área superficial da resistência, dessa forma entrando em acordo com a norma e garantindo uma menor de perda de calor por convecção.
O erro na variação do ΔT, podem ser causados por erros de calibração e os erros de medição, mas também pela colocação incorreta, ancoragem térmica incorreta, e perturbações introduzidas pelo próprio termopar. Para evitar esses erros o item 6.8.2.2 da norma ASTM C177 foi seguido. Pequenas ranhuras foram feitas nas superfícies das amostras e em seguida os termopares foram fixados dentro destas ranhuras.
De acordo com a ASTM C 177, no item 7.2, que trata da preparação das amostras, é indicado condicionar as superfícies das amostras para assegurar que elas são paralelas entre si, e as amostras tenham contato térmico uniforme com as placas de aquecimento e de arrefecimento.
A distribuição de temperatura placa pode desviar sensivelmente de condições isotérmicas, que, por sua vez, pode causar grandes incertezas na diferença média de temperatura ao longo da amostra. A princípio seria utilizado um maçarico para aquecer a placa o que geraria distribuição desigual do calor na placa. Portanto, a montagem do aparato com uma resistência mostrou-se mais próximo a norma, isso porque, essa montagem proporcionou uma distribuição uniforme da temperatura.