CONDUTIVIDADE TÉRMICA E ANÁLISE DO COMPORTAMENTO TÉRMICO DA ESPUMA POLIURETANA DERIVADA DE ÓLEO DE MAMONA PARA REAÇÃO
FRENTE AO CALOR
G. T. Cardoso1; S. Claro Neto2; O. P. Ferreira3
Caixa Postal 369; 13560-970, São Carlos – SP, E-mail: grace.cardoso@usp.br
1 Interunidades em Ciência e Engenharia de Materiais – IFSC/IQSC/EESC - USP 2 Instituto de Química de São Carlos – IQSC - USP
3 Departamento de Arquitetura e Urbanismo – EESC - USP
Resumo
Este trabalho visa o estudo de uma espuma poliuretana derivada do óleo de mamona para aplicação como forro através da determinação de suas propriedades térmicas e da análise do comportamento térmico em estudo comparativo entre quatro diferentes sistemas de cobertura. O forro desenvolvido neste trabalho é constituído de placas de espuma poliuretana derivado de óleo de mamona. As propriedades térmicas da espuma foram determinadas pelo Método do Fio Quente Paralelo e a coleta de dados para análise do comportamento térmico do forro foram realizados em canteiro experimental. Os resultados obtidos comprovam a eficiência da espuma poliuretana na redução da entrada de calor durante o período de radiação solar global máxima.
Palavras – chave: isolação térmica, comportamento térmico, espuma poliuretana. Introdução
A arquitetura tem papel fundamental na criação de espaços internos e externos, seguindo normas de habitabilidade, determinadas pelas necessidades dos indivíduos. Rivero(1) relata que não existe comprovação de que um meio mantido permanentemente em condições de conforto signifique benefício à saúde, mas se observa que os meios desconfortáveis a prejudicam, pois produzem fadiga, extenuação física e nervosa, diminuição do rendimento, aumento de erros e dos riscos de acidentes no trabalho, além de facilitar a instalação de doenças no organismo. Dentre as mais variadas aplicações de isolantes térmicos, os forros são os mais utilizados, pois a cobertura das edificações é a responsável pela maior absorção de calor por radiação.
A idéia de pesquisar um material para ser utilizado como forro isolante térmico, tem seu fundamento na maioria das construções civis, que apresentam em seus sistemas de cobertura telhas cerâmicas ou de fibrocimentos em conjunto com a laje cerâmica concretada. Esse sistema já demonstrou em estudos anteriores que não é termicamente eficiente, ou seja, a sensação térmica nos locais em que esse sistema de cobertura acontece não é considerada “confortável”(2). Este trabalho analisa o comportamento térmico da espuma poliuretana derivada de óleo de mamona, frente ao calor, e determina a condutividade térmica da espuma através do ensaio do Método do Fio Quente Paralelo(3).
Experimental
Para o desenvolvimento deste trabalho o Grupo de Química Analítica e Tecnologia de Polímeros, do Instituto de Química de São Carlos/ USP, desenvolveu a formulação de espuma poliuretana derivada de óleo de mamona.
O Método do Fio Quente Paralelo possibilitou o conhecimento dos valores exatos da condutividade térmica, da difusividade térmica e do calor específico da espuma. O ensaio consistiu em ajustar paralelamente a resistência e o termopar de maneira que ficassem no centro da amostra, para que a corrente elétrica constante que passa através do fio, liberasse uma quantidade constante de calor, por unidade de tempo e por unidade de comprimento, que se propagou através do material. Esse ensaio foi normalizado em 1978, pela norma DIN 51046-Parte 2. Na norma, o cálculo da condutividade térmica é feito utilizando-se apenas dois pontos do transiente térmico. Quando se pretende considerar um trecho do transiente térmico experimental, a condutividade térmica é calculada de dois em dois pontos e, em seguida, é feita uma simples média aritmética entre os valores calculados(3). Esse cálculo foi feito através do software criado pelo professor Wilson Nunes dos Santos, do Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade Federal de São Carlos – SP.
A avaliação do comportamento térmico da espuma poliuretana derivada de óleo de mamona foi realizada com a utilização de placas 0.60 x 0.60 x 0.03 m para conformar um forro isolante térmico em duas células de testes. Para garantir que os dados presentes na pesquisa tivessem correlação com uma situação real de ambiente construído, foram utilizados os equipamentos instalados para a aquisição
dos dados necessários existentes na Estação Meteorológica e conjunto de Protótipos, construídos pelo Prof. Dr. Osny Pellegrino Ferreira dentro do Projeto “Techos” do Programa CYTED, entre os anos de 1998 - 2008, do Departamento de Arquitetura e Urbanismo da Escola de Engenharia de São Carlos, USP. A metodologia utilizada nesta análise baseou-se na tese de doutorado de Vecchia, F. A. S.(4).
Os equipamentos que compõem a estação são da empresa Campbell Scientific Inc., responsáveis pela coleta e armazenamento de dados meteorológicos. Os dados das células de teste foram coletados através de medições das temperaturas superficiais, e foram realizadas por meio de termopares tipo T (cobre-constantin), 2x24 AWG, com medições em intervalos de 30 minutos. As células de teste possuem características construtivas similares entre si, para que tivessem as mesmas condições de igualdade perante a qualquer outro evento climático. As quatro células de teste possuem dimensão interna de 2.20 x 2.70 m e altura de 2.90 m no ponto mais alto, já que o telhado é de uma água com inclinação de aproximadamente 5%. Cada célula possui uma porta padrão de dimensões 2.10 x 0.60 m voltada para fachada Leste e uma janela 1.0 x 0.70 m com orientação Norte. As portas e janelas são feitas de embalagens acartonadas de Tetra Pak®. O sistema de cobertura é parecido entre as quatro células de teste, exceto pela presença ou não de elementos. A célula de teste 01 tem como sistema de cobertura o telhado em fibrocimento, sem laje e forro. O termopar neste caso foi colocado na superfície de uma das telhas, voltada ao interior da célula. Na célula de teste 02, o sistema de cobertura é formado pelo telhado em fibrocimento e o forro de placas de espuma poliuretana. O termopar na célula 02 foi instalado na superfície de uma placa, voltada ao interior do ambiente. No caso da célula de teste 03, existe o telhado em fibrocimento e laje cerâmica concretada in loco. A laje recebeu o termopar em sua superfície voltada ao interior da célula. Já na célula 04 o sistema de cobertura é mais completo, composto pelo telhado em fibrocimento, uma laje cerâmica concretada in loco e o forro de espuma poliuretana. Também nesta célula o termopar foi colocado na superfície de uma placa do forro, voltada ao interior do ambiente.
Os dados coletados são referentes ao ritmo climático de janeiro a abril. A escolha dos episódios climáticos foi feita a partir da análise rítmica desse período, já que o clima da região de SãoCarlos–SP, segundo a classificação de Koeppen(5), é
uma transição entre uma estação seca e uma chuvosa. A estação seca, que localmente vai de maio a setembro, é caracterizada por apresentar pouca precipitação, baixa nebulosidade, baixa umidade relativa do ar, além de temperaturas médias menores quando comparadas com a estação chuvosa. A estação chuvosa estende-se de outubro a abril e apresenta temperaturas médias elevadas com precipitações abundantes e alta umidade relativa do ar. Foi escolhido um dia representativo que possuísse as condições típicas de calor, como a radiação solar global máxima, com reduzida presença de nuvens, tomando como referência os valores das Normais Climatológicas(6).
Resultados e discussões
No ensaio para determinação da condutividade térmica da espuma poliuretana, através do Método do Fio Quente Paralelo, utilizou-se amostras medindo 0.05 m de altura, 0.23 m de comprimento, 0.14 m de largura e densidade 37,0 Kg/m. As amostras foram colocadas no aparato de modo a garantir o maior contato possível. A resistência utilizada foi do tipo KANTHAL 6.4900 ohms/m, posicionada a 0.07 m da extremidade da amostra, no sentido da largura, e o termopar tipo K paralelamente a 0.015 m da resistência. O tempo de ensaio foi de 30 minutos. A corrente elétrica foi de 1,1 Âmper, sendo que o conjunto permaneceu na temperatura ambiente. Os valores obtidos neste ensaio foram: condutividade térmica 0.0452 W/mK, calor específico 4607.1555 J/kg.K e difusividade térmica 2.6540E-7 m²/s.
Paralelamente ao ensaio pelo Método do Fio Quente Paralelo, foi realizada a montagem e coleta dos dados para a análise do comportamento térmico da espuma poliuretana, que conformaram forros nas células de teste 02 e 04. No estudo comparativo entre as quatro células de teste, foi escolhido o dia 09 de março de 2010 como dia representativo das condições de calor que ocorrem na transição verão-outono.
Figura 01: Gráfico de Temperaturas superficiais internas
Figura 02: Tabela de Temperaturas superficiais internas
Na célula de teste 01 a radiação sobre as telhas é rapidamente transmitida à superfície inferior das telhas em forma de calor. Durante o período sem radiação solar o processo de perda de calor para o exterior ocorre de maneira parecida ao que acontece no período diurno. A célula de teste 02 possui um sistema de cobertura com um ático entre o telhado inclinado e o forro de espuma poliuretana montado horizontalmente sobre uma grelha de madeira. O calor é transmitido do exterior ao interior e atinge a superfície interna do forro principalmente através da radiação e uma parte pela convecção do ar que fica confinado no ático. O gráfico (Figura 01) mostra que existe uma diferença de 6,83°C entre a temperatura máxima atingida na célula 01 (35,61°C às 14h) e a atingida na célula 02 (28,78°C às 16h30). No período sem radiação solar o forro consegue manter um pouco o calor interno da θsi (°C) 01 02 03 04 TELHA FIBROCIMENTO FORRO ESPUMA PU LAJE CERÂMICA LAJE CERÂMICA FORRO ESPUMA PU máxima 35,61 (14hs) 28,78 (16h30min) 26,02 (18h30min) 29,72 (18h30min) 28,94 (18hs) mínima 16,58 (7hs) 17,56 (6h30min) 20,87 (7h30min) 19,23 (7h30min) 18,61 (7h30min)
célula pelo fato da espuma ser muito isolante, já que devido a sua pouca espessura da espuma, a inércia térmica é baixa. A célula de teste 03 representa a tipologia de sistema de cobertura utilizada em grande escala na construção civil. O telhado inclinado e a laje construída horizontalmente também criaram um ático. Essa situação assemelha-se ao que acontece na célula 02; a importante diferença é que a laje cerâmica não é bom isolante térmico, mas no caso apresenta maior espessura que o forro de espuma, portanto, maior inércia térmica. Durante o dia, o comportamento térmico da laje frente ao calor é melhor que o do forro de espuma poliuretana, devido principalmente à inércia térmica da laje ser maior. No período sem a influência da radiação solar esse comportamento é similar. A célula de teste 04 possui o sistema de cobertura mais completo, só que neste caso, a laje foi feita acompanhando a inclinação do telhado, distante deste em 0.30m, conformando um colchão de ar. O forro de espuma poliuretana foi montado sobre a superfície inferior da laje, ou seja, face voltada ao interior da célula de teste, sem distanciamento entre esses dois elementos. Comparando as temperaturas superficiais internas dos forros de espuma poliuretana da célula 02 e 04 não existe uma diferença considerável no valor que cada superfície atinge, a diferença está no tempo em que cada superfície leva para atingir a temperatura máxima. Durante o período sem radiação solar o comportamento térmico do sistema de cobertura da célula 04 consegue reter mais o calor dentro do ambiente interior que o da célula 02, pois na célula 04 o calor precisa passar pelo forro de espuma poliuretana, que é muito isolante, chegar à laje cerâmica que possue maior inércia térmica que o forro por causa de sua espessura, e por fim chegar às telhas.
Analisando os resultados obtidos nas quatro células de teste, verificou-se que a característica isolante da espuma poliuretana, presente nas células de teste 02 e 04, reduz a entrada de calor durante o dia, quando a radiação solar chega à máxima, e retém por mais tempo esse calor que chegou ao interior do ambiente no período noturno. Outro fator que colabora na isolação térmica é o ático presente nas células 02 e 03. O ar confinado no interior do ático precisa ser aquecido para poder transmitir o calor através da convecção. Esse processo de transmissão de calor requer mais tempo que o processo de condução de calor através do material. O colchão de ar existente na célula 04 também auxilia a isolação térmica. Comparando os resultados de 01 e 02 constatou-se que houve uma redução no valor da temperatura máxima superficial do forro de espuma poliuretana de
aproximadamente 6°C em relação à temperatura máxima superficial da telha de fibrocimento da célula 01. Outra comparação pode ser feita entre as células 02 e 03. As duas possuem um ático que auxilia na isolação térmica. A célula 03 obteve melhor desempenho térmico tanto durante o dia isolando o calor transmitido do exterior para o interior da célula, quanto no período noturno, minimizando as perdas térmicas no sentido interior-exterior. Esse fato deve-se a maior inércia térmica presente na laje cerâmica; já que o forro de espuma poliuretana possui espessura de 0.03 m, tamanho muito menor que a espessura da laje, aproximadamente 0.10m, o que acarreta menor inércia térmica ao forro.
Conclusão
A conclusão mais relevante é que as propriedades de isolação térmica da espuma poliuretana derivada de óleo de mamona foram confirmadas através do Método do Fio Quente Paralelo.
A utilização do forro de espuma poliuretana é uma alternativa à laje cerâmica, pois além da facilidade de instalação (pode ser colocado após a construção do ambiente utilizando-se armação de madeira fixada à alvenaria para apoiar as placas do forro), é economicamente mais viável, visto que para se construir uma laje são necessários diferentes materiais e mão de obra especializada. As análises feitas mostraram que o ático é um excelente isolante térmico, que aliado ao forro de espuma poliuretana garante redução de entrada de calor do exterior para o interior do ambiente no período diurno, e durante o período noturno reduz a perda térmica do interior para o exterior.
Referências
1. RIVERO, R. Acondicionamento térmico natural, arquitetura e clima. Editora da Universidade, D. C. Luzzato Editores. 1985.
2. VECCHIA, F. A. S. Estudo comparativo do comportamento térmico de quatro sistemas de cobertura. Um estudo experimental para reação frente ao calor. Contrução Metálica, São Paulo, SP, ed. 71, p. 21-24, 2005.
3. SANTOS, W.N. Métodos Transientes de troca de Calor na Determinação das Propriedades Térmicas de Materiais Cerâmicos: II, O Método do Fio Quente. 1986. 4. VECCHIA, F. A. S. Clima e ambiente construído: a abordagem dinâmica aplicada ao Conforto Humano. São Paulo, 1997. Tese (Doutorado em Geografia) - Faculdade de Filosofia, Letras e Ciências Humanas, Universidade de São Paulo, São Paulo. 5. KOEPPEN, W. Climatologia. México: Fondo de Cultura Econômica. 1948.
6. NORMAIS CLIMATOLOGICAS (1961-1990). Ministério da Agricultura e Reforma Agrária, Secretaria Nacional de Irrigação, Departamento Nacional de Meteorologia. Brasília-DF, 1992.
Agradecimentos
Agradecimentos ao CNPq, à FAPESP, ao GQATP/IQSC, ao Prof. Dr. Salvador Claro Neto (IQSC/USP), orientador, ao Prof. Dr. Francisco Vecchia (EESC/USP), ao Prof. Dr. Osny P. Ferreira (EESC/USP) e à equipe de técnicos do LCC, ao Prof. Dr. Wilson Nunes dos Santos (DEMa/UFSCar).
THERMAL CONDUCTIVITY AND THERMAL ANALYSIS BEHAVIOR OF THE FOAM POLYURETHANE EXTRACTED FROM CASTOR OIL FOR REACTION TO
FACE THE HEAT
Abstract
This work aims the study of a polyurethane foam derived from castor oil for application as lining through the determination of its thermal analysis and thermal behavior in a comparative study between four different roof systems. The liner developed in this work consists of slabs of polyurethane foam derived from castor oil. The thermal properties of the foam were determined by the hot wire parallel and data collection for analysis of thermal behavior of the liner were conducted in an experimental plot. The results prove the efficiency of polyurethane foam to reduce heat input during the period of maximum solar radiation.
