UNIVERSIDADE FEDERAL DO RECÔNCAVO DA BAHIA CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
BACHARELADO EM CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
SERGIO CARVALHO PEREIRA FILHO
ANÁLISE DE DUAS PROPOSTAS DE MÉTODOS – PROPAGAÇÃO CILÍNDRICA E PLANA – PARA A DETERMINAÇÃO DA CAPACIDADE DE ISOLAMENTO TÉRMICO
DE MANTAS DE EVA.
SERGIO CARVALHO PEREIRA FILHO
ANÁLISE DE DUAS PROPOSTAS DE MÉTODOS – PROPAGAÇÃO CILÍNDRICA E PLANA – PARA A DETERMINAÇÃO DA CAPACIDADE DE ISOLAMENTO TÉRMICO
DE MANTAS DE EVA.
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Federal do Recôncavo da Bahia como parte dos requisitos para obtenção do título de Bacharel em Ciências Exatas e Tecnológicas.
Orientador: Prof. Me. Adelson Ribeiro de Almeida Jr. Co-orientadora: Profª. Drª. Jania Betania Alves da Silva
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RECÔNCAVO DA BAHIA CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS BACHARELADO EM CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
ANÁLISE DE DUAS PROPOSTAS DE MÉTODOS – PROPAGAÇÃO CILÍNDRICA E PLANA – PARA A DETERMINAÇÃO DA CAPACIDADE DE ISOLAMENTO TÉRMICO
DE MANTAS DE EVA.
Aprovada em: _____/_____/_____
BANCA EXAMINADORA:
_______________________________________ Prof. Me. Adelson Ribeiro de Almeida Jr. _______________________________________
Prof.ª Drª. Jania Betania Alves da Silva _______________________________________
Prof. Dr. Jacson Machado Nunes
SERGIO CARVALHO PEREIRA FILHO
Dedico este trabalho à Deus em primeiro lugar, à minha família, em especial à minha mãe Maria Conceição Santos e meu pai Sergio Carvalho Pereira, que apesar de toda dificuldade sempre me propuseram o melhor, e investiram na única coisa que eles podiam, meus estudos.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus em primeiro lugar pois reconheço que sem ele nem mesmo a minha existência seria possível, e acredito que tudo que ainda está por vim será melhor do que espero, graças a ele.
Agradeço a minha família por me dar todo suporte mesmo diante de todas as dificuldades que a vida nos impôs, sempre me apoiaram e me mostrando que o único jeito de mudar de realidade e estudar.
Agradeço a minha namorada por sua paciência e afeto durante todo esse período do curso pelo qual estive um ano longe dela enquanto estudava fora, ela foi quem me manteve de pé, e ainda me levanta e me faz acreditar que o amanhã será melhor.
Agradeço a meu orientador e co-orientadora por todo apoio acadêmico compartilhando comigo de forma imparcial todo o seu conhecimento em tudo o que foi necessário.
Agradeço a meus amigos do projeto por toda cumplicidade durante execução do projeto assim como as trocas de conhecimento que foram realizadas.
Agradeço aos colegas da universidade que direta ou indiretamente contribuíram para essa minha formação, generalizo a todos aqueles que são meus amigos de verdade. E quem é sabe.
“A verdadeira viagem de descobrimento não consiste em procurar novas paisagens, mas em ter novos olhos”.
RESUMO
Condutividade térmica é uma importante propriedade termofísica e é definida pela capacidade que um material tem de transmitir calor, o que o classifica em condutor ou isolante. Esta propriedade é relevante na seleção de materiais em inúmeros projetos de engenharia, como o isolamento térmico. Assim sendo, surge à necessidade de mensurar a mesma. Uma das dificuldades contadas pelos pesquisadores é a utilização de métodos que necessitam de equipamentos caros para sua medição. Este trabalho, tem o propósito de avaliar dois diferentes métodos para medição da condutividade térmica de mantas de EVA proveniente de atividades industriais da fábrica Bibi calçados, sendo um utilizando uma resistência do tipo cartucho avaliando a propagação cilíndrica e outro utilizando uma placa plana, sem considera influência de convecção e radiação térmica. Aplicaram-se conceitos de transferência de calor e de medições térmicas para comparar os métodos, analisar a eficiência na utilização na energia em função do calor introduzido no sistema, e determinar as relações dos métodos com as normas vigentes. A principal conclusão do estudo é que os métodos de experimentos apresentaram dados satisfatórios quanto a eficiência das mantas de EVA. No entanto melhorias no isolamento da parede quente no método da placa plana deve ser feita para minimizar o coeficiente de troca de calor por convecção e assim reduzir as perdas de calor. Também devem ser realizados, em ambos os métodos, ao menos dois testes com pelo menos dois materiais padrões de isolamento, afim de realizar uma calibração dos aparatos, e dessa forma poder garantir a validades dos dados, viabilizando a utilização dos métodos.
Palavras chaves: Análise comparativa, Condutividade, EVA, Propagação Cilíndrica, Propagação Plana.
ABSTRACT
Thermal conductivity is an important thermophysical property and is defined by the ability of a material has to transmit heat, which classifies it as conducting or insulating material. This property is relevant in the selection of materials in numerous engineering projects, such as thermal insulation. Thus arises the need to measure it. One of the difficulties counted by the researchers is to use methods that require expensive equipment to its measurement. This work has in order to evaluate two different methods for measuring thermal conductivity EVA webs coming from industrial activities Bibi shoe factory, one using a cartridge type resistance evaluating the cylindrical propagation and the other using a flat plate without considers influence of convection and thermal radiation. They were applied heat transfer concepts and thermal measurements to compare the methods, analyze the efficiency in using the function in heat energy introduced into the system, and determine the relations of the methods with current regulations. The main conclusion is that the experiments methods presented satisfactory data regarding the efficiency of EVA blankets. However, improvements in the isolation of the hot wall in the method of the flat plate should be taken to minimize the heat exchange coefficient and thus reduce convection heat losses. Also, should be conducted in both methods, at least two tests with at least two material standards of isolation, in order to perform a calibration of the apparatus, and thus to guarantee the validity of the data, enabling the use of methods.
Key words: Comparative Analysis, Conductivity, EVA, Cylindrical Propagation, Plane Propagation.
SUMÁRIO CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO ...11 1.1 APRESENT AÇÃO ...11 1.2 JUSTIFICAT IVA ...12 1.3 OBJET IVOS ...13 1.3.1 OBJETIVO GERAL ...13 1.3.2 OBJETIVOS ESPECIFÍCOS ...14
CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...15
2.1 MECANISMOS DE PROPAGAÇÃO DE CALOR ...15
2.1.1 CONDUÇÃO ...15
2.1.2 CONVECÇÃO ...18
2.1.3 RADIAÇÃO ...21
2.2 NOVOS MATERIAIS ISOLANTES ...21
2.2 NORMAS PARA A DETERMINAÇÃO DE COEFICIENTES DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA E PROPRIEDADES ISOLANTES. ...23
2.2.1 MEDIDOR DE FLUXO DE CALOR ...24
2.2.2 PLACA QUENTE PROTEGIDA ...25
2.3 TERMOPAR ...27
2.4 ISOLANTES TÉRMICOS...27
2.4.1 CONFORTO TÉRMICO ...29
2.5 DESCRIÇÃO DO EVA ...30
CAPÍTULO 3 – MATERIAIS E MÉTODOS ...31
3.1 PLACA PLANA ...32
3.2 PAREDE CILÍNDRICA [ RESISTÊNCIA DE CARTUCHO] ...36
CAPÍTULO 4 – RESULTADOS E DISCUSSÕES...42
4.2 ANÁLISE COMPARATIVA DA EFICIÊNCIA ENTRE OS MÉTODOS DE EXPERIMENTO
...44
4.3 ANÁLISE DO CONSUMO DOS MÉTODOS DE EXPERIMENTO ...46
4.3 CÁLCULO DA CONDUT IVIDADE ...48
4.2 ANALISE DA ADESÃO DOS MÉTODOS AS NORMAS ...52
CAPÍTULO 5 – CONCLUSÃO ...54
5.1 CONCLUSÃO ...54
5.2 SUGESTÕES PARA CONT INUIDADE DA PESQUISA ...54
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
1.1 APRESENTAÇÃO
Com o avanço da tecnologia, o desenvolvimento de novos materiais, principalmente os polímeros que são isolantes, tem se tornado algo corriqueiro. Tendo como principal objetivo a substituição dos materiais velhos por materiais mais eficientes que ofereçam uma melhor relação custo – benefício. Porém, para poder dar a aplicação correta a estes materiais, é necessário que se tenha conhecimento aprofundado das propriedades térmicas e mecânicas dos mesmos. Assim, torna-se necessário o desenvolvimento e/ou aprimoramento de novas técnicas para a determinação destas propriedades.
Essas propriedades podem ser, em alguns casos, determinadas por modelagem matemática ou computacional ou então por meio de experimentação. A vantagem de se usar um método experimental é de o mesmo poder simular até condições reais de funcionamento de uma amostra, diminuindo os erros que seriam encontrados em modelagens puramente matemáticas ou computacionais. [24]
Inúmeras pesquisas têm sido realizadas com base nesses materiais isolantes com intuito de permitir a melhoria da sua resistência térmica, da resistência às intempéries, para garantir que o material tenha baixo peso, boa resistência mecânica, tenha facilidade de tomar várias formas, e principalmente que seja de custo menor que os isolantes convencionais. Neste campo os materiais poliméricos, cerâmicos e compósitos são os mais estudados.
O uso do copolímero etileno co-acetato de vinila (EVA) é bastante intenso na indústria calçadista, principalmente como solados. Atualmente existe uma grande preocupação devido a elevada quantidade de rebarbas geradas devido ao uso deste material. As atuais preocupações com a preservação do meio ambiente trazem um grande problema para este setor, em relação ao destino que deve ser dado aos resíduos de EVA. A reciclagem
deste material torna-se progressivamente necessária e alguns métodos podem ser encontrados na literatura voltados a esta finalidade.
A reciclagem dessas aparas tem impactos ambientais e econômicos, e uma das alternativas do reaproveitamento é a utilização destes resíduos como forma de manta prensada para utilização com revestimento/isolamento térmico. Para isso é necessário caracterizar o material e avaliar suas propriedades de absorção e isolamento do calor.
A análise térmica dos materiais é uma ferramenta muito útil para fornecer informações de maneira rápida para caracterização e identificação de uma composição polimérica. O campo das análises térmicas envolve uma série de técnicas que acompanham mudanças nas propriedades físicas ou químicas de materiais em função da temperatura.
Testes como Placa quente protegida e o Medidor de fluxo de calor, normatizados por padrões nacionais e internacionais, são bastante utilizados para determinação da condutividade térmica. Em adição, tem-se a análise termogravimétrica (TGA) que, especificamente, dá indicações do nível de degradação a que o material analisado foi submetido durante seu processamento.
1.2 JUSTIFICATIVA
Os métodos utilizados para medição das propriedades termofísicas de materiais estão em constante desenvolvimento, e os processos que envolvem transferência de calor são continuamente estudados. A cada ano surgem novos métodos e novas propostas de medição e controle das variáveis térmicas.
As propriedades termofísicas dos materiais isolantes, são de extrema importância e precisam apresentar resultados confiáveis, pois é larga a faixa de utilização desses novos materiais na indústria que trabalham diretamente influenciados pelo calor ou por trocas térmicas.
Os principais parâmetros que caracterizam a eficiência de um isolamento térmico são: densidade, forma, composição, espessura, temperaturas mínimas e máxima a que suportam, resistência à compressão, absorção de água, coeficiente de condutibilidade térmica, cheiro, cor, resistência à flexão, resistência ao cisalhamento, resistência à vibração mecânica, estabilidade térmica, fator de resistência à difusão do vapor de água, resistência ao fogo, e outras. [9]
Assim, o objetivo deste trabalho é analisar duas propostas de métodos experimentais que permitem obter a condutividade térmica em regime permanente para amostras de materiais desconhecidos. É proposto um sistema semelhante ao da placa quente protegida e o medidor do fluxo de calor nos quais os estímulos dados às amostras serão na forma de fluxo de calor, e a resposta a ser obtida será um gradiente de temperatura, considerando os regimes permanentes e o fluxo de calor unidimensional.
Neste contexto, o presente estudo irá apresentar a viabilidade da utilização de novos aparelhos de teste, através da comparação entre os mesmos e suas adesões com as normas, utilizando a análise de um novo material reciclável, danoso ao meio ambiente, buscando-se contribuir para uma indústria calçadista mais produtiva e menos agressiva à natureza, que leve em consideração a sustentabilidade na produção destes materiais.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1OBJETIVOGERAL
O objetivo geral do trabalho é fazer uma análise comparativa dos métodos – Parede plana e Parede Cilíndrica – utilizados no ensaio térmico de mantas de EVA de acordo com as normas.
1.3.2OBJETIVOSESPECIFÍCOS
o Indicar os pontos em que os métodos se adequaram ou não as normas;
o Comparar os resultados dos testes com os padrões estabelecidos pelos laboratórios científicos;
o Determinar o consumo de energia em cada processo; o Validar e apontar melhorias as aplicabilidades dos métodos;
CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 MECANISMOS DE PROPAGAÇÃO DE CALOR
Existem três formas de transmissão de calor: condução, convecção e radiação. Tais formas são fundamentalmente diferentes, regidas por leis próprias, mas que, na realidade, podem ocorrer simultaneamente, o que torna muito complexa a solução absolutamente exata de um problema de transmissão de calor. [12]
Figura 1 – Mecanismos da propagação do calor. [Autor, 2016]
O bom senso, a experiência e o adequado conhecimento do engenheiro dão-lhe a oportunidade de desprezar uma ou até duas formas de transmissão de calor, no projeto ou num problema de Engenharia, desde que as formas não consideradas tenham presença insignificante não ocasionando falhas nos resultados finais e oferecendo, autenticamente, uma solução de Engenharia não deixando um problema sem solução . [12]
A condução pode ser definida como o processo pelo qual a energia é transferida de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa dentro de um meio (sólido, líquido ou gasoso) ou entre meios diferentes em contato direto[3]. Este mecanismo pode ser visualizado como a transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas menos energéticas de uma substância devido a interações entre elas.
FIGURA 2 – Transferência de calor por condução [25]
A energia (calor) do corpo de temperatura mais elevada agita as moléculas do corpo de temperatura inferior, fazendo com que a energia cinética média das moléculas deste último se eleve, aumentando, assim, sua energia interna. Consequentemente, a temperatura do corpo que está absorvendo a energia em forma de calor se eleva até o estado de equilíbrio onde a temperatura dos corpos se igualam. [3]
Para ilustrar este fenômeno, imagina-se um bule com água fervendo ao fogão. O fogo aquece o bule, o qual, por condução, aquece a parcela de líquido que está em contato direto com o mesmo. Esta transmissão de calor por condução é a única maneira de que o calor pode ser transmitido entre corpos sólidos opacos. Já em meios líquidos, a condução também apresenta grande importância, embora esteja, quase sempre, relacionada com outros meios de transmissão de calor. [3]
Segundo análise do cientista francês J.B.J. Fourier, em 1882, a quantidade de calor transmitida por condução segue a seguinte lei:
𝑞
𝑥= − 𝑘𝐴
𝑑𝑇Na equação acima, k representa a condutividade térmica do material, A representa a área da seção através da qual o calor flui por condução (medida perpendicularmente à direção do fluxo), e dT/dx representa o gradiente de temperatura na seção. Nesta formulação, toma-se como convenção a direção de aumento na coordenada x como fluxo positivo de calor. Sabendo-se que, pela segunda lei da termodinâmica, o calor flui da região de maior temperatura para a região de menor temperatura, deve-se adotar o sinal negativo para o produto acima, conforme mostra a equação. [3]
A equação (1) é chamada de lei de Fourier da condução de calor, em homenagem ao físico matemático francês Joseph Fourier que trouxe contribuições significativas ao tratamento analítico da transferência de calor por condução. É importante observar que a (1) é a equação de definição de condutividade térmica e que 𝑘 tem unidade de watt por metro por grau Celsius [𝑊
𝑚℃] no Sistema Internacional de Unidades (SI). [3]
Com base nesta definição, podem ser feitas medidas experimentais para a determinação da condutividade térmica de diferentes materiais. Os materiais que têm alta condutibilidade térmica são chamados condutores, enquanto os de baixa condutibilidade são chamados isolantes.
Aplicando a fórmula acima a uma parede plana, em regime permanente, pode-se facilmente chegar ao seguinte resultado:
𝑞𝑥 = 𝐴𝑘∆𝑇
𝐿 (2) Onde L é a espessura da parede.
Dividindo os dois termos pelo fator 𝑘𝐴, teremos que a quantidade de calor transmitida por unidade de tempo será igual à diferença de temperatura entre os dois lados da parede, sobre o fator 𝐿
𝐴𝑘 . A esse último fator, dá-se o nome de Resistência Térmica à Condução. Portanto, define-se Resistência Térmica à Condução como segue [3]:
𝑅 = 𝐿
Portanto, a quantidade de calor por unidade de tempo transmitida em regime permanente por uma parede plana pode ser escrita simplesmente como:
𝑞𝑥 = ∆𝑇 𝑅
Esta equação é bastante usada para simplificar problemas de Transmissão de Calor.
2.1.2 CONVECÇÃO
A convecção é o processo de transferência de energia através do movimento de matéria, por efeito de uma diferença de temperatura. A convecção ocorre tipicamente em fluidos (líquidos e gases). [3]
FIGURA 3 – Transferência de calor por Convecção. [25]
Em um fluido, onde a mobilidade das partículas é grande, as partículas aquecidas pelo contato direto com a superfície sólida tendem a migrar para locais onde as temperaturas são mais baixas. Esta movimentação de partículas acarreta uma transferência de energia de uma posição para a outra, caracterizando a transmissão de calor por convecção. [3]
Quando aquecemos um fluido, inicialmente só a região próxima a fonte de calor se aquece, aumentando o seu volume como consequência da agitação de suas partículas.
Esse aumento no volume, sem alteração na massa, leva a uma diminuição da densidade do fluido nessa região. Como os fluidos densos ficam abaixo dos menos densos, o fluido aquecido e menos denso começa a subir provocando assim uma corrente ascendente. [3]
A medida que a corrente quente sobe, vai ocorrendo o aquecimento dos níveis acima, enquanto isso ela própria vai esfriando, sofrendo agora um processo inverso ao inicial, pois a sua densidade volta a aumentar, por consequência disso volta a desce, reiniciando o processo. Formando assim as correntes de convecção, pelas qual o fluido se aquece. [3]
Neste caso, como o líquido se movimenta livremente devido à diferença de temperatura, diz-se que se trata de convecção livre. Em casos onde a mistura é causada por algum agente externo, como bombas ou ventiladores, por exemplo, diz-se que se trata de convecção forçada. [3]
Levando em conta o modo como se estabelecem as correntes de convecção, podemos compreender, por exemplo, a posição em que deve ser colocado, em um aposento, um aparelho condicionador de ar para maximizar sua eficiência em dada estação do ano. [3] O calor, por unidade de tempo, transmitido de uma superfície sólida para um fluido, por convecção, pode ser calculado da seguinte forma:
𝑞𝑐= ℎ𝑐 . 𝐴 . ∆𝑇 (3)
Na fórmula acima, ℎ𝑐 representa o coeficiente médio de transmissão de calor por convecção, o qual depende dependente da geometria da superfície, da velocidade do fluido e das propriedades físicas do fluido, incluindo sua temperatura. Em geral, hc é medido em 𝑘𝑐𝑎𝑙
ℎ ℃ 𝑚2. A grandeza A representa a área de transmissão de Calor, em 𝑚 2 , e
𝛥𝑇 é a diferença de temperaturas entre a da superfície T
s e a do fluido em um local especificado T∞. [3]
A Condutância térmica por convecção é definida como segue:
𝐾𝑐 = ℎ𝑐. 𝐴
Reciprocamente, a Resistência térmica por convecção é dada como 𝑅𝑐 = 1 𝐾𝑐.
Portanto, a fórmula quantidade de calor transmitida por convecção por unidade de tempo pode ser escrita como segue:
𝑞𝑐 =∆𝑇
𝑅𝑐 (4)
Em geral, nas aplicações reais, os processos de transmissão de calor são dados não por um dos fenômenos acima, mas, como o simples exemplo do bule indica, por uma combinação destes fenômenos. Assim, a quantidade de calor total transmitida em um processo real deve ser escrita da seguinte forma:
𝑞𝑐 = ∆𝑇
(𝑅1+ 𝑅2+ 𝑅3+ ⋯ + 𝑅𝑛)
O termo (1/R
1 + R2 + R3 + ...+ Rn) é usualmente substituído pelo chamado coeficiente global de transmissão de calor, U. Este coeficiente é calculado por unidade de área, portanto, para se expressar a quantidade de calor transmitida, deve-se tomar a seguinte formulação:
𝑞 = 𝑈 . 𝐴 . 𝛥𝑇
O coeficiente U pode ser baseado em qualquer área escolhida.
Por último, para se determinar o coeficiente combinado de transmissão de calor, h, deve-se tomar a seguinte relação:
2.1.3RADIAÇÃO
Ao contrário dos mecanismos de condução e convecção, onde a energia é transferida através de um meio natural, o calor pode também ser transferido em regiões onde existe o vácuo perfeito. O mecanismo neste caso é a radiação eletromagnética que é propagada como resultado de uma diferença de temperatura, trata-se da radiação térmica. [3]
FIGURA 4 – Transferência de calor por radiação [Autor, 2016]
Considerações termodinâmicas mostram que um radiador ideal, ou corpo negro, emite energia numa taxa proporcional à quarta potência da temperatura absoluta do corpo. Quando dois corpos trocam calor por radiação, a troca líquida de calor é proporcional à diferença 𝑇4. Assim,
𝑞 = 𝜎𝐴(𝑇14 – 𝑇24) (5)
Onde σ é a constante de proporcionalidade chamada de constante de Stefan-Boltzmann que vale 𝜎 = 5,669 𝑥 10 − 8 𝑊
𝑚2 .𝐾4 . A Eq. (5) é chamada de lei de
Stefan-Boltzmann da radiação térmica e vale somente para corpos negros. É importante observar que esta equação é válida somente para radiação térmica; outros tipos de radiação eletromagnética podem necessitar a dedução de equações especificas. [3]
Durante o estudo, análise e/ou desenvolvimento de novos materiais para utilização como revestimentos térmicos, é necessária uma análise da faixa na qual as propriedades termofísicas do material corresponde a aplicação desejada. Algumas das perguntas, no que diz respeito às propriedades do material, que surgem são:
A. Como o material se comporta com a presença de uma fonte de calor? B. Qual a taxa de transferência de calor reduzida pelo material?
C. Como o isolante muda com o clima, e como eu posso provar isso? D. Em caso de Incêndio, quão seguro e refratário o material é?
Para responder questões como essas, propriedades dos materiais como difusividade e condutividade térmica devem ser conhecidas.
A condutividade térmica é definida como a quantidade de calor que flui através de uma unidade de área por unidade de tempo sob um gradiente de temperatura unitário. Trata-se de uma propriedade térmica importante porque determina a capacidade do material em transferir energia em forma de calor. [23]
A difusividade térmica é a propriedade física definida pela relação entre a condutividade térmica e o calor específico volumétrico. Esta grandeza expressa a rapidez de mudança da temperatura do material, quando submetido às variações de temperatura externa. Quanto maior o valor da difusividade térmica, mais rapidamente a energia térmica irá se difundir através do material. Ao contrário, materiais que possuem baixos valores de difusividade térmica são capazes de reter a energia por mais tempo. [23]
Para analisar isolantes no que se refere ao seu comportamento na transferência de calor, o medidor de fluxo de calor, regido pela ASTM C 518 ou a Placa quente protegida são geralmente usados. Para cerâmica altamente condutora, metais ou compósitos de diamante, o Flash Laser Método (LFA) é muitas vezes empregado. A condutividade térmica de materiais refratários é determinada em amostras grandes com sistemas de fio quente. [16]
Além disso, outras propriedades termofísicas tais como o calor específico (Cp) pode ser analisado com alta temperatura calorímetro de varredura diferencial (DSC), enquanto
que as mudanças de densidade e comprimento pode ser investigada com dilatômetros. [16]
As análises e teste devem ser feitos a partir das exigências funcionais dos isolantes térmicos, tais como:
1. Segurança contra incêndio
2. Qualidade do ar (Teor/Libertação de substâncias perigosas) 3. Conforto acústico
4. Conforto visual e qualidade do aspecto 5. Durabilidade
6. Condutibilidade térmica/resistência térmica
7. Absorção de água: por imersão; por capilaridade; por gravidade 8. Resistência a tensões de flexão e tração
2.2 NORMAS PARA A DETERMINAÇÃO DE COEFICIENTES DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA E PROPRIEDADES ISOLANTES.
Os valores da condutividade térmica de um material podem ser medidos de acordo com padrões nacionais e internacionais. Estes padrões podem ser divididos em dois grupos, o método do Medidor do fluxo de calor e da Placa quente protegida. A tabela abaixo contém uma lista de normas que tem sido usada para determinar as propriedades térmicas de isolantes.
MÉTODO NORMA
MEDIDOR DO FLUXO DE CALOR ISO 8301, EM 12667, ASTM C518
PLACA QUENTE PROTEGIDA ISO 8302, EN12667, ASTM C177, BS874-2, DIN
Os princípios de funcionamento de cada teste, segundo as normas citadas anteriormente, são descritos abaixo.
2.2.1MEDIDORDEFLUXODECALOR
Este método de teste fornece um meio rápido de determinar as propriedades de transmissão térmica de estado estacionário de isolantes térmicos e outros materiais com um alto nível de precisão quando o aparelho for calibrado de forma adequada.
FIGURA 5 – Medidor do Fluxo de Calor. [Autor, 2016]
A amostra é colocada entre uma placa quente e uma placa fria e o fluxo de calor criado pela diferença de temperatura bem definida é medida com um sensor de fluxo de calor. O usuário coloca a amostra entre duas placas aquecidas controladas a uma temperatura média da amostra e queda de temperatura definidas pelo usuário. Termopares embutido nas superfícies medidas da placa e da amostra fornecem a queda de temperatura através da amostra. As temperaturas das placas são controladas por sistemas de Peltier.
Resfriamento/ aquecimento dos sistemas de Peltier é feito usando um círculo de fluido integrado. O fluido é arrefecido por um sistema integrado forçado sistema de refrigeração de ar. Para temperaturas muito baixas, o sistema de refrigeração de ar forçado. [16]
Efeito Peltier é a produção de um gradiente de temperatura na união de dois semicondutores, ou condutores, de materiais distintos quando submetidos a uma diferença de potencial. O efeito Peltier é utilizado em coolers em que usando uma diferença de potencial se pode transferir calor da junção fria para quente aplicando-se a polaridade elétrica adequada (É um refrigerador no sentido termodinâmico da palavra). [15]
O efeito Peltier é o inverso do termopar: uma corrente elétrica é forçada a passar por junções de metais diferentes, resultando em aquecimento de uma e resfriamento de outra.
O instrumento é calibrado com um material padrão de referência de condutividade térmica conhecida com as placas a temperaturas entre 0 ° C e 100 ° C. Daí a condutividade é calculada a partir dos dados de calibração, de espessura da amostra e da queda de temperatura através da amostra. Claro que, o operador pode utilizar qualquer material padrão para a calibração da unidade.
A calibração correta do aparelho medidor de fluxo de calor exige que seja calibrado usando amostra (s) possuindo propriedades de transmissão térmica determinados previamente por métodos de ensaio C177, ou C1114.
NOTA 1: A calibração do aparelho exige tipicamente materiais que são semelhantes aos tipos de materiais, condutâncias térmicas, espessuras, as temperaturas médias e os gradientes de temperatura, como esperado para as amostras de teste.
2.2.2PLACA QUENTEPROTEGIDA
Este método é utilizado para determinar a condutividade térmica de amostras planas de materiais homogêneos. De modo geral, ele é usado para ensaiar amostras de materiais isolantes ou com condutividade térmica baixa [18].
O método da placa quente protegida, é tradicionalmente reconhecido como o único método absoluto para medição de condutividade térmica em estado estacionário de materiais homogéneos capazes de alcançar uma incerteza global de medição abaixo de 2% [6]. O método é definido num padrão internacional, e através dele é possível determinar a condutividade, a resistência térmica e outras propriedades relacionadas.
FIGURA 6 – Placa Quente Protegida. [18]
O seu princípio é o seguinte: a amostra analisada é ensanduichada entre uma placa de aquecimento eletricamente aquecido mantido a temperatura 𝑇ℎ, e uma placa fria mantida a uma temperatura inferior 𝑇𝑐. [5]
O calor dissipado pelo efeito Joule na placa quente iria viajar para a placa fria através da amostra, mas também para trás e lateralmente, nas bordas da placa de aquecimento. "zonas de segurança" para trás e lateral são então necessários para neutralizar esses vazamentos. Ao manter as diferentes zonas de segurança à mesma temperatura 𝑇ℎ com
controle preciso, todas as transferências térmicas indesejadas são, na verdade cancelada. [5]
A concepção do GHP feita em conformidade com as recomendações da ISO 8302, a fim de garantir uma precisão de 2% para a temperatura média do teste em torno da
temperatura ambiente e uma repetitividade de 0,5% com duas medições sucessivas na mesma amostra. [5]
2.3 TERMOPAR
O aquecimento de dois metais diferentes com temperaturas diferentes em suas extremidades, gera o aparecimento de uma F.E.M. (da ordem de mV). Este princípio conhecido como efeito Seebeck propiciou a utilização de termopares para medição de temperatura. [17]
Um termopar ou par termométrico consiste de dois condutores metálicos de natureza distinta, na forma de metais puros ou ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo ao qual se dá o nome de junção de medição. A outra extremidade, junção de referência é levada ao instrumento medidor por onde flui a corrente gerada. Uma aplicação desta lei é que podemos medir temperaturas em pontos bem definidos com os termopares, pois o importante é a diferença de temperatura entre as suas junções. [17]
2.4 ISOLANTES TÉRMICOS
Os isolantes são materiais de baixo coeficiente de condutividade, que tem por finalidade, impedi trocas térmicas indesejáveis, ou seja, ele impede a passagem de calor entre dois meios ou ambientes que poderiam naturalmente ficar com temperaturas iguais. [19]
Os materiais isolantes, também chamados de materiais dielétricos, são materiais, em que os elétrons estão fortemente ligados ao núcleo atômico, dessa forma, eles não possuem elétrons livres ou a quantidade é tão pequena que pode ser desprezada. Dessa maneira, não permitem passagem de corrente elétrica. São bons exemplos de materiais isolantes: o vidro, a borracha, a cerâmica e o plástico. [19]
Os isolantes são normalmente materiais porosos ou fibrosos, cuja elevada resistência térmica se deve à baixa condutividade de ar contido em seus vazios de modo que concentrem o ar seco e o guarde dentro de suas células. Na parte sólida a transferência de calor se dá por condução, no entanto, na parte vazia, devido à imobilidade do ar e do princípio das placas intermediárias, tanto a convecção como a irradiação são desprezíveis. Assim, quanto menor a densidade e maior o número de poros, maior o poder de isolamento. [19]
Um bom isolante deve apresentar as seguintes qualidades:
o Ter baixa condutividade térmica; o Ter boa resistência mecânica;
o Não sofrer fisicamente influência da temperatura em que é aplicado; o Não ser combustível;
o Ser imputrescível;
o Ter baixa permeabilidade ao vapor d’água; o Ter baixo custo.
Como o próprio nome já remete o isolamento térmico tem a função de isolar temperaturas, sejam elas altas ou baixas. Para isolar temperaturas com eficiência são necessários materiais específicos que sejam resistentes e se adaptem às necessidades. Os materiais usados como isolantes são:
o Fibra de madeira aglomerada; o Cortiça; o Lã de vidro; o Lã de rocha; o Concreto celular; o Espuma de borracha; o Poliestireno expandido;
o Espumas de poliuretano; o Espaço livre entre paredes.
Existem muitos tipos de materiais que oferecem um bom isolamento, tudo depende da temperatura do local, o ambiente, ou seja, o fator determinante para escolha do material será a sua aplicação.
As principais vantagens de um bom isolamento térmico são:
o Maior conservação de energia, pois o material reduz a perda ou os ganhos de calor;
o Maior eficiência no processo de resfriamento ou aquecimento;
o Garantia de controle de temperatura a fim de proteger pessoas ou equipamentos; o Instalação rápida e barata;
o Não ser inflamável;
o Manutenção mínima, pois o material tem grande durabilidade e vida útil.
2.4.1CONFORTOTÉRMICO
É o estado mental que expressa a satisfação do homem com o ambiente térmico que o circunda. O desconforto, pelo contrário, vem com a sensação de calor ou frio, quando o corpo não consegue dissipar o calor produzido por seu metabolismo para manter sua temperatura interna, ou perde calor demais para o ambiente. Quanto maior for o trabalho do organismo para manter sua temperatura interna, maior será a sensação de desconforto. [6]
O homem é um ser homotérmico, isto é, pode manter relativamente constante dentro de certos limites a temperatura corporal interna, independente da temperatura ambiente. Portanto, deverá haver permanente e imediata eliminação do excesso de calor produzido por seu metabolismo para que a temperatura do corpo possa ser mantida constante. [6]
O controle da temperatura corporal é realizado por um sistema chamado de termorregulador que comanda, por meio da vasodilatação e vasoconstrição, a quantidade
de sangue que circula na superfície do corpo, possibilitando, respectivamente, maior ou menor troca de calor com o meio. A pele é o principal órgão termorregulador do organismo humano. [6]
2.5 DESCRIÇÃO DO EVA
O EVA é um copolímero de Etileno e Acetato de Vinila formado por cadeias de sequências aleatórias de polietileno, ele também é conhecido como e hoje é muito utilizado na indústria calçadista, que por sua vez gera resíduos desse polímero. Possui resistência ao impacto, baixa ruptura e menor módulo de elasticidade comparado aos polímeros regularmente encontrados no mercado. [2]
Cerca de 18% da massa residual do EVA é gerado no processo de corte e acabamento dos solados de calçados, o que por sua vez rende aproximadamente 8 toneladas por ano. [2]
Dados cedidos pela Bibi Calçados, uma indústria calçadista local indicam uma geração de resíduos de 160 𝑘𝑔/𝑚ê𝑠 e 1920 𝑡𝑜𝑛/𝑎𝑛𝑜 de EVA no processo de corte e acabamento das solas, palmilhas e entressolas de calçados fabricados na empresa. Reaproveitar os resíduos descartados pela Bibi Calçados terá um efeito de minimização do impacto ambiental e a geração de produtos com potencial econômico. [8]
CAPÍTULO 3 – MATERIAIS E MÉTODOS
Nesta sessão serão descritos os materiais utilizados para a desenvolvimento dos testes realizados, assim como os métodos utilizados para utilização de cada um deles. Apresenta-se a seguir os materiais que foram comuns em ambos os testes.
I. Mantas EVA
As mantas de EVA utilizadas como corpos de prova nos experimentos foram confeccionadas e cedidas pela empresa Bibi Calçados. Estas mantas são resultadas do reprocessamento das rebarbas do EVA, provenientes do processo produtivo da empresa calçadista Bibi Calçados, onde são moídas e prensadas de forma a compor a manta.
Devido a diferença de composição dos materiais utilizados, as mantas utilizadas no experimento são de duas configurações, conforme explicitado a seguir:
FIGURA 8 – I. Manta Fina, II. Manta Grossa.
As mantas foram ensaiadas em seis diferentes configurações: 1. Uma manta fina.
2. Uma manta grossa. 3. Duas mantas finas. 4. Duas mantas grossas.
6. Uma manta grossa (interna) e uma manta fina (externa).
II. Termopares
Para o monitoramento de temperatura em ambos os testes foram utilizados três termopares do tipo “K”, dois deles conectados a dois multímetros monitorando a diferença de temperatura entre as superfícies da manta, e um terceiro termopar ligado ao micro controlador.
Este tipo de termopar é recomendado para uso em atmosferas oxidante e inerte até 1372ºC. O que leva a sua aplicação a altas temperaturas superior aos outros tipos de termopares.
3.1 PLACA PLANA
Para realização do experimento foi necessário construir uma aparelhagem em configuração de parede plana que permitisse o aquecimento de uma face do corpo de prova analisado, enquanto a outra face encontrava-se exposta ao ambiente, devendo contar também com o monitoramento da temperatura. A figura abaixo esboça a construção básica da aparelhagem. [22]
FIGURA 9 Constituição básica da aparelhagem [22]
Dessa forma são listados a seguir os materiais utilizados para a montagem desse aparato.
I. Mantas de EVA (corpo de prova)
Essas mantas foram cortadas em pedaços nas dimensões 210 mm x 210 mm para fixação na placa quente.
II. Placa quente
Para a montagem da placa quente foi utilizada uma placa de aço 1020 com dimensões 300 mm x 300 mm x 12,7 mm, fixada em um suporte também de aço.
III. Resistência
O aquecimento da parede foi realizado com o uso de uma resistência em espiral, fixadas a chapa por oito miçangas de cerâmica, e controle da temperatura foi feito com o uso de um micro controlador ligado a resistência.
Para o monitoramento de temperatura foi feito um sistema com três termopares. tipo “K”, dois deles conectados a dois multímetros, e um terceiro termopar ligado ao micro controlador.
MÉTODOS
Os experimentos para a avaliação da capacidade de isolamento térmico das mantas de EVA foram realizados com base nas normas ABNT CE 02:135.07-001/04, ISO 8302, ASTM C-177, ASTM C-518 e ASTM C- 1114, utilizadas mediante algumas adaptações. [22]
A aplicação desse método é baseada nas condições de gradiente de temperatura médio estabelecido sobre a manta de EVA, por meio de um fluxo de calor em regime permanente, considerando que o corpo de prova está transferindo calor por meio de condução unidimensional e convecção livre. [22]
Para montagem do experimento a placa de aço 1020 foi fixada ao suporte de aço de forma a garantir sua estabilidade, posteriormente, em um dos lados foi realizada a fixação das miçangas de cerâmica e instalada a resistência elétrica. Conforme ilustrado nas figuras:
FIGURA 10 – Placa com miçangas e resistência elétrica fixadas [22]
Para o monitoramento de temperatura foram instalados três termopares. Um termopar foi posto na parte traseira da placa, onde se encontrava a resistência, esse termopar estava ligado ao micro controlador que por sua vez manipulava o avanço de temperatura da resistência elétrica. [22]
Os outros dois termopares foram conectados a dois multímetros, realizando o monitoramento das temperaturas na manta, um instalado entre a chapa e a manta (temperatura interna) e o outro instalado na superfície livre da manta (temperatura externa). [22]
Foram tomados cuidados em relação à fixação das mantas para garantir a planicidade e um maior contato das superfícies, o que potencializa a transferência de calor. [22]
Para as temperaturas de ensaio o micro controlador foi iniciado em 50°C, e aumentado de 50 em 50 de acordo com a estabilização da resistência em cada ponto até atingir 200 °C, no entanto devido à resistência térmica imposta pela própria chapa, a temperatura da face em contato com a manta é inferior. O controle das medições no visor do multímetro foi realizado a cada 5 minutos. O teste foi mantido para cada configuração até o momento em que não houvesse variação entre duas medidas consecutivas. [22]
Após a coleta dos valores de tensão indicados pelo multímetro, foi utilizada a tabela de correlação de tensão e temperatura para o termopar tipo “K”, para obtenção dos valores das temperaturas internas e externas em cada ponto. [22]
Tendo em vista que as tabelas normatizadas de correlação entre tensão e temperatura para os termopares são feitas considerando a junta de referência a 0 ºC, enquanto que nos experimentos a temperatura de referência seria a ambiente, foi necessário o uso de uma correção nos valores obtidos no multímetro para a consulta a tabela. A calibração do termopar resultou em um valor correção de 0,8 mV, logo para cada valor obtido no multímetro durante o experimento foi adicionada a correção e o valor final foi então o consultado. [22]
De posse das temperaturas foram então calculadas a eficiência de cada ponto e a eficiência média da configuração, podendo então analisar qual possui melhor aplicabilidade. [22]
3.2 PAREDE CILÍNDRICA [ RESISTÊNCIA DE CARTUCHO]
Resistores de cartucho, ou resistência de cartucho como são comumente chamados, consistem de maneira simples em resistores de aquecimento projetados para trabalharem em uma ampla faixa de temperaturas, suportando altas densidades térmicas e impactos mecânicos. Isto porque, possui processo de fabricação de alta pressão e retifica de precisão. [21]
FIGURA 11 – Modelo de Resistência de Cartucho [21]
Para a execução do trabalho, a resistência de cartucho atuou como sistema de aquecimento. Sua escolha se deu, de modo a facilitar o transcorrer do procedimento, visto que, seu formato se adéqua a necessidade do projeto – parede cilíndrica – não havendo necessidade de montagem ou adaptação de um corpo de prova. Que poderia levar a um trabalho desnecessário e provavelmente dispendioso. [21]
A montagem da resistência no experimento é mostrada na Figura a seguir.
FIGURA 12 – Montagem da Resistência de Cartucho [21]
Em que o termopar que se encontra em contato com a resistência é responsável pelo controle da temperatura desta.
O sistema mostrado na Figura, foi utilizado para o controle da temperatura da resistência.
FIGURA 13 - Sistema de Controle de Temperatura. a) e b) controlador e c) controlador montado ao relê e d) montagem detalhada do relê. [21]
Foi necessária a utilização de um relê externo. Isto, porque a corrente necessária para a potência de funcionamento da resistência era muito superior ao do controlador, inviabilizando o andamento do experimento. [21]
MANTA DE EVA
O composto EVA, atuou como corpo de prova, ou seja, como material isolante testado.
Para a execução dos testes os corpos de prova foram dispostos na área externa da resistência de cartucho, de modo a formarem cascas cilíndricas, e em suas extremidades de modo a garantir isolamento térmico total do procedimento como mostrado na figura. [21]
Ainda, foram utilizadas diferentes configurações, variando espessuras de isolamento e quantidades de corpos de prova que eram dispostos, a fim de obter a situação de melhor aproveitamento do material. [21]
FIGURA 14 – Montagem do Teste. [21]
Foram realizados testes com duas configurações diferentes, sendo elas:
1. Parede simples: apenas uma camada de EVA recobrindo a resistência de cartucho. Primeiro teste com a manta de composição antiga e segundo teste com a manta de nova composição. [21]
2. Parede composta: Duas camadas de EVA recobrindo a resistência de cartucho. Com esta configuração foram realizados quatro testes. O primeiro deles com duas camadas da manta antiga. O segundo com duas camadas da manta atual. Nos dois últimos foram realizados com a combinação das mantas. No terceiro teste a parede composta tinha como isolante interno a manta de composição antiga e externamente a manta de nova composição. No quarto teste essa configuração foi invertida. [21]
TERMOPAR
Termopares tipo K são assim denominados pela norma ANSI (American National Standards Institute). [21]
Este tipo de termopar é recomendado para uso em atmosferas oxidante e inerte até 1372ºC. O que leva a sua aplicação a altas temperaturas superior aos outros tipos de termopares. [21]
(+) Chromel – Ni (90%) e Cr (10%)
(-) Alumel – Ni (95,4%), Mn (1,8%), Si (1,6%), Al (1,2%). [13]
Este termopar está incluído na categoria de termopares básicos, ou seja, de maior uso industrial, em decorrência do baixo custo e de maior tolerância no uso. [21]
Durante os testes, os termopares foram dispostos em diferentes camadas seguindo uma ordem lógica, descrita a seguir:
A. Termopares foram previamente calibrados e prontos para o uso;
B. Um dos termopares foi fixado na interface resistência de cartucho – corpo de prova – para controle de temperatura da resistência. Este termopar permanece ligado a resistência e ao controlador durante todos os testes;
C. O segundo dos termopares foi fixado diretamente na resistência de cartucho, para realização da medição da temperatura interna;
D. O terceiro dos termopares foi fixado na diretamente nos corpos de prova, na região externa;
E. Ambos os termopares foram dispostos alinhados na mesma posição em ambas as interfaces;
F. Medidas em mV (miliVolts) coletados pelos multímetros. Os passos listados acima são mostrados na Figura.
Depois dos dados de F.E.M colhidos (como mostrado na Figura 16 f), foi utilizada a tabela K para a conversão dos valores de mV para ºC. A tabela K encontra-se nos anexos desse trabalho. [21]
Os testes tiveram duração numa faixa de 7 a 8 minutos, dependendo da velocidade de aquecimento da resistência no decorrer do procedimento. [21]
Foram tomadas cinco medidas para cada valor de temperatura em cada teste. Como critério para tomada das medidas foi adotado o mecanismo de equilíbrio do controlador. A cada vez em que o controlador desligava/ligava para a temperatura indicada uma medida era tomada. [21]
CAPÍTULO 4 – RESULTADOS E DISCUSSÕES
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.
