MF2014 0827 Palestra 3 Antonio Mariani Armacell

7/24/2019 MF2014 0827 Palestra 3 Antonio Mariani Armacell

1/65

1

Palestra

Palestrante

NOVAS TECNOLOGIAS PARAISOLAMENTO TRMICO DETUBULAES E DUTOS

Antonio Lus de Campos Mariani

EFEITOS DA UMIDADE NO DESEMPENHO E VIDA TIL DEINSTALAES HVAC-R

Escola Politcnica da USP - ASHRAE Member

ARMACELL


2/65

2

PROGRAMA

1. Introduo, motivao e destaques

2. Propriedades fsicas, caractersticas de isolantestrmicos e fatores que influenciam variaes nestas

3. Migrao de vapor dgua e processo de condensao

4. Aplicao a isolantes trmicos

5. Anlise em termos energticos, vida til de instalaode condicionamento de ar

6. Resumo e concluses


3/65

3

INTRODUO

Motivao e importncia para o uso do isolantetrmico

Aspectos tcnicos para anlise de alternativaspara uso de isolantes trmicos

Foco: Aplicao de isolantes trmicos em

tubulaes e dutos de sistemas de HVAC Efeitos da presena de umidade nos isolantes

trmicos: condensao de vapor dgua


4/65

4

MOTIVAO PARA ANLISE DEDIMENSIONAMENTO E SELEO

ISOLANTES TRMICOS

CONSERVAO DE ENERGIA DIMENSIONAMENTO DE ESPESSURA ECONMICA PROTEO DO USURIO CONTROLE DE CONDENSAO DE VAPOR

DGUA ESTABILIDADE PARA O CONTROLE DE

PROCESSOS CONTROLE DE RUDO SEGURANA EM CASO DE INCNDIO


5/65

5

DESTACANDO

PONTOS IMPORTANTES

CONSERVAO DE ENERGIA

Reduo no consumo de energia em sistemasHVAC

Nveis mnimos de isolamento esto previstos nasnormas ASHRAE 90.1 e 90.2

Resultado importante para avaliao de EdifciosVerdescritrios LEED


6/65

6

DESTACANDO

PONTOS IMPORTANTES

DIMENSIONAMENTO DE ESPESSURA

ECONMICA Selecionar a espessura tima para determinadoisolante

Avaliar comparativamente tipos de materiais

isolantes para obter determinado nvel dedesempenho trmico

Considerar o melhor custo de ciclo de vida para

determinado perodo


7/657

DESTACANDO

PONTOS IMPORTANTES

DIMENSIONAMENTODE ESPESSURAECONMICA:

A espessuraeconmica definida para

minimizar o custototal do ciclo de vidado isolante

Figura 1:Determ in ao daespessura econmic a do

is o lam ento trm ico .(ASHRAE Fundamentals, 2013)


8/658

DESTACANDO

PONTOS IMPORTANTES

CONTROLE DE CONDENSAO DE VAPORDGUA muito importante para sistemas que conduzem fluidos com

temperatura abaixo da ambiente !!

Dois objetivos importantes: EVITAR CONDENSAO DE VAPOR DGUA SOBRE A

SUPERFCIE EXTERNA DE DUTOS E OUTROS ACESSRIOSDO SISTEMA

MINIMIZAR OU CONTROLAR A INTRUSO DE VAPORDGUA NO ISOLANTE TRMICO

ATENO PARA O CLIMA TROPICAL MIDO !


9/659

DESTACANDO

PONTOS IMPORTANTES

CONDENSAO DE VAPOR DGUASOBRE A SUPERFCIE EXTERNA DEDUTOS, TUBULAES E ACESSRIOS: Gotejamento de gua sobre objetos abaixo dos

dutos. Evitar crescimento de microorganismos (fungos,

mofos) que requerem umidade para evoluir. Evitar deteriorao da barreira de vapor e de

acessrios da rede de dutos (p. ex.: suportes, etc.)


10/6510

DESTACANDO

PONTOS IMPORTANTES CONDENSAO DE VAPOR DGUA SOBRE A SUPERFCIE

EXTERNA DE DUTOS, TUBULAES E ACESSRIOS:

Figura 2:Condensao de vapor dgua.(ASHRAE IAQ GUIDE - captulo 4)


11/6511

DESTACANDO

PONTOS IMPORTANTES

Espessura mnima para Eficincia Energtica

para isolantes trmicos

Figura 3: Isolamento mnimo para eficincia energtica (ASHRAE Handbook

of Fundamentals 2013, cap. 23)


12/6512

DESTACANDO

PONTOS IMPORTANTES

Espessura mnima para evitar condensao

para isolante genrico (k=0,043 W/(mK)):Figura 4: Isolamentomnimo para evitarcondensao de vapordgua (ASHRAEHandbook of

Fundamentals 2013,cap. 23)


13/6513

DESTACANDO

PONTOS IMPORTANTES

Espessura mnima para evitar condensao:

Exemplo de Charlotte (1200 horas/ano > 90%)

Figura 5: Umidade Relativa em Charlotte, Carolina do Norte, USA (ASHRAEHandbook of Fundamentals 2013, cap. 23)

Nota: 1 ano tem8760 horas


14/6514

DESTACANDO

PONTOS IMPORTANTES

Espessura mnima para evitar condensao:

Exemplo Porto Alegre (RS) em 03/2014

Figura 6: Umidade Relativa em Porto Alegre em maro de 2014 s 12horas.

INMET

Verifica-se: 8 dias em31 registros com

UR 90%


15/6515

DESTACANDO

PONTOS IMPORTANTES

SEGURANA EM CASO DE INCNDIO

Propriedades do isolante trmico a avaliar: Propagao de chamas

Emisso de fumaa, gases txicos

Normas e legislaes locais e internacionaisapresentam ndices: NFPA

ASTM

ABNT


16/6516

PROPRIEDADES FSICAS DE

ISOLANTES TRMICOS

Temperatura de trabalho

Condutividade trmica Resistncia compresso

Permeabilidade ao vapor dgua (ou fator deresistncia difuso de vapor dgua)

Absoro de gua


17/6517

PROPRIEDADES FSICAS DE ISOLANTES

TRMICOS - Detalhando grandezas

Faixa de temperaturas de trabalho:

Mxima:Avaliada conforme norma ASTM C411

Testes em superfcies aquecidas verificando at quetemperatura no h mudana em suas caractersticas

Mnima: No h norma para sua determinao Verifica-se qual a temperatura mnima em que mantem

integridade fsica e propriedades fsicas


18/6518


TRMICOS

Condutividade trmica (k):

Equao da conduo de calor:q = -k (dT/dx) Unidade no SI: W/(mK)

funo da temperatura (usual t=24C)

Ensaio para determinao: Normas: exemplos ASTM C177; ASTM C518; ASTM C335

Diferente de resistncia trmica (RT =e/k)


19/6519


TRMICOS

Resistncia compresso importante nos locais onde os dutos devem suportar carga

sem esmagar o isolamento; por exemplo: isolamento instalado em sees onde h suportes

ou tirantes para fixao

H normas ASTM para medir a resistncia compresso: Para materiais fibrosos: C165

Para materiais plsticos: D1621

Ateno para alterao na espessura de projeto doisolamento trmico


20/65

20


TRMICOS

Permeabilidade ao vapor dgua(): Avalia o fluxo de vapor dgua atravs do isolante produzido

por determinado gradiente de presso de vapor. Unidade no SI (isolantes trmicos): ng/(Pasm) Unidade alternativa: kg/(mhPa) Em aplicaes para tubulaes e dutos com fluidos em

temperaturas abaixo do ambiente preciso cuidar para

minimizar o fluxo de vapor dgua em direo superfcie fria. Usualmente utiliza-se barreira de vapor sobre o isolante

trmico para manter fluxo de vapor abaixo de determinadolimite


21/65

21


TRMICOS

Permeabilidade ao vapor dgua(continuao): ISOLANTES Flexveis com clulas fechadas tem

sido usado com sucesso sem barreira de vaporindependente (ASHRAE Fundamentals).

Norma ASTM

E96: medida dapermeabilidade


22/65

22


TRMICOS

Outra grandeza para medir a permeabilidade aovapor dgua : Fator de resistncia difuso de vapor dgua(),adimensional;

Relao entre a permeabilidade do ar (ar) em condies dereferncia (0C) e a permeabilidade (

m) do material:

Na NBR 16401: isolao de dutos e tubulaes sembarreira de vapor para

2500

)(materialnodadepermeabili

)(arnodadepermeabili

mat

ar


23/65

23


TRMICOS

Absoro de gua (% em volume)

Medida em amostra do isolante trmico inserido emmeio que mantm uma presso de vaporespecificada por determinado perodo de tempo;

avaliada em termos porcentuais de volume;


24/65

24


TRMICOS VALORES TPICOS (ASHRAE/ASTM)

Figura 7: Propriedades de isolantes trmicos. ASHRAEHandbook of Fundamentals, 2013


25/65

25

MIGRAO DE VAPOR DGUA E PROCESSO

DE CONDENSAO EM SUPERFCIES

Modelando o ar mido: ar seco +vapor dgua:

Comportam-se como substncias isoladas e atuamde forma independente;

Lei de Dalton: Ocupam o mesmo volume (V)

Esto mesma temperatura (T)

Possuem presses prprias de cada componente (Pa e Pv):

Presso Total da mistura: PP = Pa + Pv


26/65

26



Sentido do Fluxo do Vapor dgua:

Migrao (Fluxo) do vapor dgua:Pvmaior Pvmenor Independente da Presso Total da mistura (P)ESTUDO DE CASO:

Instalao industrial Ambientes vizinhos (A) e (B)com umidades absolutas

muito diferentes: A


27/65

27

MIGRAO DE VAPOR DGUA

ESTUDO DE CASO

Ambiente A Ambiente B

retorno por duto comum

AB

A


28/65

28


ESTUDO DE CASO

SOLUO: implantao de diviso no duto de retorno (vermelho) Aumento do caminho a ser percorrido pelo vapor dgua (depth of

travel - Bryant)

Ambiente A Ambiente B

retorno por duto comum

AB

A


29/65

29


ESTUDO DE CASO

Sentido do Fluxo do Vapor d gua:

Recomendao de manuais de ar condicionado: Em redes de dutos de instalaes em que o ar tratado para condies de baixa umidade

Mesmo dutos de insuflao (presso positiva)

Junes dos dutos devem ser soldadaspara evitarmigrao de vapor dgua para dentro do duto.


30/65

30

MIGRAO DE VAPOR DGUA -

APLICAO A ISOLANTES TRMICOS

Processo de migrao de vapor em pontos em que a barreira devapor no cumpre sua funo, ou que no h barreira de vapor;

Condensao intersticial x barreira de vapor:

Figura 10: Migrao de vapor dgua

e condensao intersticial

duto ou tubulao

meio externoTEXT=20C a 32C temperatura do

fluido:TF= 4C a 12C

isolamentotrmico

ar mido =

ar seco +vapordgua

vapordgua

condensaointersticial

gradiente detemperaturae de Pv


31/65

31

MIGRAO DE VAPOR DGUA -


Barreira de vapor ou material isolante com baixa permeabilidade(alta resistncia difuso de vapor dgua)

Figu ra 11: Barreira devapor ou baixapermeabilidade migraode vapor dgua

duto ou tubulao

meio externoTEXT=20C a 32C temperatura do

fluido:TF= 4C a 12C

isolamentotrmico

ar mido =ar seco +vapordgua

barreira contra vapordgua ou baixapermeabilidade


32/65

32



Isolantes trmicos aplicados sobre a superfcie externade dutos, tubulaes e acessrios:

Processo de migrao de vapor para o interior do isolanteOcorre:

Em pontos em que a barreirade vapor no cumpre suafuno, ou que no h barreirade vapor

Entre camadas do materialisolante trmico em que hpermeabilidade ao vapor

dgua

No ocorre:Onde h barreira de vapor

Isolantes trmicos tem altofator de resistncia difusode vapor; clulas resistentes efechadas


33/65

33



Processo de condensao do vapor dgua: Anlise psicromtrica caracterizando a temperatura

de ponto de orvalho (ou Ponto de Orvalho).

Figura 12: Carta Psicromtrica.ASHRAE Handbook of Fundamentals,2013


34/65

34

APLICAO A ISOLANTES TRMICOS PARA

TUBULAES E DUTOS DE SISTEMAS HVAC

ISOLANTES TPICAMENTE UTILIZADOS: Poliestireno expandido;

Poliuretano expandido;

L de fibra de vidro;

Espuma elastomrica


35/65

35


TRMICOS VALORES TPICOS (ASHRAE/ASTM)

Fig ura 7 (repet io): ASHRAE Handbook of Fundamentals, 2013


36/65

36



CARACTERSTICAS DOS ISOLANTETPICAMENTE: Poliestireno expandido:

Exige barreira de vapor

Condutividade trmica tpica (seco): 0,037 W/mK

Permeabilidade migrao de vapor: 2,2 ng/(Pas m)

Risco de variao da condutividade trmica por acmulode vapor dgua condensado


37/65

37



CARACTERSTICAS DOS ISOLANTE TPICAMENTE:

Poliuretano expandido: Exige barreira de vapor

Condutividade trmica tpica (seco): 0,026 a 0,030 W/mK


Risco de variao da condutividade trmica por acmulo

de vapor dgua condensado. Dificuldade de fechamento da barreira de vapor (execuo

na obra)


38/65

38



CARACTERSTICAS DOS ISOLANTETPICAMENTE: L de fibra de vidro :

Exige barreira de vapor

Condutividade trmica tpica (seco): 0,035 W/mK

Permeabilidade migrao de vapor: N/A

Risco de variao da condutividade trmica por acmulode vapor dgua condensado.

Boa velocidade de instalao


39/65

39



CARACTERSTICAS DOS ISOLANTETPICAMENTE: Espuma elastomrica

No exige barreira de vapor

Condutividade trmica tpica (seco): 0,036 a 0,040 W/mK


Material clulas fechadas, evita acmulo de vapor dguacondensado.


40/65

40



ANLISE COMPARATIVA DE MATERIAIS (resumo):

Considerar o conjunto de variveis

Ateno para risco de variao da condutivade trmica com oacmulo de vapor dgua

Isolante Trmico Condutividade

(seco) W/mK

Permeabilidade

ng/(Pas m)

Barreira de Vapor

Poliestireno expandido 0,037 2,2 Obrigatria

Poliuretano expandido 0,026 a 0,030 5,8 Obrigatria

L de fibra de vidro 0,035 N/A Obrigatria

Espuma elastomrica 0,036 a 0,040 0,15 Facultativa


41/65

41


Estudo de desempenho de isolamento trmicoem tubulaes

Projeto de pesquisa daASHRAEResearch ProjectRP 1356

Prof. Lorenzo Cresmaschi,

Shanshan Cai e KaseyWortinghton

Universidade de Oklahoma

Figura 13: Capado relatrio doProjeto depesquisa,

ASHRAE RP1356,2013


42/65

42


Estudo de desempenho de isolamento trmico emtubulaesdeterminao da condutividade trmica

Trechos de tubos (dT= 75 mm) com fluido em baixatemperatura: 4,7C Isoladas termicamente apenas com isolamento, sem barreira de

vapor (propositalmente), espessura do isolamento: e = 50 mm Ensaios em duas fases:

Fase 1: Ensaio seco, sem condensao de vapor Fase 2: Ensaio mido por determinado perodo em ambiente com

alta umidade (>80% a 35C) Perodos diferentes / no comparativo entre si Destaque na variao da condutividade trmica


43/65

43


Aparato para ensaios em cmara climtica

Figura 14: Foto aparato usado nos ensaios. ASHRAE RP 1356, LorenzoCresmaschi et al, 2012


44/65

44


Resultados ensaios: Fase 1: ensaio seco sem condensao de vapor

Figura 15: Propriedades de isolantes trmicos. Obtidos atravs do Projeto

RP1356 e publicados no ASHRAE Handbook of Fundamentals, 2013


45/65

45


Fase 2 (ensaio mido): Resultados comparativos com o mesmo isolante em

ensaio seco (sem condensao= Fase 1)

Avaliao da condutividade com acmulo de vapordgua condensado

Dois isolamentos testados (risco variao de k poracmulo de gua): L de fibra de vidro

Poliuretano (tipo fenlico)


46/65

46


L DE FIBRA DE VIDRO

Figura 16: Foto do prottipo testado com isolamento com l de fibra de vidro.

ASHRAE RP 1356, Lorenzo Cresmaschi et al, 2012


47/65

47


Resultados Fase 2 (ensaio mido) L de Fibra de Vidro : Resultados comparativos com o mesmo isolante em ensaio

seco (sem condensao= Fase 1):

Figura 17: Resultados com valor relativo de condutividade trmica para l de

vidro em funo do nmero de dias de ensaio. ASHRAE RP 1356, LorenzoCresmaschi et al, 2012


48/65

48


Resultados Fase 2 (ensaio mido) L de Fibra de Vidro :

Condutividade trmica em funo da presena de umidade:

Figura 18: Resultados condutividade trmica para l de vidro em funo do

da porcentagem de gua acumulada no isolamento trmico. ASHRAE RP1356, Lorenzo Cresmaschi et al, 2012


49/65

49


Resumo resultados Fase 2 (ensaio mido): Isolante L de Fibra de Vidro:

Condutividade trmica aumentou 3,15 vezes Absoro de umidade: 11% em volume

Figura 19: Fotos do isolamento testado ao final do ensaio mido. ASHRAE

RP 1356, Lorenzo Cresmaschi et al, 2012


50/65

50


POLIURETANO (tipo fenlico)

Figura 20: Foto do prottipo testado com isolamento de poliuretano. ASHRAE

RP 1356, Lorenzo Cresmaschi et al, 2012


51/65

51


Resultados Fase 2 (ensaio mido) Poliuretano : Resultados comparativos com o mesmo isolante em ensaio

seco (sem condensao= Fase 1):

Figura 21: Resultados com valor relativo de condutividade trmica para

poliuretano em funo do nmero de dias de ensaio. ASHRAE RP 1356,Lorenzo Cresmaschi et al, 2012


52/65

52


Resultados Fase 2 (ensaio mido) Poliuretano : Condutividade trmica em funo da presena de umidade:

Figura 22: Resultados condutividade trmica para poliuretano em funo do

da porcentagem de gua acumulada no isolamento trmico. ASHRAE RP1356, Lorenzo Cresmaschi et al, 2012


53/65

53


Resumo resultadosFase 2 (ensaio mido):

Isolante Poliuretano: Condutividade

trmica aumentou1,55 vezes

Absoro deumidade: 5% emvolume

Figura 23: Fotos do isolamento testado ao final do ensaio mido. ASHRAERP 1356, Lorenzo Cresmaschi et al, 2012


54/65

54

ANLISE EM TERMOS

ENERGTICOS ESTUDO DE CASO: Duto de ar condicionado

isolado trmicamente atravessando tico: Alterao na condutividade trmica

Variaes por deficincia na instalao e/ou manutenoda barreira de vapor;

Mudanas de condies climticas ou ambientais podemcausar conseqente deficincia do isolamento trmico

(dimensionamento da espessura torna-se insuficiente); Aumento de temperatura do ar tratado; Variao de carga trmica;


55/65

55

ANLISE EM TERMOS

ENERGTICOS ESTUDO DE CASO: Duto de ar condicionado isolado

trmicamente com l de vidro:

Parmetros de entrada para simulao: Vazo de ar tratado: 22 kg/s Duto retangular (1 x 2) m atravessando 30 m de tico Isolamento trmico de 25 mm Variao na condutividade trmica:

0,035 para 0,110 W/mK

Resultados: Ampliao da variao de temperatura para o ar tratado: 0,45C Acrscimo na carga trmica: 10,02 kW ( ~2,8 TR)


56/65

56

ANLISE EM TERMOS

ENERGTICOS ESTUDO DE CASO: Duto de ar condicionado isolado

termicamente com poliuretano:

Parmetros de entrada: Vazo de ar tratado: 22 kg/s Duto retangular (1 x 2) m atravessando 30 m de tico Isolamento trmico de 25 mm Variao na condutividade trmica:

0,035 para 0,054 W/mK

Resultados: Variao de temperatura para o ar tratado: 0,15C Acrscimo na carga trmica: 3,36 kW ( ~ 1 TR)


57/65

57

CRESCIMENTO MICROBIOLGICO Consequncias no isolamento trmico:

Condensao de vapor dgua

Crescimento de colnias de microorganismos

Figura 24: Fotos apresentando crescimento de mofo no isolamento testadoao final do ensaio mido. ASHRAE RP 1356, Lorenzo Cresmaschi et al, 2012


58/65

58

CRESCIMENTO MICROBIOLGICO Tcnicas de reduo e/ou eliminao de

microorganismos nos isolamentos trmicos: Evitar condies para crescimento (umidade;

temperatura ; alimento);

Utilizar agentes bactericidas (eliminammicroorganismos) evitar crescimento de colnias; Exemplo de produto utilizado em espuma elastomrica:

Microban


59/65

59

CRESCIMENTO MICROBIOLGICO APLICAES IMPORTANTES EM QUE DEVE-SE

EVITAR CONTAMINAO POR

MICROORGANISMOS: reas hospitalares

reas Industriais Farmacutica

Alimentos

Vacinas

Eletrnica - microcomponentes


60/65

60

RESUMO / CONCLUSES Analisar conjuntamente todos parmetros para

seleo e dimensionamento de isolamentotrmico: Condutividade trmica

Permeabilidade migrao do vapor dgua

Condensao do vapor dgua e conseqncias


61/65

61

RESUMO / CONCLUSES Manuteno da vida til da instalao por ciclo

desejvel requer: Reduzir ao mnimo a presena de vapor dgua

condensado no interior do isolamento trmico

Ateno para riscos de migrao de vapor dgua Vantagem clula fechada

Vantagem barreira de vapor intrnseca.

Qualidade/facilidade na instalao e manuteno


62/65

62

RESUMO / CONCLUSES Ateno para riscos de deteriorao da

instalao (isolamento, dutos, acessrios, etc)

Crescimento de microorganismos

Aumento no consumo de energia

Risco de prejuzos em processos

Ambientes especiais: antimicrobianos sovantagem extra.


63/65

63

RESUMO / CONCLUSES Barreira de vapor mesmo em espumas

elastomricas so vantajosas: Maior resistncia mecnica Maior resistncia ao fogo Facilidade para higienizao e limpeza

Soluo de aplicao de espuma elastomricaem camadas para bloquear migrao de vapordgua em emendas e frestas. Exemplo de caso atual: obra premiada pela

SMACNADestaques do ano 2013


64/65

64

PRINCIPAIS REFERNCIAS

BIBLIOGRFICAS ASHRAE HANDBOOKS:

Fundamentals, 2013, Chapters 23, 25, 26 HVAC Applications - 2011

ASHRAE Research Project - RP-1356, Final Report, Cresmaschi,L. et al., 2012

ASHRAE Transactions 2012, vol. 118, Part 1, Measurements ofpipe insulation thermal conductivity at below ambienttemperatures part 1: Experimental methodology and dry tests.

Cresmaschi, L. et al. Boletim tcnico ARMACELL. Especificao tcnica para sistemas

de isolamento trmico com materiais em espumas elastomricas. Departamento de Energia dos USA. Insulation, Moisture Control.

www.energy.gov. acesso em ago/2014.
http://www.energy.gov/http://www.energy.gov/


65/65

OBRIGADO!

E-mail: [email protected]

Documents

MF2014 0827 Palestra 3 Antonio Mariani Armacell