3. antonio luis de campos mariani –...

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Palestra

Palestrante

NOVAS TECNOLOGIAS PARA ISOLAMENTO TÉRMICO DE

TUBULAÇÕES E DUTOS

Antonio Luís de Campos Mariani

EFEITOS DA UMIDADE NO DESEMPENHO E VIDA ÚTIL DE INSTALAÇÕES HVAC-R

Escola Politécnica da USP - ASHRAE Member

ARMACELL

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PROGRAMA

1. Introdução, motivação e destaques

2. Propriedades físicas, características de isolantes

térmicos e fatores que influenciam variações nestas

3. Migração de vapor d´água e processo de condensação

4. Aplicação a isolantes térmicos

5. Análise em termos energéticos, vida útil de instalação

de condicionamento de ar

6. Resumo e conclusões

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INTRODUÇÃO

Motivação e importância para o uso do isolante térmico

Aspectos técnicos para análise de alternativas para uso de isolantes térmicos

Foco: Aplicação de isolantes térmicos em tubulações e dutos de sistemas de HVAC

Efeitos da presença de umidade nos isolantes térmicos: condensação de vapor d´água

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MOTIVAÇÃO PARA ANÁLISE DE DIMENSIONAMENTO E SELEÇÃO ISOLANTES TÉRMICOS

CONSERVAÇÃO DE ENERGIA

DIMENSIONAMENTO DE ESPESSURA ECONÔMICA

PROTEÇÃO DO USUÁRIO

CONTROLE DE CONDENSAÇÃO DE VAPOR D´ÁGUA

ESTABILIDADE PARA O CONTROLE DE PROCESSOS

CONTROLE DE RUÍDO

SEGURANÇA EM CASO DE INCÊNDIO

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DESTACANDO PONTOS IMPORTANTES

CONSERVAÇÃO DE ENERGIA

– Redução no consumo de energia em sistemas

HVAC

– Níveis mínimos de isolamento estão previstos nas

normas ASHRAE 90.1 e 90.2

– Resultado importante para avaliação de Edifícios

Verdes – critérios LEED

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DIMENSIONAMENTO DE ESPESSURA

ECONÔMICA

– Selecionar a espessura ótima para determinado

isolante

– Avaliar comparativamente tipos de materiais

isolantes para obter determinado nível de

desempenho térmico

– Considerar o melhor “custo de ciclo de vida” para

determinado período

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DIMENSIONAMENTO

DE ESPESSURA

ECONÔMICA:

A espessura

econômica é

definida para

minimizar o “custo

total do ciclo de vida

do isolante” Figura 1: Determinação da

espessura econômica do

isolamento térmico. (ASHRAE Fundamentals, 2013)

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CONTROLE DE CONDENSAÇÃO DE VAPOR

D´ÁGUA

– É muito importante para sistemas que conduzem fluidos com

temperatura abaixo da ambiente !!

– Dois objetivos importantes:

EVITAR CONDENSAÇÃO DE VAPOR D´ÁGUA SOBRE A

SUPERFÍCIE EXTERNA DE DUTOS E OUTROS ACESSÓRIOS

DO SISTEMA

MINIMIZAR OU CONTROLAR A INTRUSÃO DE VAPOR

D´ÁGUA NO ISOLANTE TÉRMICO

– ATENÇÃO PARA O CLIMA TROPICAL ÚMIDO !

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CONDENSAÇÃO DE VAPOR D´ÁGUA SOBRE A SUPERFÍCIE EXTERNA DE DUTOS, TUBULAÇÕES E ACESSÓRIOS: – Gotejamento de água sobre objetos abaixo dos

dutos.

– Evitar crescimento de microorganismos (fungos, mofos) que requerem umidade para evoluir.

– Evitar deterioração da “barreira de vapor” e de acessórios da rede de dutos (p. ex.: suportes, etc.)

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CONDENSAÇÃO DE VAPOR D´ÁGUA SOBRE A SUPERFÍCIE

EXTERNA DE DUTOS, TUBULAÇÕES E ACESSÓRIOS:

Figura 2:Condensação de vapor d´água.(ASHRAE IAQ GUIDE - capítulo 4)

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Espessura mínima para Eficiência Energética

para isolantes térmicos

Figura 3: Isolamento mínimo para eficiência energética (ASHRAE Handbook

of Fundamentals 2013, cap. 23)

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Espessura mínima para evitar condensação

para isolante genérico (k=0,043 W/(m•K)):

Figura 4: Isolamento

mínimo para evitar

condensação de vapor

d´água (ASHRAE

Handbook of

Fundamentals 2013,

cap. 23)

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Espessura mínima para evitar condensação:

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

Figura 5: Umidade Relativa em Charlotte, Carolina do Norte, USA (ASHRAE

Handbook of Fundamentals 2013, cap. 23)

Nota: 1 ano tem

8760 horas

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Espessura mínima para evitar condensação:

Exemplo Porto Alegre (RS) em 03/2014

Figura 6: Umidade Relativa em Porto Alegre em março de 2014 às 12horas.

INMET

Verifica-se: 8 dias em

31 registros com

UR 90%

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SEGURANÇA EM CASO DE INCÊNDIO

– Propriedades do isolante térmico a avaliar:

Propagação de chamas

Emissão de fumaça, gases tóxicos

– Normas e legislações locais e internacionais

apresentam índices:

NFPA

ASTM

ABNT

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PROPRIEDADES FÍSICAS DE ISOLANTES TÉRMICOS

Temperatura de trabalho

Condutividade térmica

Resistência à compressão

Permeabilidade ao vapor d´água (ou fator de

resistência à difusão de vapor d´água)

Absorção de água

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PROPRIEDADES FÍSICAS DE ISOLANTES TÉRMICOS - Detalhando grandezas

Faixa de temperaturas de trabalho:

– Máxima:

Avaliada conforme norma ASTM C411

Testes em superfícies aquecidas verificando até que

temperatura não há mudança em suas características

– Mínima:

Não há norma para sua determinação

Verifica-se qual a temperatura mínima em que mantem

integridade física e propriedades físicas

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Condutividade térmica (k):

– Equação da condução de calor:

q = -k (dT/dx)

– Unidade no SI: W/(m•K)

– É função da temperatura (usual t=24ºC)

– Ensaio para determinação:

Normas: exemplos ASTM C177; ASTM C518; ASTM C335

– Diferente de resistência térmica (RT =e/k)

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Resistência à compressão

– É importante nos locais onde os dutos devem suportar carga

sem esmagar o isolamento;

por exemplo: isolamento instalado em seções onde há suportes

ou tirantes para fixação

– Há normas ASTM para medir a resistência à compressão:

Para materiais fibrosos: C165

Para materiais plásticos: D1621

– Atenção para alteração na espessura de projeto do

isolamento térmico

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Permeabilidade ao vapor d´água ():

– Avalia o fluxo de vapor d´água através do isolante produzido por determinado gradiente de pressão de vapor.

– Unidade no SI (isolantes térmicos): ng/(Pa•s•m)

– Unidade alternativa: kg/(m•h•Pa)

– Em aplicações para tubulações e dutos com fluidos em temperaturas abaixo do ambiente é preciso cuidar para minimizar o fluxo de vapor d´água em direção à superfície fria.

– Usualmente utiliza-se barreira de vapor sobre o isolante térmico para manter fluxo de vapor abaixo de determinado limite

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Permeabilidade ao vapor d´água (continuação): – ISOLANTES Flexíveis com células fechadas tem

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

– Norma ASTM

E96: medida da

permeabilidade

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Outra grandeza para medir a permeabilidade ao vapor d´água é:

– Fator de resistência à difusão de vapor d´água (), adimensional;

Relação entre a permeabilidade do ar (ar) em condições de referência (0ºC) e a permeabilidade (m) do material:

– Na NBR 16401: isolação de dutos e tubulações sem barreira de vapor para 2500

)( material no dadepermeabili

)( ar no dadepermeabili

mat

ar

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Absorção de água (% em volume)

– Medida em amostra do isolante térmico inserido em

meio que mantém uma pressão de vapor

especificada por determinado período de tempo;

– É avaliada em termos porcentuais de volume;

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PROPRIEDADES FÍSICAS DE ISOLANTES TÉRMICOS – VALORES TÍPICOS (ASHRAE/ASTM)

Figura 7: Propriedades de isolantes térmicos. ASHRAE

Handbook of Fundamentals, 2013

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MIGRAÇÃO DE VAPOR D´ÁGUA E PROCESSO DE CONDENSAÇÃO EM SUPERFÍCIES

Modelando o ar úmido: ar seco +vapor d´água:

– Comportam-se como substâncias isoladas e atuam

de forma independente;

– Lei de Dalton:

Ocupam o mesmo volume (V)

Estão à mesma temperatura (T)

Possuem pressões próprias de cada componente (Pa e Pv):

Pressão Total da mistura: P

P = Pa + Pv

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Sentido do Fluxo do Vapor d´água:

– Migração (Fluxo) do vapor d´água: Pvmaior Pvmenor

Independente da Pressão Total da mistura (P)

ESTUDO DE CASO: – Instalação industrial

– Ambientes vizinhos (A) e (B)com umidades absolutas muito diferentes: A << B

– Migração de vapor pelo duto de retorno comum

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MIGRAÇÃO DE VAPOR D´ÁGUA ESTUDO DE CASO

Ambiente A Ambiente B

retorno por duto comum

A B

A << B

Tratamento 2º estagio (A) Tratamento 1º estagio (B)

P o r t a

LEGENDA

vapor d´agua

ar seco

ar umido

NOTA: modelo

esquematico

vedaçao na porta (ineficaz)

duto de retorno

dutos de insuflaçao

A1 A2 A3 A4 A5

Figura 8: Migração de vapor em instalação industrial. Bolliger Jr e Mariani, 1997

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SOLUÇÃO: implantação de divisão no duto de retorno (vermelho)

Aumento do “caminho a ser percorrido pelo vapor d´água” (“depth of travel” - Bryant)

Ambiente A Ambiente B

retorno por duto comum

A B

A << B

Tratamento 2º estagio (A) Tratamento 1º estagio (B)

P o r t a

LEGENDA

vapor d´agua

ar seco

ar umido

NOTA: modelo

esquematico

dutos de insuflaçao duto de retorno

Figura 9: Migração de vapor em instalação industrial. Bolliger Jr e Mariani, 1997

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Sentido do Fluxo do Vapor d´água:

Recomendação de manuais de ar condicionado:

– Em redes de dutos de instalações em que o ar é

tratado para condições de baixa umidade

– Mesmo dutos de insuflação (pressão positiva)

– Junções dos dutos devem ser soldadas para evitar

migração de vapor d´água para dentro do duto.

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MIGRAÇÃO DE VAPOR D´ÁGUA - APLICAÇÃO A ISOLANTES TÉRMICOS

Processo de migração de vapor em pontos em que a barreira de

vapor não cumpre sua função, ou que não há barreira de vapor;

Condensação intersticial x barreira de vapor:

Figura 10: Migração de vapor d´água

e condensação intersticial

duto ou tubulação

meio externo TEXT=20ºC a 32ºC

temperatura do fluido: TF= 4ºC a 12ºC

isolamento térmico

ar úmido = ar seco + vapor d´água

vapor d´água

condensação intersticial

gradiente de temperatura e de Pv

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MIGRAÇÃO DE VAPOR D´ÁGUA - APLICAÇÃO A ISOLANTES TÉRMICOS

Barreira de vapor ou material isolante com baixa permeabilidade

(alta resistência à difusão de vapor d´água)

Figura 11: Barreira de

vapor ou baixa

permeabilidade à migração

de vapor d´água

duto ou tubulação

meio externo TEXT=20ºC a 32ºC

temperatura do fluido: TF= 4ºC a 12ºC

isolamento térmico

ar úmido = ar seco + vapor d´água

barreira contra vapor d´água ou baixa permeabilidade

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MIGRAÇÃO DE VAPOR D´ÁGUA APLICAÇÃO A ISOLANTES TÉRMICOS

Isolantes térmicos aplicados sobre a superfície externa de dutos, tubulações e acessórios:

Processo de migração de vapor para o interior do isolante

Ocorre:

• Em pontos em que a barreira de vapor não cumpre sua função, ou que não há barreira de vapor

•Entre camadas do material

isolante térmico em que há

permeabilidade ao vapor

d´água

Não ocorre:

• Onde há barreira de vapor

•Isolantes térmicos tem alto

fator de resistência à difusão

de vapor; células resistentes e

fechadas

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Processo de condensação do vapor d´água:

– Análise psicrométrica caracterizando a temperatura

de ponto de orvalho (ou Ponto de Orvalho).

Figura 12: Carta Psicrométrica.

ASHRAE Handbook of Fundamentals,

2013

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APLICAÇÃO A ISOLANTES TÉRMICOS PARA TUBULAÇÕES E DUTOS DE SISTEMAS HVAC

ISOLANTES TÍPICAMENTE UTILIZADOS:

– Poliestireno expandido;

– Poliuretano expandido;

– Lã de fibra de vidro;

– Espuma elastomérica

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PROPRIEDADES FÍSICAS DE ISOLANTES TÉRMICOS – VALORES TÍPICOS (ASHRAE/ASTM)

Figura 7 (repetição): ASHRAE Handbook of Fundamentals, 2013

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CARACTERÍSTICAS DOS ISOLANTE

TÍPICAMENTE:

– Poliestireno expandido:

Exige barreira de vapor

Condutividade térmica típica (seco): 0,037 W/m•K

Permeabilidade à migração de vapor: 2,2 ng/(Pa•s •m)

Risco de variação da condutividade térmica por acúmulo

de vapor d´água condensado

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CARACTERÍSTICAS DOS ISOLANTE TÍPICAMENTE:

– Poliuretano expandido:


Condutividade térmica típica (seco): 0,026 a 0,030 W/m•K



de vapor d´água condensado.

Dificuldade de fechamento da barreira de vapor (execução

na obra)

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TÍPICAMENTE:

– Lã de fibra de vidro :


Condutividade térmica típica (seco): 0,035 W/m•K

Permeabilidade à migração de vapor: N/A


de vapor d´água condensado.

Boa velocidade de instalação

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TÍPICAMENTE:

– Espuma elastomérica

Não exige barreira de vapor

Condutividade térmica típica (seco): 0,036 a 0,040 W/m•K


Material células fechadas, evita acúmulo de vapor d´água

condensado.

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ANÁLISE COMPARATIVA DE MATERIAIS (resumo):

– Considerar o conjunto de variáveis

– Atenção para risco de variação da condutivade térmica com o

acúmulo de vapor d´água

Isolante Térmico Condutividade (seco) W/m•K

Permeabilidade ng/(Pa•s •m)

Barreira de Vapor

Poliestireno expandido 0,037 2,2 Obrigatória

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

Lã de fibra de vidro 0,035 N/A Obrigatória

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

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APLICAÇÃO A ISOLANTES TÉRMICOS

Estudo de desempenho de isolamento térmico

em tubulações

– Projeto de pesquisa da

ASHRAE – Research Project

RP 1356

– Prof. Lorenzo Cresmaschi,

Shanshan Cai e Kasey

Wortinghton

– Universidade de Oklahoma

Figura 13: Capa

do relatório do

Projeto de

pesquisa,

ASHRAE RP1356,

2013

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Estudo de desempenho de isolamento térmico em tubulações – determinação da condutividade térmica

– Trechos de tubos (dT = 75 mm) com fluido em baixa temperatura: 4,7ºC

– 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 condensação de vapor

Fase 2: Ensaio “úmido” por determinado período em ambiente com alta umidade (>80% a 35ºC)

– Períodos diferentes / não comparativo entre si

– Destaque na variação da condutividade térmica

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Aparato para ensaios em câmara climática

Figura 14: Foto aparato usado nos ensaios. ASHRAE RP 1356, Lorenzo

Cresmaschi et al, 2012

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Resultados ensaios:

– Fase 1: ensaio “seco” sem condensação de vapor

Figura 15: Propriedades de isolantes térmicos. Obtidos através do Projeto

RP1356 e publicados no ASHRAE Handbook of Fundamentals, 2013

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Fase 2 (ensaio úmido):

– Resultados comparativos com o mesmo isolante em

ensaio “seco” (sem condensação= Fase 1)

– Avaliação da condutividade com acúmulo de vapor

d´água condensado

– Dois isolamentos testados (risco variação de k por

acúmulo de água):

Lã de fibra de vidro

Poliuretano (tipo fenólico)

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LÃ DE FIBRA DE VIDRO

Figura 16: Foto do protótipo testado com isolamento com lã de fibra de vidro.

ASHRAE RP 1356, Lorenzo Cresmaschi et al, 2012

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Resultados Fase 2 (ensaio úmido) Lã de Fibra de Vidro :

– Resultados comparativos com o mesmo isolante em ensaio

“seco” (sem condensação= Fase 1):

Figura 17: Resultados com valor relativo de condutividade térmica para lã de

vidro em função do número de dias de ensaio. ASHRAE RP 1356, Lorenzo

Cresmaschi et al, 2012

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Resultados Fase 2 (ensaio úmido) Lã de Fibra de Vidro :

– Condutividade térmica em função da presença de umidade:

Figura 18: Resultados condutividade térmica para lã de vidro em função do

da porcentagem de água acumulada no isolamento térmico. ASHRAE RP

1356, Lorenzo Cresmaschi et al, 2012

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Resumo resultados Fase 2 (ensaio úmido): Isolante Lã de Fibra de Vidro:

– Condutividade térmica aumentou 3,15 vezes

– Absorção de umidade: 11% em volume

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

RP 1356, Lorenzo Cresmaschi et al, 2012

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POLIURETANO (tipo fenólico)

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


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Resultados Fase 2 (ensaio úmido) Poliuretano :

– Resultados comparativos com o mesmo isolante em ensaio

“seco” (sem condensação= Fase 1):

Figura 21: Resultados com valor relativo de condutividade térmica para

poliuretano em função do número de dias de ensaio. ASHRAE RP 1356,

Lorenzo Cresmaschi et al, 2012

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Resultados Fase 2 (ensaio úmido) Poliuretano :

– Condutividade térmica em função da presença de umidade:

Figura 22: Resultados condutividade térmica para poliuretano em função do

da porcentagem de água acumulada no isolamento térmico. ASHRAE RP

1356, Lorenzo Cresmaschi et al, 2012

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Resumo resultados

Fase 2 (ensaio úmido):

– Isolante Poliuretano :

Condutividade

térmica aumentou

1,55 vezes

Absorção de

umidade: 5% em

volume

Figura 23: Fotos do isolamento testado ao final do ensaio úmido. ASHRAE


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ANÁLISE EM TERMOS ENERGÉTICOS

ESTUDO DE CASO: Duto de ar condicionado isolado térmicamente atravessando ático: – Alteração na condutividade térmica

Variações por deficiência na instalação e/ou manutenção da barreira de vapor;

Mudanças de condições climáticas ou ambientais podem causar conseqüente deficiência do isolamento térmico (dimensionamento da espessura torna-se insuficiente);

– Aumento de temperatura do ar tratado;

– Variação de carga térmica;

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ESTUDO DE CASO: Duto de ar condicionado isolado térmicamente com lã de vidro:

– Parâmetros de entrada para simulação:

Vazão de ar tratado: 22 kg/s

Duto retangular (1 x 2) m atravessando 30 m de ático

Isolamento térmico de 25 mm

Variação na condutividade térmica:

– 0,035 para 0,110 W/m•K

– Resultados:

Ampliação da variação de temperatura para o ar tratado: 0,45ºC

Acréscimo na carga térmica: 10,02 kW ( ~2,8 TR)

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ESTUDO DE CASO: Duto de ar condicionado isolado termicamente com poliuretano:

– Parâmetros de entrada:

Vazão de ar tratado: 22 kg/s

Duto retangular (1 x 2) m atravessando 30 m de ático

Isolamento térmico de 25 mm

Variação na condutividade térmica:

– 0,035 para 0,054 W/m•K

– Resultados:

Variação de temperatura para o ar tratado: 0,15ºC

Acréscimo na carga térmica: 3,36 kW ( ~ 1 TR)

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CRESCIMENTO MICROBIOLÓGICO

Consequências no isolamento térmico:

– Condensação de vapor d´água

– Crescimento de colônias de microorganismos

Figura 24: Fotos apresentando crescimento de mofo no isolamento testado

ao final do ensaio úmido. ASHRAE RP 1356, Lorenzo Cresmaschi et al, 2012

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Técnicas de redução e/ou eliminação de

microorganismos nos isolamentos térmicos:

– Evitar condições para crescimento (umidade;

temperatura ; alimento);

– Utilizar agentes bactericidas (eliminam

microorganismos) evitar crescimento de colônias;

Exemplo de produto utilizado em espuma elastomérica:

Microban

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APLICAÇÕES IMPORTANTES EM QUE DEVE-SE

EVITAR CONTAMINAÇÃO POR

MICROORGANISMOS:

– Áreas hospitalares

– Áreas Industriais

Farmacêutica

Alimentos

Vacinas

Eletrônica - microcomponentes

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RESUMO / CONCLUSÕES

Analisar conjuntamente todos parâmetros para

seleção e dimensionamento de isolamento

térmico:

– Condutividade térmica

– Permeabilidade à migração do vapor d´água

– Condensação do vapor d´água e conseqüências

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Manutenção da vida útil da instalação por ciclo

desejável requer:

– Reduzir ao mínimo a presença de vapor d´água

condensado no interior do isolamento térmico

– Atenção para riscos de migração de vapor d´água

Vantagem célula fechada

Vantagem barreira de vapor intrínseca.

– Qualidade/facilidade na instalação e manutenção

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Atenção para riscos de deterioração da

instalação (isolamento, dutos, acessórios, etc)

Crescimento de microorganismos

Aumento no consumo de energia

Risco de prejuízos em processos

Ambientes especiais: antimicrobianos são

vantagem extra.

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Barreira de vapor mesmo em espumas elastoméricas são vantajosas: – Maior resistência mecânica

– Maior resistência ao fogo

– Facilidade para higienização e limpeza

Solução de aplicação de espuma elastomérica em camadas para bloquear migração de vapor d´água em emendas e frestas. – Exemplo de caso atual: obra premiada pela

SMACNA – Destaques do ano 2013

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PRINCIPAIS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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 of pipe insulation thermal conductivity at below ambient temperatures part 1: Experimental methodology and dry tests. Cresmaschi, L. et al.

Boletim técnico ARMACELL. Especificação técnica para sistemas de isolamento térmico com materiais em espumas elastoméricas.

Departamento de Energia dos USA. Insulation, Moisture Control. www.energy.gov. acesso em ago/2014.

http://www.energy.gov/

65

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E-mail: [email protected]

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