MF2014 0827 Palestra 3 Antonio Mariani Armacell
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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 !
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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.)
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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)
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PONTOS IMPORTANTES
Espessura mnima para Eficincia Energtica
para isolantes trmicos
Figura 3: Isolamento mnimo para eficincia energtica (ASHRAE Handbook
of Fundamentals 2013, cap. 23)
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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)
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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
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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%
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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
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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
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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
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PROPRIEDADES FSICAS DE ISOLANTES
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)
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PROPRIEDADES FSICAS DE ISOLANTES
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
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PROPRIEDADES FSICAS DE ISOLANTES
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
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PROPRIEDADES FSICAS DE ISOLANTES
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
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PROPRIEDADES FSICAS DE ISOLANTES
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
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PROPRIEDADES FSICAS DE ISOLANTES
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;
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PROPRIEDADES FSICAS DE ISOLANTES
TRMICOS VALORES TPICOS (ASHRAE/ASTM)
Figura 7: Propriedades de isolantes trmicos. ASHRAEHandbook of Fundamentals, 2013
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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
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MIGRAO DE VAPOR DGUA E PROCESSO
DE CONDENSAO EM SUPERFCIES
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
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MIGRAO DE VAPOR DGUA
ESTUDO DE CASO
Ambiente A Ambiente B
retorno por duto comum
AB
A
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MIGRAO DE VAPOR DGUA
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
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MIGRAO DE VAPOR DGUA
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.
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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
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MIGRAO DE VAPOR DGUA -
APLICAO A ISOLANTES TRMICOS
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
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MIGRAO DE VAPOR DGUA
APLICAO A ISOLANTES TRMICOS
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
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MIGRAO DE VAPOR DGUA E PROCESSO
DE CONDENSAO EM SUPERFCIES
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
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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
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PROPRIEDADES FSICAS DE ISOLANTES
TRMICOS VALORES TPICOS (ASHRAE/ASTM)
Fig ura 7 (repet io): ASHRAE Handbook of Fundamentals, 2013
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APLICAO A ISOLANTES TRMICOS PARA
TUBULAES E DUTOS DE SISTEMAS HVAC
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
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APLICAO A ISOLANTES TRMICOS PARA
TUBULAES E DUTOS DE SISTEMAS HVAC
CARACTERSTICAS DOS ISOLANTE TPICAMENTE:
Poliuretano expandido: Exige barreira de vapor
Condutividade trmica tpica (seco): 0,026 a 0,030 W/mK
Permeabilidade migrao de vapor: 5,8 ng/(Pas m)
Risco de variao da condutividade trmica por acmulo
de vapor dgua condensado. Dificuldade de fechamento da barreira de vapor (execuo
na obra)
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APLICAO A ISOLANTES TRMICOS PARA
TUBULAES E DUTOS DE SISTEMAS HVAC
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
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APLICAO A ISOLANTES TRMICOS PARA
TUBULAES E DUTOS DE SISTEMAS HVAC
CARACTERSTICAS DOS ISOLANTETPICAMENTE: Espuma elastomrica
No exige barreira de vapor
Condutividade trmica tpica (seco): 0,036 a 0,040 W/mK
Permeabilidade migrao de vapor: 0,15 ng/(Pas m)
Material clulas fechadas, evita acmulo de vapor dguacondensado.
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APLICAO A ISOLANTES TRMICOS PARA
TUBULAES E DUTOS DE SISTEMAS HVAC
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
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APLICAO A ISOLANTES TRMICOS
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
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APLICAO A ISOLANTES TRMICOS
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
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APLICAO A ISOLANTES TRMICOS
Aparato para ensaios em cmara climtica
Figura 14: Foto aparato usado nos ensaios. ASHRAE RP 1356, LorenzoCresmaschi et al, 2012
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APLICAO A ISOLANTES TRMICOS
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
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APLICAO A ISOLANTES TRMICOS
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)
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APLICAO A ISOLANTES TRMICOS
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
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APLICAO A ISOLANTES TRMICOS
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
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APLICAO A ISOLANTES TRMICOS
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
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APLICAO A ISOLANTES TRMICOS
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
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APLICAO A ISOLANTES TRMICOS
POLIURETANO (tipo fenlico)
Figura 20: Foto do prottipo testado com isolamento de poliuretano. ASHRAE
RP 1356, Lorenzo Cresmaschi et al, 2012
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APLICAO A ISOLANTES TRMICOS
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
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APLICAO A ISOLANTES TRMICOS
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
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APLICAO A ISOLANTES TRMICOS
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
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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;
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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)
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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)
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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
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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
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CRESCIMENTO MICROBIOLGICO APLICAES IMPORTANTES EM QUE DEVE-SE
EVITAR CONTAMINAO POR
MICROORGANISMOS: reas hospitalares
reas Industriais Farmacutica
Alimentos
Vacinas
Eletrnica - microcomponentes
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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
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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
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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.
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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
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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/ -
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