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Propriedades trmicas de materiais aplicados em revestimento deparedes internas: uma anlise comparativa com aplicao emsubestaes eltricas

Vvian Aparecida Lima Sousa (1); Marlia Oliveira (2);Antonio SoutoCoutinho(3); Luiz Bueno da Silva (4)

(1) UFPB,Rua ex-Combatente Assis Luiz,390 Ernesto Geisel-58076-100-Joo Pessoa (83)-8818-6882

e-mail: viviaparecida@gmail.com.(2) Programa de Ps-Graduao de Engenharia Mecnica da UFPB

(3)(4) Programa de Ps-Graduao de Engenharia de Produo da UFPB

RESUMO

O presente trabalho trata de placas compostas por materiais no convencionais pararevestimento de paredes internas de uma subestao eltrica da CHESF localizada emSobral no Estado do Cear. Ele define a condutividade trmica e o coeficiente globalde transmisso de calor de paredes revestidas com essas placas e analisatermicamente o desempenho dessas placas cuja aplicao visa a proporcionar oconforto trmico adequado aos indivduos que trabalham naqueles locais, bem comoproteo aos equipamentos. A anlise consiste em comparar a carga trmica atravsdas paredes convencionais, compostas de tijolo e reboco, e de paredes revestidascom dois tipos de materiais no convencionais. Os resultados mostraram reduo

significativa da carga trmica quando da utilizao dos materiais convencionais emrelao aos no convencionais.Palavras-chave: Condutividade trmica, coeficiente global e carga trmica

1. INTRODUO

Desde o incio de sua existncia o homem busca proteger-se das agresses do meio em que vive,sendo que ao longo do tempo o organismo humano desenvolveu mecanismos de adaptao quepermitiram ao mesmo adaptar-se e por vezes obter uma sensao de bem-estar. Quando se trata decondies trmicas de determinado ambiente, engloba-se o conceito de conforto trmico, ou seja,sensao de conforto e comodidade experimentados por uma pessoa com relao ao calor. Contudo,para que tal sensao ocorra, o corpo humano dispe de um sistema termorregulador que atua namanuteno do equilbrio trmico do organismo. De modo que, quanto mais rigorosos forem osesforos para manter o equilbrio trmico do organismo humano, maiores sero as possibilidades deo estresse ou mesmo o desconforto trmico afetarem a sade e conseqentemente a produtividadede um trabalhador.

As subestaes nas quais os operadores trabalham, foram construdas com base em padresexistentes, que desconsideram as caractersticas climticas, ocasionando os transtornosmencionados anteriormente. Para melhorar as condies trmicas no ambiente de trabalho nasregies do semi-rido, necessria a utilizao de refrigerao artificial, ocasionando um consumode energia proporcional carga trmica do ambiente, implicando custos que podem ser minimizados.

A carga trmica de qualquer ambiente, inclusive as subestaes, pode ser reduzida, aumentando aresistncia trmica da envoltria. Isto possvel aplicando revestimentos que tenham baixacondutividade trmica. Essa propriedade, bem como as demais propriedades termofsicas dosmateriais convencionais e no convencionais, como os que esto sendo desenvolvidos a partir dareciclagem de materiais, deve ser comparada para chegar-se melhor relao custo-benefcio.

Com base em tais argumentos, o gesso foi escolhido como material de estudo, juntamente com

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vermiculita e resduo industrial como EVA. Sendo tais combinaes avaliadas por meio de aplicaesem placas esperando que apresentem um melhoramento nas propriedades trmicas.

Segundo Lamberts, Dutra e Pereira (1997), para o projeto do ambiente construdo, os fatoresclimticos representam grande influencia para determinar o conforto do ocupante e eficincia emtermos de consumo. Bonates (2002) considera, ainda, as caractersticas das superfcies derevestimento dos materiais, as cores aplicadas e as aberturas utilizadas para permitir a interao coma iluminao natural e ventilao no espao.

2. BASE TERICA

Pelo que foi visto anteriormente, as propriedades trmicas dos materiais de construo soparmetros importantes na caracterizao trmica de elementos e sistemas construtivos; suascaractersticas termofsicas permitem calcular as principais caractersticas trmicas dos componentesconstrutivos de uma edificao e com estas avaliar seu desempenho do ponto de vista trmico.

Segundo Santos et al (2004), a condutividade trmica a propriedade que determina os nveis detemperatura de um ambiente. um importante parmetro em problemas envolvendo transferncia decalor no regime estacionrio. Todavia uma das quantidades fsicas cuja determinao muito difcil

e requer alta preciso na medio dos parmetros envolvidos em seu clculo.Condutividade trmica a capacidade de um material de conduzir calor. Ela ocorre por meio devibrao molecular, qual a temperatura uma proporcional. Portanto, o calor flui das superfciescom temperatura mais alta para as de temperatura mais baixa em virtude da vibrao das molculastransmitidas de uma a outra superfcie. Os metais transmitem calor com grande facilidade, sendoconsiderados condutores trmicos, enquanto os materiais fibrosos ou contendo espaos vazios tmgrande dificuldade de transmitir calor, sendo considerados isolantes trmicos. A condutividadetrmica dos materiais de construo muito menor que a dos metais e ligeiramente superior dosisolantes trmicos. Entre vrios isolantes trmicos que podem ser misturados aos materiaisconvencionais para aumentar a resistncia trmica de uma envoltria, encontram-se a vermiculita eEVA (ethylene-vinyl acetate copolymer).

A vermiculita um mineral formado essencialmente por silicatos hidratados de alumnio e magnsio

j bastante usado na construo civil. Quando expandida, apresenta excelente capacidade deisolamento trmico, no conduz eletricidade e, ainda, se comporta como absorvente acstico.

O EVA (ethylene-vinyl acetate copolymer) um copolmero de etileno-acetato de vinila que apresentaas vantagens do polietileno de baixa densidade (LDPE) acrescida de certa polaridade, conferindopropriedades mecnicas e trmicas variveis conforme a finalidade. produzido em grandequantidade, em placas expandidas e utilizadas na indstria caladista. Os resduos, oriundo derecortes nas placas, diante de diversos estudos demonstram sua capacidade de ser transformado embrita leve para ser incorporado e moldado na forma de blocos de cimento que podem ser empregadosna construo civil. (MANO et al ,1999)

A carga trmica a quantidade de calor transmitida do ar exterior para o interior de uma ambienteatravs das paredes, janelas, portas e o teto. A carga trmica se compe de um processo deconveco do ar exterior para a superfcie externa, por conduo atravs da parede e novamente por

conveco da superfcie interna para o interior. O seu clculo, levando em conta a radiao solar,tem por base a equao:

Q = AU( t2 t1 + t) [Eq. 01]

Sendo:

Q Carga Trmica (W/m2 );

A - rea da parede (m2 );

U - Coeficiente global de transmisso de calor (W/m2C);

t1 Temperatura interna (C);

t2 Temperatura externa (C);t acrscimo diferena entre as temperaturas do ar externo e interno, devida

absoro de radiao solar, em funo da cor e do acabamento superficial. (C).

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O coeficiente global de transmisso de calor engloba os processos de conveco econduo, conforme a equao:

21

11

1

hck

x

hc

U

+

+

= [Eq. 02]

Sendo:

hc1- coeficientes de conveco do ar interno (W/m2C);

hc2 - coeficientes de conveco do ar externo (W/m2C);

x - espessura do isolamento (m);

k- Coeficiente de condutividade trmica do material (W/mC).

3. METODOLOGIAPara analisar as propriedades trmicas dos materiais no convencionais, determinou-se, inicialmente,que as placas seriam usadas para o revestimento interno das paredes. As placas proposta eramcompostas de compsitos com uma matriz base de gesso, resduo cermico modo e cal comincorporao de 20 % vermiculita e 12,5% de resduo de EVA. Foi proposto um modelo de placavazada quadrada com 40 centmetros de lado, espessura de 3 cm, tendo baixo relevo na parte centralimplicando uma camada de ar com 1,5 cm de espessura no seu interior.

Logo em seguida a condutividade trmica dos compsitos foi determinada usando o instrumento LFA457 Micro Flash da marca Netzsch. Este utilizado para medir a difusividade e condutividade trmicae calor especfico de metais, compsitos, polmeros, cermicas, lquidos e outros materiais numafaixa de temperatura de 25 a 200oC. Para se fazer essas medies foram definidas amostrascilndricas com dimetro de 25,4 mm e espessura de 5 mm indicada no manual do aparelho paramateriais cermicos.

O desempenho trmico das placas com os compsitos foi avaliado atravs de clculos da simulaode aplicao destas placas em paredes plana composta simples de tijolos de 8 furos e argamassa derevestimento com 2,5 cm de espessura, determinando o coeficiente global de transmisso de calor ea carga trmica. Como estudo de caso utilizou-se os dados de uma subestao da CHESF localizadano municpio de Sobral-CE.

4. RESULTADOS E DISCUSSES

Na seqncia seguem os valores encontrados para a condutividade trmica das placas derevestimento, depois os valores dessa propriedade dos materiais convencionais como o tijolo e a

argamassa. As propriedades desses ltimos so encontrados na literatura, e sero citadas durante asrespectivas apresentaes.Depois sero apresentados os clculos do coeficiente de transmisso de calor (U) e da carga trmicaatravs das paredes convencionais e daquelas compostas com as placas de revestimentosgesso/vermiculita e gesso/EVA.

4.1 Condutividade Trmica

Os valores da condutividade trmica para as placas de revestimento de materiais no convencionaisforam determinados pelo Mtodo Flash, e esto expostos na figura1.

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Figura 1 Condutividade trmica das placas de revestimento

A partir do grfico, foi calculada a mdia das condutividades entre as temperaturas, ficando assimdeterminado:

kg/v = 0,30) W/mC (gesso/vermiculita);

kg/eva= 0,27 W/mC (gesso/EVA).

4.2 Coeficiente Global de Transmisso De Calor

No clculo do coeficiente de transmisso de calor, utilizou-se a equao 2, citada anteriormente. Mas,como se trata de uma parede composta, troca-se o termo do meio do denominador por um somatrio

das espessuras dos materiais envolvidos nos revestimento divididos pela respectiva condutividade,como mostrado na equao equao (3):

211

11

1

hcki

xi

hc

Un

i

+

+

=

=

[Eq. 03]

Segundo Cengel(2002), os coeficientes de conveco do ar interno e externo seguintes so,respectivamente:

hc1= 9,26 W/m2C

hc2= 22,68 W/m2C

Para a parede convencional, mostrada na figura 2, dispe-se dos seguintes dados:

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Figura 2-Parede plana composta simples

x1= 0,025 m (espesura da argamassa de revestimento);

x2= 0,09 m (espessura do tiljo de cermico de 8 furos 9x19x19 cm);k1=1,15 W/mC (argamassa de cimento e areia, com espe ssura 0,025m);

k2= 0,4355 W/mC (Tijolo cermico de 8 furos )

Aplicando os dados na Equao (3), obteve-se o coeficiente global: Uc= 2,49 W/m2oC .

Tanto a placa de gesso/vermiculita quanto a de gesso/Eva, tm o mesmo formato. A aplicao dasplacas na parede original resulta numa parede composta, mostrada na figura 3, contendo um espaocom ar. Em vista disso, adicionou-se uma parcela uma parcela x/k reverente ao material da placae/ou outra referente ao ar.

Figura 3-Parede plana composta com placas de revestimento

Os dados referentes a esse tipo de parede so os seguintes:

x1= 0,025 m (espessura da argamassa de revestimento);

x2= 0,09 m (espessura do tiljo cermico de 8 furos 9x19x19 cm);

x3=0,03 m (espessura total da placa);

x

hc2

hc1

t1

t2

x1x1

k2 k1k1

k3

k4

x4 x5

x3

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x4=0,015 m (espessura da camada de ar na placa);

x5=0,015 m (espessura da placa correspondente ao espao de ar);

k1=1,15 W/mC (argamassa de cimento e areia, com espe ssura 0,025m);

k2= 0,4355 W/mC (tijolo cermico de 8 furos);

k3=0,30 W/mC (gesso/vermiculita);

k4= 0,026 W/mC (ar)k5 = 0,27 W/mC (Gesso/EVA)

Para facilitar o clculo da carga trmica, considerou-se a composio da parede em duas partes: umaconsiderando apenas as camadas de material slido, e outra considerando, tambm, a camada de ar.Essas consideraes so ilustradas pelas figuras 4 e 5. Conseqentemente, consideraram-se doisfluxos de calor em cada placa: um, considerando o material slido das bordas da placa, comespessura de 30 cm; e outro, considerando o espao de ar no local onde a espessura da placa de15 cm. Como resultado, foram obtidos os seguintes coeficientes de transmisso de calor:

a) Gesso com EVA:

UGE= 1,95 W/m2oC

b) Gesso com EVA e arUGEA=0,966 W/m

2oC

c) Gesso com vermiculita

UGV = 1,99 W/m2oC

d) Gesso com vermiculita e ar

UGVA= 0,972 W/m2oC

Figura 4 Parte I da placa analisada

Figura 5 Parte II da placa analisada

4.3 Cargas Trmicas

O calculo da carga trmica se baseia nos princpios da transmisso de calor, devendo obedecer NBR 6401, recomendada pela resoluo n176/2000 da ANVISA.

O ganho de calor atravs das superfcies opacas externas funo da intensidade de radiao solar,da cor da superfcie, das temperaturas externa e interna, da rea e dos parmetros que regem osprocessos globais de conveco e conduo. O mtodo do diferencial de temperatura, consiste emacrescentar um certo t, que leva em conta a cor da superfcie,conforme a tabela 1.

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Tabela 1 Acrscimo diferena entre as temperaturas do ar, devido radiao solar,emfuno da cor

Superfcie Cor escura Cor mdia Cor claraTelhado 25,0 16,6 8,3Parede

leste/oeste16,6 11,1 5,5

Parede norte 8,3 5,5 2,7Parede sul 0 0 0Fonte: Hlio Creder Instalaes de ar condicionado(1988)

A carga trmica ento, obtida atravs da equao1. Utilizando os dados climticos locais dasubestao eltrica localizada no municpio de Sobral-CE, cuja temperatura media, segundo o INMET(Instituto Nacional de Meteorologia) t1= 34 C, e de acordo com a NBR-10 a condio de confo rtopara o vero de indivduos em escritrios t2= 25C. Desconsiderado-se a carga pelo teto, pois oobjetivo dessa pesquisa analisar e comparar a carga trmica das paredes convencionais e comrevestimento das placas propostas. Fazendo analise de todas as paredes das subestaes, econsiderando a rea de um metro quadrado, obtemos o seguinte:

Qc=123,75 Watts/m2- Parede plana composta simples

Entretanto, para as paredes composta com as placas de revestimento, temos que fazeralgumas consideraes, pois como mostrado na figura 4 e figura 5 dividimos a parede emduas partes, ento faremos a considerao da sua rea proporcional, tendo a Parte I 0,25m2 e a Parte II 0,75 m2 para cada um metro quadrado de rea estudado,ento:

Qg/v = 60,95 W/m2 Parede composta com as placas de gesso/vermiculita

Qg/e= 60,38 W/m2 Parede composta com as placas de gesso/EVA

5. CONCLUSO

Fazendo uma comparao entre a reduo do fluxo de calor atravs das paredes compostacom a placa do compsito gesso-vermiculita ser 50,75% em relao parede convencional. E areduo do fluxo de calor atravs da parede composta com a placa do compsito gesso-EVA ser51,33% em relao parede convencional.

REFERNCIAS

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COUTINHO,Antonio. Conforto e Insalubridade Trmica em Ambiente de Trabalho. Joo Pessoa.Editora Universitria. 2005.

CREDER,HLIO. Instalaes de ar condicionado.Rio de janeio. Editora LTC.1996

FROTA, ANSIA BARROS; SCHIFFER,SUENI RAMOS.Manual de conforto trmico.SoPaulo.Nobel.1988

RODRIGUES, Marina; TAVARES, Sergio; SOUZA , Cristina ; LAAR , Michael.Estudos sobre osImpactos da Tecnologia Poroton na indstria da cermica do estado do Rio de Janeiro.XXENEGEP. So Paulo. 2000.

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