Módulo: REFRATÁRIOS – Agosto/2014
Refratários Isolantes e Cálculos de Isolação
Moacir da Ressurreição
Agosto 2014
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Isolantes
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Definição
Tipos
Finalidade
Características
Formatos
Processo de Fabricação
Vantagens
Aplicação
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Isolantes - Definição
- São chamados de isolantes, os materiais refratários
que
suportam convenientemente bem as
temperaturas elevadas (em contato direto ou
indireto com o ambiente de trabalho e baixa massa
específica aparente) e que conduzem a menor
quantidade possível de calor para o meio externo
(baixa condutibilidade térmica).
- Geralmente são feitos de material sílico-aluminoso
através de um processo artificial de fabricação e
apresentando uma infinidade de poros vazios em
toda sua massa (porosidade total superior à 45%),
poros estes responsáveis pela predominante
característica de isolamento térmico.
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Isolantes - Tipos
-
Peças moldadas
Concretos isolantes
Fibra cerâmica
Lã de vidro
Lã de rocha
Silicato de cálcio
Cortiça
Vermiculita
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Isolantes - Finalidade
- A principal é a diminuição das perdas de
energia calorífica geradas ou contidas em
equipamentos térmicos (de qualquer tipo), com
o objetivo também de um estudo da
performance técnico-energética e visando ainda
a economia de energia através de recursos
próprios.
- A especificação de um isolamento é realizada
através de uma análise técnica, proposição de
soluções para a economia de energia e a
validação da performance do equipamento.
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Isolantes - Características
- Baixa condutividade térmica (K);
- Facilidade de cortes, ajustes e manuseios
(devido à baixa densidade aparente);
- Média ou baixa resistência mecânica.
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Isolantes - Características
Condutibilidade Térmica (k)
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Isolantes - Formatos
-
Tijolos paralelos, arcos e cunhas;
-
Mantas;
-
-
Módulos;
Flocos
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Isolantes - Processo de Fabricação
Mistura
Embalagem
Para monolíticos
(concretos, argamassas, massas)
Conformação
Agentes orgânicos que formam poros abertos:
Secagem
• Casca de coco
• Vermiculita
• Cortiça
Queima
Embalagem
• Isopor
• Outros materiais utilizados como: alumina
globular, zircônia globular.
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Isolantes - Processo de Fabricação
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Isolantes - Vantagens
- Baixo peso;
- Baixo calor armazenado;
- Boa resistência ao choque térmico;
- Eficiência térmica;
- Alta porosidade.
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Isolantes - Exemplos de Aplicação
-
Fornos em geral;
Reformadores;
Reatores;
Trocadores de Calor;
Caldeiras;
Tratamentos Térmicos;
Pelotização;
Cerâmica Vermelha;
Vagonetas;
Sinterização…
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Cálculo de Isolamento Térmico
• Conceitos Básicos
• Cálculos Envolvidos
• Exemplos
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Cálculo de Isolamento Térmico
Conceitos Básicos
• Parâmetros para determinar o tipo de refratário
adequado para um projeto:
-
Tipo do equipamento;
Tipo de Material em processo;
Continuidade de operação;
Abrasão resultante da movimentação das cargas;
Fonte de calor e temperaturas nas diversas regiões;
Face fria desejada (temperatura externa ao isolamento);
Ataque químico;
Impacto de cargas e das chamas;
Etc...
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Cálculo de Isolamento Térmico
Conceitos Básicos
• Os conceitos básicos aqui adotados são de uso
estritamente elementar e prático, não podendo ser
aplicados em casos complexos de isolação térmica,
pois são básicos e não aprofundados, portanto, não é
possível aplicá-los em cálculos de projetos de
equipamentos e nem em balanços térmicos precisos
(para conhecimentos mais detalhados e precisos é
necessário consultar a literatura pertinente ao assunto).
• Existem 2 maneiras para calcularmos as perdas de
calor, a saber: → Regime Permanente (que será
adotado para os cálculos que seguem) ou → Regime
Transitório;
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Cálculo de Isolamento Térmico
Conceitos Básicos
• Regime permanente:
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Cáculo de Isolamento Térmico
Conceitos Básicos
• Condutividade (ou Condutibilidade) Térmica (k → kcal/m.h ºC):
É a quantidade horária de energia que atravessa um cubo de
1 m3, mantendo uma diferença de 1 ºC entre as faces
opostas e que pode ser expressa em:
onde:
Q → quantidade de calor (kcal)
S → área da parede (m2)
t1 e t2 → temperaturas (ºC)
e → espessura da parede (m)
ө → tempo (h)
k → condutividade térmica (kcal/m. h ºC)
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Cálculo de Isolamento Térmico
Conceitos Básicos
• A condutividade térmica (k), como dissemos anteriormente, é
a quantidade de calor que passa na unidade de tempo através
de uma superfície unitária, quando a diferença de temperatura
é de 1ºC por unidade de espessura. Sua unidade de inglesa é:
BTU/ft.h ºF, sendo 1 BTU/ft.h ºF = 1488 kcal/m.h ºC. Nos
cálculos referentes a isolantes térmicos, os ingleses usam uma
unidade 12 vezes maior, pois está relacionado à uma camada
de isolante de 1 pol de espessura e 1 sq.ft. de superfície 1
BTU.pol/h.sq.ft.ºF = 0,1242 kcal.m/m².h ºC.
• A condutibilidade térmica (k) depende do material e quanto
maior ela for, tanto melhor condutor de calor será o corpo em
estudo; também podemos considerá-la constante para um
mesmo material, dentro de certos limites de temperatura.
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Cálculo de Isolamento Térmico
Conceitos Básicos
• A condutividade térmica (k) pode ser usada como classificação
dos materiais em condutores e isolantes, como descrito no
quadro a seguir:
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Cálculo de Isolamento Térmico
Conceitos Básicos
• A resistência térmica (R) é a capacidade que cada corpo
específico tem em ″retardar″ o fluxo de energia (calor), sendo
expressa como:
onde: e → espessura da parede (m)
k → condutividade térmica (kcal/m.h ºC)
• Outro fator que incide sobre o cálculo do fluxo de calor é a
resistência superficial (Rs), que espressa por:
onde: he → coeficiente de superfície
• Por convenção → para ambientes externos: Rs (1/he) = 0
→ para ambientes internos: he = 10 kcal/m².h ºC
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Cálculo de Isolamento Térmico
Obtenção da Temperatura Superficial
Para esse cálculo interativo convencionamos que o coeficiente de
película (he) é de: - Ambientes Internos = 7 kcal/m.h ºC
- Ambientes Externos = 10 kcal/m.h ºC
• Superfície Plana:
onde: Tse → temperatura superficial (ºC)
e → espessura do isolamento (m)
k → condutividade térmica (kcal/m.h ºC)
he → coeficiente de superfície (kcal/m².h ºC)
top → temperatura de operação (ºC)
ta → temperatura ambiente (ºC)
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Cálculo de Isolamento Térmico
Obtenção da Temperatura Superficial
• Superfície Cilíndrica:
onde: Tse → temperatura superficial (ºC)
Ln → logaritmo neperiano
e → espessura do isolamento (m)
k → condutividade térmica (kcal/m.h ºC)
he → coeficiente de superfície (kcal/m².h ºC)
top → temperatura de operação (ºC)
ta → temperatura ambiente (ºC)
d → diâmetro externo da tubulação (m)
D → diâmetro externo do isolamento (m) (D = d + 2 . e)
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Cálculo de Isolamento Térmico
Perda de Energia (calor)
• Parte Plana:
onde:
Q → quantidade de energia perdida (kcal/h.m²)
R → resistência térmica do isolante (m².h ºC/kcal)
Rs → resistência térmica da superfície
externa (m².h ºC/kcal)
e → espessura do isolante (m)
k → condutividade térmica do isolante (kcal/m.h ºC)
he → coeficiente de película (kcal/m².h ºC)
he → ambientes internos = 10 kcal/m².h ºC
he → ambientes externos = 0 kcal/m².h ºC
top → temperatura de operação (ºC)
ta → temperatura ambiente (ºC)
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Cálculo de Isolamento Térmico
Perda de Energia (calor)
• Parte Cilíndrica:
onde:
Q → quantidade de energia perdida (kcal/h.m²)
Ln → logaritmo neperiano
e → espessura do isolante (m)
k → condutividade térmica do isolante (kcal/m.h ºC)
he → coeficiente de película (kcal/m².h ºC)
he → ambientes internos = 10 kcal/m².h ºC
he → ambientes externos = 0 kcal/m².h ºC
top → temperatura de operação (ºC)
ta → temperatura ambiente (ºC)
d → diâmetro externo da tubulação (m)
D → diâmetro externo do isolamento (m) (D = d + 2 . e)
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Cálculo de Isolamento Térmico
Exemplo de Cálculo do Calor Perdido
• Exemplo № 1:
dados:
→ ambiente interno (he = 10 kcal/m².h ºC)
→ espessura do isolante (e = 160 mm = 0,16 m)
→ condutividade térmica do isolante (k = 0,060 kcal/m.h ºC)
→ temperatura de operação (top = 500 ºC)
→ temperatura ambiente (ta = 20 ºC)
kcal/m².h ºC
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Cálculo de Isolamento Térmico
Exemplo de Cálculo do Calor Perdido
• Exemplo № 2:
dados:
→ ambiente interno (he = 10 kcal/m².h ºC)
→ espessura do isolante (e = 150 mm = 0,15 m)
→ condutividade térmica do isolante (k = 0,070 kcal/m.h ºC)
→ temperatura de operação (top = 500 ºC)
→ temperatura ambiente (ta = 20 ºC)
→ diâmetro externo da tubulação (d = 300 mm = 0,3 m)
→ diâmetro externo do isolamento (m) (D = d + 2.e = 0,3 + 2 . 0,15 = 0,6 m)
kcal/m².h ºC
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Cálculo de Isolamento Térmico
Outro Modo de Obter o Fluxo de Energia
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Cálculo de Isolamento Térmico
Outro Modo de Obter o Fluxo de Energia
Dens. 1,5 g/cm3
K=2,6 W/m.K
Dens. 1,2 g/cm3 K=1,9 W/m.K
Dens. 1,1 g/cm3 K=1,9 W/m.K
K=0,5 W/m.K
K=0,4 W/m.K
T. m. u.
1650°C
1800°C
114 mm
114 mm
T. m. u.
T. m. u.
T. m. u.
1100°C
1400°C
1800°C
114 mm
114 mm
ESPESSURA mm
SITUAÇÃO A
114 mm
ESPESSURA mm
SITUAÇÃO B
K=0,15 W/m.K
FACE QUENTE
Dens. 0,4 g/cm3
Dens. 2,60 g/cm3
INTERFACE 1
ISOLANTE
INTERFACE 2
93°C
FACE QUENTE
INTERFACE 1
131°C
K=0,15 W/m.K
ISOLANTE
Dens. 2,90 g/cm3
FACE FRIA
T. m. u.
1300°C
ISOLANTE
Dens. 0,8 g/cm3
FACE FRIA
FACE QUENTE
INTERFACE 1
T. m. u.
114 mm
1300°C
ISOLANTE
INTERFACE 2
Dens. 3,07 g/cm3
INTERFACE 2
193°C
FACE FRIA
K=0,38 W/m.K
DENSO
DENSO
ISOLANTE
K=1,1 W/m.K
Dens. 1,05 g/cm3
940°C
1520°C
DENSO
ISOLANTE
1600°C
TEMPERATURA °C
1224°C
1235°C
1533°C
1700°C
TEMPERATURA °C
1250°C
TEMPERATURA °C
T. m. u.
T. m. u.
T. m. u.
1000°C
1400°C
1750°C
114 mm
114 mm
114 mm
ESPESSURA mm
SITUAÇÃO C
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Isolantes - Considerações Gerais
- Cabe a nós mostrarmos algumas vantagens e
desvantagens dos diversos produtos que são
comumente usados na aplicação de isolação
térmica.
- Lembramos ainda que essas comparações são
baseadas nas experiências vividas em campo e
somente são empregadas em condições
específicas, pois cada caso de aplicação de
uma isolação térmica deve ser analisado
separadamente.
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Isolantes - Bibliografia
- Annual Book of A.S.T.M. Standards, vol. 04.06 Thermal Insulation, Enviromental Acoustics –
1991.
- N-250-D – Petrobras.
- Thermal Insulation Hand Book.
- Transferência de Calor – M. Necati Ozisik.
- Princípios da Transmissão de Calor – Frank
Kregth.
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