DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE GLOBAL DE

DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE GLOBAL DE
TRANSFERÊNCIA DE CALOR “U” EM PAINÉIS SANDUÍCHE
PARA ISOLAMENTO TÉRMICO
Ana P. Sartori1,2, Janaina S. Crespo1*, Regina C. Reis Nunes3, Paulo R. Wander1
1
Universidade de Caxias do Sul - UCS, Campus de Caxias do Sul, Caxias do Sul, RS - * [email protected]
2
Randon S/A - Implementos e Participações, Caxias do Sul, RS
3
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de Macromoléculas Professora Eloísa Mano – Rio de Janeiro - RJ
Um painel sanduíche consiste essencialmente em duas faces, podendo inclusive possuir reforços metálicos e
um núcleo formado normalmente por um polímero celular. As faces deste tipo de painel podem estar unidas por um
adesivo estrutural, ou por espuma rígida de poliuretano (PU) injetado diretamente sobre os substratos, quando a união
ocorrerá naturalmente. A propriedade de maior relevância que o painel sanduíche deve ter para o transporte de cargas
congeladas (0ºC a -30ºC) ou refrigeradas (7ºC a 1ºC) é a condutividade térmica (k). Dentro deste contexto o objetivo
deste trabalho foi propor e caracterizar painéis sanduíches que possam ser utilizados em câmaras frigoríficas. Este
trabalho apresenta as seguintes alternativas para compósito sanduíche: amostra 1 (PRFV/PU/PRFV); amostra 2
(AG/PU/AG); amostra 3 (Frisado/PU/PRFV); e amostra 4 (Al/PU/Al), onde PRFV é poliéster reforçado com fibra de
vidro, PU é espuma rígida de poliuretano, AG é aço galvanizado, Frisado é alumínio frisado, e Al é alumínio. Foram
realizadas as análises térmicas, e encontrado o coeficiente global de transferência de calor dos sistemas (U). Foi
possível concluir que o sistema (AG/PU/AG) mostrou o melhor desempenho.
Palavras-chave: painel sanduíche, condutividade térmica, transferência de calor, termografia, compósito.
Determination of the overall heat transfer coefficient U in heat insulation sandwich panels
A sandwich panel consists essentially of two face sheets, may even have metal reinforcements and a core formed
usually by a cellular polymer. The faces of this type of panel may be joined by a structural adhesive or by rigid
polyurethane foam (PU), injected directly on the substrates when the union will occur naturally. The most relevant
property of the sandwich panel for the transport of frozen (0ºC to -30ºC) or chilled (7ºC to 1ºC) cargo is thermal
conductivity (k). Within this context the objective of this work was to propose and characterize sandwich panels which
can be used in refrigerated chambers. This work presents the following alternatives for composite sandwich: sample 1
(PRFV / PU / PRFV); sample 2 (AG / PU / AG): sample 3 (Friesland / PU / PRFV): and sample 4 (Al / PU / Al) where
PRFV is polyester reinforced with fiber glass; PU is rigid polyurethane foam; AG is galvanized steel; Friesland is
aluminum friesland; AL is aluminum. The thermal analyses were performed and the overall heat transfer coefficient (U)
of the system determined. It could be concluded that the sample 2 (AG / PU / AG) showed the best performance.
Keywords: sandwich panel, thermal conductivity, heat transfer, thermography, composite
Introdução
O transporte de produtos perecíveis e de alto grau de fragilidade tem aumentado
consideravelmente nos últimos anos. A forma como estes produtos são transportados e a integridade
da carga tem estimulado órgãos governamentais a criar critérios de inspeção mais rigorosos o que
desencadeou na elaboração da norma ABNT 14701 [1] que regulariza e caracteriza carrocerias
frigoríficas quanto ao seu coeficiente de isolamento térmico. Painéis sanduíches são utilizados na
construção de câmaras frigoríficas estacionárias, veículos para transporte de super congelados,
congelados, refrigerados, além de outros fins como a construção civil. Estes painéis, por serem
formados por camadas de diferentes materiais permitem grande flexibilidade nas propostas para este
projeto, principalmente quanto a custos e propriedades (mecânicas e térmicas). As características
importantes e desejáveis dos painéis sanduíches são as boas propriedades estruturais aliadas a baixa
densidade e a excelentes propriedades de isolamento térmico [1-3].
Um painel sanduíche (sandwich panel) consiste essencialmente em duas faces, podendo
inclusive possuir reforços metálicos e um núcleo formado, normalmente por um polímero celular.
As faces deste tipo de painel podem estar unidas através de um adesivo estrutural ou em casos onde
o núcleo é de espuma rígida de poliuretano injetado diretamente sobre os substratos, a união
ocorrerá pelo próprio poliuretano. A propriedade de maior relevância que os painéis sanduíche
devem ter para o transporte de cargas congeladas ou refrigeradas é o coeficiente global de
transferência de calor (U). Atualmente o conceito de painéis utilizados no transporte de produtos
perecíveis, em sua grande maioria, apresenta este coeficiente de condutividade térmica acima do
máximo determinado para caracterização de uma carroceria fortemente isolada, ou seja, ≥ 0,40
W/m²K, estando na maioria das vezes, caracterizada como normalmente isolada. Este trabalho
consiste na avaliação comparativa entre diferentes compósitos quanto a sua eficiência no isolamento
térmico tendo sido determinado o Coeficiente Global de Transferência de Calor através de
experimento desenvolvido. As figuras 1a e 1b apresentam diversas configurações de painéis
sanduíche e painéis sanduíche aplicado a implementos rodoviários, objeto deste trabalho [2].
a
Figura 1a – Painéis sanduíche
b
Figura 1b – Painel sanduíche aplicado à implemento rodoviário
Figura 1 – Ilustração de painéis sanduíche e sua aplicação [2]
Experimental
Injeção dos Painéis Sanduíche
Para cada alternativa proposta (amostras 1 à 4) foram confeccionados seis (6)bcorpos de
prova, totalizando 24. Cada painel foi submetido ao processo de injeção da espuma rígida de
poliuretano com equipamento de baixa pressão e sistema porta-molde com aquecimento à 45°C
durante injeção e cura da espuma. A massa de poliuretano injetada nos painéis foi calculada através
do volume de cada painel e da densidade objetivo de 42 kg/m³ [4-8].
Anais do 10o Congresso Brasileiro de Polímeros – Foz do Iguaçu, PR – Outubro/2009
Na tabela 1 abaixo estão descritas a quantidade de espuma de poliuretano que foi injetada
nos painéis, bem como, os tempos necessários de injeção.
Tabela 1 – Características dos painéis estudados
CP
PRFV/PU/PRFV
AG/PU/AG
Al Frisado/PU/PRFV
Al/PU/Al
Altura (m)
Largura (m)
Espessura (m)
Volume (m³)
Massa (kg)
T (s)
0,990
0,986
0,983
0,987
0,990
0,980
0,980
0,980
0,056
0,056
0,056
0,056
0,055
0,054
0,054
0,054
2,305
2,273
2,266
2,275
12,7
12,5
12,4
12,5
Montagem dos Cubos (corpos de prova) para o ensaio de Condutância
Posteriormente à injeção e estabilização dos painéis sanduíche propostos (72 horas), foram
montados os corpo de prova na forma de cubos para a realização do ensaio de condutância térmica.
Com a realização deste ensaio, obteve-se o Coeficiente Global de Transferência de Calor (U). As
figuras 2a e 2b mostram a forma como os cubos foram montados. Na montagem dos corpos de
prova, quando da união dos seis painéis (amostra 1 à 4)
foi utilizado adesivo elástico
monocomponente de poliuretano.
a
Figura 2a – Vista frontal do cubo
b
b
Figura 2b – Processo de cura do adesivo de PU
Figura 2 – Montagem dos corpos de prova para ensaio
Todos os cubos foram montados sem a tampa, visto que, antes de seu fechamento foi
necessário o posicionamento dos termopares utilizados no experimento.
Montagem do Experimento
A sistemática de montagem dos corpos de prova (cubos) foi mantida constante para cada
uma das quatro configurações de painéis apresentados neste trabalho. Primeiramente foram
posicionados e afixados os termopares (TP1 à TP6) conforme o posicionamento descrito na tabela
2. Após a fixação dos termopares, obdeceu-se a um período de estabilização da temperatura média
interna do corpo de prova (cubo), sendo que, posterior a esta estabilização, iniciou-se a coleta dos
dados (corrente e voltagem) a cada 15 minutos, sendo este monitoramento realizado por um período
de 2 horas. A diferença de temperatura média interna e a temperatura ambiente mantida durante o
teste foi de 45°C. Posterior a estabilização do sistema, durante a coleta de dados, o equipamento não
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pode mais ser ajustado. A nomenclatura utilizada no posicionamento dos termopares pode ser
encontrada na tabela 2.
Tabela 2: Nomenclatura e posicionamento dos termopares
Termopar
Posicionamento
TP1
Fundo Interior
TP2
Frente Inferior
TP3
Centro Interior
TP4
Parede Interior
TP5
Parede Exterior
TP6
Ambiente Externo
De forma geral, foram mantidas as posições dos termopares para cada experimento, ou seja,
cada compósito avaliado obedeceu aos mesmos critérios na montagem do cubo teste. Nas figuras 3a
e 3b pode ser observado, o posicionamento dos termopares, da resistência e do ventilador, auxiliar
na turbulência do ar interno (ventilação forçada).
a
b
Figura 3a e 3b: Posicionamento dos termopares no cubo teste
Termografia
Todos os compósitos sanduíche que compuseram as quatro configurações de cubo teste,
foram submetidos a análise por termografia. Inicialmente a câmara termográfica teve sua
emissibilidade calibrada através do termopar externo (temperatura ambiente). Posterior ao início da
coleta de dados (temperatura interna equalizada) foram realizadas imagens termográficas que
posteriormente foram submetidas a análise em software específico. Para cada imagem termográfica,
são possíveis de serem captados 76800 pontos que permitem a exportação para o excel onde os
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mesmos podem ser analisados. Estas imagens termográficas proporcionam a identificação correta
da temperatura nos diversos pontos de abrangência da imagem, permitindo um desvio padrão de
0,5°C. O equipamento termográfico utilizado foi uma câmara ThermaCAM T360. A figura 4a
apresenta o posicionamento como as
imagens termográficas foram realizadas e a figura 4b
apresenta o software utilizado [9].
a
b
Figura 4a: Referência para coleta das imagens termográficas
Figura 4b: Software Quickreport 1.1
Figura 4 – Detalhamento dos pontos de coleta de resultados e do software utilizado
Dimensionamento dos Cubos (corpos de prova)
Para os ensaios de obtenção do coeficiente global de transferência de calor, todos os corpos
de prova (cubos) foram medidos. A tabela 3 apresenta os dimensionais que foram utilizados no
cálculo para obtensão do coeficiente global de transferência de calor.
Tabela 3: Dimensionamento dos corpos de prova (cubos)
Descrição
Comprimento externo (m)
Comprimento interno (m)
Largura externa (m)
Largura interna (m)
Altura externa (m)
Altura interna (m)
Espessura Poliuretano (m)
Si - Área interna (m²)
Se - Área externa (m²)
S - Área média (m²)
Amostra 1
Amostra 2
Amostra 3
Amostra 4
0,990
0,860
0,990
0,870
0,980
0,860
0,056
4,4720
5,8410
5,1565
0,986
0,865
0,980
0,860
0,980
0,860
0,056
4,4548
5,7859
5,1204
0,983
0,870
0,980
0,870
0,980
0,872
0,056
4,5484
5,7742
5,1613
0,987
0,865
0,980
0,860
0,980
0,860
0,056
4,4548
5,7898
5,1223
Cálculo para determinação do Coeficiente Global de Transferência de Calor:
O cálculo para a determinação do coeficiente global de transferência de calor “U”, foco
deste estudo, baseia-se nos dados experimentais coletados. Para a obtenção deste coeficiente, foram
coletadas as temperaturas do sistema (ambiente interno e externo e paredes interna e externa) e os
dados de tensão e corrente que são o produto da potência dissipada para cada sistema na
Anais do 10o Congresso Brasileiro de Polímeros – Foz do Iguaçu, PR – Outubro/2009
manutenção da temperatura interna [9]. Posterior a conclusão da coleta dos dados, foram realizadas
análises do dimensional interno e externo dos cubos teste.
Para o cálculo do coeficiente global de transferência de calor (U), fórmula 1, utilizou-se o h
teórico (coeficiente de transferência de calor do ar) de convecção interna e externa, a densidade e a
viscosidade do ar para as temperaturas obtidas em cada sistema estudado [9].
A equação 1 apresenta a forma como é obtido o coeficiente global de transferência de calor
para cada sistema em avaliação [9].
equação 1
onde,
Ui = coeficiente global de transferência de calor (W/m²°C)
hext = coeficiente de transferência de calor do ar externo (W/m²°C)
hint = coeficiente de transferência de calor do ar interno (W/m²°C)
Aext = área externa (m²)
Aint = área interna(m²)
R = resistência do compósito (°C/W)
Para a obtenção do U global do sistema, é necessário o cálculo para os valores de hext e hint, e
da resistência do compósito em avaliação. Para a obtenção dos coeficientes de transferência de calor
por convecção natural, utiliza-se a equação 2. Para a obtenção do número de Nusselt, utiliza-se
uma faixa laminar quando o número de Prandtl for entre 104 e 108 e uma faixa turbulento quando
este número for de 108 e 1012. Neste experimento utilizou-se o cálculo para a obtenção de hext e hint
turbulento [9]. A equação 3 apresenta o cálculo de obtenção do número de Nusselt turbulento.
equação 2 (*mesmo cálculo para hint)
onde,
hext = coeficiente de transferência de calor do ar externo
hint = coeficiente de transferência de calor do ar interno
Nu = Número de Nusselt (sistema turbulento)
k = condutividade térmica do ar
L = comprimento médio medido externamente
Anais do 10o Congresso Brasileiro de Polímeros – Foz do Iguaçu, PR – Outubro/2009
equação 3
Onde,
Nu = Número de Nusselt (sistema turbulento)
GR = Número de Grashof
PR = Número de Prandtl
Para a obtenção do número de Nusselt são necessários os números de grashof e prandtl que
são obtidos através das equações 4 e 5 [9].
equação 4
Onde,
GR = Número de Grashof
g = Gravidade do ar
β = Inverso da temperatura média (K)
∆T = Variação de temperatura
L = Comprimento do painel
µ = Viscosidade do ar
δ = Densidade do ar
equação 5
Onde,
PR = Número de Prandtl
µ = viscosidade
cp = calor específico
k = condutividade térmica
Conforme a obtenção dos valores através das equações de 1 à 5, é necessário o cálculo da
resistência do compósito através da equação 6.
equação 6
Anais do 10o Congresso Brasileiro de Polímeros – Foz do Iguaçu, PR – Outubro/2009
Onde,
R = resistência do compósito
∆T = Temperatura Parede Interna e Temperatura Parede Externa
Q = Potência média dissipada no experimento
Para as quatro propostas de compósitos estudadas (PRFV/PU/PRFV, AG/PU/AG, Al
Frisado/PU/Al e Al/PU/Al) os cálculos utilizados para a obtenção do coeficiente global de
transferência foram os constantes nas equação de 1 à 6.
Resultados e Discussão
As quatro alternativas de compósitos apresentadas neste trabalho foram submetidas a
análises termográficas durante os ensaios de verificação do coeficiente global de transferência de
calor. Também, posterior aos ensaios, foram coletas amostras da espuma rígida de poliuretano
utilizada como material de núcleo dos painéis em estudo e submetidas a verificação da
condutividade térmica
(k). A tabela 4 apresenta os resultados encontrados nas análises
termográficas dos diferentes compósitos, o coeficiente global de transferência de calor para os
diferentes materiais, o fator de condutividade térmica da espuma rígida de poliuretano e o custo/m²
dos materiais [10-12].
Tabela 4: Resultados do Índice Global de Transferência de Calor dos Compósitos
Temperatura
Temperatura
Coeficiente Global (U)
Cond. Térmica do PU (k)
Custo
Externa (°C)
Interna (°C)
W/m²K
W/mK
R$/m²
PRFV/PU/PRFV
23,58 ± 0,5
72,21 ± 1,0
0,2015
0,02348
74,26
AG/PU/AG
22,19 ± 1,2
64,59 ± 0,6
0,2688
0,02458
38,76
Al Frisado/PU/PRFV
28,15 ± 0,7
68,32 ± 0,3
0,3211
0,02440
77,47
Al/PU/Al
27,14 ± 1,5
66,64 ± 0,4
0,3468
0,02333
53,37
Compósito
Na coluna 2 da tabela 4, é possível a verificação que a temperatura média obtida através dos
76800 pontos de cada imagem termográfica coletada, apresentou um desvio padrão pequeno, na
ordem de 1,0°C. Isto possibilita uma avaliação confiável do sistema, demonstrando que houve
estabilização e pouca perda de temperatura interna através dos elementos de união do cubo teste
(adesivo). O material que apresentou menor temperatura externa foi o compósito composto de
AG/PU/AG, porém a temperatura média interna foi menor que a obtida para o compósito
PRFV/PU/PRFV e que apresentou temperatura externa apenas 1,4°C superior a alternativa com AG
nas faces [13,14].
Anais do 10o Congresso Brasileiro de Polímeros – Foz do Iguaçu, PR – Outubro/2009
Para o compósito PRFV/PU/PRFV o ∆T entre a temperatura interna do sistema de a parede
externa foi de 48,63°C, ao passo que para o compósito AG/PU/AG o ∆T encontrado foi de 42,40°C,
isto ocorre em virtude de os materiais de face da alternativa PRFV/PU/PRFV serem poliméricos e
apresentarem condutividade térmica inferior aos materiais de face da alternativa AG/PU/AG que
são metálicos e apresentam condutividade térmica superior aos materiais poliméricos. Para as
alternativas envolvendo materiais de face compostos por alumínio, as temperaturas de parede
externa e a perda térmica entre a temperatura interna do sistema e as paredes externas foram
superiores. Nas figuras 5a, 5b, 5c e 5d podem ser observadas as temperaturas externas encontradas,
bem como a região onde os painéis foram unidos com adesivo para a montagem do cubo teste.
Figura 5a – PRFV/PU/PRFV
Figura 5b – AG/PU/AG
Figura 5c – Al Frisado/PU/PRFV
Figura 5d – Al/PU/Al
Figura 5 – Ilustração das temperaturas externas dos diferentes painéis
Na figura 5a, 5b e 5d é possível identificar que os pontos onde a temperatura é mais elevada
localiza-se na região de união, ou seja, onde não há o compósito em avaliação e sim, o adesivo
poliuretânico. De maneira geral, este tipo de análise permite que seja monitorada a uniformidade de
injeção da espuma rígida de poliuretano, pontos onde indica-se maior perda térmica pode ocorrer
falha na injeção da espuma, característica não observada neste experimento. Esta informação está
correlacionada com os valores encontrados para a condutividade térmica da espuma encontradas na
coluna 5 da tabela 4. Para a figura 5c é possível identificar através da imagem termográfica, que a
maior perda térmica encontra-se na região dos rebites, onde há ponte térmica.
Anais do 10o Congresso Brasileiro de Polímeros – Foz do Iguaçu, PR – Outubro/2009
O dado experimental obtido, de maior relevância e que foi o motivo deste trabalho é o
coeficiente global de transferência de calor U, que considera a resistência do compósito, a área de
cada corpo de prova e o coeficiente de condutividade térmica do ar externo e interno. Para o
compósito PRFV/PU/PRFV foi encontrado o menor coeficiente, ou seja, 43% menor ao encontrado
para o compósito tradicionalmente utilizado em implementos rodoviários e do especificado na NBR
14701. Outra alternativa que apresentou um coeficiente dentre do especificado na norma brasileira
foi o compósito AG/PU/AG que ficou 23% abaixo. Os compósitos onde uma das faces propostas foi
de alumínio, apresentaram valores no limite previsto na norma ou 12,5% superior ao máximo
permitido.
Neste estudo, considerou-se também o custo/m² de cada alternativa proposta, sendo que,
para a alternativa de melhor eficiência no isolamento térmico, o custo ficou 4% inferior ao sistema
atual. A alternativa que apresentou a maior redução foi a de AG/PU/AG que reduziu 50% no valor.
Conclusão
Das quatro alternativas propostas para carrocerias frigoríficas (até -30ºC), (PRFV/PU/PRFV,
AG/PU/AG, Al Frisado/PU/PRFV e Al/PU/Al), a que apresentou o melhor desempenho quanto ao
coeficiente global de transferência de calor (U), redução significativa de custos e características de
sustentabilidade, ou seja, menor impacto ambiental, foi a alternativa AG/PU/AG (aço
galvanizado/espuma de poliuretano/aço galvanizado).
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