Materiais de isolamento
Como foi escrito, o isolamento térmico é baseado no uso de substâncias com condutividade térmica muito baixa . Esses materiais são conhecidos como materiais de isolamento . Os materiais de isolamento comuns são lã, fibra de vidro, lã de rocha, poliestireno, poliuretano e penas de ganso, etc. Esses materiais são condutores de calor muito fracos e, portanto, são bons isolantes térmicos.
É preciso acrescentar que o isolamento térmico se baseia principalmente na condutividade térmica muito baixa dos gases. Os gases possuem más propriedades de condução térmica em comparação com líquidos e sólidos e, portanto, são um bom material para isolamento se puderem ser presos (por exemplo, em uma estrutura semelhante a espuma ). Ar e outros gases geralmente são bons isolantes. Mas o principal benefício é na ausência de convecção . Portanto, muitos materiais de isolamento (por exemplo, poliestireno) funcionam simplesmente com um grande número de bolsas cheias de gás que impedem a convecção em grande escala . Em todos os tipos de isolamento térmico, a evacuação do ar no espaço vazio reduzirá ainda mais a condutividade térmica geral do isolador.
A alternância de bolsa de gás e material sólido faz com que o calor seja transferido através de muitas interfaces, causando uma rápida diminuição no coeficiente de transferência de calor.
Deve-se notar que as perdas de calor de objetos mais quentes ocorrem por três mecanismos (individualmente ou em combinação):
Até agora, não discutimos a radiação térmica como um modo de perda de calor . A transferência de calor por radiação é mediada por radiação eletromagnética e, portanto, não requer nenhum meio para a transferência de calor. De fato, a transferência de energia pela radiação é mais rápida (na velocidade da luz) e não sofre atenuação no vácuo. Qualquer material que tem uma temperatura acima do zero absoluto emite alguma energia radiante . A maior parte dessa energia está na região do infravermelho do espectro eletromagnético, embora parte dele esteja na região visível. Para diminuir esse tipo de transferência de calor, materiais com baixa emissividade (alta refletividade) devem ser utilizados. Os isolamentos refletivos são geralmente compostos por folhas paralelas multicamadas de alta refletividade, espaçadas para refletir a radiação térmica de volta à sua fonte. A emissividade , ε , da superfície de um material é sua eficácia na emissão de energia como radiação térmica e varia entre 0,0 e 1,0. Em geral, os metais polidos têm emissividade muito baixa e, portanto, são amplamente utilizados para refletir energia radiante de volta à sua fonte, como no caso de mantas de primeiros socorros .
Tipos de isolamento – Categorização de materiais de isolamento
Para materiais de isolamento, três categorias gerais podem ser definidas. Essas categorias são baseadas na composição química do material base a partir do qual o material isolante é produzido.
Em leituras adicionais, há uma breve descrição desses tipos de materiais de isolamento.
Materiais de isolamento inorgânico
Como pode ser visto na figura, os materiais inorgânicos podem ser classificados de acordo:
- Materiais fibrosos
- Materiais celulares
- Silicato de cálcio
- Vidro celular
Materiais de isolamento orgânico
Os materiais de isolamento orgânico tratados nesta seção são todos derivados de uma matéria-prima petroquímica ou renovável (de base biológica). Quase todos os materiais de isolamento petroquímico estão na forma de polímeros. Como pode ser visto na figura, todos os materiais de isolamento petroquímico são celulares. Um material é celular quando a estrutura do material consiste em poros ou células. Por outro lado, muitas plantas contêm fibras por sua resistência, portanto quase todos os materiais de isolamento de base biológica são fibrosos (exceto cortiça expandida, que é celular).
Os materiais de isolamento orgânico podem ser classificados em conformidade:
- Materiais petroquímicos (derivados de petróleo / carvão)
- Materiais renováveis (derivados de plantas / animais)
- Celulose
- Cortiça
- Fibra de madeira
- Fibra de cânhamo
- Lã de linho
- Lã de ovelha
- Isolamento de algodão
Outros materiais de isolamento
Exemplo de isolamento – poliestireno
Geralmente, o poliestireno é um polímero aromático sintético produzido a partir do monômero estireno, que é derivado do benzeno e etileno, ambos produtos derivados do petróleo. O poliestireno pode ser sólido ou espumado. O poliestireno é um termoplástico incolor e transparente, que é comumente usado para isolar painéis de espuma ou painéis de pérolas e um tipo de isolamento de preenchimento solto que consiste em pequenas esferas de poliestireno. As espumas de poliestireno são de 95 a 98% de ar. As espumas de poliestireno são bons isolantes térmicos e, portanto, são frequentemente usadas como materiais de isolamento de edifícios, como em formas de concreto isolante e sistemas estruturais de construção de painéis isolados. Poliestireno expandido (EPS) e extrudado (XPS)ambos são feitos de poliestireno, mas o EPS é composto de pequenas esferas de plástico que são fundidas e o XPS começa como um material fundido que é pressionado para fora de um formulário em folhas. O XPS é mais comumente usado como isolamento de placas de espuma.
O poliestireno expandido (EPS) é uma espuma rígida e resistente de células fechadas. Os aplicativos de construção civil representam cerca de dois terços da demanda por poliestireno expandido. É utilizado para o isolamento de paredes (cavidades), telhados e pisos de concreto. Devido às suas propriedades técnicas, como baixo peso, rigidez e formabilidade, o poliestireno expandido pode ser usado em uma ampla gama de aplicações, como bandejas, pratos e caixas de peixes.
Embora o poliestireno expandido e o extrudado tenham uma estrutura de célula fechada, eles são permeáveis pelas moléculas de água e não podem ser considerados uma barreira ao vapor. No poliestireno expandido existem lacunas intersticiais entre os grânulos expandidos de células fechadas que formam uma rede aberta de canais entre os grânulos ligados. Se a água congelar em gelo, ela se expande e pode fazer com que os pellets de poliestireno se soltem da espuma.
Exemplo de isolamento – painéis de isolamento a vácuo
A maior parte dos materiais são limitados pela condutividade térmica do ar (aprisionado em células), o qual é de cerca de cerca de 0,025 W / m K ∙ . Mas uma diminuição na pressão causa uma diminuição na sua condutividade térmica. Um painel de isolamento a vácuo (VIP) reduz esse problema. Este painel é uma forma de isolamento térmico que consiste em um gabinete estanque ao gás em torno de um núcleo rígido. O ar deste painel é evacuado. Deve-se notar que o envelhecimento tem um efeito negativo nos painéis. Isso ocorre porque o envelope dos painéis não é totalmente hermético e, portanto, sua condutividade térmica aumenta levemente. Esses painéis podem ser usados para o isolamento térmico de quase todos os elementos do invólucro do edifício.
Exemplo – Perda de calor através de uma parede
Uma das principais fontes de perda de calor de uma casa é através das paredes. Calcule a taxa de fluxo de calor através de uma parede com 3 mx 10 m de área (A = 30 m 2 ). A parede tem 15 cm de espessura (L 1 ) e é feita de tijolos com condutividade térmica de k 1 = 1,0 W / mK (isolador térmico ruim). Suponha que as temperaturas interna e externa sejam 22 ° C e -8 ° C, e os coeficientes de transferência de calor por convecção nos lados interno e externo sejam h 1 = 10 W / m 2 K e h 2 = 30 W / m 2K, respectivamente. Observe que esses coeficientes de convecção dependem muito das condições ambientais e interiores (vento, umidade etc.).
- Calcule o fluxo de calor ( perda de calor ) através desta parede não isolada.
- Agora assuma o isolamento térmico no lado externo desta parede. Use isolamento de poliestireno expandido com 10 cm de espessura (L 2 ) com a condutividade térmica de k 2 = 0,03 W / mK e calcule o fluxo de calor ( perda de calor ) através dessa parede composta.
Solução:
Como foi escrito, muitos dos processos de transferência de calor envolvem sistemas compostos e até envolvem uma combinação de condução e convecção . Com estes sistemas compostos, muitas vezes é conveniente trabalhar com um coeficiente de transferência total de calor , conhecido como um factor-L . O fator U é definido por uma expressão análoga à lei do resfriamento de Newton :
O coeficiente geral de transferência de calor está relacionado à resistência térmica total e depende da geometria do problema.
- parede nua
Assumindo a transferência de calor unidimensional através da parede plana e desconsiderando a radiação, o coeficiente geral de transferência de calor pode ser calculado como:
O coeficiente geral de transferência de calor é então:
U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 1/30) = 3,53 W / m 2 K
O fluxo de calor pode ser calculado simplesmente como:
q = 3,53 [W / m 2 K] x 30 [K] = 105,9 W / m 2
A perda total de calor através desta parede será:
q perda = q. A = 105,9 [W / m 2 ] x 30 [m 2 ] = 3177W
- parede compósita com isolamento térmico
Assumindo a transferência de calor unidimensional através da parede composta plana, sem resistência ao contato térmico e sem considerar a radiação, o coeficiente geral de transferência de calor pode ser calculado como:
O coeficiente geral de transferência de calor é então:
U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 0,1 / 0,03 + 1/30) = 0,276 W / m 2 K
O fluxo de calor pode ser calculado simplesmente como:
q = 0,276 [W / m 2 K] x 30 [K] = 8,28 W / m 2
A perda total de calor através desta parede será:
q perda = q. A = 8,28 [W / m 2 ] x 30 [m 2 ] = 248 W
Como pode ser visto, uma adição de isolador térmico causa uma diminuição significativa nas perdas de calor. Deve ser adicionado, uma adição da próxima camada de isolador térmico não causa economias tão altas. Isso pode ser visto melhor no método de resistência térmica, que pode ser usado para calcular a transferência de calor através de paredes compostas . A taxa de transferência constante de calor entre duas superfícies é igual à diferença de temperatura dividida pela resistência térmica total entre essas duas superfícies.
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