No “Campo do Frio”, ou seja, instalações que operam com temperaturas abaixo da ambiente, o dimensionamento da espessura do isolamento deve levar em consideração, não somente a questão da redução nas Perdas Energéticas, mas também a questão da Condensação Superficial.
A Condensação Superficial é um fenômeno físico pelo qual um gás passa do estado gasoso para o líquido. O vapor de água contido no ar atmosférico se liquefaz quando a temperatura na superfície de algum elemento ou do isolamento chega a ser menor que a Temperatura de Ponto de Orvalho (To), para as condições de Temperatura Ambiente (Ta) e Umidade Relativa (UR) em que se encontram esses elementos ou instalações.
Portanto, para prevenir o fenômeno da Condensação Superficial, a espessura do isolamento deve ser dimensionada de forma que se obtenha uma Temperatura Superficial Externa superior a de Orvalho (Tse ˃ To), conforme Fig. 1.
A Temperatura de Ponto de Orvalho (To) é a temperatura na qual se inicia a condensação do vapor de água de um ambiente, para certas condições de umidade e pressão, quando há uma queda na temperatura desse ambiente e, portanto, na do vapor nele contido.
Em outras palavras, é a temperatura na qual o ar resfriado se torna saturado, dando início à condensação do vapor de água em excesso. Em temperaturas inferiores à de orvalho, o vapor de água condensa em forma de gotas de água ou cristais de gelo quando essas temperaturas forem inferiores à 0ºC.
Conhecendo a Temperatura Ambiente (Ta) e a Umidade Relativa (UR) ou as Temperaturas de Bulbo Seco e Bulbo Úmido (Tbs e Tbu), a Temperatura de Ponto de Orvalho (To) poderá ser determinada através do Diagrama Psicrométrico (Fig. 2) ou pela fórmula:
Quando a instalação está exposta a condições climáticas severas, onde a Temperatura Ambiente (Ta) e, principalmente, a Umidade Relativa (UR) são significativamente altas, a obtenção de uma espessura de isolamento para evitar a Condensação Superficial é, por vezes, prioritária, pois supera as estimativas sobre outros cálculos de espessuras econômicas ou redução de energia.
Para dimensionar a espessura mínima de um isolamento no “Campo do Frio” é preciso levar em consideração uma série de fatores, principalmente as condições climáticas locais como: Temperatura Ambiente (Ta) e Umidade Relativa (UR). No entanto, esses valores sofrem variações ao longo do dia e no decorrer das estações e, portanto, não basta tomar como base registros pontuais, principalmente quando a instalação opera em regime contínuo.
Muitas vezes os parâmetros climáticos de Tbs, Tbu e UR, informados e/ou destacados nos Memoriais Descritivos dos Projetos, são referentes às condições determinantes para o dimensionamento da carga térmica dos equipamentos, e que, não são suficientes para o correto dimensionamento do isolamento térmico no “Campo do Frio”, pois levam em consideração, apenas as condições climatológicas dos períodos mais quentes, os quais, nem sempre apresentam a Umidade Relativa (UR) mais alta.
É relevante a importância da Umidade Relativa (UR) na determinação da espessura necessária de isolamento para prevenir a Condensação Superficial, no entanto, os demais períodos do dia e ao longo do ano, que podem conter Umidades Relativas mais altas, não são considerados. Isso propicia a ocorrência de Condensação Superficial de forma muito mais frequente e que, normalmente, é atribuída ao material isolante e/ou espessuras inadequadas.
É preciso buscar dados climatológicos mais representativos, que tenham sido registrados ao longo de um período de pelo menos um ano, e estabelecer parâmetros médios superiores de Temperatura Ambiente (Ta) e Umidade Relativa (UR).
Cabe ressaltar que, esses parâmetros não são coincidentes, ou seja, é muito pouco provável que venham a ocorrer simultaneamente, pois quando ocorrem temperaturas ambientes mais altas, geralmente as umidades relativas registradas são mais baixas, enquanto que, as umidades mais altas ocorrem em temperaturas mais baixas.
No entanto, são esses parâmetros que devem ser adotados nos cálculos, pois permitem determinar uma espessura adequada de isolamento que assegure, dentro de limites médios superiores de Temperatura Ambiente e Umidade Relativa, a estabilidade da Economia Energética proposta e minimize a ocorrência do fenômeno da Condensação Superficial na instalação, respectivamente, restringindo a probabilidade de ocorrências que excedam esses parâmetros considerados e, consequentemente, aumentando a margem de acerto ao longo do tempo de funcionamento da instalação.
Por isso, o conhecimento da climatologia, onde a instalação se encontra, é de fundamental importância. Ocorre que, a obtenção de dados climatológicos representativos, muitas vezes torna-se difícil, pois além de nem sempre serem disponíveis, detalhados, abrangentes e/ou atualizados, se restringem às poucas estações meteorológicas mais bem equipadas, geralmente localizadas em regiões específicas, principalmente aqui no Brasil, onde a natureza dos parâmetros climáticos medidos está mais voltada para os setores de interesse, como o da aviação e agricultura, do que para projetos térmicos de equipamentos e edificações em busca de eficiência energética e conforto térmico.
Esse fato explica, na maioria dos casos, a inexistência de medições mais completas e substanciais, que abranjam as demais e distintas zonas climáticas e microclimas que se apresentam em nosso extenso território nacional.
Cabe esclarecer que no “Campo do Frio” quanto maior for a UR, maior será a Temperatura de Ponto de Orvalho (To), dentro das mesmas condições de Temperatura Ambiente (Ta) e, portanto, para prevenir a Condensação Superficial, maior deverá ser a Temperatura Superficial Externa (Tse) do Isolamento que, para tal, requer espessura maior de isolamento, porém enquanto houver um diferencial de temperatura, quer seja num sistema estático ou dinâmico, a Temperatura Superficial Externa do isolamento sempre estará abaixo da ambiente (Tse < Ta).
Isso se deve ao fato da elevação na Temperatura Superficial Externa (Tse) do Isolamento com o aumento da sua espessura, não ser uma função linear, ou seja, inicialmente há uma elevação bastante significativa na Temperatura Superficial Externa, mas à medida que aumentamos a espessura do isolamento, essa elevação passa a ser desprezível e a Temperatura Superficial Externa atinge um valor praticamente estável.
Isso pode ser observado na Fig. 3, onde a título ilustrativo, admitimos uma tubulação de ferro com diâmetro nominal de 3” (88,9 mm), isolada com Espuma Elastomérica AF/Armaflex® BR, pertencente à uma instalação cuja Temperatura Interna (Ti) operacional é de 5 °C, a Temperatura Ambiente (Ta) local é de 30 °C e a Umidade Relativa (UR) local é de 80 %.
Mas como podemos determinar a espessura mínima do isolamento para que não ocorra a Condensação Superficial, dentro dos parâmetros adotados no exemplo?
Com os dados climáticos de Temperatura Ambiente (Ta = 30 °C) e Umidade Relativa (UR = 80 %), podemos determinar a Temperatura de Ponto de Orvalho (To) com o auxílio da Carta Psicrométrica, onde para tais condições To = 26,2 °C, conforme ilustrado na Fig. 2.
A determinação da Espessura Mínima de isolamento para que não ocorra a Condensação Superficial, dentro dos parâmetros adotados, considera a Temperatura Superficial Externa do isolamento igual à Temperatura de Ponto de Orvalho, ou seja, Tse = To = 26,2 °C.
Como podemos observar na Fig. 3, espessuras de isolamento abaixo da mínima resultam em Tse < To, ocasionando a Condensação Superficial. Dessa forma, deve-se selecionar a espessura do isolamento disponível, imediatamente superior à espessura mínima determinada e assim assegurar que Tse > To.
No exemplo apresentado, pode-se observar também que, o diferencial de temperatura entre To e Ta é muito pequeno: apenas 3,8 °C. Esse diferencial tende a diminuir com o aumento da UR, aumentando o risco de ocorrência de Condensação Superficial.
Há outros fatores importantíssimos e determinantes que influenciam no cálculo da Espessura Mínima do Isolamento e na boa performance do Sistema de Isolamento Térmico e que podem propiciar a ocorrência da Condensação Superficial de forma mais frequente e até constante, como por exemplo: tipos de revestimentos sobre o material isolante, localização, disposição e condições de contorno da instalação.
Um dos aspectos importantes para um bom funcionamento de todo e qualquer sistema isolado termicamente são as trocas de calor entre a superfície do isolamento e o ar ao seu redor. Para que o ar possa circular livremente é preciso que haja um espaçamento mínimo ao redor da superfície do isolamento.
Quando isso não ocorre, o valor do Coeficiente Superficial Externo de Troca de Calor por Convecção (hcv) passa a ser baixo, resultando em uma Temperatura Superficial Externa (Tse) do Isolamento baixa, que poderá ficar abaixo da Temperatura de Ponto de Orvalho (To), ocasionando constante Condensação Superficial.
Ambientes internos, confinados ou com pouca ventilação como: entre forros, “shafts” e garagens, propiciam a ocorrência do fenômeno da Condensação Superficial de forma mais frequente e podemos classificá-los como microclimas, pois podem apresentar uma condição climática diferenciada e mais severa à externa, principalmente relacionada com a Umidade Relativa.
No caso de garagens, os próprios veículos causam o aumento na Umidade Relativa (UR) do ambiente, devido ao vapor de água gerado pela queima do combustível e, também, pela água que eles trazem consigo em dias chuvosos.
A ideia de que nessas áreas internas, por apresentarem temperaturas mais amenas às externas, resultariam em espessuras de isolamento menores, é equivocada, pois podem apresentar índices de UR acima da externa, o que determinaria espessuras iguais ou até maiores às externas.
Para entender esse fato, cabe esclarecer que, quando há um diferencial de temperatura entre dois ambientes, passa a haver também um diferencial na pressão parcial do vapor de água.
A pressão parcial do vapor de água do ar ambiente, que está a uma temperatura maior, é maior que a pressão parcial do vapor de água do ar que está a uma temperatura mais baixa, e essa diferença de pressão ocasiona um Fluxo Constante do Vapor de Água do ambiente de maior temperatura para o ambiente de menor temperatura.
Mesmo o ambiente sendo climatizado, se não houver um controle efetivo da UR, ocorrerá, com o passar do tempo, uma migração de umidade nessas áreas internas e confinadas, que passam a ser mais suscetíveis à ocorrência da condensação superficial.
No “Campo do Frio”, recobrimentos metálicos, quando utilizados, devem ser considerados no dimensionamento, pois devido à sua baixa Emissividade (), o Coeficiente Superficial Externo de Troca de Calor por Radiação (hr) passa a ser baixo, provocando uma queda na Temperatura Superficial Externa (Tse) do Isolamento, o que demanda espessuras significativamente maiores para evitar o fenômeno da Condensação Superficial dentro das mesmas condições de Temperatura Operacional, Temperatura Ambiente e Umidade Relativa.
Portanto, do ponto de vista da Condensação Superficial, quando uma instalação está exposta a condições climáticas severas e das quais não se têm controle, principalmente em ambientes onde os altos índices de Umidade Relativa são frequentes ou as condições de contorno adversas e próprias de cada tipo de instalação são desfavoráveis, qualquer que seja o material isolante, mesmo com a espessura do isolamento térmico tendendo ao infinito, não existe qualquer garantia de evitar o fenômeno da Condensação Superficial, já que o risco dela ocorrer é constante uma vez que, a Temperatura Superficial Externa (Tse) do isolamento estará muito próxima da Temperatura de Ponto de Orvalho (To).
Mesmo assim, é comum a falsa ideia de que o isolamento seja responsável por resolver completamente o problema de Condensação Superficial. Mesmo que os parâmetros sejam baseados em dados representativos de um período anual, não significa que os períodos seguintes apresentem o mesmo comportamento e, também, não há como prever a frequência que esses parâmetros serão excedidos.
Assim sendo, é preciso estabelecer um nível de risco aceitável na adoção dos parâmetros, usando de bom senso ao fazer essa análise e ter consciência de que espessuras excessivas de isolamento térmico não irão solucionar a questão da Condensação Superficial, pois certamente ela ocorrerá, não somente na superfície de isolamentos de sistemas que operam com temperaturas abaixo da ambiente, mas em qualquer superfície, como: paredes, janelas, mobiliário e etc.
A probabilidade que isso ocorra é maior na madrugada, quando a Temperatura Ambiente tende a cair e, consequentemente, a UR atinge valores mais elevados.
É preciso esclarecer que, a presença da Condensação Superficial em uma instalação não significa necessariamente que a Eficiência do Sistema Isolante Térmico esteja comprometida, contudo, ela deve ser evitada, principalmente em ambientes específicos, pois contribui para o desenvolvimento de fungos e bactérias que trazem riscos à saúde ocupacional e a contaminação do local.
A adoção de algumas ações paliativas como promover a ventilação ou convecção forçada e/ou introduzir calor sensível, em instalações novas ou já existentes, nem sempre é viável tecnicamente ou economicamente ou mesmo eficaz.
Nestes casos, a única solução está na climatização do ambiente no qual se encontra a instalação, criando condições controladas e diferenciadas às condições externas, não somente da Temperatura Ambiente, mas principalmente da Umidade Relativa, e também de contorno, evitando espaços confinados e interferências entre linhas e prevendo um espaçamento adequado ao redor das superfícies dos isolamentos para que o ar possa circular livremente e efetuar as trocas de calor.
Somente dessa forma é possível garantir e controlar a não ocorrência do fenômeno da Condensação Superficial através de uma espessura econômica predeterminada e adequada de isolamento.
De uma forma geral, em instalações de fluídos frios, devem-se tomar cuidado especial com a estanqueidade do sistema, mantendo homogênea a espessura do isolante, evitando zonas comprimidas e de pouca ventilação que favorecem o acúmulo de umidade.
Por: Eng. André Dickert
E-mail: [email protected]
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