Os revestimentos de aerogel mantêm a eficiência após o desgaste, mostrando desempenho térmico consistente e proteção contra corrosão. Para saber mais sobre os sistemas de revestimento de aerogel, confira o webinar sobre revestimentos de isolamento movidos a partículas de aerogel apresentado por Andy Hoffman.
Umidade como causa de CUI
A umidade é um dos principais fatores a serem considerados ao investigar a corrosão sob isolamento (CUI). O acúmulo de água dentro de um sistema de isolamento pode causar estragos em tubos de metal, respiradouros e outras superfícies isoladas e se origina de uma variedade de fontes, incluindo condensação dentro de sistemas, borrifo de água de sistemas devido a dilúvio, deriva de torres de resfriamento, vazamentos de processo ou chuva. (Para obter mais informações sobre as causas da CUI, consulte Introdução às principais causas da CUI.) Mas a umidade pode causar outro problema se não for tratada: diminuição da eficiência.
O consenso da indústria é que a maioria dos sistemas de isolamento, em certas faixas de temperatura, ficará molhada. As taxas de corrosão são reduzidas abaixo das temperaturas de congelamento e, em temperaturas elevadas acima de 300°F (149°C), a maior parte da umidade evapora antes de atingir a superfície. Portanto, a faixa de temperatura alvo para CUI é 0°C – 149°C (32°F – 300°F). É aqui que os proprietários devem assumir que esses sistemas ficariam sobrecarregados. Se o revestimento foi instalado incorretamente ou danificado por várias causas possíveis, a ideia geral permanece de que a umidade acabará entrando no sistema de isolamento. (Saiba como a umidade afeta a corrosão em temperaturas mais altas em Os efeitos prejudiciais do isolamento úmido na faixa CUI.)
Independentemente da causa, uma vez que o isolamento fica molhado, há um impacto significativo na eficiência. Em sistemas aquecidos, a entrada de umidade causa a formação de células de convecção dentro do isolamento onde o vapor d'água é gerado na superfície do aço e expelido para o exterior. Ele se condensa no interior da parede da jaqueta do resfriador e é então reabsorvido no isolamento em um processo conhecido como refluxo. O refluxo leva a concentrações de espécies corrosivas no isolamento.
Em sistemas refrigerados, o vapor de água que entra do ar circundante condensa na superfície mais fria do tubo e é então absorvido pelo isolamento mais próximo do tubo. Como a água tem aproximadamente 15 vezes a condutividade térmica da maioria dos materiais de isolamento térmico seco, essa absorção afeta a eficiência do isolamento. A água nas fibras de isolamento também causa um efeito fosco no qual as fibras são comprimidas juntas, anulando os benefícios de isolamento associados a bolsões de ar parado dentro do material de isolamento. Apenas 4% de absorção de água em isolamento seco pode aumentar sua condutividade térmica em 70%. Essa perda de eficiência aumenta o consumo de energia onde a variação da temperatura operacional não pode ser tolerada.
A promessa de revestimentos isolantes de aerogel
O dreno financeiro causado pela intrusão de umidade deixou os proprietários de instalações procurando outras opções de isolamento. Uma alternativa ao isolamento tradicional é o uso de um revestimento isolante térmico. Os revestimentos isolantes não são uma nova tecnologia, mas os revestimentos isolantes contendo aerogel tornaram-se disponíveis nos últimos cinco anos. No papel, os revestimentos com infusão de aerogel podem alcançar condutividade térmica em pé de igualdade com a maioria dos materiais de isolamento tradicionais, ao mesmo tempo em que resistem à infiltração de umidade. Esses revestimentos isolantes contendo aerogel também foram usados em outras aplicações: para controlar a condensação e fornecer uma barreira de "toque seguro" para proteger o pessoal de equipamentos quentes.
Os pesquisadores desenvolveram um teste que avalia o desempenho térmico de vários materiais de isolamento antes, durante e, mais importante, depois de serem imersos em água.
O teste consistia em um canal de cinco pés que poderia ser enchido com água e drenado. Tubos de cobre de seis pés de comprimento e 2” de diâmetro foram isolados com os materiais apropriados. Termopares foram instalados na entrada e na saída desses tubos para monitorar a eficiência individual de cada tubo. Os termopares registravam a temperatura da água quando ela entrava no cano e também quando saía do cano. Um aquecedor de água bombeava água a 60 °C (140 °F) através dos canos de cobre e um resfriador de água era usado para manter a água no canal a 10 °C (50 °F) quando inundava. Isso garantiu a consistência nas temperaturas da água que circula por cada tubo. A Figura 1 é um diagrama da configuração de teste.
Antes de instalar qualquer um dos materiais de isolamento, os tubos descobertos foram secos por vários dias para estabelecer uma linha de base e demonstrar consistência nas várias posições da calha. Como esperado, a perda de calor dos tubos aumentou dramaticamente quando o canal estava cheio de água. Depois que a água do canal foi drenada, os canos nus retornaram ao seu desempenho inicial seco em algumas horas.
Depois que uma linha de base foi estabelecida nos tubos descobertos, eles foram isolados com os materiais de teste apropriados para avaliação de longo prazo. Quatro pipelines diferentes foram testados, incluindo:
- um cachimbo nu
- Uma tubulação revestida com um sistema de revestimento de aerogel
- Um tubo envolto em lã mineral e forrado
- Um tubo "duplex": revestimento de aerogel sob lã mineral e forro
Para tubos revestidos com um sistema de revestimento de aerogel, os tubos de cobre foram preparados de acordo com SSPC-SP2 Hand Tool Cleaning. Os tubos foram então revestidos com um primer epóxi. Duas camadas do revestimento de aerogel foram aplicadas para um total de 100 mils de espessura de película seca (DFT). O tubo foi revestido com um epóxi à base de água.
Um empreiteiro de isolamento concluiu a instalação da lã mineral e do forro após revestir os dois tubos com o mesmo primer epóxi. O tubo duplex teve duas camadas do revestimento de aerogel aplicadas e ambos os tubos foram envolvidos com lã mineral de 2”. O revestimento de alumínio foi instalado sobre a lã mineral. Em todos os casos, os tubos foram pesados antes de serem colocados de volta na pista para registrar o peso de referência do isolamento original.
Os quatro tubos foram executados lado a lado por duas semanas em um canal vazio para estabelecer seu desempenho a seco. A bandeja foi então preenchida com água por 24 horas. O desempenho foi novamente monitorado através dos termopares em ambas as extremidades. Finalmente, o canal foi drenado e o desempenho foi monitorado nos meses seguintes enquanto os canos secavam. A Tabela 1 detalha os resultados.
Isolamento em Recuperação
Como esperado, o desempenho seco inicial da lã mineral foi significativamente melhor do que o revestimento de aerogel. Embora a classificação de desempenho do revestimento de aerogel seja ligeiramente melhor, a lã mineral instalada é 20 vezes mais espessa do que o revestimento.
Os dados do teste tornaram-se interessantes quando a água foi introduzida no canal. O desempenho da perda de calor foi medido pela primeira vez enquanto submerso em água, o que mostrou um aumento dramático na perda de calor no tubo de lã mineral. Os dados submersos foram reveladores, mas o principal objetivo do teste era ver como esses materiais reagiam à umidade e o impacto em seu desempenho a longo prazo.
Tabela 2: Resultados dos testes de isolamento de tubos.
Vinte e quatro horas depois de drenar a água do canal, o tubo revestido de aerogel havia retornado ao seu desempenho original de perda de calor, enquanto a lã mineral lutava para secar e recuperar parte de seu desempenho seco original. Por fim, depois de três meses completos para secar, a lã mineral ainda perdia cinco vezes mais calor do que seu desempenho original.
A queda no desempenho da lã mineral se deve a alguns fatores. Primeiro, durante a imersão, a água entrou no isolamento através de pequenos vazamentos no revestimento. A água foi absorvida pelas fibras e preencheu os poros de ar entre as fibras. Esse efeito foi evidenciado pelo ganho de peso dos sistemas. O peso original da lã mineral era de 1,4 libras; o peso após o mergulho foi de 10,2 libras. Durante a verificação de 3 meses, a lã mineral ainda pesava 3,3 libras, o que é muito mais que o dobro de seu peso original. Em aplicações de temperatura mais alta, é provável que mais dessa água evapore, mas enquanto estiver úmido, o ar isolante dentro da lã mineral é deslocado pela umidade.
Quando as forças se combinam
A última tubulação envolvida no teste foi um sistema duplex de ambos os materiais. Isso consistia no mesmo primer epóxi e 100 mils de revestimento de aerogel seguido por 2” de lã mineral e revestimento. O desempenho a seco foi muito semelhante ao desempenho a seco da lã mineral, mas o desempenho após a imersão foi melhor. Após apenas 24 horas de secagem, este sistema duplex foi mais eficiente do que o revestimento de aerogel sozinho, com metade da perda de calor do tubo de lã mineral. Isso se deve ao fato de que o próprio revestimento de aerogel fornece desempenho adicional ao sistema e ajuda a superar as deficiências da secagem da lã mineral. O sistema duplex combinando revestimento de aerogel e lã mineral oferece desempenho superior antes, durante e após a exposição à água. A desvantagem do sistema duplex em um cenário do mundo real é o custo e a instalação de ambos os materiais, portanto, uma análise de custo-benefício seria necessária para justificar essa opção.
As instalações estão fazendo mais todos os dias para minimizar possíveis problemas relacionados à CUI. No entanto, o impacto econômico da perda de energia devido ao isolamento úmido é frequentemente negligenciado. Pode levar vários anos para detectar CUI, período durante o qual o isolamento apresenta desempenho inferior e custa ao proprietário da instalação. Compreender as ramificações financeiras do isolamento úmido e de baixo desempenho é uma etapa necessária não apenas no desenvolvimento de uma estratégia CUI, mas também na seleção dos materiais de isolamento corretos para qualquer ambiente.
Para saber mais sobre sistemas de revestimento de aerogel, registre-se aqui para nosso webinar educacional gratuito.