Determinación de algunas propiedades térmicas de la

Fi
FIBRAS
Determinación de algunas
propiedades térmicas
de la fibra de paina
La fibra de paina es una fibra natural de origen
vegetal proveniente del fruto de la especie Chorisia
Speciosa St. Hil, un árbol de procedencia de
América del Sur. Si bien hoy en día esta fibra
es poco utilizada, los resultados recogidos en
el presente artículo muestran que posee unas
buenas características coo aislante térmico en
determinadas condiciones. De ahí que el principal
objetivo del presente trabajo sea determinar la
capacidad calorífica y la conductividad térmica
de la fibra, ya que estas propiedades térmicas son
muy importantes en la evaluación de este material
como aislante térmico.
E. Fontana, J. H. Palacio
Revello
Curso de Engenharia
Química
UNOCHAPECÓ (Brasil)
S.C. Amico
Dpto. de Engenharia de
Materiais
UFRGS (Brasil)
100 Ingeniería Química
Desde hace varios siglos, diversas fibras naturales vienen siendo
utilizadas en aplicaciones relacionadas con la transferencia de calor, debido a sus excelentes propiedades como aislantes térmicos. De modo general, un material fibroso puede ser
definido como una clase de material
compuesto por fibras cuya longitud
puede ser alrededor de 100 μm, con
una relación de longitud a diámetro
de la fibra mayor que 10:1 [1].
La paina es una fibra natural de
origen vegetal proveniente del fruto
de Chorisia speciosa St Hil, un árbol
de gran tamaño que pertenece a la
familia de las bombacáceas. El árbol
de paina se encuentra frecuentemente en regiones forestales mesófilas entre latitudes 12°S a 30°S, en
Argentina, Paraguay y Brasil [2].
Actualmente, la paina posee un
bajo valor agregado, siendo utilizada, principalmente, como material
de relleno de almohadas, colchones
y flotadores usados en barcos. La
madera del árbol de paina puede
ser utilizada en canoas, tacones de
zapatos, producción de cajas y, en
general, en la fabricación de pasta
de celulosa [3].
El uso de la fibra en relación a
sus propiedades térmicas todavía es
bastante limitado, no encontrándose todavía ningún trabajo a escala
industrial que la use como aislante
térmico.
De esta manera, este trabajo tiene como objetivo básico determinar,
principalmente, dos propiedades
térmicas de la fibra de paina: la conductividad térmica y la capacidad
calorífica. A partir de los resultados
encontrados será posible realizar
una evaluación del uso de esta fibra
como aislante térmico.
Estudios realizados por Annunciado et al. [4] muestran que la fibra
presenta un excelente desempeño
como absorbente de aceites, principalmente los derivados del petróleo.
En [4], los autores compararon el
desempeño de la fibra de paina con
otras fibras vegetales, siendo la paina
la que mostró una mayor eficiencia
en procesos de adsorción de petróleo. La relación entre la capacidad
de adsorción y la estructura de la
fibra fue evaluada en [5], permitiendo concluir que, debido a la composición química y a la estructura de la
misma, la paina presenta un carácter hidrófobo y una elevada afinidad
por el petróleo y los aceites derivados. Otros estudios relacionados
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Determinación de algunas propiedades térmicas de la fibra de paina
Figura 1
pueden ser vistos en [3 y 6]. Cuando
la fibra es colocada en contacto con
agua forma un hidrogel. Los aspectos biológicos y estructurales de ese
hidrogel fueron investigados en [7].
Representación esquemática del experimento para la determinación
de la conductividad térmica
1. Procedimiento
experimental
Para la determinación del calor específico fue utilizado un calorímetro diferencial (DSC), mientras que
para la evaluación de la conductividad térmica fue utilizado un procedimiento experimental basado en
la determinación previa del flujo de
calor, siendo empleada en este caso
la ley de Fourier. A continuación son
descritos de manera breve los experimentos realizados.
1.1. Determinación del calor
específico
El calor específico, también conocido como capacidad calorífica, está
directamente relacionado con la capacidad que tiene el material de absorber calor de una fuente externa,
aumentando de manera consecuente su temperatura. La capacidad calorífica puede ser escrita matemáticamente a través de la expresión (1):
1
En la anterior expresión, dQ es
la energía necesaria para provocar
una variación de temperatura dT
[9]. Esa propiedad puede ser determinada a presión constante (Cp) o
a volumen constante (Cv). Es conveniente recordar que en los sólidos
los valores de esas dos propiedades
son iguales.
Para determinar la capacidad
calorífica fue utilizado un calorímetro diferencial (DSC), de la marca
TA Instruments, modelo 2010. Esta técnica termo-analítica evalúa la
cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de la muestra
evaluada.
1.2. Determinación de la
conductividad térmica
La conductividad térmica es la propiedad que caracteriza la capacidad
de un material de conducir calor. A
través de esta propiedad están relaMayo 2011
cionados el flujo de calor y el gradiente de calor, como se muestra en
la ecuación (2):
2
El material fibroso fue puesto
en un recipiente colocado en un
baño maría, con el objetivo principal de estar suministrando calor de
forma homogénea para el interior
del mismo, como se muestra en la
figura 1. En los diversos experimentos fue evaluada la temperatura del
fluido en contacto con la superficie
inferior del recipiente en el cual se
encontraba el material fibroso, y de
la superficie superior de la fibra, como se muestra en la figura. En estas condiciones, el flujo de calor es
considerado como unidireccional,
siendo dado por:
3
La capacidad
calorífica aumenta
alrededor de tres
veces en el intervalo
de temperatura
comprendido
de 0º a 120ºC
Utilizándose materiales con
conductividad térmica conocida, es
posible determinar la variación del
flujo de calor en función de la variación de temperatura en los puntos detallados en la figura 1. Para
estudiar la conductividad de la fibra
de paina, se colocó la misma dentro
de un recipiente con tres grados de
compactación: 10, 20 y 40kg/m3.
2. Discusión de resultados
2.1. Capacidad calorífica
A través de los resultados obtenidos
por medio de las técnicas de calorimetría (DSC), fue posible establecer
una relación entre la capacidad calorífica de la fibra de paina húmeda y
seca con la temperatura. La relación
que se muestra en la figura 2 permite visualizar una fuerte influencia de
la temperatura sobre la capacidad
calorífica. Como era de esperar, la
temperatura influencia de manera
positiva la capacidad calorífica, aumentando el valor de esta propiedad
alrededor de tres veces en el intervalo de temperatura comprendido de
0º a 120ºC.
La forma como la energía es absorbida en la mayor parte de los sólidos es a través del aumento de la
energía de vibración de los átomos,
que puede ser entendido a través de
la propagación de ondas elásticas
en un material. La energía térmica
del material consiste en una serie de
estas ondas elásticas que vibran de
manera más intensa, a medida que
la temperatura aumenta. De acuerdo con Callister [9], para bajas temperaturas, la capacidad calorífica
posee una dependencia cúbica en
Ingeniería Química 101
fibras
Figura 2
Variación de la capacidad calorífica de la fibra de paina en función de
la temperatura
flujo de calor es presentada a través
de la ecuación (7), confirmando el
comportamiento lineal:
7
relación a la temperatura, permaneciendo básicamente constante para
temperaturas superiores a la temperatura de Debye (µD). Esa relación
fue confirmada a través de los diversos experimentos, obteniéndose coeficientes de regresión próximos a 1,
tanto para la fibra seca, como para
la fibra húmeda. Las ecuaciones de
tercer grado para la capacidad calorífica de la fibra de paina húmeda y
seca en función de la temperatura se
presentan a través de (4) y (5):
4 Fibra húmeda
5 Fibra seca
La influencia de la humedad
también puede observarse en la fi-
gura 2. Para temperaturas inferiores
a 70ºC, la humedad prácticamente
no presenta una influencia sobre el
calor específico, y para temperaturas
mayores de 70ºC y hasta los 120ºC, la
influencia de la humedad es más significativa sobre el calor específico. A
partir de la figura es posible visualizar valores menores de Cp para la fibra húmeda, tal vez ocasionados por
la transferencia de masa de agua del
interior para la superficie de la fibra,
teniendo influencia, de esta forma,
en la capacidad calorífica de la fibra.
2.2. Conductividad térmica
Los resultados obtenidos muestran
una dependencia lineal del flujo de
calor en función de la temperatura. En este caso puede considerarse
que el flujo de calor depende de dos
fenómenos: la conducción y convección de calor a través de la fibra,
como se muestra en la ecuación (6):
6
La paina posee
unas buenas
características
como aislante térmico
para densidades
de paquetes
superiores a 20 kg/m3
102 Ingeniería Química
En la anterior expresión, la derivada dT/dx representa la diferencia
de temperatura entre la base del material y del agua dentro del recipiente inferior, mostrado en la figura 1.
Para el intervalo de temperatura estudiado, la ecuación que describe el
Para la determinación de la conductividad térmica fueron realizados
ensayos experimentales por triplicado (ensayos: I, II y III) a diversas
temperaturas y tomándose en consideración el flujo de calor obtenido
a través de la ecuación (7). En estos
ensayos fue utilizada fibra de paina
húmeda con diferentes grados de
compactación (10, 20 y 40 kg/m3)
dentro del recipiente mostrado en
la figura 1.
Los resultados obtenidos se
muestran en la figura 3. Puede notarse que, para los tres valores de
densidad del paquete dentro del
recipiente, la conductividad varía
rápidamente y de manera lineal entre 20 y 40ºC. En temperaturas superiores a los 40ºC y hasta los 65ºC,
la conductividad térmica se torna
prácticamente independiente de la
temperatura, presentando un valor
constante para los tres grados de
compactación estudiados. En el experimento con un menor grado de
compactación de la fibra (10 kg/m3,
Figura 3(a)), la conductividad térmica presentó valores relativamente altos en comparación con otros
aislantes térmicos usualmente utilizados en la industria (0,025 – 0,04
W/m.K), y en los otros dos experimentos (Figs. 3(b) y 3(c)), los valores obtenidos de la conductividad
térmica son bastante satisfactorios,
oscilando en torno de 0,03 W/m.K.
3. Conclusiones
En este trabajo fueron determinadas
la capacidad calorífica y la conductividad térmica de la fibra de paina
extraída del fruto de la especie Chorisia Speciosa St. Hil. La capacidad
calorífica fue evaluada con el uso de
un calorímetro diferencial (DSC),
mientras que para la evaluación de
la conductividad térmica fue propuesta una metodología experimental basada en la ley de Fourier. Los
resultados muestran que la paina posee unas buenas características como
aislante térmico en el intervalo de
temperatura estudiado y densidades
Nº 494
Determinación de algunas propiedades térmicas de la fibra de paina
Figura 3
Variación de la conductividad térmica con la temperatura
para las densidades de paquete estudiadas:
(a) ρ = 10 kg/m3, (b) ρ = 20 kg/m3 y (c) ρ = 40 kg/m3
Figura a
Los resultados
muestran una
dependencia lineal
del flujo de calor
en función de la
temperatura
de paquetes superiores a 20 kg/m3.
La utilización de la fibra en procesos
efectuados a temperaturas inferiores
a los 40oC también es interesante y
puede justificarse desde el punto de
vista de los bajos coeficientes de difusión térmica obtenidos a bajas temperaturas. Es interesante mencionar
que, como se trata de una fibra natural, las ventajas de estar utilizando
este material como aislante térmico
serían grandes desde el punto de
vista ambiental, pues, en el caso de
descarte de la fibra en un proceso,
ésta degradaría fácilmente.
Referencias
[1] MITCHELL, B. S., An Introduction to Materials
Engineering and Science, John Wiley and Sons, New
Jersey: 2004.
Figura b
[2] SOUZA, L. M. F. I., KAGEYAMA, P. Y. K. e SEBBENN, A.
M., Sistema de Reprodução em População Natural de
Chorisia Speciosa A. St. Hil. Revista Brasileira de Botânica,
Vol. 26, n. 1, p. 113-121, 2003.
[3] ANNUNCIADO, T. R., Estuda da Chorisia Speciosa e
Outras Fibras Vegetais como Sorventes Para o Setor de
Petróleo. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal
do Paraná, Programa de Pós-Graduação em Engenharia.
Curitiba - PR: 2005.
[4] ANNUNCIADO, T. R., SYDENSTRICKER, T. H. D. e AMICO,
S. C., Avaliação da Capacidade de Sorção de Óleo Crú de
Diferentes Fibras Vegetais. 3º Congresso Brasileiro de P &
D em Petróleo e Gás, Salvador: 2005.
[5]. ANNUNCIADO, T. R., SYDENSTRICKER, T. H. D. e AMICO,
S. C., Utilização da Fibra de Chorisia Speciosa como
Sorvente de Óleo Cru. Parte II: Caracterização da _bra X
Capacidade de Sorção.3º Congresso Brasileiro de P & D
em Petróleo e Gás, Salvador:2005.
[6] ANNUNCIADO, T. R., SYDENSTRICKER, T. H. D. e AMICO,
S. C., Fibra Vegetais Utilizadas como Sorventes no Setor
de Petróleo. XVI Congresso Brasileiro de Engenharia e
Ciência dos Materiais, Porto Alegre: 2004.
[7] CARNEIRO, E. B., SUGUI, J. A. e REICHER, F., Structural
and Biological Features of a Hydrogel from Seeds Coats of
Chorisia Speciosa. Phytochemistry, Vol. 61, p. 157 - 163,
2002.
Figura c
[8] INCROPERA, F. P., DEWITT, D. P., BERGMAN, T. L. e
LAVINE, A. S., Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6ª
ed, John Willey and Sons: 2007.
[9] CALLISTER, W. D., Materials Science and Engineering,
7ª ed, John Willey and Sons, New York: 2007.
Mayo 2011
Ingeniería Química 103