Estudo do efeito de tintas com pigmentos especiais usadas no revestimento de transformadores



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ESTUDO DO EFEITO DE TINTAS COM PIGMENTOS ESPECIAIS USADAS NO REVESTIMENTO DE TRANSFORMADORES

E. Coser1*, C. A. Ferreira1, A. Krenzinger, W. M. Sousa1


1Departamento de Engenharia de Materiais – LAPOL - Universidade Federal de Rio Grande do Sul - UFRGS, Porto Alegre - RS/Brasil


*1Cosereliane@yahoo.com.br


RESUMO
Um importante equipamento usado no sistema elétrico de transmissão e distribuição é o transformador. Nos dias com alta temperatura ambiente, justamente quando nos meios urbanos há um alto consumo de eletricidade devido à demanda provocada pelo funcionamento dos aparelhos de ar-condicionado, os tanques dos transformadores podem atingir temperaturas consideradas limites de operação, porque combinam o aquecimento produzido pelas perdas totais do transformador com o efeito da absorção da radiação solar. O efeito combinado da exposição solar com o aquecimento interno dos transformadores ocorre com freqüência, ocasionado problemas na distribuição de energia elétrica. Pesquisas estão sendo realizadas sobre tintas formuladas com pigmentos especiais, capazes de refletir a radiação solar na região do infravermelho. Neste trabalho é apresentado os resultados das tintas com pigmentos especiais que é usado em transformadores. As tintas são analisadas por um espectrorradiômetro para reflexão e sua emissividade global.

Palavras-chave: Transformadores, tintas, pigmentos especiais.



INTRODUÇÃO.
Os transformadores são equipamentos de alto custo e importância estratégica em sistema de transmissão e distribuição de energia elétrica. Frequentemente, por necessidades operacionais de manutenção ou indisponibilidades temporárias, os operadores de sistemas de energia elétrica necessitam transferir grandes blocos de carga elétrica entre transformadores de potência [1].

Em dias de alta temperatura ambiente, justamente quando nos meios urbanos há um alto consumo de energia elétrica devido à demanda provocada pelo funcionamento dos aparelhos de ar-condicionado. Os tanques dos transformadores podem atingir temperaturas consideradas limites de operação, porque combinam o aquecimento produzido pelas perdas totais do transformador com o efeito da absorção da radiação solar.

Os transformadores de distribuição são normalmente instalados ao ar livre, em lugares altos, com possibilidade de ampla ventilação natural. Nos locais de instalação é comum que haja também forte possibilidade de seus tanques estarem plenamente expostos à radiação solar. Em dias de pouco vento o arrefecimento dos transformadores é limitado pela diminuição da convecção e seu limite de carregamento se relaciona com a temperatura do topo do óleo isolante no tanque do transformador [1].

Com o aumento no consumo de energia elétrica continua a impulsionar o avanço nas novas tecnologias destinadas a melhorar a eficiência energética. Uma destas tecnologias é a utilização de pigmentos refletivos da radiação infravermelha (IV) em tintas, esses pigmentos são usados para dar cor ao objeto que reflete o calor invisível do objeto minimizando o acúmulo de calor, quando exposto à radiação solar. A reflexão da energia do infravermelho diminui o calor, resultando em uma redução na carga do sistema de resfriamento e, portanto, permite uma economia nos custos de energia [2].



A radiação solar é a quantidade de energia que atinge a superfície da terra por unidade de tempo ou por comprimento de onda. A região ultravioleta (UV) abrange o comprimento de onda 295 à 400nm. A radiação UV representa apenas 5% da energia do sol que chega à superfície da Terra. Cerca de 50% da energia solar ocorre na região visível de 400 a 700nm. Na região do infravermelho cerca de 45% da energia total do sol atinge a superfície terrestre em 700 à 2500 nm. Na Fig. 1 está sendo representado um espectro de energia solar nos comprimentos de onda entre 295 e 2500 nm.

O uso de pigmentos coloridos com alta refletância na região do infravermelho próximo foi iniciado na produção de roupas militares. Atualmente a indústria de tintas tem estudado revestimentos coloridos com pigmentos refletores à radiação do infravermelho próximo, que possam ser aplicados em diversos substratos (transformadores, coberturas das edificações etc.) [3].



Figura 1: Espectro Solar [4]

Tintas com pigmentos refletivos têm a finalidade de diminuir a condução de calor da parte externa para a parte interna do transformador, diminuindo assim a possibilidade de queda de energia em dias de verão muito quente. Esses revestimentos apresentam capacidade de refletir a luz solar na região do infravermelho próximo [5].

Uma pintura seletiva ideal para revestimento de transformadores deveria refletir toda a radiação incidente na banda solar (visível e mais infravermelho próximo ao visível) e absorver a radiação com comprimento de onda acima de 3 m. Isto porque entre superfícies opacas há uma relação direta da refletância com a emissividade, neste caso absorver o infravermelho distante implica em boa emissividade, propriedade necessária para o arrefecimento dos transformadores.


MATERIAIS E MÉTODOS

Diversas tintas foram preparadas no Laboratório de Materiais Polímeros LAPOL-UFRGS, sempre mantendo como premissa básica a qualidade química e mecânica dos revestimentos. A principal resina base solvente utilizada neste trabalho é a resina poliuretana bi-componente em que o componente A é baseado em resina de poliéster e o componente B é o agente de cura à base de isocianato alifático. As tintas poliuretanas são bastante resistentes à intempérie, sendo por isto indicada para a pintura de acabamento em estruturas expostas ao ar livre. São compatíveis com primer epoxídico e resistem por muitos anos com pouca perda da cor e do brilho originais.

As tintas foram preparadas com a utilização de um dispersor da marca DISPERMAT N1, um reator encamisado com capacidade de 400 mL, disco do tipo Cowles acoplado. Este equipamento tem a finalidade de realizar a dispersão do pigmento na resina polimérica.

Na Fig. 2 mostra três caixas de transformadores de 15 kVA com distância suficiente entre eles para evitar interferência entre os mesmos. Estes transformadores estão nas mesmas condições climáticas, e a mesma temperatura limitante do óleo. Dois dos quais foram pintados, um com a tinta branca como referência máxima da atuação de pintura seletiva, e outro com a tinta salmão-claro, proposta como alternativa ao branco para revestimento seletivo. Estes ensaios estão sendo realizados no Laboratório de Energia Solar LABSOL- UFRGS.

Foi utilizada a estrutura básica do programa Energy Plus, com adaptações para reproduzir a situação de um transformador em operação. O programa calcula a radiação solar incidente nas diferentes faces da caixa do transformador, o qual foi considerado como uma fonte geradora de energia térmica interna representando suas perdas.

Figura 2: Imagem dos três transformadores em ensaio nas dependências do Laboratório de Energia Solar da UFRGS.


Foi realizada a medição da emissividade (Ԑ) global realizada com o equipamento DS Devices Є Services Co, como está representado na Fig. 3. Trata-se de um ensaio global que permite determinar o uso de padrões comparativos, o valor global da emissividade das superfícies das tintas.

Figura 3. Aspecto do medidor de emissividade global.


Também são analisadas as tintas em um espectrorradiômetro, que analisa a radiação solar direta espalhada em uma esfera integradora refletida pela amostra.
RESULTADOS E DISCUSSÃO

O espectrorradiômetro tem sensor de silício e por isto sua resposta espectral tem alcance limitado, mas mesmo assim podem-se verificar algumas peculiaridades interessantes.



Figura 4: Refletância espectral hemisférica para cinco tintas elaboradas no LAPOL e para a tinta cinza padrão dos transformadores.


Observa-se na Fig. 4 a refletância das tintas, vamos destacar somente três cores que são: branca, cinza e salmão claro. A tinta branca reflete muito tanto na banda visível (até 780 nm) quanto no infravermelho próximo (após 780 nm). A tinta cinza padrão dos transformadores, reflete globalmente menos de 30% da radiação solar. A tinta salmão claro, obtida pela mistura de pigmentos da tinta branca com pigmentos refletores no infravermelho apresentou um comportamento superior a tinta padrão (cinza) usada em transformadores que sugeriu uma possibilidade alternativa ao branco, a tinta salmão claro reflete próximo a 60% da radiação solar na região do infravermelho próximo.

A amostra é comparada com um padrão de emissividade conhecida, dando origem ao valor investigado em uma relação linear. Os resultados de algumas amostras ensaiadas encontram-se na Tab. I. Metais em geral apresentam emissividade muito baixa. Para uma pintura seletiva de boa qualidade espera-se alta emissividade.

Tabela I Emissividades de algumas amostras


Tinta

Emissividade

Cinza-claro

0,92

Salmão-claro

0,90

Branco

0,90

Azul

0,90

Marrom

0,92

Amarelo

0,88

Cada transformador recebeu um resistor de aquecimento de 1.800 W a 220 v, sendo que um computador gerenciou o aquecimento da seguinte forma: o programa inicialmente mede as temperaturas do óleo nos três transformadores e atua com três contadores bipolares fazendo a energia ser entregue aos resistores dos transformadores onde o óleo esteja abaixo de uma temperatura limite pré-determinada. Foi adotado o valor de 80 °C como temperatura do ensaio. As tensões e correntes são medidas em cada varredura, de forma que o programa sabe o tempo exato de conexão e a potência utilizada em cada caso. Em função das condições da instalação elétrica no LABSOL as cargas foram distribuídas nas três fases.

O primeiro ensaio foi feito durante um dia de sol, com céu limpo, no dia 31 de janeiro de 2012, em Porto Alegre. As três caixas dos transformadores tinha o revestimento igual: cinza na tonalidade padrão. A temperatura ambiente medida no entorno dos transformadores variou entre 33°C e 40°C, mas na maior parte da medição esteve principalmente entre 37°C e 39°C. A Fig. 5 (a) mostra a variação da temperatura no entorno dos 80°C durante cerca de 1 hora, quando as potências médias consumidas foram iguais dentro de uma diferença de 1%.


a

b

Figura 5. Potência necessária para manter o óleo à temperatura de 80°C nas caixas dos transformadores (a) com pintura padrão nas três caixas, (b) cada caixa com pintura diferente.


Os ensaios foram repetidos várias vezes e depois duas das caixas dos transformadores foram pintadas com tinta branca e a outra salmão-claro. A Fig. 5 (b) mostra o resultado obtido no dia 5 de março de 2012, com uma temperatura ambiente de 38°C. A diferença de temperatura entre os tanques é insignificante, no entanto os transformadores com revestimento seletivo apresentaram possibilidade de carregamento de cerca de 20% e 19% maiores do que o transformador com pintura padrão, respectivamente para a pintura branca e salmão-claro.
CONCLUSÕES

Foi analisado o efeito de diferentes tintas no revestimento externo de transformadores de distribuição instalados ao ar livre sob exposição solar.

Não procede a afirmação de que o desempenho dos transformadores não depende de sua cor. Foi demonstrado que utilizando pinturas seletivas em transformadores externos expostos ao sol seu limite de potência pode ser estendido em proporções significativas. Durante o dia e fora do ponto crítico de operação, a temperatura mais baixa do óleo deve prolongar sua vida útil consideravelmente, resultando em menores custos operacionais.

Recomenda-se enfaticamente modificar as normas de pintura dos tanques de transformadores para substituir o tradicional cinza-claro por uma pintura seletiva branca ou com cor alternativa (salmão-claro) como a que foi apresentada neste trabalho.


AGRADECIMENTOS

Ao CNPq pelo apoio financeiro, Águia Química pelo fornecimento da resina e a Color Net pelo fornecimento dos pigmentos utilizados.


REFERENCIAS

1. Krenzinger A. at. al. Efecto de la radiación solar sobre la temperatura de transformadores de distribubución, XV Congresso Ilbérico y X Congreso Iberoamericano de Energía Solar, Vigo Espanha, 2012. Anais em CIES, pp. 565-570. Disponível em: file:///E:/CD_CIES/CIES2012/default.htm acesso em 12 de setembro de 2012.

2 . AKBARIi H., R. Levinson, S. Stern; Procedure for measuring the solar reflectance of flat or curved roofing assemblies; Solar Energy, v. 82, p. 648–655, 2008.

3. LEVINSON R., P. Berdahl, H. Akbari, Solar spectral optical properties of pigments— Part I: model for deriving scattering and absorption coefficients from transmittance and reflectance measurements; Solar Energy Materials & Solar Cells, no. 89, p. 319–349, 2005.

4. Solar Book, Disponível no http://www.solarbook.ie/solar-panel-physics.html, acesso em 12 de setembro de 2012.

5. SANTAMOURIS M., K. Pavlou, A. Synnefa, K. Niachou, D. Kolokotsa; Recent progress on passive cooling techniques Advanced technological developments to improve survivability levels in low-income households, Energy and Buildings, v. 39, p. 859–866, 2007.

STUDY OF PAINT’ EFFECT WITH SPECIAL PIGMENTS USED IN TRANSFORMERS COATING
ABSTRACT
An important equipment used in electrical system of transmission in distribution is the transformer. These days with high environmental temperature, exactly when in urban areas there is a high consumption of electricity due to demand caused by the functioning of air-conditioning equipment, the tanks of transformers can reach considered operating boundaries temperatures, because they combine the heat produced by the total losses of the transformer with the effect of absorption of solar radiation. The concern with the combined effect of solar’ exposure with the internal heating of transformers has appeared many times, occasioning problem in electrical power distribution. Researches are being realized about formulated paints with special pigments, able to reflect solar radiation in the infrared region. In this paper is presented the results of paints with special pigment that are used in transformers. The paints are analyzed by a spectroradiometer for reflection and their global emissivity.

Key-words: Transformers, paints, special pigments



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