Al
agregar aislamiento a una pared se incrementa la resistencia térmica de
esa pared sin incrementar la resistencia a la convección, por lo tanto
disminuye la transferencia de calor.
Por
otro lado si se le agrega aislamiento a un tubo cilíndrico o una capa
esférica, este incrementa la resistencia a la conducción de la capa de
aislamiento pero disminuye la resistencia a la convección de la superficie y la
transferencia de calor del tubo puede aumentar como disminuir.
El radio
crítico de aislamiento para un cuerpo cilíndrico se representa con
la siguiente ecuación:
Donde k
es la conductividad térmica del aislamiento y h el coeficiente externo
de transferencia de calor por convección.
El radio
crítico de aislamiento para una esfera se representa con la
siguiente ecuación:
Donde
k es la conductividad térmica del aislamiento y h el coeficiente
externo de transferencia de calor por convección.
Nota:
Cuando el r2 < r critico
al aislar un tubo este puede aumentar la razón de transferencia de calor del
tubo en lugar de disminuir. Cuando r2
= r critico al aislar un
tubo, la razón de transferencia de calor del tubo es la máxima. Cuando r2
> r critico al aislar
un tubo, la razón de transferencia de calor del tubo decrece.
Pregunta
¿Siempre
se debe comprobar y asegurar que el radio exterior del aislamiento sea
suficiente mayor que el radio crítico antes de que se instale para tubos o
tanques de agua caliente?
Probablemente
no, porque el valor del radio crítico es muy pequeño ya que la conductividad
térmica de los materiales aislantes es baja, entonces se puede aislar tubos de
agua caliente o de vapor sin preocuparse
por la posibilidad de aumentar la transferencia de calor por aislamiento.
El
radio de los alambres eléctricos puede ser menor que el radio crítico (r alambre
< r critico), por lo
tanto el incrementar la transferencia de calor
de los alambres eléctricos manteniendo la temperatura de operación en
niveles más bajos, más seguros.
RADIO
CRÍTICO DE AISLAMIENTO
La mayor
resistencia al flujo de calor la ofrece el aislante:
-
Para aislantes
planos entre más grueso sea el aislante menor será la pérdida total de
calor.
-
Para aislantes
curvos (tubo) entre más grueso sea el aislante, la pérdida total de calor
puede aumentar.
1.
Resistencia del
aislante por pie lineal de tubería:
2.
Resistencia del
aire por pie lineal de tubería:
La resistencia
es un mínimo y la perdida de calor un máximo cuando, R con respecto al r es
igual a cero.
COSTOS
DEL USO DEL AISLANTE
El grueso
óptico del aislante se puede determinar por consideraciones económicas:
- Tubo
descubierto genera perdida de calor por hora cuyo valor podría determinarse del
costo de producir los BTU.
- Tubo cubierto
con mayor grosor del aislante da menor perdida de calor y mayor costo inicial y
mayores cargos fijos anuales (manteniendo).
Los cargos
fijos en el aislante de la tubería serán de cerca de 15 a 20% del costo inicial
del aislante instalado.
Cierto número
de gruesos de aislante más los cargos fijos al valor de perdida de calor, se
obtendrá un costo mínimo y el grueso a él será el grueso óptico económico del
aislante.
IMPORTANCIA
DEL AISLAMIENTO EN TUBERIAS
Puntos
en común dónde se desperdicia energía por falta de aislamiento térmico
Existen
sectores o determinados equipos en común que requieren de un debido aislamiento
térmico:
1. Tuberías de
condensado. Muchas empresas se conforman con hacer aislar las tuberías de
alimentación de vapor y dejan las de retorno de condensado sin aislar
argumentando que no es necesario. Sin embargo cuando más fría sea la cantidad
de agua que retorne, producto del condensado del vapor, mayor será el consumo
de combustible.
2. Tuberías de
retorno de agua fría. Al igual que sucede con el vapor, también se suele descuidar
el aislamiento esta línea. La diferencia es que la ganancia de calor es
evidente al observar el condensado en el exterior de las tuberías
sin aislamiento.
3. Marmitas. Los
recipientes en los que se fabrican los distintos productos industriales o
farmacéuticos requieren de aislamiento térmico y del sellado de la
cubierta externa para evitar que la humedad entre y dañe el aislamiento.
4. Tuberías de
refrigeración y agua helada. Un aislamiento deficiente
o la ausencia de este en ciertos tramos prolonga el funcionamiento de los
equipos de enfriamiento llegando al extremo de trabajar continuamente sin
apagar en ningún momento.
CLASES DE AISLAMIENTOS TÉRMICOS
El aislamiento térmico se utiliza para controlar y
evitar las pérdidas de calor en los procesos térmicos, su utilización se
relaciona con los siguientes elementos:
·
Evitar pérdidas por transferencia en equipos de
proceso, y redes de distribución.
·
Conservar condiciones fisicoquímicas de los fluidos,
·
Proteger a los operadores y evitar la transmisión de
calor a otros equipos.
PROPIEDADES
DE LOS AISLANTES:
Una
de las propiedades más importante de los aislantes es la conductividad térmica,
la cual varía según la temperatura. Cada aplicación de un aislante térmico
tiene un requerimiento específico, se puede tener como referencia que una alta densidad del aislante
térmico reduce el costo del aislamiento, adicionalmente con la temperatura de
operación del aislante, cambia la importancia del mecanismo de transferencia de
calor
Los diferentes tipos de aislantes térmicos se
clasifican según:
· Tipo de material utilizado.
· Temperatura de servicio.
· Conductividad térmica.
Los materiales refractarios constituyen
una clase muy especial de aislantes térmicos y se utilizan en hornos, calderas,
regeneradores y su temperatura de operación está por los 1600ºF (871,11ºC).
EN EL MERCADO EXISTE UNA AMPLIA
VARIEDAD DE AISLAMIENTOS EMPLEADOS EN PLANTAS TÉRMICAS ENTRE LOS CUALES
TENEMOS:
Silicato de calcio: Que es un material que posee las siguientes
características:
-
No es combustible
-
Mantiene su integridad física a muy altas temperaturas
-
Es más costoso que los aislamientos fibrosos.
Vidrio celular (Lana de vidrio ): Que es un material que posee características como:
-
Material completamente inorgánico
-
No absorbe líquidos ni vapores
-
Es quebradizo
-
Instalación rápida completamente atóxica
-
Incombustible
-
Eficiente desde el punto de vista térmico.
Roca mineral: También denominado lana mineral:
-
Su límite de temperatura es mayor que el de la fibra de
vidrio.
-
Utiliza aglomerantes orgánicos.
-
La vibración y el maltrato físico le pueden causar daños
severos.
SELECCIÓN
DE MATERIALES
Entre las consideraciones
a tener presente en la selección de un aislante térmico tenemos:
- Conservación de
la energía
-
Baja absorción
de humedad
-
Incombustibilidad superficial
-
Resistencia a esfuerzos mecánicos
-
Resistencia a la vibración
-
Poco peso
-
Facilidad de aplicación
-
Baja corrosividad
-
Resistencia a choques térmicos
-
Economía.
Es
de vital importancia que el aislante se mantenga seco y no se comprima, debido
a que su efectividad está relacionada con la porosidad característica del
material y si estos espacios propios originados por esa porosidad desaparecen,
entonces las características aislantes se modificarán.
BIBLIOGRAFÍA
- CENGEL,
YUNUS .A. & GHAJAR, AFSHIN J. (2011). Transferencia de calor y masa.
México: Mcgraw – Hill
- KERN,
DONALD. (1999). Procesos de Transferencia de Calor. México: Mcgraw - Hill
- http://aislaconpoliuretano.com/la-importancia-del-aislamiento-termico-en-la-industria.htm
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