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AISLACIN TRMICA

N. J. Mariani y O. M. Martnez Departamento de Ingeniera Qumica - Facultad de Ingeniera

Universidad Nacional de La Plata

Aislacin trmica

AISLACIN TRMICA1.Introduccin

A partir de mediados de la dcada del 70', ms especficamente del ao 1974, y motivados por crisis mundial del petrleo1 (combustible por excelencia) comenzaron a realizarse numerosos esfuerzos destinados a generar tecnologas para el uso racional y eficiente de la energa y, adicionalmente para el aprovechamiento de las fuentes de energa alternativas (mareomotriz, elica, hidroelctrica). En este contexto y como punto relevante dentro de los estudios iniciados se encuentra el tema de la aislacin trmica. En las plantas de procesos la mayor parte de las transformaciones fsicas y qumicas, e incluso el transporte de las sustancias, ocurre a temperaturas diferentes de la temperatura ambiente (aqu el trmino ambiente no est utilizado en el sentido termodinmico de la palabra, sino referido a las condiciones ambientales imperantes en la planta). Esta situacin da lugar a la transferencia de energa desde los equipos (caeras) hacia el medio, o viceversa; circunstancia que trae aparejados diversos inconvenientes. En primer lugar, se produce un aprovechamiento ineficiente de la energa con los consiguientes perjuicios econmicos para las empresas y ecolgicos (la energa es generada mayoritariamente, a expensas del consumo de recursos naturales no renovables: petrleo, gas, carbn) para todos. Por otra parte, los equipos de procesos que operan a temperaturas por encima de la ambiente representan un riesgo potencial para la seguridad en la planta. Atendiendo al planteo antes formulado deben buscarse los medios para disminuir la transferencia de calor entre cualquier equipo o caera y el medio, teniendo en cuenta que pueden perseguirse los siguientes objetivos:

Conservacin de la energa Control de condensacin Proteccin personal Control de temperaturas de proceso

Para visualizar qu medios pueden utilizarse para disminuir la transferencia de calor entre un sistema y el ambiente, se puede tomar el ejemplo de una caera (Figura 1), rodeada por otras dos capas de materiales. Si la temperatura del fluido en la misma es Ta y la del medio ambiente es Tb, se ha visto que el flujo de calor puede expresarse como:

Q = 2 L r0 U0 (Ta - Tb )siendo, para un sistema compuesto por tres capas de material slido:

(1)

1 1 U0 = + r0 h0 r0

3

i=1

ln (ri / ri-1 ) 1 + ki h3 r3

-1

(2)

Si se consideran h0 y h3 y que r1 r0 = r3 r2 = em , r2 r1 = ea y k1 = k3, se puede obtener la expresin:r0 U0 = k1 1 r0 +em r0 +em +ea r +2em +ea ln + (k1/k 2 )ln + ln 0 r0 r0 +em r0 +em +ea (3)

1

El precio del crudo se cuadruplic de octubre a diciembre de 1973, incluso los pases rabes establecieron un embargo de petrleo contra los pases que ms claramente haban apoyado a Israel (EE.UU. y Holanda) en la guerra del Yom Kippur.

1

Aislacin trmica

Se pueden plantear, como ejemplo tres situaciones, en las cuales se vara la relacin de conductividades k1/k2

h3

k3

k2

k1

h0

r0r1

r2 r3

Figura 1. Esquema de una caera con distintas capas de material.a) k1/k2 = 1 En este caso, se considera que toda la pared es de un mismo material, resultando la relacin:

r0 U0 1 = r +2em +ea k1 a ln 0 r0

(4)

b) k1/k2 > 1 Este caso implica introducir entre las dos paredes, interna y externa, un material de menor conductividad trmica. A modo de ejemplo se indican los valores de relacin entre la conductividad del hierro (en general la conductividad de los metales es elevada) y la de otras sustancias de menor conductividad: kFe / kLADRILLO AISLANTE 150 kFe / kAGUA 85 kFe / kAIRE 2000

La expresin que debe analizarse en este caso es la (3). c) k1/k2 En este caso resulta:

ro Uo 0 k1 c

(5)

Teniendo en cuenta que Q es proporcional a U0, la forma de disminuir Q es precisamente disminuir el coeficiente global. La disminucin no puede ser muy significativa si el material es

2

Aislacin trmicade conductividad (k1) alta, aunque se aumente el espesor de la pared, como se desprende de analizar el caso a). Una alternativa de inters sera colocar un material de baja conductividad, como se observa en el caso b), ya que si k1/ k2 es alto el segundo trmino del denominador de la ecuacin (3) es alto y el coeficiente global se hace pequeo. Al comparar las diferentes relaciones de conductividad entre el hierro y las otras sustancias, la mejor situacin se alcanza teniendo una cmara con aire, entre las dos paredes, interna y externa. Teniendo en cuenta las tres alternativas surge que la mejor corresponde al caso c) logrando en la cmara un vaco tal que pueda considerarse la conductividad como prcticamente nula. En el planteo de los casos b) y c) se han introducido dos simplificaciones que no resultan aceptables cuando se pretende minimizar la transferencia de calor. Si entre las dos paredes se ubica un fluido, y las paredes estn a diferente temperatura, se puede generar una conveccin natural y, por lo tanto la velocidad de transferencia de calor ser mayor que si solamente se considera el aporte debido a la conduccin. Por otra parte, por ejemplo, en el caso c), si no existe ningn slido ni fluido es seguro que no existir transferencia por conduccin ni por conveccin, pero puede ser significativa la transferencia de calor por radiacin. Este ejemplo an con las simplificaciones realizadas, permite visualizar cuales son los caminos que pueden conducir a minimizar la transferencia de calor entre un equipo o caera y el medio ambiente.

2.-

Materiales Aislantes

Del anlisis realizado previamente se desprende que se pueden emplear dos caminos para lograr la disminucin de la transferencia de calor entre un sistema y el medio (si bien por simplicidad se indicar como aislacin, en la prctica el sistema no queda completamente aislado), que son:

Mediante la creacin de vaco entre el sistema y el medio Mediante la incorporacin de un material aislante entre el sistema y el medio

La segunda es la va que se utiliza con mayor frecuencia en la prctica industrial, por lo tanto, resulta de inters estudiar que caractersticas deben presentar los materiales empleados como aislantes trmicos y como se los puede clasificar.

2.1

Caractersticas requeridas

Desde el punto de vista de la transferencia de calor se debe buscar un material que minimice el aporte de cada uno de los diferentes mecanismos de transferencia. Para evitar la transferencia por radiacin entre las temperaturas de las paredes interna y externa se puede ubicar un slido, que minimiza este mecanismo, pero la incorporacin de un slido favorece la transferencia por conduccin, en consecuencia se debe buscar un slido de baja conductividad. Por otra parte, teniendo en cuenta que los gases tienen baja conductividad, se puede tender a que el aislante tenga un gas incorporado, pero dado que puede originarse transporte por conveccin natural, los espacios donde se confina el gas deben ser pequeos. Este anlisis sugiere que un slido de baja conductividad, con celdas pequeas que contengan gas (sera ideal si existiese vaco en las celdas, pero es difcil de lograr prcticamente) resulta un material de inters para considerar como aislante. En la prctica se utilizan materiales que tienen estas caractersticas, por ejemplo: Materiales de estructura granular: perlita, vermiculita, kieselgur (diatomitas)2, magnesia. Materiales de estructura fibrosa: amianto, fibra de vidrio, fibras minerales, fibras vegetales y animales

2

Las Diatomitas se clasifican como una roca sedimentaria silcea de origen orgnico. La fuente de toda diatomita es un organismo vivo denominado diatomea, las diatomeas son prolficas y microscpicas algas acuticas unicelulares.

3

Aislacin trmicaMateriales de estructura celular: corcho esponjado, espuma de vidrio, resinas sintticas esponjadas a base de policloruro de vinilo, poliuretano, polietileno, etc. Para caracterizar a un material aislante, desde el punto de vista trmico, se debe especificar su capacidad de transferir de calor (o, realmente de "no transferir", de acuerdo al objetivo de un material aislante). Se ha sealado que en el aislante se pueden encontrar aportes de los diferentes mecanismos de transferencia de calor, sin embargo dado que no resulta prctico considerar en detalle el aporte de cada mecanismo en cada punto del material, se suele definir una conductividad efectiva o aparente, que tiene en cuenta los diversos mecanismos de transferencia de calor que ocurren y las distintas fases, slido y gas, presentes en el interior del aislante. (Esta concepcin de una "conductividad efectiva" es frecuentemente utilizada cuando existe un medio compuesto por sustancias de diferentes caractersticas, slidos y gases o slidos y lquidos). La conductividad efectiva tiene en cuenta el slido que contiene el aislante, el fluido (generalmente aire) que tiene incorporado, la densidad del material y la temperatura a que se encuentra. Al aumentar la densidad de un material se favorece la transferencia por conduccin y disminuye la debida a la radiacin, la conjuncin de estos efectos conduce a que la conductividad efectiva vare con la densidad del material, pasando por un mnimo. El valor y la ubicacin de dicho mnimo depende de la temperatura de trabajo; como se observa en la Figura 2 para la fibra de vidrio (material frecuentemente utilizado como aislante trmico). En general, la conductividad efectiva es una funcin creciente de la temperatura, como se observa en la Figura 3 para diferentes tipos de materiales. Es frecuente que la informacin sobre el valor de la conductividad efectiva sea aportada por el fabricante del material aislan