CURSO AISLAMIIENTO TERMICO
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XV SEMINARIO PENINSULAR “USO EFICIENTE DE ENERGÍA”
DEL 28 AL 29 DE JULIO DE 2011
EL AISLAMIENTO TÉRMICO Y EL AHORRO DE ENERGÍA
PAESE FIDE UTM CFE
AISLAMIENTOS TÉRMICOS
EN LA ENVOLVENTE DE LOS EDIFICIOS
Y EN INSTALACIONES INDUSTRIALES
Y SU IMPACTO EN EL AHORRO DE ENERGÍA
Ing. José Carlos Peraza Lizama
NORMAS DE REFERENCIA
1. NOM-008-ENER-2001 Eficiencia Energética en la Envolvente de Edificios no Residenciales.
2. NOM-020-ENER-2010 Eficiencia Energética en la Envolvente de Edificios para uso Habitacional.
3. NOM-018-ENER-1997 Aislantes Térmicos para Edificaciones. Características, Límites y Métodos de Prueba.
4. NOM-009-ENER-1995 Eficiencia Energética en Aislamientos Térmicos Industriales.
5. NRF-025-PEMEX-2002 AISLAMIENTOS TÉRMICOS PARA BAJA TEMPERATURA.
6. NRF-034-PEMEX-2004 AISLAMIENTOS TÉRMICOS PARA ALTA TEMPERATURA.
OBJETIVO DEL AIRE ACONDICIONADO
ELIMINAR LAS CARGAS TÉRMICAS INTERIORES SOLAMENTE
UN AIRE ACONDICIONADO QUE ELIMINA TANTO LAS CARGAS INTERIORES , COMO LAS CARGAS EXTERIORES,
PUEDE CONSUMIR MÁS DEL DOBLE DE ENERGÍA ELÉCTRICA
CARGAS TERMICAS EXTERIORES
1.GANANCIA DE CALOR POR RADIACION Y POR CONDUCCIÓN EN LOS TECHOS
2.GANANCIA DE CALOR POR RADIACION Y POR CONDUCCIÓN EN PAREDES
3.GANANCIA DE CALOR POR RADIACION Y POR CONDUCCIÓN EN PUERTAS Y VENTANAS
4.GANANCIA DE CALOR POR INFILTRACION EN PUERTAS Y VENTANAS
1. POR PERSONAS2. POR EQUIPOS ELECTRICOS3. POR MATERIALES4. POR FRUTAS5. POR VERDURAS6. POR CARNES7. POR BEBIDAS EMBOTELLADAS8. POR CONSERVAS
CARGAS TERMICAS INTERIORES
ALGUNOS TIPOS DE AISLANTES
DESFASAMIENTO DE ONDAS TERMICASEN LAS EDIFICACIONES
INFLUENCIA DE LAS ESTACIONES DEL AÑO
COORDENADAS SOLARES
INFLUENCIA DE LA ORIENTACIÓN DE LOS EDIFICIOS
PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
1. CONDUCCIÓN
ES LA QUE SE LLEVA A CABO A TRAVÉS DE UN MATERIAL
SÓLIDO . Se identifica a través de su coeficiente de conductividad (k) y del espesor del material (x) Qc = kA (T2 – T1 ) Ley de Fourier
2. CONVECCIÓN
ES LA QUE SE LLEVA A CABO A TRAVÉS DE UN MEDIO LÍQUIDO O GASEOSO. Suele llamarse “coeficiente de película o de Convección” (h)
Q = h A (Ts – Te)
3. RADIACIÓNES LA QUE SE LLEVA A CABO A TRAVÉS DE UN MEDIO VACÍO POR ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS (Q = σ As Ts4), donde σ = Cte. de Stefan
Bolztman = 5.67 x 10-8 w/m2 K4
MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
CONDUCCIÓN
RADIACIÓN
CONVECCIÓN
TIPOS DE RADIACIONES
• Radiación de radio • Radiación de microondas • Radiación infrarroja • Radiación visible • Radiación ultravioleta • Radiación X • Radiación gamma (es la que emite más energía y
la más peligrosa)
MAGNITUDES DEL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
COMPARATIVOS ENTRE LONGITUD DE ONDA, FRECFUENCIA Y TEMPERATURA
ESCALA DE TEMPERATURAS A CONSIDERAR EN LA SELECCIÓN DE LOS
AISLAMIENTOS TÉRMICOS
TE
MP
ER
AT
UR
AS
C
RIO
GÉ
NIC
AS
TE
MP
ER
AT
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AM
BIE
NT
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TE
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ION
TE
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MB
UST
ION
DE – 100 oC A – 273 o C
DE – 10 oC A – 90 o C
DE 10 oC A 0 oC
DE 15 oC A 40 oC
DE 50 oC A 100 oC
De 100 oC A 300 oC
DE 500 oC A 2000 oC
DE 2500 A 10,000 oC
SELECCIÓN DE AISLAMIENTOS EN FUNCION DE LA ESCALA DE TEMPERATURAS
TEMPERATURAS CEIOGENICAS
TEMPERATURAS CONGELANTES
TEMPERATURAS REFRIGERAN TES
TEMPERATURAS AMBIENTALES
TEMPERATURAS DE
CALEFACCION
TEMPERATURAS DE
VAPORIZACION
TEMPERATURAS DE
COMBUSTION
TEMPERATURAS ELEVADAS
Armaflex LTD POLIURETANOCELULAR
POLIURETANOEXPANDIDO
POLIESTIRENO FIBRA DE VIDRIO
FIBRA DE VIDRIO
LADRILLOSREFRACTARIOS
ALEACIONESDE
REFRACTARIOS
Cryogel Z POLIESTIRENO CELULAR
STIROFOAM POLIURETANO VITROFIBRAS SILICATO DE CALCIO
MATERIAL CERAMICO
ELEVADOS CAMPOS
MAGNETICOS
Poliuretano Rígido
VALCOM
VIDRIO CELULAR
ARMAFLEX FIBRA DE VIDRIO
SILICATO DE CALCIO
FIBRA MINERAL
FIBRA CERAMICA
VACIO YVERMICULITA
FORMULAR NUMALOCK POLIETILENO CELULAR
LANA MINERAL
LANA MINERAL
FIROGEL
FOAMGLASS POLIESTIRENO CELULAR
COEFICIENTES GLOBALES DE TRANSMISION DE CALOR EN VENTAN AS
FACTORES DE SOMBREADO PARA VENTANAS
Coeficiente de Ganancia de Calor Solar (Solar Heat Gain Coefficient, SHGC)
Porcentaje de energía solar directamente transmitido o absorbido e irradiado nuevamente a un edificio. Mientras más bajo es el SHGC, mejores son las propiedades de control solar de la película.
VIDRIOS DE BAJA EMISIVIDAD
Baja emisividad, o Baja-E, se refiere a un recubrimiento de los vidrios de la película para ventanas que reduce la pérdida de calor a través de la película para ventanas. Mientras menor es el valor nominal de emisividad, mejor es la característica de aislamiento del sistema de vidriado en relación con la pérdida de calor. Silver Ag 25 de Solar Gard es una excelente película de baja emisividad.
ADHESIVO DE CONTACTO A PRESIÓN DE PELICULAS PARA CRISTALES
Adhesivo para montar películas para ventanas que usa la presión aplicada para formar una unión mecánica entre la película y el vidrio. El adhesivo de contacto es pegajoso al tacto y está protegido por un revestimiento antes de usarse. Todas las películas para ventanas para aplicaciones automotrices y las películas de seguridad para ventanas de Bekaert incorporan el PSA.
ANGULOS DE SOMBRA Y MASCARAS DE SOMBRA
Angulo de Sombra Horizontal (d)Caracteriza un elemento vertical, y es la diferencia entre el azimut solar y el azimut de la pared.
Angulo de Sombra Vertical (e)Caracteriza un elemento horizontal, y se mide sobre un plano vertical perpendicular a la elevación considerada.
FACTORES DE SOMBREADO EXTERIORDEPENDIENDO DE LA LATITUD Y LA ORIENTACIÓN DE LA
VENTANA
L
H
L/H
W
L
HW/HFACTOR DE CORRECCION POR VOLADOS SOBRE VENTANA CON EXTENSION LATERAL HASTA LOS LIMITES
FACTOR DE CORRECCION DE SOMBREADO EXTERIOR
W
P
E
W/EFACTOR DE CORRECCION DE SOMBREADO POR VENTANAS REMETIDAS
REDUCCION DEL CONSUMO DE ENERGÍA CON PROTECCIONES SOLARES EXTERNOS
Ubique las ventanas de modo que favorezca un adecuado patrón de flujo interno del aire dentro del ambiente
INFLUENCIA DE LA ORIENTACIÓN SOBRE LA EFICIENCIA DEL SOMBREADO EN VENTANAS
Temperatura “Sol-Aire”
La temperatura sol –aire es la temperatura superficial de los materiales y es la resultante de un efecto térmico combinado de:•La temperatura ambiente•La fracción de radiación solar absorbida por la superficie•El intercambio de calor radiante con el entorno
tsa = ta +αI/ho
tsa = Temp. sol-aire
α = coeficiente de absortividad
I = Intensidad de la radiación solar incidente
ho = Coeficiente de conductancia de la superficie externa
Ta = temperatura del aire exterior
TIPOS DE VIDRIOS
Vidrio Claro Transmite radiación de todas las longitudes de onda. Vidrio absorbente térmico Absorbe una gran parte de la radiación infrarroja
Vidrio de reflexión térmicaRefleja una gran parte de la radiación infrarroja
Vidrio de baja emisividadCubierto con una lámina de baja emisividad de la radiación de onda larga.
Vidrio super-aislanteConsta de tres capas de vidrio, con capas de baja emisividad
Vidrio gris y coloreado. Absorve más radiación visible que radiación infraroja
COEFICIENTES DE SOMBREADOPOR CORTINAS
COEFICIENTES DE SOMBREADOPOR CORTINAS
COEFICIENTES DE SOMBREADOPOR CORTINAS
COEFICIENTES DE SOMBREADOPOR CORTINAS
14 cm
90 cm
44 cm
44 cm
U = 2.8070 W/M² ºK U = 1.3526 W/M² ºK
U = 0.5615 W/M² ºK U = 0.9817 W/M² ºK
COMPARATIVA DE COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR (U)
ARQUITECTURA VERNACULA
M
U
R
O
S
CONSTRUCCION CONTEMPORANEA
T E C H
O S
adobe
ladrillo
tierra
concreto
tierra
PROPIEDADES BÁSICAS USADAS EN LAS ECUACIONES PARA EL CÁLCULO DE TRANSFERENCIA
DE CALOR
1. CONDUCTIVIDAD TERMICA (K)2. CAPACITANCIA TERMICA (C) 3. RESISTENCIA TÉRMICA (R) 4. COEFICIENTE DE PELICULA O DE CONVECCION (h) 5. COEFICIENTE DE RADIACIÓN (σ) 6. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFRENCIA (U) 7. FACTOR DE SOMREADO (Fs)
CÁLCULO DE LAS GANANCIAS DE CALOR POR CONDUCTIVIDAD EN MUROS
a) MURO SIN AISLAMIENTOUa = 1/(1he+x/km+1/hi)Ua = 1/(134.08+0.18/0,73+1/8.29)Ua = 2.93 W/m2 O C
Qa = Ua x Aa x(Te-Ti) = 2.93x50x(32-24)
= 1172 w
b) MURO CON AISLAMIENTOQb = 1/(1he+x/km+x/ka+1/hi) = 1/(134.08+0.18/0,73+0.0254/0.22+1/8.29)
= 0.866 W/m2 O C
Qb = Ub x Ab x(Te-Ti) = 0.866 X 50 X (32 – 24)
346.4 W ΔQ = 825.6 W = 2817.6 Btu/h
CÁLCULO DE LAS GANANCIAS DE CALOR POR CONDUCTIVIDAD EN VENTANAS
a) Con vidrio sencillo Ua = 1/ (1/he + x / kv + 1 /hi) Ua = 1/(1/34.8 + 0.006/0.72+ 1/8.14) = 6.23
b) Con vidrio doble Ub = 1/(1/34.8+ 0.006/0.72+ 0.006/0.72+ 1/8.14) Ub = 5.93
c) Con vidrio doble más vacio:
Uc =1/(1/34.8+ 0.006/0.72+0.006/0.72+0.01/0.026+0.006/0.72+1/8.14) = 1.38
GANANCIA DE CALOR EN CADA CASO:
Qa = Ua.Aa.(Te –Ti) = 6.23 x 2.4 x (32 – 24) = 119.616 WQb = Ub.Ab.(Te–Ti) = 5.93 x 2.4 x(32 – 24) = 113.856 WQc = Uc.Ac.(Te–Ti) = 1.38 x 2.4 x(32 – 24) = 26.496 W
EL AISLAMIENTO TÉRMICO EN LA INDUSTRIA
AEREOGEL UN AISLANTE DE ÚLTIMA GENERACIÓN
Tipo
Índice FM200 FM400 FM650
Temperatura de
servicio (° C) -80 ~ 200 -180 ~ 400 -180 ~ 650
Espesor (mm) 3,6,10 3,6,10 3,6,10
La conductividad
térmica (W · m -1 K -1) 0.016 0.016 0.016
Densidad (kg / m 3) <180 <220 <220
Característica principal índice y campo de aplicación
HUMO SÓLIDO
1. Calcular el espesor óptimo de aislante para una aplicación
2. Calcular el espesor crítico de aislante para una aplicación
3. Calcular pérdidas de calor conocidas las temperaturas superficiales tanto interna como externa de una tubería, o equipo
4. Explicar el significado de términos como: espesor crítico de aislante, espesor óptimo de aislante, conductividad térmica.
5. Resolver problemas reales de transmisión de calor en los que aparezcan combinados los tres mecanismos
6. Calcular coeficientes globales de transmisión de calor para distintas geometrías
7. Cuantificar las resistencias a la transmisión de calor con objeto de hallar la/s etapa/s controlante/s y simplificar los cálculos
OBJETIVOS DEL AISLAMIENTO TÉRMICO EN LA INDUSTRIA
OTRAS RAZONES DEL AISLAMIENTO INDUSTRIAL
1. Minimizar las pérdidas de calor o minimizar ganancias de calor (en caso de que el contenido esté por debajo T ambiente)
2. Alcanzar T’s3. Poder transportar fluidos calientes a distancias grandes
Ej: vapor generado en una caldera.4. Suprimir condensaciones5. Reducir el desgaste de equipos cuando está afectado a
dilataciones debidas a diferencias de T6. Mejorar las condiciones de trabajo (Seguridad, evitar
que el operario se queme).
CARACTERISTICAS DE UN BUEN AISLANTE
• Baja conductividad• Ligero (baja densidad)• No combustible• No putrescible• No atacable por insectos u otros
organismos• Inerte• Fácil de colocar
PÉRDIDAS DE CALOR EN UN A TUBERÍA AISLADA
DONDE:
dw: diámetro medio logarítmico de la tuberíada: diámetro medio logarítmico del aislamientods: diámetro exterior del aislamientoxw, xa: espesores pared del tubo y del aislamientokw, ka: conductividad térmica del tubo y del aislamientohi, hCN , hrad
Qt = Am ΔTtot /[1/hi πdi +Xw/Kwπdw +Xa/Ka πda+1/(hrad .hCN) πds]
TRANSFERENCIA DE CALOR EN UNA TUBERIA
r
R+x
x To
Ts
Ta Qs = h.2π L.(r+x).(Ts-Ta)Qi = (2π L.rln/x).k.(To-Ts) = (2π L/ln((ro + x)/ro).k.(To-Ts)
ESPESOR ÓPTIMO DEL AISLAMIENTO DE UNA TUBERÍA
CO
STO
S
ESPESORES
COSTO TOTAL
COSTO DEAISLAMIENTO
COSTO DEOPERACION
AISLAMIENTO TÉRMICO DE UN RECIPIENTE CON NITRÓGENO LÍQUIDO
(TEMPERATURA CRIOGÉNICA)
MECANISMO DE LA CONDUCCIÓN
Q = k A dT dx
ANALOGIA ELÉCTRICA DE LA CONDUCCIÓN Qk = ΔT / Rk . Donde: potencial Térmico ΔT = T2 - T1
Resistencia Térmica Rk = x / kA
Qs = (T1-T2)/(x1/k1A) + (T2-T3)/(x2/k2A) + (T3-T4)/(x3/k3A) = (T1 – T4) / [(x1/k1A) + (x2/k2A) + (x3/k3A)]
TRANSMISIÓN EN SERIE
TRANSMISIÓN EN PARALELO
CIRCUITOS SERIE –PARALELO EN PAREDES COMPUESTAS
Qg = ΔTglobal / Σ Ri global = ΔTglobal / (R1 + R2 + R3 + Rn)
CONDUCTIVIDADES TÉRMICAS CERTIFICADAS POR LA NOM-018-ENER-1997
PARA LOS AISLAMIENTOS TÉRMICOS MÁS UTILIZADOS
TIPO DE AISLAMIENTO
DENSIDAD APARENTE CONDUCTIVIDAD TERMICA A25 oC
RESISTENCIA TÉRMICA A 2.5 CM DE ESPESOR
Kg/m 3 Lb/ft3 w/m oK Btu in /ft2 h m2 K/ w Ft2 h oF / Btu
FIBRA DE VIDRIO
DE 10 A 30DE 31 A 45 DE 45 A 65
DE 0.63 A 1.19DE 1.94 A 2.81 DE 2.88 A 4.06
0.0400.0340.033
O.280.240.23
0.640.750.77
3.64.24.4
FIBRA MINERAL DE ROCA
DE 30 A 50 DE 1.88 A 3,13 0.037 0.26 0.69 3.9
CÁLCULO DE CARGAS EXTERNAS EN EDIFICACIONES SIN AISLAMIENTO Y CON
AISLAMIENTOSIN AISLAMIENTO CON AISLAMIENTO
Qsa = Usa.A.(te – ti) Qca = Uca.A.(te – ti)
Qsa = A.(ti – te)/ΣRsa Qca = A.(ti – te)/ΣRca
Qsa = A.(ti – te)/[1/(1/hi+x/k+1/he)] Qca =A.(ti-te)/[1/(1/hi+x1/k+x2/k2+1/he)]
VENTANAS SIMPLES VENTANAS CON DOBLE CRISTAL
Ua = 1/ (1/he + x / kv + 1 /hi) Ub = 1/ (1/he + x1/k1+x2/k2 +1/hi)
VENTANAS CON DOBLE CRISTAL Y VACIO
Uc = 1/ (1/he + x1/k1+x2/ɛ2+x3/k3 +1/hi)
VENTANAS CON PELÍCULA ANTISOLAR
UP = 1/ (1/he + x1/k1+x2/σɛ2 +1/hi)
Qc = A.[(ti-te)/1/1/hi+σɛ(T4g-T4
i)/(Tg-Ti)]
EQUIVALENCIAS
W/m2 oC Btu/h.pie2 oF
1 0.176