Aislamiento térmico - Thermal insulation

Aislamiento de lana mineral , escaneo de 1600 ppp

El aislamiento térmico es la reducción de la transferencia de calor (es decir, la transferencia de energía térmica entre objetos de diferente temperatura) entre objetos en contacto térmico o en un rango de influencia radiativa. El aislamiento térmico se puede lograr con métodos o procesos especialmente diseñados, así como con formas y materiales de objetos adecuados.

El flujo de calor es una consecuencia inevitable del contacto entre objetos de diferente temperatura . El aislamiento térmico proporciona una región de aislamiento en la que se reduce la conducción térmica , creando una rotura térmica o una barrera térmica , o la radiación térmica es reflejada en lugar de absorbida por el cuerpo a temperatura más baja.

La capacidad aislante de un material se mide como la inversa de la conductividad térmica (k) . La baja conductividad térmica equivale a una alta capacidad de aislamiento ( valor de resistencia ). En la ingeniería térmica , otras propiedades importantes de los materiales aislantes son la densidad del producto (ρ) y la capacidad calorífica específica (c) .

Definición

La conductividad térmica k se mide en vatios por metro por kelvin (W · m −1 · K −1 o W / m / K). Esto se debe a que se ha descubierto que la transferencia de calor , medida como potencia , es (aproximadamente) proporcional a

  • diferencia de temperatura
  • la superficie de contacto térmico
  • la inversa del espesor del material

De esto se deduce que la potencia de la pérdida de calor viene dada por

La conductividad térmica depende del material y para los fluidos, su temperatura y presión. Para fines de comparación, se usa comúnmente la conductividad en condiciones estándar (20 ° C a 1 atm). Para algunos materiales, la conductividad térmica también puede depender de la dirección de la transferencia de calor.

El acto de aislamiento se logra encerrando un objeto en material con baja conductividad térmica en alto espesor. Disminuir el área de la superficie expuesta también podría disminuir la transferencia de calor, pero esta cantidad generalmente está determinada por la geometría del objeto a aislar.

El aislamiento multicapa se utiliza donde predomina la pérdida radiactiva o cuando el usuario tiene restricciones en el volumen y el peso del aislamiento (por ejemplo , manta de emergencia , barrera radiante ).

Aislamiento de cilindros

Los escapes de automóviles generalmente requieren algún tipo de barrera térmica, especialmente escapes de alto rendimiento, donde a menudo se aplica un revestimiento de cerámica.

Para cilindros aislados, se debe alcanzar una manta de radio crítico . Antes de que se alcance el radio crítico, cualquier aislamiento adicional aumenta la transferencia de calor. La resistencia térmica convectiva es inversamente proporcional al área de la superficie y, por lo tanto, al radio del cilindro, mientras que la resistencia térmica de una carcasa cilíndrica (la capa de aislamiento) depende de la relación entre el radio exterior e interior, no del radio en sí. Si se aumenta el radio exterior de un cilindro aplicando aislamiento, se agrega una cantidad fija de resistencia conductora (igual a 2 × π × k × L (Tin-Tout) / ln (Rout / Rin)). Sin embargo, al mismo tiempo, se reduce la resistencia convectiva. Esto implica que agregar aislamiento por debajo de un cierto radio crítico en realidad aumenta la transferencia de calor. Para cilindros aislados, el radio crítico viene dado por la ecuación

Esta ecuación muestra que el radio crítico depende solo del coeficiente de transferencia de calor y la conductividad térmica del aislamiento. Si el radio del cilindro aislado es menor que el radio crítico para el aislamiento, la adición de cualquier cantidad de aislamiento aumentará la transferencia de calor.

Aplicaciones

Ropa y aislamiento natural de animales en aves y mamíferos

Los gases poseen propiedades de conducción térmica deficientes en comparación con los líquidos y sólidos y, por lo tanto, constituyen un buen material aislante si pueden quedar atrapados. Para aumentar aún más la efectividad de un gas (como el aire), puede romperse en pequeñas celdas, que no pueden transferir calor de manera efectiva por convección natural . La convección implica un mayor flujo de gas a granel impulsado por la flotabilidad y las diferencias de temperatura, y no funciona bien en celdas pequeñas donde hay poca diferencia de densidad para impulsarlo, y las altas relaciones de superficie a volumen de las celdas pequeñas retardan el flujo de gas en ellos por medio de arrastre viscoso .

Para lograr la formación de pequeñas células de gas en el aislamiento térmico artificial, se pueden usar materiales de vidrio y polímero para atrapar el aire en una estructura similar a una espuma. Este principio se utiliza industrialmente en la construcción y el aislamiento de tuberías como ( lana de vidrio ), celulosa , lana de roca , espuma de poliestireno (espuma de poliestireno), espuma de uretano , vermiculita , perlita y corcho . Atrapar el aire también es el principio en todos los materiales de ropa altamente aislantes, como la lana, las plumas y el vellón.

La propiedad de atrapamiento de aire es también el principio de aislamiento empleado por los animales homeotérmicos para mantenerse calientes, por ejemplo, las plumas y el pelo aislante, como la lana natural de oveja . En ambos casos, el material aislante principal es el aire y el polímero utilizado para atrapar el aire es la proteína queratina natural .

Edificios

Aplicaciones comunes de aislamiento en edificios de apartamentos en Ontario , Canadá.

El mantenimiento de temperaturas aceptables en los edificios (mediante calefacción y refrigeración) utiliza una gran proporción del consumo energético mundial. Los aislamientos de edificios también utilizan comúnmente el principio de pequeñas celdas de aire atrapadas como se explicó anteriormente, por ejemplo, fibra de vidrio (específicamente lana de vidrio ), celulosa , lana de roca , espuma de poliestireno , espuma de uretano , vermiculita , perlita , corcho , etc. Durante un período de tiempo, También se utilizó amianto , sin embargo, causó problemas de salud.

La película aislante para ventanas se puede aplicar en aplicaciones de climatización para reducir la radiación térmica entrante en verano y la pérdida en invierno.

Cuando está bien aislado, un edificio es:

  • energéticamente eficiente y más económico para mantener el calor en invierno o fresco en verano. La eficiencia energética conducirá a una reducción de la huella de carbono .
  • más cómodo porque hay temperaturas uniformes en todo el espacio. Hay menos gradiente de temperatura tanto verticalmente (entre la altura de los tobillos y la altura de la cabeza) como horizontalmente desde las paredes exteriores, techos y ventanas hacia las paredes interiores, lo que produce un ambiente más cómodo para los ocupantes cuando las temperaturas exteriores son extremadamente frías o calientes.

En la industria, se debe gastar energía para subir, bajar o mantener la temperatura de los objetos o los fluidos de proceso. Si estos no están aislados, aumentan las necesidades energéticas de un proceso y, por tanto, el coste y el impacto medioambiental.

Sistemas mecánicos

Tubería hidrónica de retorno y suministro de agua caliente aislada en una caldera de gas
Aislamiento térmico aplicado al componente de escape mediante proyección de plasma

Los sistemas de calefacción y refrigeración de espacios distribuyen el calor por todos los edificios mediante tuberías o conductos. El aislamiento de estas tuberías con aislamiento de tuberías reduce la energía en las habitaciones desocupadas y evita que se produzca condensación en las tuberías frías y refrigeradas.

El aislamiento de tuberías también se utiliza en las tuberías de suministro de agua para ayudar a retrasar la congelación de las tuberías durante un período de tiempo aceptable.

El aislamiento mecánico se instala comúnmente en instalaciones industriales y comerciales.

Refrigeración

Un frigorífico consta de una bomba de calor y un compartimento aislado térmicamente.

Astronave

Aislamiento térmico en la sonda Huygens
Aislamiento cabina de un Boeing 747-8 avión

El lanzamiento y el reingreso provocan tensiones mecánicas severas en la nave espacial, por lo que la resistencia de un aislante es de importancia crítica (como se ve por la falla de las baldosas aislantes en el transbordador espacial Columbia , que causó que la estructura del avión del transbordador se sobrecaliente y se rompa durante el reentrada, causando la muerte los astronautas a bordo). El reingreso a la atmósfera genera temperaturas muy altas debido a la compresión del aire a altas velocidades. Los aisladores deben cumplir con propiedades físicas exigentes más allá de sus propiedades retardantes de transferencia térmica. Ejemplos de aislamiento utilizado en naves espaciales incluyen el cono de nariz compuesto de carbono reforzado y las baldosas de fibra de sílice del transbordador espacial . Consulte también Pintura aislante .

Automotor

Los motores de combustión interna producen mucho calor durante su ciclo de combustión. Esto puede tener un efecto negativo cuando llega a varios componentes sensibles al calor, como sensores, baterías y motores de arranque. Como resultado, el aislamiento térmico es necesario para evitar que el calor del escape llegue a estos componentes.

Los coches de alto rendimiento suelen utilizar aislamiento térmico como medio para aumentar el rendimiento del motor.

Factores que influyen en el rendimiento

El rendimiento del aislamiento está influenciado por muchos factores, los más destacados incluyen:

Es importante tener en cuenta que los factores que influyen en el rendimiento pueden variar con el tiempo a medida que el material envejece o cambian las condiciones ambientales.

Calcular requisitos

Los estándares de la industria son a menudo reglas empíricas, desarrolladas a lo largo de muchos años, que compensan muchos objetivos en conflicto: lo que la gente pagará, el costo de fabricación, el clima local, las prácticas tradicionales de construcción y los diferentes estándares de comodidad. Tanto la transferencia de calor como el análisis de capas se pueden realizar en grandes aplicaciones industriales, pero en situaciones domésticas (electrodomésticos y aislamiento de edificios), la estanqueidad es la clave para reducir la transferencia de calor debido a fugas de aire (convección forzada o natural). Una vez que se logra la hermeticidad, a menudo ha sido suficiente elegir el grosor de la capa aislante según las reglas generales. Los rendimientos decrecientes se logran con cada duplicación sucesiva de la capa aislante. Se puede demostrar que para algunos sistemas, se requiere un espesor mínimo de aislamiento para realizar una mejora.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

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