Clase 7 Aislacion.desbloqueado

Aislamiento trmico en caeras y estanques

Fundamentos tericos, ejemplos prcticos.

ndice1. Fundamentos tericos transferencia de calor.

1.1. Conduccin.1.2. Conveccin.1.3. Radiacin.

2. Aislamiento trmico.2.1. Que es el aislamiento trmico.2.2. Clasificacin de aislantes.2.3. Aspectos a considerar a la hora de aislar.2.4. Espesor de aislante.

3. Tipos de aislantes.3.1. Armaflex.3.2. Lana de vidrio.3.3. Lana mineral.3.4. Celular Glass.3.5. Poliuretano.3.6. Silicato de calcio.

4. Ejemplos de clculo.5. Ventajas del aislamiento.

5.1. Prdidas de calor en ductos no aislados.5.2. Prdidas en paredes planas.5.3. Prdidas en estanques verticales.5.4. Prdidas en estanques horizontales.5.5. Espesor de aislamiento ptimo econmico.

1. Fundamentos tericos de Transferencia de calor.

1.1. Conduccin.

Es la transmisin de calor a travs de la materia, a nivel atmico a travs de cuerpos en contacto.

Direccin de conduccin


1.1. Conduccin.


Conduccin de calor en superficies planas, tales como paredes de hornos, paredes, etc.

Donde: k : Coeficiente de conductividad trmica, depende de cada material.[kcal/h-m-K]e : espesor de la placa [m] T : Diferencia de Temperaturas entre las caras de la placa plana.

2kcal

conduccin h mk TQ

e

=

1.1. Conduccin.


Conduccin de calor en superficies cilndricas, tales como caeras, estanques, por unidad de largo

Donde: k : Coeficiente de conductividad trmica, depende de cada material. [kcal/h-m-K]re; ri : radio exterior ; radio interior [m] T : Diferencia de Temperaturas entre las caras del cilindro.

[ ]2ln

kcalh mconduccin

e

i

k TQr

r

pi

=



1.1. Conduccin.


Conduccin de calor en superficies esfricas.

Donde: k : Coeficiente de conductividad trmica, depende de cada material. [kcal/h-m-K]re; ri : radio exterior ; radio interior [m] T : Diferencia de Temperaturas entre las caras de la esfera.

[ ]4 e i kcal hconduccine i

r rQ k Tr r

pi

=


1.2. Conveccin.

Esta forma de transmisin de calor se relaciona directamente con el movimiento de fluidos. Existen dos tipos de conveccin.

- Conveccin natural

- Conveccin Forzada


1.2. Conveccin.

Donde A : rea superficie.[m2]h : Coeficiente de transferencia de calor por conveccin.[kcal/h-m^2] T : Diferencia de Temperaturas entre las caras de la placa plana.

Si se tiene conveccin natural o conveccin forzada determina la forma de clculo del coeficiente de transferencia de calor, en funcin de los nmeros adimensionales estudiados, Nusselt, Prandtl, Reynolds y Grashof.


[ ]kcal hconveccinQ A h T=


1.3. Radiacin.

Corresponde a la transferencia de calor a travs de ondas electromagnticas, no tienen la necesidad de un medio de transferencia, un claro ejemplo es la radiacin solar.

Donde : Emisividad del acero al carbono.: Constante de Boltzman [W/m^2-K^4]Ae: rea del manto exterior del ducto.[m2]Tcorriente aire y Tagua: Son temperaturas absolutas del aire como del agua, en grados Kelvin.

Qradiativ o = Ae ( Tpared 4 Tcorriente;aire 4 )

2. Aislamiento trmico.

2.1. Que es el aislamiento trmico?

Es el evitar la transferencia de calor no deseada desde un cuerpo al ambiente o viceversa.

2.2. Clasificacin de aislante.Los aislantes se clasifican en funcin de la forma de transferencia de calor y en funcin de la temperatura de utilizacin.

Segn la forma de transferencia de calor:

En masa Reflectantes

En funcin de la temperatura:

Se considera alta temperatura generalmente por sobre de los 100 [C], pudiendo ser a menores temperaturas, dependiendo de la aplicacin.

Para temperaturas mayores a 1.250 [C] deben utilizarse materiales refractarios.


2.2. Clasificacin de aislante.

Aislantes masa

Pequeas bolsas de aire en su interior.

Imponen una alta resistencia a la conduccin del calor.(kaire a 0C= 0,02 [kcal/h-m-C], kaire a 200 C=0,03[kcal/h-m-C]).

No es posible que ocurra conveccin en su interior.


2.2. Clasificacin de aislante.

Aislantes reflectantes.

Se caracterizan por tener una alta reflexividad y baja emisividad.

Refleja gran parte del calor recibido y no alcanza altas temperaturas superficiales.

Usualmente se utilizan como ltima capa de los aislantes en masa (capa exterior).


2.3. Aspectos a considerar a la hora de aislar.

Tipo de aislante necesario, en masa o reflectante. Conductividad trmica del aislante en masa. Emisividad del aislante reflectante. Campo de temperaturas de trabajo. Densidad del aislante en masa. Resistencia a la impregnacin de humedad. Resistencia a la combustin. Facilidad de colocacin. Resistencia al dao y deterioro. Resistencia a la deformacin.


2.4. Espesor del aislante.

Variables que definen el espesor de aislamiento.

Radio de la tubera. Radio del aislante. Conductividad trmica del aislante. Resistencia trmica deseada.




Espesor Crtico de AislamientoEs una relacin entre la conductividad del aislante y el

coeficiente convectivo del ambiente que rodea el ducto, se relaciona de la siguiente manera:

aislanteC

ambiente

kr

h=

JHG1

Diapositiva 16

JHG1 Incluir tablas de k comunes y h comunesJHG Ingeniera Ltda.; 01/06/2007


Espesor crtico de aislamiento.

Si el valor de rC es mayor al radio exterior del ducto, la transferencia de calor aumentar al colocar el aislante.

En este caso conviene evaluar el re con un nuevo aislante, ya que el h depende de las condiciones externas al ducto y por lo tanto poco probable de modificar.




Si el valor de rC es menor al radio exterior del ducto, la transferencia de calor disminuir al colocar el aislante.

En este caso conviene instalar el aislante y corresponde determinar el espesor de este.





_

0,17 0,0567[ ] 0,05[ ]3

aislantee

ambiente

e externo ducto

kr

h

r m r m

=

= = > =

Vidrio celular k = 0,17 [W/mC]

Tubera acero De = 0,10 [m]T pared = 200 [C]

Vapor T = 220 [C]

Aire T = 20 [C]hambiente = 3 [W/m2C]

( )sin_ 2aislamiento i eQ h r T Tpi= ( ) [ ]3 2 0.025 200 20 84,4 W mpi= =

( )

( )( ) [ ]

_ _

_

2

1ln ( )2 200 20

105,70,0567 0,025 1ln 0,17 (0,0567) 3

i eaislado

C aislado e ducto

aislante C asilante externo

Wmaislado

T TQr r

k r h

Q

pi

pi

=

+

= =

+

Lana mineral k = 0,035

( )

( )( ) [ ]

_ _

_

2

1ln ( )2 200 20

50,90,0117 0,025 1ln 0,035 (0,0117) 3

i eaislado

C aislado e ducto

aislante C asilante externo

Wmaislado

T TQr r

k r h

Q

pi

pi

=

+

= =

+ _

0,035 0,0117[ ] 0,05[ ]3

aislantee

ambiente

e externo ducto

kr

h

r m r m

=

= = < =


Clculo espesor

Tablas.

Algoritmos de clculo.



Clculo espesor: Tablas.

til para decidir el aislamiento o no de instalaciones pequeas.

Basado mayoritariamente en criterios econmicos.

Ejemplo de utilizacin


2.4. Espesor del aislante.Clculo prdidas en ducto


Agua a 60 [ C]; V agua: 1 [m/s]; h : 3 338 [kcal/h-m^2-K]

T ambiente 20 [ C]; V aire: 10 [m/s]; he:33,65 [kcal/h-m^2-K]

Caera acero al carbono: De: 114,3 [mm] ; Di: 80,06 [mm]; L: 50[m]

Q = 8 250 [kcal/h]Q =165 [kcal/h] por metro lineal

En un ao (8000 horas) = 5.2 [MMBTU/ao-m]

Temperatura Impuesta pared: 45 [C]

Procedimiento de clculo coeficientes de conveccin

Equivalente a:

Considerando un 85 % de eficiencia de la caldera

Combustible utilizado Gas Natural12,5 [US$/MMBTU]

Prdida de dinero en combustible producto de las prdidas del ducto 76,9 [US$/ao] => por metro de tubera.

2.4. Espesor del aislante.Clculo perdidas en ducto


Temperatura Impuesta pared: 45 [C]

Diferencia de Temperatura : 40 [C]Dimetro 114 [mm]

Prdidas aprox: 110 [kcal/h x m lineal]

2.4. Espesor del aislante.Espesor de aislante


2.4. Espesor del aislante.Clculo espesorAlgoritmo de clculo.


2.4. Espesor del aislante.Clculo espesorAlgoritmo de clculo. Resultados.


Con un aislante (lana mineral) de 18 [mm] de espesor se obtiene:133,13 [kcal/h] de ahorro 1.065.040 [kcal/ao] 4,23 [MMBTU/ao] 52,88 [US$/ao] Estos son US$ ahorrados por cada metro de tubera.

2.4. Espesor del aislante.Clculo espesorDisminucin calor en funcin del aumento del espesor


0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

50

100

150

200

250

300

350

400

Espesoraislante [mm]

Q

[

W

]

3. Tipo de aislantes.

3.1. Armaflex.

3.2. Lana de vidrio.

3.3. Lana mineral.

3.3. Cellular Glass.

3.4. Poliuretano.

3.5. Silicato de calcio.

3.1. Armaflex.

La espuma elastomrica es un aislamiento trmico a base de caucho sinttico y con estructura celular cerrada.


3.1. Armaflex.

Caractersticas tcnicas


3.2. Lana de vidrio.

La lana de vidrio es tanto un aislante trmico como acstico , importantes ventajas son su bajo peso y alta resilencia, lo que implica ahorros en el transporte.

Su principal uso es en aislasin de techos


3.2. Lana de Vidrio.

Caractersticas tcnicas Conductividad trmica desde 0,033 a 0,045 [W/m|C] a 20 [|C].

Incombustibilidad.

Durabilidad y estabilidad dimensional.

Fcil instalacin y manipulacin.

No es txico.

Resistente a la putrefaccin.


3.3. Lana mineral.

La lana mineral tiene una densidad 200 veces mayor a la lana de vidrio. El coeficiente de conductividad trmica de la lana mineral es de 0,030 a 0,040 [W/C m]


3.3. Lana mineral.

Caractersticas tcnicas

Alta capacidad de aislacin y absorcin acstica.

Incombustibilidad.

Fcil manipulacin e instalacin.


3.4. Cellular Glass, espuma celulsica.

Material constituido por clulas de celulosa, cubiertas por una pared de vidrio.


3.4. Cellular Glass.

Caractersticas tcnicas Formato: Placas, bloques, Medias Caas, curvas. Espesores: 1 hasta 4. Dimetros interiores: hasta 18. Densidad: 120 [kg/m3]. Conductividad trmica: 0,039 [W/m K] Usos: En protecciones industriales con temperatura de trabajo entre -

268 C a 482 C. Ventajas: Estanqueidad total y definitiva al vapor de agua, al agua y

gas, incompresible, incombustible, protege de la corrosin.


3.5. Poliuretano.

Este material es aplicable in situ en forma de spray presenta estructura ligera, rgida y de celdas cerradas.


3.5. Poliuretano.

Caractersticas tcnicas. Formato: Spray, Placas y medias caas. Espesores: Desde 25 [mm] hasta 100 [mm]. Dimetros interiores: Desde hasta 24. Densidad: 35 a 40 [kg/m3]. Conductividad Trmica: 0,020 0,025 [W/mK] Temperaturas de utilizacin: -200 a 110 [C] Usos: Parades, ductos, caeras. Aplicaciones: In situ en forma de Spray, vertido o colado Ventajas: Se moldea de acuerdo a la superficie, resistente a la

compresin, autoextingible.



Es una aislacin moldeada a altas temperaturas compuesta de silicato de calcio.



Caractersticas tcnicas. Formato: Placas y medias caas. Espesores: Desde 1 hasta 4. Dimetros interiores: Desde hasta 38. Densidad: 232 [kg/m3]. Conductividad trmica: 0,07 0,09 [W/mK] Usos: Caeras y equipos industriales sometidos a alta temperatura. Ventajas: Durable y resistente, temperatura de trabajo de 40 [C] a

659 [C], resistente al fuego, bajo contenido de cloro y libre de asbestos.


4. Ventajas del aislamiento. Conservacin de la energa por la reduccin de las prdidas o ganancias

de calor en caeras, ductos, estanques, equipos, paredes y estructuras.

Control de las temperaturas superficiales de equipos y estructuras permitiendo seguridad y confort para las personas.

Ayudar al control de temperatura en un proceso qumico, una pieza de equipamiento, o una estructura.

Prevenir condensacin del vapor sobre las superficies en ambientes con temperatura bajo el punto de roco.

Reducir las fluctuaciones de temperatura en los espacios cerrados cuando el calentamiento o enfriamiento no es necesario o no estdisponible.

Proveer proteccin contra el fuego.

5. Ventajas del aislamiento.

Insertar tablas de manual de EEEscanear

5.1. Prdidas de calor en ductos no aislados y accesorios..

5. Ventajas de aislamiento.5.2. Prdidas de calor en superficies planas


5.3. Prdidas en estanques verticales.


5.4. Prdidas en estanques, en estanques horizontales.


5.5. Espesor de aislamiento ptimo econmico

Muchas Gracias

JHG Ingeniera.www.jhg.cl

Clculo Coeficiente de Transferencia de Calor por Conveccin para el aire.Conveccin Natural

Donde k : Conductividad trmica del aire [W/m].Nusselt : Nmero adimensional d : Dimetro exterior del ducto [m].

eh d Nusseltk

=

Conveccin natural

Clculo Coeficiente de Transferencia de Calor por Conveccin natural para el aire.

Clculo de Nusselt.

Donde Gr : Nmero adimensional de Grashoft.Pr : Nmero adimensional de Prandt.

Nusselt = C GrPr m

C = 0,48

m = 0,25 C y m son coeficientes experimentales, parametrizados a partir del valor de GrPr.

Conveccin natural

Clculo Coeficiente de Transferencia de Calor por Conveccin para el aire.Clculo del Nmero de Grashoft.

Donde B : Coeficiente de dilatacin = 1 / Tpelcula [1 / K]d : Dimetro exterior del ducto [m].v : Viscosidad dinmica del aire [m/s^2].

Clculo del Nmero de Prandtl.

Donde u : viscosidad dinmica del aire [kg/m-s].k : Conductividad trmica del aire [W/m].c : Calor especfico del aire [J/kg-K].

Gr = 9,81 ( Tpared Tcorriente ) d 3

2

Pr ck

=

Conveccin natural

Valores Obtenidos para determinar he:Gr : 4,04 E 6Pr : 0,7296Nusselt : 19,89

he = 4,437 [W/m^2-K]he = 3,815 [kCal/h-m^2-K]he = 15,14 [BTU/h-m^2-K]

( )0.250.48 PrNu Gr= e

Nusselt khd

=

Conveccin natural

Clculo de he para corriente en conveccin forzada. Vcorriente aire=10 [m/s] T corriente aire= 5 [C]

Debemos calcular he al despejarlo de la siguiente ecuacin:

Pero para el clculo de Nusselt se determina la ecuacin a utilizar en funcin del Nmero de Reynolds, por lo cual:

Numero de ReynoldDonde : Densidad del aire [kg/m3].

Vaire: Velocidad de la corriente exterior de aire [m/s]d: Dimetro exterior del ducto [m]: Viscosidad dinmica del aire [kg / m s].

e

aire

h dNusseltk

=

Re = Vaire d

Conveccin forzada

Clculo de he para corriente en conveccin forzada. Numero de Nusselt

Donde Re : Nmero de Reynolds.Pr : Nmero de Prandtl

Nmero de Prandtl

Donde : Viscosidad cinemtica [kg/m-s]c: Calor especfico [J/kg-K]k: Conductividad trmica del aire [W/m-K]

Nusselt = 0,3 + 0,62 Re 0,5 Pr ( 1 / 3 )

1 + 0,4Pr

( 2 / 3 ) ( 1 / 4 ) 1 +

Re282000

( 5 / 8 ) ( 4 / 5 )

Pr ck

=

Conveccin forzada

Clculo de he para corriente en conveccin forzada. Evaluando tenemos

Re = 68.955

Pr = 0,7267Nusselt = 170.2

he= 39,13 [W/m^2-K]he= 33,65 [kCal/h-m^2-K]he= 133,65 [BTU/h-m^2-K]

Nusselt = 0,3 + 0,62 Re 0,5 Pr ( 1 / 3 )

1 + 0,4Pr

( 2 / 3 ) ( 1 / 4 ) 1 +

Re282000

( 5 / 8 ) ( 4 / 5 )

airee

Nusselt khd

=

Conveccin forzada

Al reemplazar los resultados obtenidos en la siguiente ecuacin se obtiene:

U = 683,6 [W/m^2-K]U = 587.8 [kCal/h-m^2-K]

Por lo tanto el calor cedido por el agua es de:

Q total = 8.252 [kCal/h]

U = 1

1h i Ai

+

lnre

r i

2 pi kacero L +

1he Ae

Qtotal = U Ai ( Tcorriente Tagua )

Conveccin forzada

Clculo del coeficiente de transferencia de calor por conveccin para el aguaConveccin Forzada

Donde hi : Coeficiente de transferencia de calor por conveccin para el agua.kagua : Conductividad trmica del agua.Nusseltagua : Nmero adimensional de Nusselt para el agua.di : Dimetro interior del ducto.

i iagua

agua

h dNusseltk

=

Nmero de Reynolds

Donde V: Velocidad del aguad: Dimetro interior del ductov: Viscosidad cinemtica del agua

Clculo del coeficiente de transferencia de calor por conveccin forzada para el aguaNumero de Nusselt para el agua:

Donde Re : Nmero adimensional de Reynolds.Pragua : Numero adimensional de Prandtl.Nusseltagua : Nmero adimensional de Nusselt para el agua.

di : Dimetro interior del ducto.

Nusseltagua = 0,023 Reagua0,8

Pragua0,3

Re V d

= Pr ck

=

Nmero de Prandtl

Donde u: Viscosidad dinmica del aguac: Calor especfico del aguak: Conductividad trmica del agua

Valores Obtenidos para determinar hi:

Re : 167.198Pr : 3,052Nusselt : 484.9

hi = 3.882 [W/m^2-K]hi = 3.338 [kCal/h-m^2-K]hi = 13.246 [BTU/h-m^2-K]

Nusseltagua = 0,023 Reagua0,8

Pragua0,3

h i = kagua Nusseltagua

d i

Clculo coeficiente de transferencia de calor por conveccin forzada para el aire

Clculo de he para corriente en conveccin forzada. Vcorriente aire=10 [m/s] T corriente aire= 5 [C]

Debemos calcular he al despejarlo de la siguiente ecuacin:

Pero para el clculo de Nusselt se determina la ecuacin a utilizar en funcin del Nmero de Reynolds, por lo cual:

Numero de ReynoldDonde : Densidad del aire [kg/m3].

Vaire: Velocidad de la corriente exterior de aire [m/s]d: Dimetro exterior del ducto [m]: Viscosidad dinmica del aire [kg / m s].

e

aire

h dNusseltk

=

Re = Vaire d


Clculo de he para corriente en conveccin forzada. Numero de Nusselt

Donde Re : Nmero de Reynolds.Pr : Nmero de Prandtl

Nmero de Prandtl

Donde : Viscosidad cinemtica [kg/m-s]c: Calor especfico [J/kg-K]k: Conductividad trmica del aire [W/m-K]

Nusselt = 0,3 + 0,62 Re 0,5 Pr ( 1 / 3 )

1 + 0,4Pr

( 2 / 3 ) ( 1 / 4 ) 1 +

Re282000

( 5 / 8 ) ( 4 / 5 )

Pr ck

=


Clculo de he para corriente en conveccin forzada. Evaluando tenemos

Re = 68.955

Pr = 0,7267Nusselt = 170.2

he= 39,13 [W/m^2-K]he= 33,65 [kCal/h-m^2-K]he= 133,65 [BTU/h-m^2-K]

Nusselt = 0,3 + 0,62 Re 0,5 Pr ( 1 / 3 )

1 + 0,4Pr

( 2 / 3 ) ( 1 / 4 ) 1 +

Re282000

( 5 / 8 ) ( 4 / 5 )

airee

Nusselt khd

=


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