Instituto Tecnológico de La Paz

Departamento de Metal-Mecánica

Ingeniería Electromecánica

Trabajo realizado para la materia

Transferencia de Calor

Investigación: Aislantes Térmicos

Alumno: Jairo Zuriel Hernández Aguirre

Docente: Ing. Juan Martín Núñez Lucero

Fecha de entrega: 27 / Agosto / 2015

Transferencia de CalorAislantes Térmicos

Índice

1. Introducción......................................................................................................................................3

2. Desarrollo……………………………………………………………………………………..4 - 16

3. Conclusion .......................................................................................................................17

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1. Introducción

Un aislante térmico es un material usado en la construcción y en la industria, caracterizado por su alta resistencia térmica. Establece una barrera al paso del calor entre dos medios que naturalmente tenderían a igualarse en temperatura, impidiendo que el calor traspase los se-paradores del sistema que interesa (como una vivienda o una nevera) con el ambiente que lo rodea.

En general, todos los materiales ofrecen resistencia al paso del calor, es decir, son aislantes térmicos. La diferencia es que de los que se trata tienen una resistencia muy grande, de modo, que espesores pequeños de material presentan una resistencia suficiente al uso que quiere dársele. El nombre más correcto de estos sería aislante térmico específico. Se consi-dera que son aislantes térmicos específicos aquellos que tiene una conductividad térmica:

λ < 0,08 W/m·°C.

Uno de los mejores aislantes térmicos es el vacío, en el que el calor sólo se trasmite por ra-

diación, pero debido a la gran dificultad para obtener y mantener condiciones de vacío se

emplea en muy pocas ocasiones. En la práctica se utiliza mayoritariamente aire con baja hu-

medad, que impide el paso del calor por conducción, gracias a su baja conductividad térmica,

y por radiación, gracias a un bajo coeficiente de absorción.

El aire transmite calor por convección, lo que reduce su capacidad de aislamiento. Por esta razón se utilizan como aislamiento térmico materiales porosos o fibrosos, capaces de inmovi-lizar el aire seco y confinarlo en el interior de celdillas más o menos estancas. Aunque en la mayoría de los casos el gas encerrado es aire común, en aislantes de poro cerrado formados por burbujas no comunicadas entre sí, como en el caso del poliuretano proyectado, el gas uti-lizado como agente espumante es el que queda finalmente encerrado. También es posible utilizar otras combinaciones de gases distintas, pero su empleo está muy poco extendido.

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2. Contenido

Desarrollo

Materiales Aislantes Térmicos

Existen muchos tipos de aislante térmico, alguno de los cuales se ha abandonado a lo largo

de la historia. Son materiales que se caracterizan por su alta resistencia térmica.

1.1.1 Aluminio

Aunque el aluminio es un metal de alta conductividad térmica (λ= 204 W/m·°C), puede utili-zarse como aislante en ciertas condiciones. Los aislantes de aluminio consisten en varias ca-pas delgadas unidas por otras láminas plegadas formando algo parecido al cartón aligerado. Las pérdidas térmicas pueden ser por cambio de estado (evaporación), por contacto (o con-vección) o por radiación (que crece con la cuarta potencia de la diferencia de temperaturas), logrando el aluminio reflejar, y así reducir, en un 97 % las pérdidas por radiación térmica (tan-to para enfriar protegiendo del sol, como ante el frío, para conservar el calor interior), siendo esta propiedad independiente del espesor de la capa de aluminio. Además el aluminio ofrece otra ventaja, al ser totalmente estanco/impermeable, e impedir el paso de agua y aire, blo-queando así las pérdidas por evaporación. El plegado de las láminas se encarga de limitar la convección.

1.1.2 Corcho

Es el material empleado más antiguamente para aislar. Procede de la corteza del alcorno-que. Normalmente se usa en forma de aglomerados, formando paneles. Habitualmente, es-tos paneles se fabrican a partir de corcho triturado y hervido a altas temperaturas. En gene-ral, no es necesario añadir ningún aglomerante para compactar los paneles.

Su contenido en agua es inferior al 8 %, y está compuesto en un 45 % por suberina. Estas dos condiciones hacen que sea un producto imputrescible, al que no hay que tratar para pro-tegerlo de hongos o microorganismos, al contrario que la madera.

Otra ventaja respecto a otros materiales aislantes es la elevada inercia térmica que presenta. Esta característica lo convierte en un material idóneo para sistemas de aislamiento térmico por el exterior.

El 53 % de la producción mundial de corcho procede de Portugal, y el 32 % de España.

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Opciones de uso según DIN 4108-10.

Densidad: 110 kg/m³ normal, 100-160 (en placa), 65-150 (del árbol)

Coeficiente de conductividad térmica: 0,039 W/(m·K) (según EN 13170 - 0,04 a 0,055)

μ (resistividad al paso de vapor de agua) - 30 a 75 (del árbol), de 92 MN·s/g·m (en placa

aglomerada)

c (calor específico) de 1600 a 1800

1.1.3 Algodón

Se trata de papel de una manta de algodón.

Densidad: 25-40 kg/m³ (lana soplada), 20-60 kg/m³ (lana en manta)

Coeficiente de conductividad térmica: 0,04 W/(m·K)

μ - 1 a 2 MN·s/g·m

c (calor específico) aproximadamente 840 J/(kg·K)

1.1.4 Arlita

La arlita es un árido cerámico de gran ligereza debido a su porosidad.

Densidad: 300-800 kg/m³ (densidad aparente)

Coeficiente de conductividad térmica: 0,08 W/(m·K)

μ = 0 MN·s/g·m

c (calor específico) aproximadamente 1100 J/(kg·K)

1.1.5 Vermiculita

La vermiculita es un mineral formado por silicatos de hierro o magnesio, del grupo de las mi-

cas; durante su fabricación se eleva rápidamente su temperatura, expandiéndose hasta 30

veces su tamaño, mediante un proceso denominado "exfoliación".

Densidad: Oscila entre 60 y 140 kg/m³, según granulometrías.

Coeficiente de conductividad térmica: 0,053 kcal/h/m °C

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Aislamiento acústico: al incidir las ondas sonoras sobre las laminillas multidireccionales

de la vermiculita expandida, estas son reflejadas en multitud de direcciones y absorbidas

por la estructura microscópica de burbujas de aire del mineral. Por estas razonas la ver-

miculita es un excelente aislante acústico para una amplísima gama de frecuencias.

Resistencia al fuego: el punto de fusión de la vermiculita es 1.370 °C y la temperatura de

reblandecimiento es 1.250 °C. Es un mineral incombustible y químicamente muy estable

a altas temperaturas lo que lo convierte en un material idóneo para la protección contra el

fuego, por lo que se utiliza principalmente como aislante en hornos de alta temperatura y

en calderas en forma de plancha de diferentes espesores (aglomerada con resinas).

Inalterabilidad: la vermiculita es insensible a los agentes atmosféricos y al paso del tiem-

po. Es estable, químicamente neutra (pH = 7,2) e inerte, no es higroscópica y no produce

ninguna acción sobre el hierro o el acero.

1.1.6 Cáscaras de trigo, escanda

Densidad: 90 kg/m³ (prensado)

Coeficiente de conductividad térmica: 0,06 W/(m·K)

μ - 1 a 2 MN·s/g·m

c (calor específico) aproximadamente - J/(kg·K)

1.1.7 Lino

Densidad: 40-50 kg/m³ (materia prima), 20-40 kg/m³ (en manta)

Coeficiente de conductividad térmica: 0,04-0,05 W/(m·K)

μ - 1 a 2 MN·s/g·m

c (calor específico) aproximadamente 1500 J/(kg·K)

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1.1.8 Pellas de cereales

Hechos a partir de cereales (en alemán - Getreidegranulat).

Densidad: 105-115 kg/m³ (densidad aparente)

Coeficiente de conductividad térmica: 0,05 W/(m·K)

μ - 1 MN·s/g·m

c (calor específico) aproximadamente - J/(kg·K)

1.1.9 Cáñamo

Densidad: 150 kg/m³ (raspaduras), 20-40 kg/m³ (en manta)

Coeficiente de conductividad térmica: 0,04-0,08 W/(m·K)

μ - 1 a 2 MN·s/g·m

c (calor específico) aproximadamente 1500 J/(kg·K)

1.1.10 Virutas de madera

Densidad: 70 kg/m³ (densidad aparente)

Coeficiente de conductividad térmica: 0,045 W/(m·K)

μ - 2 MN·s/g·m

c (calor específico) aproximadamente - J/(kg·K)

1.1.11 Celulosa

Se trata de papel de periódico reciclado molido, al que se le han añadido unas sales de bo-rax, para darle propiedades ignífugas, insecticidas y antifúngicas.

Se insufla en las cámaras o se proyecta en húmedo. Es un potente aislante estival e invernal,

y tiene también propiedades de aislamiento acústico. Su mayor ventaja es que se comporta

como la madera, equilibrando puntas de temperaturas a la vez que tiene una gran capacidad

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térmica de almacenamiento, se comporta de forma anticíclica durante 12 horas, manteniendo

así el frescor matutino en verano durante las tardes. En invierno protege contra el frío de for-

ma similar a como lo hace la madera.

Densidad: 30-60 kg/m³ (o según otras fuentes, de 25 a 90 kg/m³)

Coeficiente de conductividad térmica: 0,039 W/(m·K)

μ - 1 a 2 MN·s/g·m

c (calor específico) aproximadamente 1900 J/(kg·K)

1.1.12 Fibra de madera

Según la EN 13171. Opciones de uso según DIN 4108-10.

Densidad: 30-60 kg/m³ (soplado), 130-250 kg/m³ (en manta)

Coeficiente de conductividad térmica: 0,04-0,06 W/(m·K)

μ - 5 a 10 MN·s/g·m

c (calor específico) aproximadamente 1600-2100 J/(kg·K)

1.1.13 Lana de madera

Según EN 13168, opciones de uso según DIN 4108-10

Densidad: 350-600 kg/m³ (normal), 60-300 kg/m³ (múltiples capas)

Coeficiente de conductividad térmica: 0,09-0,1 W/(m·K)

μ - 2 a 5 MN·s/g·m

c (calor específico) aproximadamente 2100 J/(kg·K)

1.1.14 Cocos

Densidad: 70-110 kg/m³

Coeficiente de conductividad térmica: 0,045-0,05 W/(m·K)

μ - 1 a 2 MN·s/g·m

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c (calor específico) aproximadamente 1500 J/(kg·K)

1.1.15 Cañas

(Actualmente no existe ningún producto a base de caña aprobado para su uso en Alemania).

Densidad: 190-220 kg/m³ (raspaduras), 20-40 kg/m³ (en manta)

Coeficiente de conductividad térmica: 0,045-0,065 W/(m·K)

μ - 2 MN·s/g·m

c (calor específico) aproximadamente 1300 J/(kg·K)

1.1.16 Algas

Usado en tejados y paredes.

Densidad: 70-80 kg/m³

Coeficiente de conductividad térmica: 0,045 W/(m·K)

mu -

c (calor específico) aproximadamente 2000 J/(kg·K)

1.1.17 Paja

Densidad: 80 a 600 kg/m³

Coeficiente de conductividad térmica: 0,045-0,13 W/(m·K)

mu - 1 a 10 (prensado de 35 a 40)

c (calor específico) aproximadamente - J/(kg·K)

1.1.18 Hierba

Densidad: 25 a 65 kg/m³

Coeficiente de conductividad térmica: 0,04 W/(m·K)

mu - 1 a 2

c (calor específico) aproximadamente 2100 J/(kg·K)

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1.1.19 Lana de roca

La lana de roca es un material aislante térmico, incombustible e imputrescible. Este material

se diferencia de otros aislantes en que es un material resistente al fuego, con un punto de fu-

sión superior a los 1200 °C.

Las principales aplicaciones son el aislamiento de cubierta, tanto inclinada como plana (cu-

bierta europea convencional, con lámina impermeabilizante auto protegida), fachadas ventila-

das, fachadas monocapa, fachadas por el interior, particiones interiores, suelos acústicos y

aislamiento de forjados. Cuando se tiene un techo de teja con machihembrado, se utiliza un

fieltro sin revestimiento o bien otro con un papel kraft en una cara, lo que favorece la coloca-

ción. Además, se utiliza para la protección pasiva tanto de estructuras, como de instalaciones

y penetraciones.

La lana de roca se comercializa en paneles rígidos o semirígidos, fieltros, mantas armadas y

coquillas. También es un excelente material para aislamiento acústico en construcción livia-

na, para suelos, techos y paredes interiores.

Densidad: 30-160 kg/m³. Según EN 13162, en fibra de 20 a 150, en piedra de 25 a 220.

Coeficiente de conductividad térmica: 0,034 a 0,041 W/(m·K). Según EN 13162, 0,035 a

0,05

μ = 9 MN·s/g·m

c (calor específico) aproximadamente 840 J/(kg·K)

1.1.19.1 Manta

Se trata de fibras de lana de roca entrelazadas. Es adecuada para aislar elementos construc-

tivos horizontales, siempre que se coloque en la parte superior. En vertical necesita de sujec-

ción o grapas para evitar que acabe apelmazándose en la parte inferior del elemento y en la

parte inferior de un elemento horizontal descolgado. Suelen venir protegidas por papel Kraft,

papel embreado, o malla metálica ligera.

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1.1.19.2 Paneles rígidos

Se trata de paneles aglomerados con alguna resina epoxídica, que da una cierta rigidez al

aislante. Sirve para elementos constructivos verticales y horizontales por la parte inferior, a

cambio de tener un coeficiente de conductividad ligeramente inferior al de la manta.

1.1.19.3 Coquillas

Son tubos premoldeados con distintos diámetros y espesores. Como todo buen aislante tér-

mico, la sección debe de elegirse de modo que quede perfectamente ajustada a la superficie

exterior de la conducción que se trata de aislar. Como toda lana mineral, es incombustible.

La lana de roca resiste temperaturas hasta 1000 °C.

1.1.20 Lana de vidrio

Cuando se tiene un techo de tejas con un machihembrado y se lo desea aislar con lana de vi-

drio se debe usar un producto para tal fin, que es una lana de vidrio en paneles con mayor

densidad, hidrófugo e higroscópico. Cuando se tiene un techo de chapa, la línea de producto

que se debe utilizar es el trasdosado con una hoja de aluminio reforzado en una cara para

que actúe de resistencia mecánica, como barrera de vapor y como material reflectivo. Como

en el caso anterior se vende en forma de manta, de paneles aglomerados y coquillas de ais-

lamiento de tuberías.

Coeficiente de conductividad térmica lana vidrio: 0,032 W/(m·ºK) a 0,044 W/(m·ºK)

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1.1.21 Lana natural de oveja

Es la versión natural y ecológica de los aislamientos lanosos. A diferencia de la lana de roca

o la lana de vidrio, la lana de oveja se obtiene de forma natural y no necesita de un horneado

de altas temperaturas. Es muy resistente y un potente regulador de humedad, hecho que

contribuye enormemente en el confort interior de los edificios. Apenas se utiliza en construc-

ción en comparación con las lanas de vidrio o roca.

Como en los casos anterior se vende en forma de manta, de paneles aglomerados y a copos.

Coeficiente de conductividad térmica: 0,043 lana vidrio tipo I W/(m·K)1

Densidad: 20-80 kg/m³.2

Coeficiente de conductividad térmica: 0,040 a 0,045 W/(m·K)

μ de 1 a 2

c (calor específico) aproximadamente 1000 J/(kg·K)

1.1.22 Vidrio expandido

Además de aislante es una barrera de vapor muy efectiva, lo que no suele ser normal en los

aislantes térmicos y le hace muy adecuado para aislar puentes térmicos en la construcción,

como pilares en muros de fachada. Está formado por vidrio, generalmente reciclado y sin

problemas de tratar el color, puesto que no importa el color del producto, que se hace una

espuma en caliente, dejando celdillas con gas encerrado, que actúan como aislante. Su rigi-

dez le hace más adecuado que otros aislantes para poder recubrirlo de yeso. Es poco utiliza-

do en la construcción. Es conocido también como Vidrio Celular y aún se fabrica actualmen-

te, 2013, en España bajo esta última denominación.

Densidad: 20 kg/m³.

Coeficiente de conductividad térmica: 0,045 W/(m·K)

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1.1.23 Poliestireno expandido (EPS)

Figura #1 Fragmento de poliestireno expandido

.

El material de espuma de poliestireno es un aislante derivado del petróleo y del gas natural,

de los que se obtiene el polímero plástico estireno en forma de gránulos. Para construir un

bloque se incorpora en un recipiente metálico una cierta cantidad del material que tiene rela-

ción con la densidad final del mismo y se inyecta vapor de agua que expande los gránulos

hasta formar el bloque. Este se corta en placas del espesor deseado para su comercializa-

ción mediante un alambre metálico caliente.

Debido a su combustibilidad se le incorporan retardantes de llama, y se le denomina Difícil-

mente Inflamable.

Posee un buen comportamiento térmico en densidades que van de 12 kg/m³ a 30 kg/m³

Tiene un coeficiente de conductividad de 0,034 a 0,045 W/(m·K), que depende de la den-

sidad (por regla general, a mayor densidad menor coeficiente de conductividad)

μ de 140 a 250 MN·s/g·m según densidad

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Es fácilmente atacable por la radiación ultravioleta por lo cual se debe proteger de la luz

del sol

Posee una alta resistencia a la absorción de agua

No forma llama ya que al quemarse se sublima

1.1.24 Espuma celulósica

El material de espuma de celulosa, posee una aceptable poder aislante térmico y es un

buen absorbente acústico. Es ideal para aplicar por la parte inferior de galpones por ser un

material completamente ignífugo de color blanco y por su rapidez al ser colocado. Se funde a

temperaturas superiores a 45 °C. Se utiliza poco en construcción.

Coeficiente de conductividad térmica: 0,065 a 0,056 W/(m·K)

1.1.25 Espuma de polietileno

Figura #2 Estructura química del polietileno, a veces representada sólo como (CH2-CH2)n.

La espuma de polietileno se caracteriza por ser económica, hidrófuga y fácil de colocar. Con

respecto a su rendimiento térmico se puede decir que es de carácter medio. Su terminación

es de color blanco o aluminio.

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Coeficiente de conductividad térmica: 0,036 a 0,046 W/(m·K)

1.1.26 Film alveolar de polietileno

De la misma manera, que la espuma de polietileno, como aislante térmico se utiliza simple-

mente el plástico de burbujas recubierto con el papel de aluminio. Las ventajas que tiene

frente los otros aislantes son: espesor muy reducido (3-5 mm), instalación sencilla, su coste

muy reducido; además es no inflamable y reciclable. Éste film se utiliza en construcción, y

más habitualmente en equípos de aire acondicionado.

1.1.27 Espuma de poliuretano

Figura #3 Muestra de espuma de poliuretano de alta densidad.

La espuma de poliuretano es conocida por ser un material aislante de muy buen rendimiento.

Tiene múltiples aplicaciones como aislante térmico tanto en construcción como en sectores

industriales. Destaca en toda la cadena del frío por su alta eficiencia energérica

Coeficiente de conductividad térmica: 0,023 W/(m·K)

μ de 96 a 180 MN·s/g·m según densidad

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1.1.28 Espuma elastomérica

Es un aislante con un excelente rendimiento en baja y media temperatura y de fácil instala-

ción, reduciendo al máximo los costos de mano de obra. Posee en su estructura una barrera

de vapor y un comportamiento totalmente ignífugo.

Coeficiente de conductividad: 0,035 W/(m·K)

Temperatura de trabajo óptima: -40 a 115 °C

Es fácilmente atacable por la radiación ultravioleta por lo cual se debe proteger de la luz del

sol.

1.1.29Aerogel

Como aislante térmico, el aerogel se presenta en mantas flexibles (rango de servicio: -40 °C

a 650 °C o -270 °C a 90 °C). Solo se presenta en espesores de 5 mm y 10 mm. Tiene propie-

dades mecánicas grandes para el rendimiento que ofrece, es hidrófobo (repele la humedad),

es permeable (deja pasar el aire/vapor), previene la corrosión bajo el aislamiento, es ignífugo

(no se incendia) y es sumamente resistente al trato duro (pisotones, golpes, etcétera). Su ins-

talación es intuitiva como sencilla, el material se puede cortar con tijeras o cúteres, disminu-

yendo el tiempo y los costos de mano de obra excesivos.

Densidad: 0,020 g/cm³ (Aerogel monolítico), de 0,13 g/cm³ a 0,18 g/cm³ (Aerogel en man-

ta flexible)

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3. CONCLUSIONES

Los aislantes térmicos como vimos son materiales diseñados para disminuir la transferencia

de calor entre los objetos. Hay tres tipos básicos de aislantes que se diseñan para evitar que

el calor pase por conducción, convección o radiación. La mayoría de los aislantes térmicos

están diseñados para evitar la conducción de transferencia del calor a través

del contacto entre objetos sólidos. Los aislantes diseñados para evitar la pérdida de calor por

convección están diseñados para limitar el movimiento de aire mientras que las barreras de

radiación están diseñadas para reflejar la energía emanada.

El aislante térmico, se caracteriza por su elevada resistencia térmica, lo que dificulta que el

calor entre o salga de un sistema. En dos medios diferentes, el calor suele propagarse y la

temperatura tiende a igualarse. Lo que hace el aislante térmico es imposibilitar u obstaculizar

dicho proceso.

Para ello gracias a esta investigación, podemos concluir con una idea mucho más abierta

hacia lo que son los aislantes térmicos y por supuesto conocer los que se usan dentro de la

industria, refrigeración, electricidad y aun en el hogar por lo cual nos será de mucha ayuda

para seguir en el estudio de la Transferencia de Calor.

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