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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. Fundamentos tericos de Transferencia de calor.
1.1. Conduccin.
Direccin de 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.
Direccin de 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. Fundamentos tericos de Transferencia de calor.
1. Fundamentos tericos de Transferencia de calor.
1.1. Conduccin.
Direccin de 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. Fundamentos tericos de Transferencia de calor.
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. Fundamentos tericos de Transferencia de calor.
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.
Direccin de conduccin
[ ]kcal hconveccinQ A h T=
1. Fundamentos tericos de Transferencia de calor.
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. Aislamiento trmico.
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. Aislamiento trmico.
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. Aislamiento trmico.
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. Aislamiento trmico.
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.
2. Aislamiento trmico.
2. Aislamiento trmico.
2.4. Espesor del aislante.
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
2. Aislamiento trmico.
2.4. Espesor del aislante.
2.4. Espesor del aislante.
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.
2. Aislamiento trmico.
2.4. Espesor del aislante.
Espesor crtico de aislamiento.
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.
2. Aislamiento trmico.
2.4. Espesor del aislante.
Espesor crtico de aislamiento.
2. Aislamiento trmico.
_
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
=
= = < =
2.4. Espesor del aislante.
Clculo espesor
Tablas.
Algoritmos de clculo.
2. Aislamiento trmico.
2.4. Espesor del aislante.
Clculo espesor: Tablas.
til para decidir el aislamiento o no de instalaciones pequeas.
Basado mayoritariamente en criterios econmicos.
Ejemplo de utilizacin
2. Aislamiento trmico.
2.4. Espesor del aislante.Clculo prdidas en ducto
2. Aislamiento trmico.
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
2. Aislamiento trmico.
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. Aislamiento trmico.
2.4. Espesor del aislante.Clculo espesorAlgoritmo de clculo.
2. Aislamiento trmico.
2.4. Espesor del aislante.Clculo espesorAlgoritmo de clculo.
2. Aislamiento trmico.
2.4. Espesor del aislante.Clculo espesorAlgoritmo de clculo.
2. Aislamiento trmico.
2.4. Espesor del aislante.Clculo espesorAlgoritmo de clculo. Resultados.
2. Aislamiento trmico.
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
2. Aislamiento trmico.
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. Tipo de aislantes.
3.1. Armaflex.
Caractersticas tcnicas
3. Tipo de aislantes.
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. Tipo de aislantes.
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. Tipo de aislantes.
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. Tipo de aislantes.
3.3. Lana mineral.
Caractersticas tcnicas
Alta capacidad de aislacin y absorcin acstica.
Incombustibilidad.
Fcil manipulacin e instalacin.
3. Tipo de aislantes.
3.4. Cellular Glass, espuma celulsica.
Material constituido por clulas de celulosa, cubiertas por una pared de vidrio.
3. Tipo de aislantes.
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. Tipo de aislantes.
3.5. Poliuretano.
Este material es aplicable in situ en forma de spray presenta estructura ligera, rgida y de celdas cerradas.
3. Tipo de aislantes.
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.
3. Tipo de aislantes.
3.6. Silicato de calcio.
Es una aislacin moldeada a altas temperaturas compuesta de silicato de calcio.
3. Tipo de aislantes.
3.6. 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.
3. Tipo de aislantes.
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. Ventajas del aislamiento.
5.3. Prdidas en estanques verticales.
5. Ventajas del aislamiento.
5.4. Prdidas en estanques, en estanques horizontales.
5. Ventajas del aislamiento.
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 coeficiente de transferencia de calor por conveccin forzada para el aire
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 coeficiente de transferencia de calor por conveccin forzada para el aire
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
=
Clculo coeficiente de transferencia de calor por conveccin forzada para el aire