acustica edificio - manual aislamiento industrial isover

7/27/2019 Acustica Edificio - Manual Aislamiento Industrial Isover

1/181

MANUAL DE

AISLAMIENTO

EN LA

INDUSTRIA

DivisinAislamientos:

MERCAILLAMENTSALVADOR ESCODA S.A.

Industria, 608-612

08918 BADALONA

Tel. 93 460 55 00

Fax 93 460 55 44


2/181

ndice

01. Generalidades ............................................................................................................. 501.01. El aislamiento en la industria ............................................................................. 501.02. Lana de vidrio ................................................................................................... 701.03. Lana de roca ...................................................................................................... 1001.04. Materiales, propiedades y campo de aplicacin ................................................ 12

02. Aislamiento trmico ................................................................................................... 1302.01. Transmisin del calor ......................................................................................... 1302.02. Aplicaciones especiales ..................................................................................... 3302.03. Prdidas suplementarias en instalaciones reales ................................................ 4102.04. Espesor ptimo econmico de aislamiento ........................................................ 4302.05. Tcnicas generales de montaje del aislamiento ................................................. 49

03. Aislamiento y acondicionamiento de edificios industriales .................................. 6903.01. Soluciones de aislamiento en edificios industriales ............................................ 6903.02. Cubiertas y cerramientos verticales mediante sndwich in situ .......................... 7003.03. Cubiertas y paramentos verticales mediante sndwich prefabricados ................ 7503.04. Cubiertas tipo deck ............................................................................................ 8103.05. Aislamiento por el interior ................................................................................. 83

04. Aislamiento y acondiconamiento acstico ............................................................. 8704.01. Conceptos fundamentales .................................................................................. 8704.02. Percepcin y nivel sonoro .................................................................................. 9004.03. Aspectos fsicos del sonido ................................................................................ 95

04.04. Amortiguacin del sonido ................................................................................. 9804.05. Absorbentes sonoros .......................................................................................... 10504.06. Aislamiento del sonido ...................................................................................... 11104.07. La proteccin contra el ruido en la industria y las instalaciones ........................ 124

05. Proteccin contra incendios ..................................................................................... 14905.01. Introduccin ..................................................................................................... 14905.02. Proteccin pasiva contra incendios en los edificios ........................................... 151

06. Lanas minerales aislantes no corrosivas para los aceros ...................................... 16506.01. Introduccin ...................................................................................................... 16506.02. Mtodos de ensayo y evaluacin de resultados ................................................. 16606.03. Recomendaciones para la manipulacin y uso de las lanas minerales .............. 167

07. Climatizacin y conductos de aire acondicionado ............................................... 169

08. Tablas de conversin de unidades ........................................................................... 183

Gua Isover de Soluciones de Aislamiento

DIVISIN AISLAMIENTOS:

MERCAILLAMENT SALVADOR ESCODA S.A.Industria, 608-612 -Tel. 93 460 55 00 - Fax 93 460 55 44

08918 BADALONA


3/181

Generalidades

01

01.01. EL AISLAMIENTO EN LA INDUSTRIAEl aislamiento trmico se utiliza en la industria desde la iniciacin de la era industrial, aunque el desa-rrollo se produjo a partir de la segunda dcada del siglo XX.

Las razones para la utilizacin del aislamiento trmico son, fundamentalmente:

a) Necesidades de proceso, ya que deben evitarse transferencias trmicas que disfuncionen el proce-so por diferencias de temperaturas no admisibles.

b) Seguridad de las personas y bienes. Si no existe aislamiento trmico suficiente, las temperaturassuperficiales externas pueden ser elevadas y provocar lesiones y accidentes en las personas. En ellmite, producir efectos de combustin e incendio en materiales combustibles prximos a estas

superficies.c) El aislamiento trmico reduce las prdidas energticas, de tal modo que stas pueden llegar a ser un

2-3% de las prdidas energticas sin aislamiento.Es con mucho el mejor mtodo de ahorro de energa conocido, permitiendo la amortizacin delmaterial aislante instalado en perodos de tiempo muy bajos, por ejemplo, algunas semanas.

d) La reduccin de la contaminacin ambiental. La mayor parte de la energa que se utiliza en los pro-cesos trmicos procede de la transformacin de un combustible por reaccin exotrmica del mismocon el oxgeno ambiental.La composicin qumica de los combustibles, debido a su origen orgnico, es mayoritaria en carbono(C), con porcentajes variables de hidrgeno (H), oxgeno (O), azufre (S) y nitrgeno (N) entre otros.Por ello, el contaminante atmosfrico ms abundante que se produce es el dixido de carbono

(CO2). En menores proporciones, dixido de azufre (SO2

), xidos de nitrgeno (NOx

), y monxidode carbono (CO).

d-1) CO2y el efecto invernadero

El dixido de carbono es un gas incoloro e incombustible, representando el ms alto porcentaje deefluyentes atmosfricos en los procesos de combustin.



08918 BADALONA


4/181

MANUAL DE AISLAMIENTO EN LA INDUSTRIA6

El volumen estimado de CO2 que se arroja a la atmsfera en todo el planeta se evala en 20.000millones de toneladas/ao.Una de las particularidades de este gas es que deja pasar a travs de l radiaciones de baja longitudde onda del espectro solar. Sin embargo, es capaz de absorber buena parte de la energa calorficade la irradiacin de la Tierra, cuyas longitudes de onda son ms altas. De este modo, se forma unacapa casi impermeable a la evacuacin del calor terrestre, provocando un aumento de la tempera-tura del planeta.Este hecho es el conocido efecto invernadero.El nivel de emisiones de CO2 a la atmsfera ha aumentado de un modo alarmante en la era indus-trial. Desde 1900 a 1985, la proporcin de CO2 en la atmsfera ha pasado de 290 a 348 ppm. Haciael 2030-2050, se espera que el valor alcanzado sea el doble que a principios de nuestro siglo.Los cientficos estiman que lo anterior supondr un aumento de la temperatura media global delplaneta de 1,5 a 4,5 C, cuyas consecuencias se prevn dramticas.Por otra parte, no slo se est incrementando el nivel de CO 2, sino que adems se contribuye aagravar el problema por otras causas. Entre ellas, que las masas forestales, capaces de transformar elCO2 en O2 mediante la funcin cloroflica, estn en recesin o en vas de desaparicin en muchasregiones del planeta.

d-2) SO2 y la lluvia cidaEl dixido de azufre emitido a la atmsfera por las combustiones de algunas fuentes energticas pri-marias (carbn, petrleo), es mucho menor en cantidad que el CO2, pero sus valores anuales globa-les son importantes y sus consecuencias tambin muy graves.Adems, el SO2 es un gas indeseable desde el punto de vista sanitario. En el mundo, millones depersonas deben soportar problemas respiratorios a causa del SO 2.Por otra parte, el SO2 producido se difunde por la atmsfera y es arrastrado por los vientos. Median-te la humedad y la lluvia, se transforma sucesivamente en SO 3H2 (cido sulfuroso) y SO4H2 (cidosulfrico) diluidos, capaces de atacar los materiales con los que entre en contacto.Constituye la llamada lluvia cida.Uno de los aspectos ms importantes de este fenmeno son las consecuencias de la lluvia cidasobre las masas forestales y los cultivos. Las composiciones alcalinas de los terrenos desaparecenpor el ataque, y los rboles enferman y mueren. Buena parte de los bosques de Europa central y delnorte, as como de EE.UU. y otras regiones cercanas a centros industriales estn en recesin por estacausa.

d-3) Aislamiento trmico para reducir la contaminacin ambientalDado que consumo de energa y contaminacin ambiental estn unidos, se podra reducir la conta-minacin si se aplicara la conocida mxima: La energa que menos contamina es la que no se con-sume.Sin embargo, no parece posible una reduccin drstica e indiscriminada del consumo energtico,ya que esto afectara gravemente a la economa y a la calidad de vida, especialmente en los pasesindustrializados.

S parece posible y exigible buscar un compromiso aceptable entre el consumo de energa primariay el rendimiento til obtenido en los procesos trmicos alcanzando el posible para un uso racionalde la energa.No se trata por tanto de no consumir energa, sino de consumirla mejor, mediante la adopcin detcnicas que permitan gastar menos para el mismo fin.Lo anterior supone un anlisis muy preciso de todas las secuencias de los procesos, desde el puntode vista energtico.Todos los casos de procesos trmicos en espacios cerrados preconizan, como solucin fundamentalpara reducir el consumo, la adopcin de sistemas de aislamiento trmico, estudiados adecuada-mente en calidad y espesor.



08918 BADALONA


5/181

GENERALIDADES 7

01.02. Lana de vidrio

PANORAMA HISTRICO

Desde la ms lejana antigedad, fenicios y egipcios ya saban obtener hilos de vidrio, sumergiendo unavarilla metlica en un crisol conteniendo vidrio en fusin y retirndola rpidamente. Estos hilos se utili-zaban para decorar vasos de vidrio moldeados sobre formas de arcilla. Sin embargo, la primera comuni-cacin sobre la lana de vidrio no aparece hasta el siglo XVIII, y se debe al fsico y naturalista francsAntoine de Reamur (1713).

Bien entendido que en esta poca no se trataba de lana de vidrio para aislamiento, sino para fines texti-les. El tejido exige fibras muy finas, por lo que el fibrado del vidrio se abord por el lado ms difcil, y,

por ello, no es de extraar el fracaso consiguiente. Durante algn tiempo Venecia trat de perfeccionarlos procedimientos de estirado; pero las fibras obtenidas, con un costo elevado, resultaban frgiles y lostejidos, faltos de flexibilidad.

En definitiva, hasta principios del siglo XX, la lana de vidrio fue una simple curiosidad.

En la Colombian Exposition de 1893 se present un traje enteramente tejido con hilos de vidrio.

As pues, la fabricacin de plumeros, mechas y fieltros de laboratorio eran las aplicaciones ms aptas dela lana de vidrio.

No existen datos precisos que sealen el momento a partir del cual se desarrolla, paralelamente a estasaplicaciones tan particulares y limitadas, la utilizacin como aislamiento trmico. Sin embargo, pareceque coincide con la aparicin de un nuevo procedimiento de fibrado. El algodn de vidrio se obtenadejando caer un hilo de vidrio fundido con un chorro de vapor. As se lograba obtener gotas de vidrioprolongadas en una aguja fina. Este procedimiento deriva de la fabricacin de la lana de escorias.

Las cualidades aislantes de estas fibras groseras no tardaron en ser advertidas. Mientras tanto, el aumen-to del desarrollo industrial impuso la necesidad creciente de los calorifugados.



08918 BADALONA


6/181

A partir de este momento, los procedimientos de fibrado van a progresar rpidamente. Durante la guerraeuropea de 1914-1918, por razones del bloqueo, los alemanes continuaron activamente las investiga-ciones para reemplazar los aislantes tradicionales de los que carecan: corcho, amianto, tierra de diato-meas, etctera.

En Francia la pionera en la lana de vidrio es la sociedad La Seda de Vidrio, cuya fbrica estaba situadaen Soissons; siendo destruida en 1940 por un bombardeo, concentrndose entonces la fabricacin en lalocalidad de Ratigny, donde se produce una fibra corta y fina.

En Espaa comienza la fabricacin de la lana de vidrio en La Granja (Segovia), en el ao 1942, por lasociedad EXPACO, S.A., y comercializada con la marca VITROFIB.

En ese mismo ao, el Laboratorio de Ensayos Tcnicos (LET), de SAINT-GOBAIN, concibi un nuevo pro-cedimiento que se bautiz con el nombre de TEL (de las iniciales LET invertidas).

El procedimiento TEL conjuga dos de las tres formas posibles de fibrado:

Por centrifugacin.

Por fluido.

La puesta a punto se llev a cabo en Ratigny, durante los aos 1954 a 1956. SAINT-GOBAIN ha vendidola licencia de este procedimiento a la casi totalidad de los pases productores de lana de vidrio.

En Espaa se comienza la fabricacin de la fibra TEL en el ao 1963 por la Sociedad FIBRAS MINERA-LES, S.A., presentndose en el mercado con la marca VITROFIB-TEL.

EL PROCEDIMIENTO TEL ISOVER SAINT-GOBAIN (fig. 1)

Composicin del vidrio

Se elabora partiendo de tres elementos principales:

Un vitrificante, slice en forma de arena.

Un fundente, para conseguir que la temperatura de fusin sea ms baja (carbonato de sodio y sulfatode sodio y potasio).

Estabilizantes, principalmente carbonato de calcio y magnesio (doloma), cuya misin es conferir alvidrio una elevada resistencia a la humedad, ya que presenta una gran superficie de ataque para losagentes exteriores.

Por otra parte, los lmites de temperatura impuestos por la estabilidad de las aleaciones que componenlos aparatos de fibrado obligan a trabajar el vidrio a temperaturas sensiblemente ms bajas que los vidriosclsicos.

De aqu la necesidad de introducir en la composicin elementos capaces de reducir la viscosidad.


Fig. 1. ESQUEMA DE FABRICACIN DE LA LANA DE VIDRIO ISOVER

VITRIFICANTES

FUNDENTES

COMPOSICION PESAJE MEZCLA FUSION FIBRADO POLIMERIZACION ACABADOY CORTE

ESTABILIZANTES



08918 BADALONA


7/181

GENERALIDADES 9

Finalmente, como en vidriera clsica, se aade a la mezcla una cierta proporcin de calcio finamentemolido.

La elaboracin de la mezcla exige unidades especiales: molido, secado eventual (para las arenas), alma-

cenaje en silos, controles fsico-qumicos, pesadas exactas y mezcla perfectamente homognea. Paraobtener 840 kilos de vidro fundido se necesita una tonelada de materia prima.

Fusin

La composicin se introduce en un horno, que funciona con dos series de quemadores de inversin, o enun horno de quemadores transversales.

La produccin de la lana de vidrio

El fibrado se realiza a travs de los orificios de un plato perforado, soportado por un eje y dotado de unmovimiento de rotacin muy rpido.

Este aparato es alimentado con vidrio fundido, por un rgano de reparto, panier, que recibe el vidriofundido de la parte delantera del horno.

Despus de este primer estirado mecnico, horizontal, debido a la fuerza centrfuga, las fibras se alarganverticalmente, por la accin mecnica y trmica de un quemador circular de llama rpida.

Varios factores permiten actuar sobre el dimetro de las fibras obtenidas:

El nmero y dimetro de los orificios del plato para un caudal de vidrio fijo.

El caudal de vidrio para un mismo plato.

La viscosidad del vidrio.

El rgimen del quemador horizontal.

La dispersin alrededor de los dimetros medios es muy estrecha.

Elaboracin de los productos

Despus de la pulverizacin, ya sea de aceite mineral para los productos blancos, ya de resinas paralos productos impregnados, las fibras caen sobre un tapiz metlico de aspiracin.

Los productos impregnados pasan por una estufa, en la cual un circuito de aire caliente asegura la poli-merizacin de la resina, que confiere rigidez a los productos.

La velocidad del tapiz de recepcin vara en la proporcin de 1 a 30, lo que permite obtener diferentespesos de lana de vidrio por m2 de producto.

PROPIEDADES DE LA LANA DE VIDRIO

Propiedades trmicas

Un material aislante se caracteriza por el valor de su conductividad trmica; su poder aislante es tantoms elevado cuanto ms pequea es su conductividad.

La lana de vidrio es un material compuesto. El fieltro, que se forma en la cadena, est constituido porfibras entrecruzadas desordenadamente, que impiden las corrientes de conveccin del aire. Es evidenteque la conductividad trmica del fieltro ser no una conductividad slida real, sino una conductividadaparente y que ser el balance de los efectos conjugados de varios procesos de cambios de calor, quevamos a tratar de analizar a continuacin:

a) El aire inmovilizado por la red de fibras, es un volumen proporcionalmente importante; por tanto, unaparte de la transmisin de calor se har por conveccin.

b) Las fibras, en contacto unas con otras, permiten la transmisin de calor por conduccin.

c) Finalmente, las fibras intercambian energa entre s, por radiacin.



08918 BADALONA


8/181


La relativa importancia de estas formas distintas de cambio de calor dependen, a igualdad de temperatu-ra en el ambiente, de:

El dimetro de las fibras.

La densidad aparente del producto.La conductividad trmica resulta, en la prctica, de la combinacin de la transmisin gaseosa y de laradiacin; siendo despreciables las otras dos.

El valor de dicha conductividad vara de 0,032 a 0,045 W/(m K) (a 10 C), para los productos ISOVER,de aplicacin en la construccin.

Otras propiedades

Los productos fabricados son ligeros (de 10 a 110 kg/m3) y fciles de cortar y de manejar.

La lana de vidrio es incombustible, inatacable por los agentes exteriores: aire, vapor de agua, cidos(excepto de fluorhdrico) y bases no concentradas. El pH de la composicin, 7 aproximadamente, asegu-

ra a la fibra una estabilidad total, incluso en medio hmedo y garantiza al usuario la no existencia decorrosin de los metales en contacto con ella.

Su dbil calor especfico permite puestas en rgimen rpidas, en instalaciones intermitentes.

Por ltimo, la lucha contra el ruido ha puesto de manifiesto las cualidades acsticas de la lana devidrio.

Su elasticidad le permite ser el material que mejor se adapta a la tcnica de los suelos flotantes. Igual-mente le permite mejorar sensiblemente el ndice de aislamiento acstico en dobles tabiques.

Su elevado coeficiente de absorcin justifica su empleo en la correccin acstica de locales (talleres, ofici-nas, etc.), y sobre todo en los casos ms difciles, como el revestimiento de paramentos en cmaras sordas.

01.03. Lana de roca

INTRODUCCIN

Otro tipo de lana mineral es la denominada lana de roca, elaborada a partir de rocas diabsicas(rocas baslticas), obtenindose un producto de propiedades complementarias a la lana de vidrio.Es un producto especialmente indicado para los aislamientos trmicos en la industria (altastemperaturas).

FABRICACIN DE LA LANA DE ROCA

Componentes

El caldo utilizado en la fabricacin de la lana de roca tiene unas caractersticas fsico-qumicasparecidas a los vidrios, estando compuestos por silicatos y xidos metlicos.La lana de roca se obtiene fibrando por centrifugacin el material, controlando en el proceso loscontenidos de slice y de xidos metlicos.La composicin qumica final que debe asegurar una gran estabilidad mecnica hasta 750 C es:

Materias primas

Roca baslticaGravaFosfatoMineral de hierro

Materias primas encolado

Aceite de linazaResina escrezNaftenato de manganesoBaquelitaAceite mineral



08918 BADALONA


9/181

GENERALIDADES 11

Fabricacin

El cubilote es el aparato encargado de fundir la escoria, utilizando como combustible carbn decoque.

El chorro de fusin choca con el borde exterior de un rotor metlico, producindose el estiradomecnico y la aparicin de fibras que tienen un dimetro medio de 4 micras (Fig. 2).

Fig. 2. ESQUEMA LNEA DE FABRICACIN DE LANA DE ROCA

1. Aparcamiento materias primas

2. Separacin finos3. Pesada4. Cubilote6. Recepcin7. Embaladora Banroc8. Estufa9. Enfriadora

10. Corte longitudinal11. Corte espesor

12. Foso revestimientos

13. Corte transversal14. Enrolladora15. Mquina de coser16. Guillotina17. Enrolladora n 118. Enrolladora n 219. Empaquetadora20. Apiladora21. Embalado

Las fibras, una vez impregnadas con un encolado compuesto de aceite mineral y una resina, caensobre un tapiz metlico en movimiento para pasar a una estufa en la que un circuito de aire calienteasegura la polimerizacin del encolado.La variacin de la velocidad del tapiz de recepcin permite obtener diferentes densidades y espesoresdel material aislante (Fig. 2).



08918 BADALONA


10/181


01.04. Materiales, propiedades y campo de

aplicacinDefinicin: La calidad funcional de un material aislante depende de las propiedades del producto elegi-do y del montaje.

Dado que los materiales aislantes se definen como tales por una propiedad fsica que expresa la facilidado dificultad con que el calor atraviesa el material conductividad trmica y que sta es bastante pare-cida para toda la oferta, las diferencias en el resultado final son debidas a los distintos sistemas de mon-taje.

El montaje debe tener en cuenta el comportamiento del material a:

Contracciones y dilataciones.

Fuego.

Accin de disolventes y agentes atmosfricos.

Solicitaciones mecnicas.

Temperatura (mxima de empleo).

En funcin de los distintos comportamientos, los materiales debern montarse de forma que se minimi-cen los puentes trmicos.

Si un material tiene una variacin dimensional entre el 5% y el 7% en volumen, deber realizarse elmontaje a travs de machihembrado o la doble capa, evitando siempre la continuidad de las juntas.

Los materiales minerales, lana de vidrio y lana de roca, estn compuestos por silicatos y xidos metli-cos, lo que explica que las variaciones dimensionales expresadas en tanto por ciento en volumen seandel 0% (ni siquiera como mtodos dilatomtricos muy sofisticados se consigue la medicin).

El comportamiento al fuego exigir el montaje de protecciones en obra o metlicos para evitar la com-bustin y destruccin del aislamiento. Los materiales minerales son incombustibles, pudiendo entoncesdejarse vistos (p. ej., falsos techos decorativos).

La estructura qumica de los materiales minerales asegurar, adems, que no se desprendern gases txi-cos sometidos al fuego directo. Recurdese que son las intoxicaciones las culpables de muertes enincendio, incluso de los bomberos que acuden al siniestro.

La temperatura mxima de utilizacin no est regulada como Norma UNE, pero como criterio se utilizaen el resto de Europa el siguiente:

Temperatura mxima de empleo es aquella en la que el material alcanza una deformacin del5% del espesor bajo una carga uniforme constante de 1.000 Pa.

A continuacin aparece una tabla comparativa de temperaturas mximas de empleo de distintos mate-

riales aislantes.

Minerales

LANA DE VIDRIOCon encolado, 250 CSin encolado, 500 C

LANA DE ROCAHasta 750 C

FIBRA CERAMICA

Hasta 1.500 C

Plsticos

POLIESTIRENOExpandido, 70 CExtrusionado, 85 C

POLIURETANO100 C



08918 BADALONA


11/181

Aislamientotrmico

02

02.01. Transmisin del calor

Cuando dos cuerpos se encuentran a temperaturas diferentes, se produce un flujo del cuerpo ms calien-

te al ms fro, hasta que se alcanza el equilibrio trmico.El cambio de calor se produce de tres formas:

a) Por conduccin

En este caso el calor se transmite de molcula a molcula sin cambio aparente de materia, por lo que estaforma de cambio de calor interesa esencialmente a los slidos.

La elevacin de temperatura aumenta la excitacin de las partculas ms elementales de la materia, trans-mitindose dicha excitacin a las ms prximas de su entorno y con ello su energa calorfica, conti-nundose el proceso en el cuerpo en cuestin de la zona ms caliente a la ms fra.

Por lgica se comprende que cuanto ms denso, compacto y pesado es un cuerpo, ms prximas estnlas molculas entre s y, por tanto, el cambio se realiza con mayor facilidad.

b) Por conveccin

Esta forma de propagacin es propia de los fluidos (lquidos y gases).

Las molculas en contacto con un cuerpo a temperatura ms alta A se calientan, disminuyendo su den-sidad y desplazndose por gravedad. Si a su vez entran en contacto con un cuerpo ms fro B, cedencalor, aumentando su densidad y desplazndose en sentido contrario, formndose as un ciclo de con-veccin.

c) Por radiacin

La radiacin est constituida por ondas electromagnticas de diferentes longitudes. Mientras las dos for-mas de transmisin anteriores (conduccin y conveccin) necesitan de un soporte material; la transmi-sin por radiacin puede realizarse en el vaco.



08918 BADALONA


12/181


Todos los cuerpos, incluso a temperaturas bajas, emiten calor por radiacin y la cantidad de calor irra-diado aumenta cuando se eleva la temperatura del cuerpo.

Por ello, cuando un cuerpo se encuentra en presencia de otro ms caliente, absorbe ms energa de la

que emite y viceversa, siendo la cantidad transmitida la diferencia entre la emitida por ambos.

TABLA DE UNIDADES Y SMBOLOS

Smbolo Cantidades fsicas Unidad

Cantidad de flujo de calor W

q Densidad de flujo de calor W/m2

ql Densidad lineal de flujo de calor W/m

Temperatura absoluta K

Temperatura centgrado C

Diferencia de temperatura C

d Temperatura de roco C

Conductividad trmica W/(m K)

h Coeficiente superficial de transmisin de calor W/(m2 K)

R Resistencia trmica (m2 K)/W

Rl Resistencia trmica lineal (m K)/W

Rle Resistencia trmica superficial lineal (m K)/W

Rs Resistencia superficial de transmisin de calor (m2 K)/W

U Transmitancia trmica W/(m2 K)

Ul Transmitancia trmica lineal W/(m K)

Usph Transmitancia trmica de la esfera W/K

cp Calor especfico a presin constante kJ/(kg K)

d Espesor m

D Dimetro m

ar Factor de temperatura K3

Cr Coeficiente de radiacin W/(m2 K4)

Emisividad

Constante de Stefan Boltzman W/(m2 K4)

H Altura ml Longitud m

C Parmetro de espesor m

P Permetro m

A rea m2

V Volumen m3

v Velocidad m/s

02.01.01. Transmisin del calor por conduccin en rgimen estacionario

La conduccin de calor normalmente describe la transmisin de calor a travs de las molculas en sli-dos, lquidos y gases producido por un gradiente de temperatura.

En el clculo se supone que el gradiente de temperatura existe en una sola direccin, y que la tempera-tura es constante en planos perpendiculares a ella.



08918 BADALONA


13/181

AISLAMIENTO TRMICO 15

La densidad de flujo de calor q para un pared en una direccin x perpendicular a su cara, viene dada por:

a) Para una pared plana de espesor d:

o bien:

donde

es la conductividad trmica del material en W/(m K);

d es el espesor de la pared en m;

si es la temperatura de la superficie interior, en C;

se es la temperatura de la superficie exterior, en C;

R es la resistencia trmica de la pared en (m2 K)/W.

independiente de la temperatura

dependiente de la temperatura

Fig. 1. Distribucin de la temperatura en una pared de una sola capa.

Para una pared multicapa:

donde R es la resistencia trmica de la pared multicapa:

NOTA La prima indica que se refiere a una pared multicapa.

*

*

x

q = W/m2

q = (si se) W/m2

d

R = (m2 K)/WdJJ

q = W/m2(si se)

R

q = W/m2(si se)

R

n

j=1



08918 BADALONA


14/181


Fig. 2. Distribucin de temperatura en una pared plana multicapa

b) La densidad lineal de flujo de calor ql a travs de una pared cilndrica hueca de una sola capa es:

donde Rl es la resistencia trmica lineal de una sola capa cilndrica hueca, dada por:

dondeDe es el dimetro exterior de la capa;

Di es el dimetro interior de la capa.

Fig. 3. Distribucin de la temperatura en un elemento de forma cilndrica y una sola capa

DeDi

In

ql = W/m(si se)

R1

R1 = (m K)/W2



08918 BADALONA


15/181


Para elementos cilndricos multicapa:

donde

con D1 = Di y Dn = De

Fig. 4. Distribucin de la temperatura en un elemento cilndrico multicapa

c) La cantidad de flujo de calor a travs de un elemento esfrico de una sola capa es:

donde Rsph es la resistencia trmica de una sola capa esfrica en K/W y viene dado por:

= Wsi se

Rsph

ql = W/m(si se)

R1

1De

1Di

Rsph = K/W1

2

DejDij

InR1 = (m K)/W1

2 1J

n

j=1( )

)(



08918 BADALONA


16/181


donde

De es el dimetro exterior de la capa;

Di es el dimetro interior de la capa.

Fig. 5. Distribucin de la temperatura en un elemento esfrico de una sola capa

El flujo de calor para unas formas esfricas multicapa es:

donde

con D1 = Di y Dn = De

1J

n

j=1

= Wsi se

Rsph

1Dj

1Dj1

Rsph = K/W12 )(



08918 BADALONA


17/181


Fig. 6. Distribucin de la temperatura en un elemento esfrico multicapa

NOTA: El flujo de calor a travs de la pared de un conducto con seccin rectangular viene dado por:

La resistencia trmica de la pared de tal conducto puede calcularse de forma aproximada mediante lafrmula:

donde

Pi es el permetro interior del conducto;

Pe es el permetro exterior del conducto;

d es el espesor de la capa aislante.

qd = W/m1 2

Rd

Rd = (m K)/W2 d

(Pe + Pi)

Pe = Pi + (8 d)



08918 BADALONA


18/181


Fig. 7. Distribucin de la temperatura en la pared de un conducto rectangular

02.01.02. Transmisin superficial del calorEn las instalaciones, las superficies slidas mantienen una transferencia de calor con el medio fluido encontacto, donde se mezclan las formas convectivas y radiactivas, especialmente cuando el medio fluidoes gaseoso, especialmente el aire ambiente.

Por ello es necesario el estudio conjunto de ambos tipos de transferencias.

El coeficiente superficial de transmisin de calor h en W/(m2 K) se define como la cantidad de flujo decalor que pasa a travs de una superficie en estado estacionario, dividida por la diferencia de temperatu-ra entre dicha superficie y su entorno.

En el caso de instalaciones, existen dos tipos de coeficiente superficial segn se trate de la cara interna hio la externa he.

En general, el coeficiente superficial de transmisin de calor viene dado por:

donde

hr es la parte radiativa del coeficiente superficial de transmisin de calor;

hcv es la parte convectiva del coeficiente superficial de transmisin de calor.

02.01.02.01. Parte radiativa del coeficiente de superficie, hr

El coeficiente superficial debido a radiacin, hr depende de la temperatura, del acabado superficial delmaterial y de su emisividad. La emisividad se define como la relacin entre el coeficiente de radiacinCr de la superficie y el coeficiente de radiacin constante del cuerpo negro.

hr est dado por:

ar es el factor temperatura. Est dado por:

y puede ser aproximada hasta una diferencia de temperatura de 200 K por:

ar 4 (Tav)3 K

3

h = hr + hcv W/(m2 K)

hr = ar Cr W/(m2 K)

ar = K3

T1 T2

T1 4

T24



08918 BADALONA


19/181


donde Tav es 0,5* (temperatura superficial + temperatura ambiente o superficial de una superficie radian-te en la vecindad en K.

Cr es el coeficiente de radiacin, en W/(m2 K4)

Cr est dado por:

Cr =

= 5,67 108 W/(m2 K4)

02.01.02.02. Coeficiente superficial debido a conveccin, hcv.

Este factor es dependiente de varios factores, tales como la velocidad del aire, la orientacin de la super-ficie, el tipo de material, la diferencia de temperatura, etc.

Diferentes ecuaciones se utilizan en distintos pases y no existen medios matemticos exactos para

seleccionar una ecuacin inequvoca, por lo que los resultados pueden variar.Para la parte convectiva, debe hacerse una distincin entre el coeficiente de superficie en el interior delos edificios y entre los que estn al aire abierto.

Para tuberas y depsitos existe una diferencia entre el coeficiente interno, h i y el coeficiente externo, he.

a) Interior de los edificios

En el interior de edificios, hcv puede ser calculado para paredes planas verticales y tuberas verticales paraconveccin laminar libre (H3 10 m3 K) por:

donde:

= (se a) en K.

se es la temperatura de la superficie de la pared, en K.

a es la temperatura del aire ambiente dentro del edificio, en K.

H es la altura de la pared o el dimetro de la tubera, en m.

Para paredes planas verticales, tuberas verticales y en aproximacin para grandes esferas dentro de edi-ficios, la parte convectiva, hcv para conveccin libre turbulenta (H3 10 m3 K) viene dada por:

Superficie

aluminio brillantealuminio oxidadochapa de metal galvanizado, limpio

chapa de metal galvanizado, sucioacero austenticoplancha de aluminio-zincsuperficies no metlicas

0,050,130,26

0,440,150,180,94

0,28 108

0,74 108

1,47 108

2,49 1080,85 108

1,02 108

5,33 108

hcv = 1,32 W/(m2 K) (a)H

4

Cr

W/(m2 K4)

hcv = 1,74 W/(m2 K) (b)3



08918 BADALONA


20/181


Para tuberas horizontales dentro de los edificios, hcv est dado por:

flujo laminar (D3 10 m3 K)

flujo turbulento (D3 10 m3 K)

Para el caso de superficies planas horizontales en el interior de edificios este coeficiente no es importan-te para la mayora de los propsitos prcticos.

Todas las ecuaciones de la parte convectiva del coeficiente trmico de la superficie externa dentro deedificios es aplicable para situaciones con diferencias de temperatura entre superficie y aire menores de100 C.

NOTA: Para conductos cilndricos con un dimetro menor de 0,25 m, la parte convectiva del coeficienteexterno puede ser calculado en buena aproximacin por la ecuacin (c).Para mayores dimetros, por ejemplo De > 0,25 m la ecuacin para paredes planas, (a) puedeaplicarse. La exactitud respectiva es de 5% para dimetros mayores de 0.4 m y 10% para dime-tros 0,25 < De < 0,4 m. La ecuacin (a) tambin se usa para conductos con seccin rectangular,con una anchura y altura de similar magnitud.

b) Exterior de edificios

Para paredes planas verticales en el exterior de los edificios y por aproximacin para grandes esferas, laparte convectiva, hcv del coeficiente superficial est dado por:

flujo laminar (v H 8 m2/s)

flujo turbulento (v H 8 m2/s)

Para tuberas horizontales y verticales que estn en el exterior de edificios, se aplican las siguientesexpresiones:

flujo laminar (v De 8,55 103 m2/s)

flujo turbulento (v De 8,55 103 m2/s)

hcv = 1,25 W/(m2 K) (c)De

4

hcv = 1,21 W/(m2 K) (d)3

hcv = 3,96 W/(m2 K) (e)vH

hcv = 5,76 W/(m2 K) (f)v4

H

5

hcv = 8,9 W/(m2 K) (h)v0,9

De0,1

hcv = +3,14 W/(m2 K) (g)vDe

8,1 103

De



08918 BADALONA


21/181


donde:De es el dimetro exterior del aislamiento, en m.v es la velocidad del viento, en m/s.

NOTA: Para el clculo de la temperatura superficial, las expresiones (a) y (b) debieran ser usadas para lapared y la tubera en lugar de las frmulas (e) y (h) cuando no est establecida la presencia deaire.Para paredes horizontales en superficies al exterior, en caso de flujo laminar se aplicara la ecua-cin (e) y la (f) en caso de flujo turbulento.Para los lquidos en el interior de tuberas y depsitos, los coeficientes superficiales alcanzanvalores muy elevados, en general superiores a 2.000 W/(m2 K).Lo mismo sucede con el vapor de agua saturado.

02.01.02.03. Aproximacin para el clculo de he

Para clculos aproximados las siguientes ecuaciones para el coeficiente exterior, he en el interior de

edificios pueden aplicarse.Para tuberas horizontales:

he = CA + 0,5 W/(m2 K)

Para tuberas verticales y paredes:

he = CB + 0,09 W/(m2 K)

usando los coeficientes de la siguientes tabla:

Las anteriores ecuaciones son aplicables para tuberas horizontales en el rango de De = 0,35 m hasta 1 my para tuberas verticales de todos los dimetros.

02.01.02.04. Resistencia trmica superficial Rse

La resistencia trmica superficial Rse es la inversa del coeficiente superficial h.Para paredes planas, la resistencia trmica superficial Rse (m2 K)/W es:

Para paredes cilndricas, la resistencia trmica superficial lineal Rse viene dada por:

Para paredes esfricas, la resistencia trmica Rsph es:

02.01.03. Transmitancia trmica.

La transmitancia trmica de una pared plana, U, es la cantidad de flujo de calor que en estadoestacionario pasa por unidad de rea, dividida por la diferencia de temperatura en los

Rse = (m K)/W1

he De

Rse = (m2 K)/W1

he

Superficie

aluminio brillante

aluminio oxidadochapa de metal galvanizado, limpiochapa de metal galvanizado, sucioacero austenticoplancha de aluminio-zincsuperficies no metlicas

2,5

3,14,05,33,23,48,5

2,7

3,34,25,53,43,68,7

CBCA

Rsphe = K/W1

he De2



08918 BADALONA


22/181


alrededores de ambas caras de la pared. Anlogas expresiones tendran paredes cilndricas yesfricas segn:

Para paredes planas, la transmitancia trmica U puede calcularse:

Para paredes cilndricas, la transmitancia trmica lineal Ul puede calcularse:

Para paredes esfricas, la transmisin trmica Usph viene dada por:

Como se ha indicado antes, el valor de hi es muy elevado, por lo que la resistencia superficial de lquidosen el interior de depsitos y tuberas Rsi es pequea y se puede despreciar. Para la resistencia superficialexterior Rse, se aplican las ecuaciones indicadas. Para conductos de aire es necesario considerar tambinel coeficiente superficial interior.

La inversa de la transmitancia trmica U es la resistencia trmica RT para paredes planas y la resistenciatrmica total lineal RTi para paredes cilndricas y RT sph para paredes esfricas.

02.01.04. Distribucin de temperaturas. Temperaturas superficiales.

02.01.04.01. Temperaturas intermedias. La ecuacin general que nos da la prdida de calor en unelemento multicapa puede escribirse de la siguiente forma general:

donde

RT = Rsi + R1 + R2 + ... Rn + Rse (m2 K)/W

R1, R2 ... son las resistencias trmicas de cada capa individual; Rsi, Rse son las resistencias trmicas super-

ficiales de las superficies interior y exterior.

Fig. 8. Distribucin de la temperatura en una pared plana multicapa, mostrando la dependencia lineal de la resistencia trmicasuperficial y las resistencias trmicas de cada capa independiente.

1

hi D i

1

he De

= + R + = Rsi + R + Rse (m2 K)/W1

U1

hi

1

he

= + Rl + = Rli + Rl + Rle (m K)/W1

Ul

1

hi Dl2

1

he Dee2= + Rsph + K/W

1

Usph

Ul

= W/(m

K)

ql

i aU = W/(m

2

K)

q

i a Usph

= W/K

q

i a

q = W/m2i a

RT



08918 BADALONA


23/181


La relacin entre la resistencia de cada capa o de la resistencia superficial respecto a la resistencia totaldar una medida de la cada de temperatura en cada capa o superficie (K).

Para la obtencin de los valores de R1, R2, Rsi, Rse y RT vanse las frmulas anteriores.

02.01.04.02. Temperatura superficial

Dado que no es posible conocer todos los parmetros que entran en juego, resulta difcil garantizar latemperatura superficial.

El clculo de la temperatura superficial se usa normalmente para determinar un valor lmite de la tempe-ratura de la instalacin por razones de seguridad.

El clculo terico puede variar en la prctica por distintas condiciones. stas pueden ser: la temperaturaambiente, el movimiento del aire, el estado de la superficie del aislamiento, el efecto radiativo de loscuerpos adyacentes, condiciones meteorolgicas, ...

Para la obtencin de la temperatura superficial partimos de la frmula anterior; despreciando la Rsi, comose ha indicado antes:

y al sustituir los valores de Rse y RT, para una sola capa de aislante:

Paredes planas:

Paredes cilndricas:

El diagrama n 1 adjunto permite calcular directamente el espesor del aislamiento que resulta para unamisma temperatura superficial, en una pared plana y en paredes cilndricas de diversos dimetros y con-siderando el resto de condiciones iguales. Esto supone que el valor de la conductividad trmica, , debeser igual en ambos tipos de aislante en el intervalo de temperaturas de trabajo para cada caso.

i si = (i a)RsiRT

se a = (i a)RseRT

1 2 = (i a)R1

RT

2 3 = (i a)R2RT

se = a + (i a) CRseRT

he d

+ 1

+ 1

se = a + C(i a)

heDe2

DeDi

lnse = a + C

(i a)



08918 BADALONA


24/181


Diagrama 1: Espesores equivalentes entre paredes planas y cilndricas.

A partir de la expresin para una tubera cilndrica se obtiene a partir del dimetro y de un parmetroC, entrando en el diagrama 2, el espesor de aislamiento para una tubera fijando la densidad del flujode calor o la temperatura superficial de la misma.

Comentar que en esta frmula se toma un valor constante de la conductividad trmica cuando esta esvariable, y que por ello es una aproximacin al comportamiento real.

Fijando el flujo de calor al exterior, q, en W/m2, resulta la siguiente expresin:

donde C = De ln

Anloga expresin se tiene si se fija la temperatura superficial externa, obteniendo:

donde C = De ln

Con las anteriores expresiones y en funcin del dimetro sin aislamiento de la tubera en mm obtenemosel espesor de aislamiento en mm.

Espesor del aislamiento en superficies planas, mm

Espesordeaislamientoensuperficiescilndricas,mm

Dimetrosuperficiecilndrica,mm

80

70

60

50

40

30

20

10

010 20 30 40 50 60 70 80 90 100

325

22016514011489

6048

35

22

10

1he

C = 2 (im a)

q )(DeDi

DeDi

1C = (im a)se a

2 he )(



08918 BADALONA


25/181


Dimetro de tubera D, sin aislamiento en mm

Espesoraislamie

ntod,enmm

Diagrama 2. Determinacin del espesor de aislamiento de una tubera para una densidadde flujo de calor determinado o para una temperatura superficial fija.



08918 BADALONA


26/181


Ejemplos de aplicacin

a) Clculo de espesores de aislamiento necesarios para una pared de doble capa de un horno

Para este ejemplo se dan las siguientes condiciones de contorno:

temperatura interior i = 850 Ctemperatura exterior a = 20 Caltura de la pared H = 4 mmxima densidad de flujo de calor q = 300 W/m2

coeficiente de radiacin de la chapa galvanizada Cr = 1,47 108 W/(m2 K4)Se asume que el aislamiento consta de los siguientes materiales:

1. capa: fibra de lana cermica.

2. capa: panel de lana de roca (BX SPINTEX 643-100), con chapa galvanizada de revestimiento externo.

La temperatura intermedia entre las capas de aislamiento: 1 = 650 C

Sin considerar el coeficiente superficial interior, el espesor de aislamiento de la primera capa de lanacermica se puede hallar con la ecuacin con una conductividad trmica de 1 = 0,20

W/(m K) a

Para calcular el espesor de la segunda capa de lana de roca, el coeficiente superficial hse se calcula de laecuacin hr= ar Cr estimando una temperatura superficial exterior se = 60 C:

hr viene dado por

hr = 1,23 108 1,47 108 = 1,81 W/(m2 K)

Para calcular el trmino convectivo hay que establecer inicialmente si el flujo es laminar o turbulento.

Para ello se calcula el valor del trmino

H3 = 43 (60 20) = 2.560 10 m3 K

con lo que tenemos flujo turbulento. Aplicamos entonces la ecuacin:

dando un coeficiente superficial exterior total:

he = 7,76 W/(m2 K)

La conductividad trmica del BX SPINTEX 643-100 entre 650 C y 60 C es 2 = 0,109 W/(m K).

Para el clculo del espesor del aislamiento de la segunda capa, se utiliza la ecuacin:

d1 = 0,20 = 0,133 m850 650

300

av = = 750 C.850 + 650

2

l

dl (i 1)q =

ar = = 1,23 108 K3333 293

(333)4 (293)4

hcv = 1,74 3 = 1,74 = 5,95 W/(m2 K)40

3

d2

1he

+q = W/m

2(1 a)



08918 BADALONA


27/181


El aislamiento necesario d2 viene dado por una simple transfomacin matemtica:

El clculo debe comprobarse con la densidad del ndice de flujo de calor que resulta de aplicar esteespesor:

El clculo de la distribucin de temperatura dara 1 = 649,5 C y una temperatura superficial exterior dese = 58,66 C, que est en concordancia con la hiptesis inicial.

b) Cantidad de flujo de calor y temperatura superficial de una tubera aislada

Para una tubera horizontal aislada de suministro de aire caliente con un revestimiento metlico, se debecalcular la densidad del flujo de calor y la temperatura superficial exterior.

Condiciones de contorno:

temperatura media (aire): 1 = 300 C

temperatura del aire exterior: a = 20 C

dimetro de la tubera: Di = 0,324 m

espesor de aislamiento (manta de lana de roca, SPINTEX 342G-70): d = 0,200 m

conductividad trmica del aislamiento entre 300 C y 30 C = 0,052 W/(m K)

coeficiente de radiacin del revestimiento metlico del aislamiento: Cr = 2,5 108 W/(m2 K4)

Se calcula el coeficiente superficial exterior he con una temperatura superficial estimada de se = 30 C

Para calcular el hcv se establece inicialmente si el flujo es laminar o turbulento.

Para ello comprobamos si:

D3 = 0,7243 10 = 4,05 10 m3 K

entonces estamos trabajando en rgimen laminar. Con los datos del problema tenemos que:

luego

No se considera el coeficiente superficial interior. La densidad lineal de flujo de calor se calcula enton-ces de acuerdo con las ecuaciones indicadas en el apartado 02.01.03.

0,133

0,20

0,2150,109

+1

7,76+

q = = 300 W/m2850 20

d2 = 0,109 = 0,215 m650 20

3001

7,76 )(

hcv = 1,25 De

4 = 1,25 = 2,41 W/(m2 K)100,724

4

he = 2,41 + 2,64 = 5,04 W/(m2 K)

+1

2 0,0521

5,04 0,7240,7240,324

lnq1 = = 109,9 W/m

(300 20)

hr = 2,5 108 = 2,64 W/(m2 K)3034 2934

303 293



08918 BADALONA


28/181


La temperatura superficial exterior se halla entonces con la ecuacin:

resultando:

que se admite como aceptable frente al trmino 30 C estimado.

02.01.05. Prevencin de condensacin superficial

En instalaciones con temperatura superficial inferior a la de roco del ambiente, se produce condensacin.El clculo de un espesor de aislamiento adecuado permite que esta temperatura superficial sea igual osuperior a la de roco, lo que evitar las condensaciones.

Adems de los datos para el clculo de la temperatura superficial, necesitamos el de la humedad relativadel aire ambiente, que a veces no es conocida o slo puede estimarse. Cuanto ms elevada es la hume-dad relativa, ms difcil es obtener un valor preciso, por lo que las fluctuaciones de humedad o de tem-peratura superficial son determinantes.

Mediante la Tabla 1 obtenemos la temperatura de roco d, que al sustituir, nos deja como incgnita elespesor d para superficies planas:

Para paredes cilndricas el espesor (De = Di + 2d) aparece dentro y fuera del logaritmo, por lo que esnecesario emplear un sistema iterativo

o bien recurrir a la tabla n. 1 ya citada.

+ 1heDe2

DeDiln

se = a +i a

+ 1

5,04 0,7242 0,052

0,7240,324

lnse = 20 + = 29,6 C

300 20

d m

he

d ia d

In De2

DeDi

(d i)he (a d)



08918 BADALONA


29/181

Tabla 1

Diferencia de temperatura admisible entre la superficie y el aire ambiente, para diferentes humedades relativas

Ejemplo: A una temperatura ambiente de 20 C y 70% de humedad relativa, la temperatura superficial mnima permitida o tempe-ratura de roco d = 20 - 5,6 = 14,4 C

Ejemplo de aplicacin

Prevencin de la condensacin superficial. Espesor de aislamiento requerido para evitar lacondensacin


Temperatura interior: i = 20 C

Temperatura ambiente: a = 20 C

Dimetro de la tubera sin aislamiento (3 1/2): Di = 0,1 m

Humedad relativa del ambiente: = 75%

Conductividad trmica de la coquilla de lana de vidrio Isoverentre 20 C y -20 C = 0,029 W/(m K)

La Tabla 1 da una diferencia mxima de 4,6 C, por lo que la temperatura de roco es de d = 15,4 CEl coeficiente superficial de transmisin de calor lo estimamos en:

he = 9 W/(m2 K)


Temperatura delaire ambiente C

Humedades relativas de aire en %

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

20 10,4 9,1 8,0 7,0 6,0 5,2 4,5 3,7 2,9 2,3 1,7 1,1 0,5

15 12,3 10,8 9,6 8,3 7,3 6,4 5,4 4,6 3,8 3,1 2,5 1,8 1,2 0,6

10 12,9 11,3 9,9 8,7 7,6 6,6 5,7 4,8 3,9 3,2 2,5 1,8 1,2 0,6

5 13,4 11,7 10,3 9,0 7,9 6,8 5,8 5,0 4,1 3,3 2,6 1,9 1,2 0,6

0 13,9 12,2 10,7 9,3 8,1 7,1 6,0 5,1 4,2 3,5 2,7 1,9 1,3 0,7

2 14,3 12,6 11,0 9,7 8,5 7,4 6,4 5,4 4,6 3,8 3,0 2,2 1,5 0,7

4 14,7 13,0 11,4 10,1 8,9 7,7 6,7 5,8 4,9 4,0 3,1 2,3 1,5 0,7

6 15,1 13,4 11,8 10,4 9,2 8,1 7,0 6,1 5,1 4,1 3,2 2,3 1,5 0,7

8 15,6 13,8 12,2 10,8 9,6 8,4 7,3 6,2 5,1 4,2 3,2 2,3 1,5 0,8

10 16,0 14,2 12,6 11,2 10,0 8,6 7,4 6,3 5,2 4,2 3,3 2,4 1,6 0,8

12 16,5 14,6 13,0 11,6 10,1 8,8 7,5 6,3 5,3 4,3 3,3 2,4 1,6 0,8

14 16,9 15,1 13,4 11,7 10,3 8,9 7,6 6,5 5,4 4,3 3,4 2,5 1,6 0,8

16 17,4 15,5 13,6 11,9 10,4 9,0 7,8 6,6 5,4 4,4 3,5 2,5 1,7 0,8

18 17,8 15,7 13,8 12,1 10,6 9,2 7,9 6,7 5,6 4,5 3,5 2,6 1,7 0,8

20 18,1 15,9 14,0 12,3 10,7 9,3 8,0 6,8 5,6 4,6 3,6 2,6 1,7 0,8

22 18,4 16,1 14,2 12,5 10,9 9,5 8,1 6,9 5,7 4,7 3,6 2,6 1,7 0,8

24 18,6 16,4 14,4 12,6 11,1 9,6 8,2 7,0 5,8 4,7 3,7 2,7 1,8 0,8

26 18,9 16,6 14,7 12,8 11,2 9,7 8,4 7,1 5,9 4,8 3,7 2,7 1,8 0,9

28 19,2 16,9 14,9 13,0 11,4 9,9 8,5 7,2 6,0 4,9 3,8 2,8 1,8 0,9

30 19,5 17,1 15,1 13,2 11,6 10,1 8,6 7,3 6,1 5,0 3,8 2,8 1,8 0,9

35 20,2 17,7 15,7 13,7 12,0 10,4 9,0 7,6 6,3 5,1 4,0 2,9 1,9 0,9

40 20,9 18,4 16,1 14,2 12,4 10,8 9,3 7,9 6,5 5,3 4,1 3,0 2,0 1,0

45 21,6 19,0 16,7 14,7 12,8 11,2 9,6 8,1 6,8 5,5 4,3 3,1 2,1 1,0

50 22,3 19,7 17,3 15,2 13,3 11,6 9,9 8,4 7,0 5,7 4,4 3,2 2,1 1,0



08918 BADALONA


30/181


Aplicando la frmula del espesor de la superficie plana, tendremos:

y para la tubera de 3 1/2 del Diagrama 1 obtenemos un valor de aproximadamente 25 mm de espesor(en este caso se elegira coquilla de 30 mm de espesor que es el menor espesor comercial de este pro-ducto).

d = 0,025 m0,029

9

15,4 (20)

4,6



08918 BADALONA


31/181

02.02. Aplicaciones especiales

02.02.01. Cambio de temperatura longitudinal en una tubera

Para obtener el valor exacto del cambio de temperatura de un fluido a lo largo de una tubera, se aplicala siguiente ecuacin:

fm a = (im a) el C

donde

im es la temperatura inicial del fluido, en C;

fm es la temperatura final del fluido, en C;

a es la temperatura ambiente, en C;

l es la longitud de la tubera en m.

donde es:

siendo

Ul la transmisin trmica lineal, en W/(m K);

m flujo msico medio, en kg/h

cp calor especfico presin constante, en kJ/(kg K)

Como en la prctica el cambio de temperatura aceptable es normalmente pequeo, se aplica la siguien-te ecuacin para un clculo aproximado:

= m1Ul 3,6

m cp

= Cql l 3,6

m cp




08918 BADALONA


32/181


donde

es el cambio de temperatura longitudinal en C

ql es la densidad lineal de flujo de calor en W/m.ql se puede calcular slo en el caso de que se conozca la temperatura media del fluido, lo que supone

que debe ser conocida, para lo que es preciso utilizar un mtodo de clculo iterativo partiendo de un

valor estimado. Es preciso repetir el procedimiento iterativo tantas veces como sea necesario hasta

que la variacin de sea aceptable.

Ejemplo. Clculo de la cada de temperatura de una tubera de vapor caliente.


temperatura inicial: im = 250 C

presin media: p = 1 000 000 Paflujo de masa medio: m = 45 000 kg/h

calor especfico: cp = 2,233 kJ/(kg K)

temperatura del aire exterior: a = 10 C

dimetro de la tubera: Di = 0,40 m

longitud de la tubera: l = 2 500 m

espesor de aislamiento de lana de roca

manta SPINTEX 613-40: d = 0,12 m

conductividad trmica del aislamiento entre 250 C y 25 C = 0,061 W/(m K)

Los coeficientes superficiales interior y exterior se desprecian en este ejemplo. Esto proporciona una den-

sidad lineal del flujo de calor:

Este valor se incrementa en 20% por montaje, resultando q l = 219,4 W/m, lo que proporciona una cada

de temperatura longitudinal de aproximadamente:

La cada de temperatura se calcula con ms exactitud utilizando la ecuacin de la temperatura final:

Por tanto, la cada exacta de temperatura es 250 - 231,7 = 18,3 C.

NOTA: El clculo exacto de es:

ql = (si sc), resultando: ql = 182,82 W/m2

In De/Di

= = 19,64 C219,4 2500 3,6

45000

2,233

= = 2,92 105 m1Ul 3,6

m cp 45000 2,23

2 0,061

0,47=

3,6

fm = 10 + (250 + 10) exp- (2,92 105 2500) = 231,7 C



08918 BADALONA


33/181


02.02.02. Cambio de temperatura y tiempo de enfriamiento en acumuladores y depsitos.

El tiempo de enfriamiento para un cambio de temperatura determinado viene dado por:

donde

para

fm es la temperatura final media del lquido, C

im es la temperatura inicial media del lquido, en C

a es la temperatura ambiente, en C

Ul es la transmisin trmica lineal, en W/(m K)

q es la densidad del flujo de calor en W/m2

A es la superficie del acumulador o depsito en m2

l longitud de la tubera

m es la masa del contenido en kg

tv es el tiempo de enfriamiento en horas

cp es la capacidad calorfica del fluido en kJ/(kg K) (calor especfico).

Para un depsito esfrico, q A es reemplazado por la tasa de flujo de calor sph (W).

El clculo exacto de la cada de temperatura en funcin del tiempo se formula de acuerdo a la siguiente

ecuacin, similar al cambio de temperatura longitudinal en una tubera variando l por t y por :

(fm a) = (im a) e t K

donde

La cada de temperatura con el tiempo puede calcularse aproximadamente con las ecuaciones respectivas:

02.02.03. Clculo del tiempo de enfriamiento y congelacin de lquidos en reposo

Es imposible prevenir la congelacin de un lquido en una tubera, aunque est aislada, durante una uni-dad de tiempo arbitrariamente largo.

Tan pronto como el lquido (normalmente agua) en la tubera es estacionario, el proceso de enfriamientocomienza.

La densidad de flujo de calor ql de un lquido estacionario es determinada por la energa almacenada enel lquido cpwmw y en el material de la tubera cppmp, as como por la entalpa requerida para transformaragua en hielo.

Si cppmp , 1

l =Ul l 3,6

m cp, para tuberas con fluido en reposo



08918 BADALONA


34/181


El tiempo hasta el comienzo de la congelacin se calcula de acuerdo a la siguiente expresin.

donde

para

l es la longitud de la tubera en m

fm es la temperatura final media del lquido, C

im es la temperatura inicial media del lquido, en C;a es la temperatura ambiente, en C;

mw es la masa de agua en kg

mpp es la masa de la tubera en kg

cp es la capacidad calorfica en kJ/(kg K).

Si se establece una comparacin entre tuberas aisladas y no aisladas, la influencia del coeficiente super-ficial de la tubera no aislada debe ser tenida en consideracin. La densidad de flujo de calor de la tube-ra no aislada es dada por:

q1 = he (im a) De

Como una aproximacin el tiempo de enfriamiento viene dado por:

En tuberas aisladas, la resistencia trmica superficial exterior ser despreciable para el clculo de q.Puede utilizarse como mtodo aproximado el mtodo indicado en el Diagrama 2.

Diagrama 2: Determinacin de los tiempos de enfriamiento de 5 C a 0 C

El mximo tiempo permitido de agua en tuberas de diferente dimetro y con distintos espesores de aislamiento para evitar la con-gelacin del agua en una tubera. Temperatura inicial del agua = 5 C, velocidad del aire = 5 m/s, = 0,040 W/(m K), he = 20W/(m2 K).

(im fm) (mp cpp + mw cpw)

qwp 3,6 ltv = h

0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 120 140 160

Dimetro de tubera en mm Tiempo en horas

+1

2

1

he De

De

Di ln

qwp = W/m (im a)

(im a)

(fm a)

qwp 3,6 ltv = h

(im a) (mp cpp + mw cpw) In



08918 BADALONA


35/181


El tiempo de congelacin es funcin del flujo de calor y del dimetro de la tubera. Viene dado por:

siendo una tubera aislada: (a)

donde

f es el porcentaje de agua transformado en hielo;

Di es el dimetro de la tubera, en m;

hfr es la entalpa especfica (calor latente de congelacin del agua) = 334 kJ/kg;

ice es la densidad de hielo a 0 C = 920 kg/m3.

El porcentaje de agua transformado en hielo debe determinarse segn las exigencias, por ejemplo, 25%

(f = 25).

Ejemplo

Determinacin del tiempo de enfriamiento hasta 0 C y de congelacin parcial del agua (25% del

volumen).

Condiciones de contorno:dimetro interior de la tubera: Dip = 0,10 m

dimetro del aislamiento interior: Di = 0,1079 m

temperatura del agua al comienzo del enfriamiento: im = +10 C

temperatura ambiental: a = 10 C

espesor del aislamiento: d = 0,100 m

conductividad trmica de la coquilla de vidrio ISOVER: = 0,03 W/(m K)

calor del agua: mw cpw = 38,28 kJ/K

calor latente de congelacin: hfr = 334 kJ/kgcalor especfico del agua: cpw = 4,2 kJ/(kg K)

densidad del hielo: ice = 920 kg/m3

Se calcula el flujo de calor, despreciando el coeficiente superficial he.

El correspondiente tiempo de enfriamiento hasta el punto de congelacin:

(Suponemos longitud de tubera de 1 m. Despreciamos mp cpp)

tv = = 20,52 h

Tfr = h

20

10

3,59 3,6

10 38,28 In

1

2

De

Di ln

qfr = W/m (a)

1

2 0,03

0,3079

0,1079 ln

qfr = = 3,59 W/m 20

ice Di2 hfr

qfr

3,6

4

f

100



08918 BADALONA


36/181


Para el clculo del tiempo de congelacin debe obtenerse primero el valor del flujo de calor que en estecaso: qfr = 1,8 W/m.

Luego:

02.02.04. Tuberas enterradas

Tuberas enterradas con o sin aislamiento trmico ya sea en canales o directamente en el suelo.

El flujo trmico por metro lineal de una tubera enterrada se calcula con:

donde

i es la temperatura media en C;

sE es la temperatura superficial en C del terreno;

RE es la resistencia trmica en (m K)/W para una tubera en suelo homogneo;

E es la conductividad trmica del suelo en W/(m K);

hE es la distancia entre el centro de la tubera y la superficie en m.

Ri es la resistencia trmica en (m K)/W para la tubera enterrada y aislada.

La resistencia trmica para el suelo (vese figura 9) se calcula de acuerdo con la ecuacin.

Fig. 9. Tubera enterrada sin aislamiento

tfr = = 93,1 h920 (0,100)2 334

1,8 3,6 4

25

100

arcoshRE = (m K)/W

qI,E = W/m

1

2 E

2 hEDi

i sE

Ri + RE



08918 BADALONA


37/181


La ecuacin anterior se simplifica para hE/ Di > 2

Para tuberas enterradas con capas de aislamiento de acuerdo con la figura 10, la resistencia trmica secalcula de acuerdo con la ecuacin

Fig. 10. Tubera enterrada compuesta de varias capas, por ejemplo de un material aislante y revestimiento asentada en un reapreparada (por ejemplo arena) de seccin cuadrada

La seccin transversal de la capa exterior con una longitud equivalente (a) se toma en consideracin con

un dimetro equivalente.

Dn = 1,073 a en m

Dej

DijInR1 = (m K)/W

1

2

1

Jn

j=1( )

InRE = (m K)/W1

2 E

4 hE

Di



08918 BADALONA


38/181


El dimetro interior Di es idntico a D0 (donde j = 1). La resistencia trmica del terreno RE resulta en estecaso

Existen mtodos de clculo para la determinacin de la cantidad de flujo de calor y la temperatura delterreno para otras tuberas adyacentes.

En el caso de tuberas revestidas utilizadas normalmente, adyacentes entre s, si 1


39/181

02.03. Prdidas suplementariasen instalaciones reales

En el clculo de las prdidas calorficas de un conjunto de tuberas hay que considerar las prdidassuplementarias que suponen los accesorios, tales como soportes, vlvulas, bridas, etc.

Las prdidas por estos suplementos se expresan cmodamente como longitudes suplementarias de tube-ras.

A continuacin se indican las estimaciones de longitud equivalente, segn la norma alemana V.D.I.2055.

a) Caso de vlvulas, vlvulas de compuerta y grifos desnudos y aislados (en este caso no se tiene encuenta el par de bridas correspondiente). Ver Tabla 2.

b) Paredes de bridas

b) Desnudas: Contar 1/3 de la vlvula del mismo dimetro.

b) Aisladas: Aadirlas sin suplemento alguno particular a las longitudes de las tuberas.

c) Soportes de las tuberas

c) En el interior: Aadir el 15% de las prdidas calculadas sin accesorios.

c) En el exterior, sin viento: Aadir el 20% de las prdidas calculadas sin accesorios.

c) En el exterior, con viento: Aadir el 25% de las prdidas calculadas sin accesorios.




08918 BADALONA


40/181


Desnudo 100 6 16500 9 25

1/4 Desnudo 100 2,5 5,03/4 Aislado




Desnudo 100 15 22500 19 32





Naturaleza del

calorfugo

Interior del tubo

en mm

Longitud equivalente en m del tubo calorifugadopor una temperatura de la tubera

LOCALCERRADO

100 C 400 C

ALAIRELIBRE

Tabla 2



08918 BADALONA


41/181

02.04. Espesor ptimo econmicode aislamiento

02.04.01. INTRODUCCIN

Hasta el momento, todos los aspectos analizados se refieren a clculos tcnicos sobre los aislamientos.

La determinacin de un espesor de aislamiento adecuado obedece en algunos casos a condicionesexclusivamente tcnicas, como puede ser limitar la cada de temperatura de un fluido en una conduc-cin o fijar la temperatura mxima superficial de un aislamiento por motivos de seguridad de los trabaja-dores.

Pero la mayor parte de las inversiones en aislamiento tienen un carcter econmico: limitar las prdidasde calor en recintos a temperaturas muy diferentes a las ambientales. Por ello es necesario introducirconceptos econmicos en la eleccin adecuada del aislamiento, generalmente en la determinacin delespesor.

El planteamiento terico es sencillo:

Las prdidas de energa disminuyen con un aumento del espesor de aislamiento, de acuerdo con frmu-las conocidas.

El aumento del espesor de aislamiento supone incremento de la inversin para su compra e instalacin,aunque esto no tiene unas leyes determinadas de crecimiento.

Existen adems otros componentes del coste global como son los gastos de mantenimiento.

Representando grficamente estos conceptos para la unidad especfica (p.e. m2 de superficie aislada) y

para un perodo de tiempo previsto de amortizacin, se tendr: Inversiones en funcin del espesor de aislamiento d.

Prdidas energticas + gastos de mantenimiento para el perodo considerado, en funcin tambin ded.




08918 BADALONA


42/181


El coste total empresarial ser, para cada espesor de aislamiento, el resultado de los valores de ambascurvas.

El coste total ser mnimo para un espesor determinado, precisamente el espesor ptimo econmicodopt.

02.04.02. MTODO GENERAL

El mtodo de clculo ms utilizado en la CEE se basa en las aplicaciones del VALOR ACTUALIZADONETO (VAN).

El procedimiento consiste en determinar, para cada inversin en aislamiento, el VALOR ACTUALIZADONETO de los ahorros energticos aportados y compararlo con los incrementos que supone la inversin.

Para determinar el VAN, se determina el coef. VAN o coeficiente multiplicador que actualiza los ahorrosen el perodo total que se considere.

Se demuestra que el valor de dicho coeficiente es:

siendo

donde:

b = Aumento previsible del coste de la energa en %.r = Tasa de actualizacin neta en % (equivalente al inters bancario deducidos los impuestos y la

inflacin).

n =Nmero de aos para los que se efecta el estudio (horizonte econmico).

Coste total

Inversin

Pts/m2

Coste prdidas energticas yde mantenimiento

doptd (m)

Coef. VAN =t(tn 1)t 1

t=1 + 0,01 b1 + 0,01 r



08918 BADALONA


43/181


Para un proyecto determinado, a cada espesor de aislamiento trmico d i le correspondern unas prdi-das energticas especficas y un coste de inversin asociado.

A medida que aumenta el espesor, como ya se ha indicado, disminuyen las prdidas energticas y

aumenta la inversin.Si consideramos dos espesores consecutivos de aislamiento, la diferencia de prdidas energticas tendrun valor econmico que se actualiza con el coef. VAN para el perodo considerado. A su vez, existir unadiferencia de inversin de aislamiento.

Esto permite plantear la comparacin:

INCREMENTO >DE x Coef. VAN = INCREMENTO DE LA INVERSIN

AHORRO

acustica edificio - manual aislamiento industrial isover

Documents