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AISLAMIENTO TÉRMICO

El refractario y el aislamiento térmico mantiene las pérdidas de calor al medio ambiente dentro de los límites permisibles, lo cual equivale a un ahorro de combustible y en consecuencia, a la disminución de los gastos de explotación.Por término medio en los diferentes países se acepta como permisible un valor de estas pérdidas entre 290 a 340 W/m2 (250 a 293 kcal/m2), a una temperatura ambiente de 25 °C.

Aislamiento térmico

Al mismo tiempo deben garantizarse condiciones higiénicos sanitarias aceptables al personal de explotación, para lo cual la temperatura de la superficie exterior del refractario no debe sobrepasar los 55 °C.


En el horno u hogar de un generador de vapor (calderas acuotubulares) la temperatura de la superficie interna del refractario es de 400 a 500 °C.

Esto se debe a que en las construcciones modernas el grado de apantallamiento de las paredes del horno es alto, gracias a la colocación de las paredes de agua.


En los generadores de vapor de circulación natural, en la zona del sobrecalentador y en la parte superior del eje convectivo las condiciones de trabajo del refractario son difíciles, ya que en su superficie interna puede alcanzar temperaturas entre 800 y 1.000 °C, a causa del no apantallamiento de estas secciones.


La ausencia de apantallamiento en la zona ocupada por las aspilleras de los quemadores hace que las condiciones de trabajo del refractario sean más rigurosas, alcanzándose temperaturas de 1 400 a 1 500 °C.


En la actualidad existen quemadores integrales donde la aspillera de los quemadores poseen un apantallamiento que permiten el trabajo menos agresivo de las altas temperaturas.


Valores de los coeficientes de transmisión superficiales para cálculos prácticos.


Al utilizar las fórmulas anteriormente expuestas es preciso elegir los valores de los coeficientes de transmisión del calor a utilizar, y como anteriormente se indicó, esa elección suele ser delicada e imprecisa.

Aislamiento térmicoNo obstante, a continuación mencionaremos un cierto número de valores y de formulaciones empíricas, susceptibles de guiar esta elección.

Coeficiente de transmisión por convección


Paredes verticales:

Siendo:

C - coeficiente de transmisión (kcal/m2.h.°C)

ts - temperatura superficial de la pared (°C)

ta - temperatura ambiental (°C)

h - altura de la pared caliente (m)

418,1htt as

C



Paredes horizontales:

Siendo:

C - coeficiente de transmisión por convección (kcal/m2.h.°C)



h - longitud de la pared caliente (m)

413,1htt as

C 450,0

htt as

C

Calentamiento arriba

Enfriamiento abajo

Calentamiento abajo

Enfriamiento arriba



Cilindros horizontales:

Siendo:


ts - temperatura superficial de la pared del cilindro (°C)


h - longitud del cilindro (m)

413,1htt as

C 450,0

htt as

C

Calentamiento arriba

Enfriamiento abajo

Calentamiento abajo

Enfriamiento arriba



Cilindros verticales:

Siendo:


ts - temperatura superficial de la pared del cilindro (°C)


h - altura del cilindro (m)

422,1htt as

C



Paredes planas al aire libre con efecto del viento:

Siendo:


V - velocidad del viento (m/s)

smparaVV

smparaVV

C

C

/512,6

/54,38,478,0



Tuberías en interiores, con aire en calma:

Siendo:


ts - temperatura superficial de la tuberías (°C)


d - diámetro exterior del aislamiento (m)

413,1dtt as

C



La ecuación de Heiman es una alternativa para calcular la pérdida de calor por convección en aire libre:

Siendo:

C - coeficiente de transmisión por convección (W/m2)

ts , ta - temperatura superficial de la tubería y ambiental respectivamente (°C)

d - diámetro exterior del aislamiento (m)

C - es una constante donde: para tuberías horizontales 2,9; tuberías verticales 3,5; paredes horizontales hacia abajo 2,5; paredes horizontales hacia arriba 5,1 y paredes verticales 4,0 .

181,02,0

266,1

)()()(

m

asC

tdttC



La ecuación de Langmuir es una alternativa para calcular la pérdida de calor por convección en aire forzado:

Siendo:

C - coeficiente de transmisión por convección (W/m2)

ts , ta - temperatura superficial de la tubería y ambiental respectivamente (°C)

V - velocidad del aire (m/s)

5,0

25,1

35,035,0

)(95,1

V

tt asC

Coeficiente de transmisión por radiación


La transmisión por radiación es gobernada por la ley de Stephan-Boltzmann, cuya ecuación para fines prácticos es la siguiente:

Siendo: QR - transmisión de calor por radiación (kW) T - temperatura absoluta del material (°K) S - área de la superficie emisora (°C)

000.1)(7,56 4TS

QR



La transmisión por radiación es gobernada por la ley de Stephan-Boltzmann, cuya ecuación es la siguiente:

donde:S - Área de la superficie: m² - Emisividad de la superficie del cuerpo: adimensionalT1 - Temperatura del cuerpo emisor: KTa - Temperatura ambiente: KQ - Calor emitido: kcal/h

4

2

4

18

10010010*88,4

TTεSQR



La fórmula anterior puede ser adaptada para calcular el calor radiante transferido de una superficie a otra según:

donde:

QR - transmisión de calor por radiación (kW)

T1 y T2 - temperaturs absolutas de las superficies radiante y receptora respectivamente (°K)

S - área de la superficie emisora (°C)

f - es un factor de absorción de calor por intervención del aire (usualmente 0,9)

- es la absortividad de la superficie receptora.

42

41

1001007,56

TTεSfQR


TABLA DE EMISIVIDAD () DE DIFERENTES SUPERFICIES

SUPERFICIE EMISIVIDADAcero 0,28Aluminio pulido 0,09Aluminio oxidado 0,75Chapa acero 0,55Chapa acero oxidado 0,65Fibra mineral 0,70Asbesto cemento 0,90Acero galvanizado 0,30Pintura negra 0,87Pintura al aceite 0,94Pintura de aluminio 0,52Yeso 0,96

Conductividadtérmica W/m C

Agua caliente hasta 95 C Agua recalentada entre95 y 120 C

Sistemas de Vapor o aguaa presión a temperaturassuperiores a 120 C

Hasta0,040

0,041 a0,055

0,056 a0,070

hasta0,040

0,041 a0,055

0,056 a0,070

hasta0,040

0,041 a0,056

0,056 a0,070

Diámetro de tuberíamm

Espesor mínimo de aislamiento (mm)

15 19 25 25 25 32 32 32 32 32

20 25 25 25 25 32 32 32 32 32

25 25 32 32 32 32 32 32 32 32

32 25 32 32 32 32 32 32 38 44

40 32 32 32 32 32 32 32 38 44

50 32 32 32 32 32 38 38 44 50

65 32 32 32 32 32 38 38 50 63

80 32 32 32 32 44 44 44 63 63

100 32 32 38 38 44 44 63 63 63

125 32 38 44 44 44 63 63 63 75

150 32 44 44 44 63 63 63 63 88

Superficies planas 44 44 63 63 63 75 75 88 88

En la tabla presente se tienen valores orientativos de espesores mínimos de aislamiento, recomendados por el DOE de Inglaterra; dichos valores están en función de la conductividad térmica en W/m C.

Coeficiente global de transmisión de calor


El coeficiente global de transmisión de calor es la suma del coeficiente de transmisión por convección y por radiación, es decir:

Siendo:

T- coeficiente de transmisión global (kcal/m2.h.°C)

C- coeficiente de transmisión por convección (kcal/m2.h.°C)

R- coeficiente de transmisión por radiación (kcal/m2.h.°C)

RCT



Siendo:




)(06,04,8 asT tt

Para las paredes planas, según el científico Nusselt:



Siendo:




)(045,01,8 asT tt

Para tuberías aisladas térmicamente, según la formulación de Heilmann y Koch:

Pérdidas en superficies metálicas sin aislamiento


No es corriente el cálculo de una tubería o equipo sin aislamiento, ya que normalmente van aisladas. No obstante, se puede dar el caso que estén sin aislar, por lo que es conveniente conocer estas pérdidas.



Podemos enunciar que el valor de las pérdidas en una tubería, por ejemplo, vendrá dado por:

)( asi ttdπQ Siendo: Q - pérdidas de calor (kcal/h) T - coeficiente de transmisión global (kcal/m2.h.°C) ts - temperatura superficial de la tuberías (°C) ta - temperatura ambiental (°C) d - diámetro interior de la tubería (m)



No obstante, estas pérdidas para paredes y tuberías pueden obtenerse más cómodo y rapidamente por medio del ábaco de Wrede que se expone a continuación y que recoge las pérdidas caloríficas de superficies planas y tuberías sin aislar, para una temperatura exterior de 20 °C.

Existen otras ecuaciones que nos permiten calcular las pérdidas por convección y radiación como la fórmula de Fishenden y Saunders que exponemos a continuación:


4425.1

100273

100273

67,5)(as

astt

εttaQ

donde:

Q - pérdidas por convección y radiación (w/m2)

a - coeficiente que depende de la velocidad del aire. Para aire en calma:

• Pared horizontal hacia arriba a=2,712• Pared horizontal hacia abajo a=1,36• Pared vertical a=2,09• Como valor promedio se puede tomar a=2,2

- coeficiente de emisividad del material. ts, ta - temperaturas de la superficie y ambiente respectivamente (°C)

Existen otras ecuaciones que nos permiten calcular las pérdidas por convección y radiación como la fórmula de Fishenden y Saunders que exponemos a continuación:


Para generadores de vapor cilíndricos se puede aplicar la fórmula anterior, siempre que el diámetro exterior del generador de vapor sea de 5 a 6 veces superior al espesor del aislamiento.

Si multiplicamos por 0,86 la fórmula anterior nos daría en kcal/m2.h .

4425.1

100273

100273

67,5)(as

astt

εttaQ

Otra fórmula derivada de la anterior es la siguiente:


4425.1

100273

100273

95,4)(668,1as

astt

εttQ

donde:

Q - pérdidas por convección y radiación (kcal/h.m2) - coeficiente de emisividad del material. ts, ta - temperaturas de la superficie y ambiente respectivamente (°C)

Resistencia a la escoria

Durante la explotación, el refractario del generador de vapor puede ser destruido a causa de su interacción química con la escoria del combustible.

La intensidad de esta interacción depende, entre otras cosas, de la naturaleza química del refractario y de las escorias.



Para disminuir la reacción entre el refractario y la escoria, es necesario que ambos tengan naturaleza química similar, es decir, para escorias básicas deben utilizarse refractarios básicos y para escorias ácidas, refractarios ácidos.


La acción de las escorias sobre el refractario es acusada en la zona de las aspilleras de los quemadores, por lo que su resistencia a la escoria en esta zona debe ser buena.Hay que señalar que las escorias del fuel oil, aunque su cantidad no es muy grande, son muchos más agresivas que las escorias del carbón y tienen un carácter básico.



El carácter básico o ácido de las escorias puede ser determinado por la relación entre el contenido en ella de los óxidos CaO2 y Al2O3, es decir:

Cuando Mo > 1, la escoria es básica.

322ο

ΟAlSiΟFeΟΜgOCaO

Μ

Cuando Mo < 1, la escoria es ácida.



Resistencia a la escoria de algunos materiales refractarios

Material refractario Escorias básicas Escorias ácidas

Chamota Mala Satisfactoria

Mullita Excelente Excelente

Magnesita Excelente Satisfactoria

Cromo-magnesita Excelente Satisfactoria

Carborundo Baja Buena



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