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Aislamiento térmico en cañerías y estanques

Fundamentos teóricos, ejemplos prácticos.

Índice1. Fundamentos teóricos transferencia de calor.

1.1. Conducción.1.2. Convección.1.3. Radiación.

2. Aislamiento térmico.2.1. Que es el aislamiento térmico.2.2. Clasificación 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 cálculo.5. Ventajas del aislamiento.

5.1. Pérdidas de calor en ductos no aislados.5.2. Pérdidas en paredes planas.5.3. Pérdidas en estanques verticales.5.4. Pérdidas en estanques horizontales.5.5. Espesor de aislamiento óptimo económico.

1. Fundamentos teóricos de Transferencia de calor.

1.1. Conducción.

Es la transmisión de calor a través de la materia, a nivel atómico a través de cuerpos en contacto.

Dirección de conducción

1. Fundamentos teóricos de Transferencia de calor.

1.1. Conducción.

Dirección de conducción

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

Donde: k : Coeficiente de conductividad térmica, depende de cada material.[kcal/h-m-ºK]

e : espesor de la placa [m]

∆ T : Diferencia de Temperaturas entre las caras de la placa plana.

2kcal

conducción h m

k TQ

e−

⋅∆=

1.1. Conducción.

Dirección de conducción

Conducción de calor en superficies cilíndricas, tales como cañerías, estanques, por unidad de largo

Donde: k : Coeficiente de conductividad térmica, depende de cada material. [kcal/h-m-ºK]

re; ri : radio exterior ; radio interior [m]

∆ T : Diferencia de Temperaturas entre las caras del cilindro.

[ ]2

ln

kcalh mconducción

e

i

k TQ

rr

π −

⋅ ∆= ⋅ ⋅

1. Fundamentos teóricos de Transferencia de calor.

1. Fundamentos teóricos de Transferencia de calor.

1.1. Conducción.

Dirección de conducción

Conducción de calor en superficies esféricas.

Donde: k : Coeficiente de conductividad térmica, depende de cada material. [kcal/h-m-ºK]

re; ri : radio exterior ; radio interior [m]

∆ T : Diferencia de Temperaturas entre las caras de la esfera.

[ ]4 e i kcalhconducción

e i

r rQ k T

r rπ

⋅= ⋅ ⋅ ⋅∆

−

1. Fundamentos teóricos de Transferencia de calor.

1.2. Convección.

Esta forma de transmisión de calor se relaciona directamente con el movimiento de fluidos. Existen dos tipos de convección.

- Convección natural

- Convección Forzada

1. Fundamentos teóricos de Transferencia de calor.

1.2. Convección.

Donde A : Área superficie.[m2]

h : Coeficiente de transferencia de calor por convección.[kcal/h-m^2]

∆ T : Diferencia de Temperaturas entre las caras de la placa plana.

Si se tiene convección natural o convección forzada determina la forma de cálculo del coeficiente de transferencia de calor, en función de los números adimensionales estudiados, Nusselt, Prandtl, Reynolds y Grashof.

Dirección de conducción

[ ]kcalhconvecciónQ A h T= ⋅ ⋅ ∆

1. Fundamentos teóricos de Transferencia de calor.

1.3. Radiación.

Corresponde a la transferencia de calor a través de ondas electromagnéticas, no tienen la necesidad de un medio de transferencia, un claro ejemplo es la radiación solar.

Donde ε: Emisividad del acero al carbono.

σ: Constante de Boltzman [W/m^2-K^4]

Ae: Área del manto exterior del ducto.[m2]Tcorriente aire y Tagua: Son temperaturas absolutas del aire como del agua, en grados Kelvin.

Qradiativ o = ε · Ae · σ · ( Tpared4 – Tcorriente;aire

4 )

2. Aislamiento térmico.

2.1. ¿Que es el aislamiento térmico?

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

2.2. Clasificación de aislante.Los aislantes se clasifican en función de la forma de transferencia de calor y en función de la temperatura de utilización.

– Según la forma de transferencia de calor:

• En masa• Reflectantes

– En función de la temperatura:

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

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

2. Aislamiento térmico.

2.2. Clasificación de aislante.

Aislantes masa

• Pequeñas bolsas de aire en su interior.

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

• No es posible que ocurra convección en su interior.

2. Aislamiento térmico.

2.2. Clasificación 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 última capa de los aislantes en masa (capa exterior).

2. Aislamiento térmico.

2.3. Aspectos a considerar a la hora de aislar.

– Tipo de aislante necesario, en masa o reflectante.

– Conductividad térmica del aislante en masa.

– Emisividad del aislante reflectante.– Campo de temperaturas de trabajo.

– Densidad del aislante en masa.

– Resistencia a la impregnación de humedad.– Resistencia a la combustión.

– Facilidad de colocación.

– Resistencia al daño y deterioro.– Resistencia a la deformación.

2. Aislamiento térmico.

2.4. Espesor del aislante.

Variables que definen el espesor de aislamiento.

• Radio de la tubería.• Radio del aislante.

• Conductividad térmica del aislante.

• Resistencia térmica deseada.

2. Aislamiento térmico.

2. Aislamiento térmico.

2.4. Espesor del aislante.

Espesor Crítico de AislamientoEs una relación entre la conductividad del “aislante” y el

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

aislante

C

ambiente

kr

h=

JHG1

Diapositiva 16

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

2. Aislamiento térmico.

2.4. Espesor del aislante.

2.4. Espesor del aislante.

Espesor crítico de aislamiento.

Si el valor de rC es mayor al radio exterior del ducto, la transferencia de calor “aumentará” 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 térmico.

2.4. Espesor del aislante.

Espesor crítico de aislamiento.

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

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

2. Aislamiento térmico.

2.4. Espesor del aislante.

Espesor crítico de aislamiento.

2. Aislamiento térmico.

_

0,170,0567[ ] 0,05[ ]

3

aislantee

ambiente

e externo ducto

kr

h

r m r m

=

= = > =

Vidrio celular k = 0,17 [W/mºC]

Tubería acero De = 0,10 [m]

T pared = 200 [ºC]Vapor T = 220 [ºC]

Aire T = 20 [ºC]

hambiente = 3 [W/m2ºC]

( )sin_2aislamiento i eQ h r T Tπ= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ −

( ) [ ]3 2 0.025 200 20 84,4 Wmπ= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − =

( )

( )

( )[ ]

_ _

_

2

1ln( )

2 200 20105,7

0,0567 0,025 1ln0,17 (0,0567) 3

i e

aislado

C aislado e ducto

aislante C asilante externo

Wmaislado

T TQ

r r

k r h

Q

π

π

⋅ ⋅ −=

+ ⋅

⋅ ⋅ −= =

+⋅

Lana mineral k = 0,035

( )

( )

( )[ ]

_ _

_

2

1ln( )

2 200 2050,9

0,0117 0,025 1ln0,035 (0,0117) 3

i e

aislado

C aislado e ducto

aislante C asilante externo

Wmaislado

T TQ

r r

k r h

Q

π

π

⋅ ⋅ −=

+ ⋅

⋅ ⋅ −= =

+⋅ _

0,0350,0117[ ] 0,05[ ]

3

aislantee

ambiente

e externo ducto

kr

h

r m r m

=

= = < =

2.4. Espesor del aislante.

Cálculo espesor

– Tablas.

– Algoritmos de cálculo.

2. Aislamiento térmico.

2.4. Espesor del aislante.

Cálculo espesor: Tablas.

Útil para decidir el aislamiento o no de instalaciones pequeñas.

Basado mayoritariamente en criterios económicos.

Ejemplo de utilización

2. Aislamiento térmico.

2.4. Espesor del aislante.Cálculo pérdidas en ducto

2. Aislamiento térmico.

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

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

Cañería 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 año (8000 horas) = 5.2 [MMBTU/año-m]

Temperatura Impuesta pared: 45 [ºC]

Procedimiento de cálculo coeficientes de convección

Equivalente a:

Considerando un 85 % de eficiencia de la caldera

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

Pérdida de dinero en combustible producto de las pérdidas del ducto ���� 76,9 [US$/año] => por metro de tubería.

2.4. Espesor del aislante.Cálculo perdidas en ducto

2. Aislamiento térmico.

Temperatura Impuesta pared: 45 [ºC]

Diferencia de Temperatura : 40 [ºC]Diámetro 114 [mm]

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

2.4. Espesor del aislante.Espesor de aislante

2. Aislamiento térmico.

2.4. Espesor del aislante.Cálculo espesorAlgoritmo de cálculo.

2. Aislamiento térmico.

2.4. Espesor del aislante.Cálculo espesorAlgoritmo de cálculo.

2. Aislamiento térmico.

2.4. Espesor del aislante.Cálculo espesorAlgoritmo de cálculo.

2. Aislamiento térmico.

2.4. Espesor del aislante.Cálculo espesor

Algoritmo de cálculo.

Resultados.

2. Aislamiento térmico.

⇒ Con un aislante (lana mineral) de 18 [mm] de espesor se obtiene:

⇒133,13 [kcal/h] de ahorro

⇒ 1.065.040 [kcal/año]

⇒ 4,23 [MMBTU/año]

⇒ 52,88 [US$/año]

⇒ Estos son US$ ahorrados por cada metro de tubería.

2.4. Espesor del aislante.Cálculo espesor

Disminución calor en función del aumento del espesor

2. Aislamiento térmico.

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 elastomérica es un aislamiento térmico a base de caucho sintético y con estructura celular cerrada.

3. Tipo de aislantes.

3.1. Armaflex.

Características técnicas

3. Tipo de aislantes.

3.2. Lana de vidrio.

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

Su principal uso es en aislasión de techos

3. Tipo de aislantes.

3.2. Lana de Vidrio.

Características técnicas

– Conductividad térmica desde 0,033 a 0,045 [W/m|C] a 20 [|C].

– Incombustibilidad.

– Durabilidad y estabilidad dimensional.

– Fácil instalación y manipulación.

– No es tóxico.

– Resistente a la putrefacción.

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 térmica de la lana mineral es de 0,030 a 0,040 [W/°C m]

3. Tipo de aislantes.

3.3. Lana mineral.

Características técnicas

– Alta capacidad de aislación y absorción acústica.

– Incombustibilidad.

– Fácil manipulación e instalación.

3. Tipo de aislantes.

3.4. Cellular Glass, espuma celulósica.

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

3. Tipo de aislantes.

3.4. Cellular Glass.

Características técnicas

– Formato: Placas, bloques, Medias Cañas, curvas.– Espesores: 1” hasta 4”.

– Diámetros interiores: ½” hasta 18”.

– Densidad: 120 [kg/m3].– Conductividad térmica: 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 corrosión.

3. Tipo de aislantes.

3.5. Poliuretano.

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

3. Tipo de aislantes.

3.5. Poliuretano.

Características técnicas.

– Formato: Spray, Placas y medias cañas.– Espesores: Desde 25 [mm] hasta 100 [mm].

– Diámetros interiores: Desde ½ “ hasta 24”.

– Densidad: 35 a 40 [kg/m3].– Conductividad Térmica: 0,020 – 0,025 [W/mK]

– Temperaturas de utilización: -200 a 110 [ºC]

– Usos: Parades, ductos, cañerías.– Aplicaciones: In situ en forma de Spray, vertido o colado

– Ventajas: Se moldea de acuerdo a la superficie, resistente a la compresión, autoextingible.

3. Tipo de aislantes.

3.6. Silicato de calcio.

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

3. Tipo de aislantes.

3.6. Silicato de calcio.

Características técnicas.

– Formato: Placas y medias cañas.– Espesores: Desde 1” hasta 4”.

– Diámetros interiores: Desde ½ “ hasta 38”.

– Densidad: 232 [kg/m3].– Conductividad térmica: 0,07 – 0,09 [W/mK]

– Usos: Cañerías 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.

• Conservación de la energía por la reducción de las pérdidas o ganancias de calor en cañerías, 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 químico, una pieza de equipamiento, o una estructura.

• Prevenir condensación del vapor sobre las superficies en ambientes con temperatura bajo el punto de rocío.

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

• Proveer protección contra el fuego.

5. Ventajas del aislamiento.

Insertar tablas de manual de EEEscanear

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

5. Ventajas de aislamiento.

5.2. Pérdidas de calor en superficies planas

5. Ventajas del aislamiento.

5.3. Pérdidas en estanques verticales.

5. Ventajas del aislamiento.

5.4. Pérdidas en estanques, en estanques horizontales.

5. Ventajas del aislamiento.

5.5. Espesor de aislamiento óptimo económico

Muchas Gracias

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Cálculo Coeficiente de Transferencia de Calor por Convección para el aire.

Convección Natural

Donde k : Conductividad térmica del aire [W/m].

Nusselt : Número adimensional

d : Diámetro exterior del ducto [m].

eh d

Nusseltk

⋅=

Convección natural

Cálculo Coeficiente de Transferencia de Calor por Convección natural para el aire.

Cálculo de Nusselt.

Donde Gr : Número adimensional de Grashoft.

Pr : Número adimensional de Prandt.

Nusselt = C · GrPr m

C = 0,48

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

Convección natural

Cálculo Coeficiente de Transferencia de Calor por Convección para el aire.

Cálculo del Número de Grashoft.

Donde B : Coeficiente de dilatación = 1 / Tpelícula [1 / K]

d : Diámetro exterior del ducto [m].

v : Viscosidad dinámica del aire [m/s^2].

Cálculo del Número de Prandtl.

Donde u : viscosidad dinámica del aire [kg/m-s].

k : Conductividad térmica del aire [W/m].

c : Calor específico del aire [J/kg-K].

Gr = 9,81 · β · ( Tpared – Tcorriente ) · d 3

ν2

Prc

k

µ ⋅=

Convección natural

Valores Obtenidos para determinar he:

Gr : 4,04 E 6

Pr : 0,7296

Nusselt : 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]

( )0.25

0.48 PrNu Gr= ⋅ ⋅

e

Nusselt kh

d

⋅=

Convección natural

Cálculo de he para corriente en convección forzada. Vcorriente aire=10 [m/s] Tº corriente aire= 5 [ºC]

Debemos calcular he al despejarlo de la siguiente ecuación:

Pero para el cálculo de Nusselt se determina la ecuación a utilizar en función del Número de Reynolds, por lo cual:

Numero de Reynold

Donde ρ : Densidad del aire [kg/m3].

Vaire: Velocidad de la corriente exterior de aire [m/s]

d: Diámetro exterior del ducto [m]

µ: Viscosidad dinámica del aire [kg / m – s].

e

aire

h dNusselt

k

⋅=

Re = ρ · Vaire · d

µ

Convección forzada

Cálculo de he para corriente en convección forzada. Numero de Nusselt

Donde Re : Número de Reynolds.

Pr : Número de Prandtl

Número de Prandtl

Donde µ: Viscosidad cinemática [kg/m-s]

c: Calor específico [J/kg-K]

k: Conductividad térmica del aire [W/m-K]

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

1 + 0,4

Pr

( 2 / 3 ) ( 1 / 4 ) · 1 +

Re

282000

( 5 / 8 ) ( 4 / 5 )

Prc

k

µ ⋅=

Convección forzada

Cálculo de he para corriente en convección forzada.

Evaluando tenemos

Re = 68.955

Pr = 0,7267

Nusselt = 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 + 0,4

Pr

( 2 / 3 ) ( 1 / 4 ) · 1 +

Re

282000

( 5 / 8 ) ( 4 / 5 )

airee

Nusselt kh

d

⋅=

Convección forzada

Al reemplazar los resultados obtenidos en la siguiente ecuación 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

1

h i · Ai +

lnre

r i

2 · π · kacero · L +

1

he · Ae

Qtotal = U · Ai · ( Tcorriente – Tagua )

Convección forzada

Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección para el agua

Convección Forzada

Donde hi : Coeficiente de transferencia de calor por convección para el agua.

kagua : Conductividad térmica del agua.

Nusseltagua : Número adimensional de Nusselt para el agua.

di : Diámetro interior del ducto.

i iagua

agua

h dNusselt

k

⋅=

Número de Reynolds

Donde V: Velocidad del agua

d: Diámetro interior del ducto

v: Viscosidad cinemática del agua

Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección forzada para el agua

Numero de Nusselt para el agua:

Donde Re : Número adimensional de Reynolds.

Pragua : Numero adimensional de Prandtl.

Nusseltagua : Número adimensional de Nusselt para el agua.

di : Diámetro interior del ducto.

Nusseltagua = 0,023 · Reagua0,8 · Pragua

0,3

ReV d

ν

⋅= Pr

c

k

µ ⋅=

Número de Prandtl

Donde u: Viscosidad dinámica del agua

c: Calor específico del agua

k: Conductividad térmica del agua

Valores Obtenidos para determinar hi:

Re : 167.198

Pr : 3,052

Nusselt : 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 · Pragua

0,3

h i = kagua · Nusseltagua

d i

Cálculo coeficiente de transferencia de calor por convección forzada para el aire

Cálculo de he para corriente en convección forzada. Vcorriente aire=10 [m/s] Tº corriente aire= 5 [ºC]

Debemos calcular he al despejarlo de la siguiente ecuación:

Pero para el cálculo de Nusselt se determina la ecuación a utilizar en función del Número de Reynolds, por lo cual:

Numero de Reynold

Donde ρ : Densidad del aire [kg/m3].

Vaire: Velocidad de la corriente exterior de aire [m/s]

d: Diámetro exterior del ducto [m]

µ: Viscosidad dinámica del aire [kg / m – s].

e

aire

h dNusselt

k

⋅=

Re = ρ · Vaire · d

µ

Cálculo coeficiente de transferencia de calor por convección forzada para el aire

Cálculo de he para corriente en convección forzada. Numero de Nusselt

Donde Re : Número de Reynolds.

Pr : Número de Prandtl

Número de Prandtl

Donde µ: Viscosidad cinemática [kg/m-s]

c: Calor específico [J/kg-K]

k: Conductividad térmica del aire [W/m-K]

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

1 + 0,4

Pr

( 2 / 3 ) ( 1 / 4 ) · 1 +

Re

282000

( 5 / 8 ) ( 4 / 5 )

Prc

k

µ ⋅=

Cálculo coeficiente de transferencia de calor por convección forzada para el aire

Cálculo de he para corriente en convección forzada.

Evaluando tenemos

Re = 68.955

Pr = 0,7267

Nusselt = 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 + 0,4

Pr

( 2 / 3 ) ( 1 / 4 ) · 1 +

Re

282000

( 5 / 8 ) ( 4 / 5 )

airee

Nusselt kh

d

⋅=

Cálculo coeficiente de transferencia de calor por convección forzada para el aire