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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACION DE INGENIERÍA MECÁNICA
DISEÑO E INSTALACIÓN DE AISLANTE TÉRMICO EN TUBERÍAS Y EQUIPOS
Por: Ciro Limone Torres
INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico
Sartenejas, Marzo de 2012
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA
DISEÑO E INSTALACIÓN DE AISLANTE TÉRMICO EN TUBERÍAS Y EQUIPOS
Por: Ciro Limone Torres
Realizado con la Asesoría de: Tutor Académico: Prof. María Gabriela Gómez
Tutor Industrial: Ing. Thais Mesones
INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico
Sartenejas, Marzo de 2012
iii
RESUMEN
En el presente trabajo se definió una metodología de diseño para sistemas de aislamiento
térmico para Empresas Y&V, debido a que en la actualidad desarrollan proyectos ingenieriles
donde los sistemas aislantes juegan un importante rol, bien con el fin de conservar el calor de
para el proceso así como para la protección de personal que allí labora. Asimismo, se suministró
información sobre algunos conocimientos básicos y de detalle en esta área. La metodología
consistió en elaborar una hoja de cálculo en Excel® que cumpliera con la norma ASTM C-680
para el estudio de diferentes equipos de la Planta de Fertilizantes del Complejo de Morón
levantada por Empresas Y&V, la cual fue validada con valores reales. Para los casos estudiados,
se encontró que la temperatura superficial es independiente de la emisividad para espesores
mayores de 0,35 m, mientras que se apreció una tendencia constante con la temperatura del
ambiente a partir del mismo espesor de aislante anterior. En relación al flujo de calor se encontró
que se comporta sin cambios significativos al variar la velocidad del viento y la emisividad.
También en este trabajo se desarrolló una guía de instalación, la cual contiene los distintos
materiales aislantes, procedimientos de instalación y sujeción, así como recomendaciones para su
manejo durante las diferentes etapas en la selección e instalación. Producto de este estudio, se
halló que de los tres materiales usados comúnmente como aislantes estudiados (lana mineral,
fibra de vidrio y silicato de calcio) se recomienda la lana mineral por: su alto desempeño en los
sistemas de aislamiento térmico de altas temperaturas, fácil manejo e instalación, no es nocivo
para la salud humana, su durabilidad es de 15 años y no es un material combustible.
PALABRAS CLAVES: Aislamiento, transferencia de calor, ASTM C-680.
iv
DEDICATORIA
A mis padres, pilares en mi vida, por haberme brindado una vida llena de felicidad
dándome su amor, apoyo y comprensión en todo momento.
A mis hermanos, ejemplos en mi vida, por estar en cada instante de mi vida cuidándome y
guiándome.
A mi futuro, como inicio de una nueva etapa en mi vida.
v
AGRADECIMIENTOS
A Dios, por bendecirme con una vida llena de amor, amistad y salud.
A mis padres, Arelis y Ciro, por todas las cosas maravillosas que me han enseñado y
otorgado a lo largo de mi vida.
A mi familia, por acompañarme y compartir en todas las etapas de mi vida.
A mis amigos y compañeros quienes me brindaron su amistad y apoyo, con quienes
compartí largas horas de estudio, risas y momentos inolvidables.
A mis profesores, María G. Gómez y Aurelio Stammitti, por su amistad, confianza, guía
y enseñanza recibida durante la realización de mis proyectos.
A la Universidad Simón Bolívar, por haber sido mi casa de estudio y me ha dado la
formación profesional.
A mi Tutora Industrial, Thais Mesones, por su valiosa colaboración y disposición, por
guiarme y transmitirme sus conocimientos a lo largo del proyecto.
A Empresas Y&V, por su aceptación y brindarme la oportunidad de realizar este proyecto.
vi
ÍNDICE GENERAL
RESUMEN.................................................................................................................................. iii
DEDICATORIA......................................................................................................................... iv
AGRADECIMIENTOS.............................................................................................................. v
INTRODUCCIÓN...................................................................................................................... 1
CAPITULO 1. LA EMPRESA……………………………………………………………….. 3
1.1. Empresas Y&V.................................................................................................................... 3
1.2. Compañías que la conforman............................................................................................... 4
1.2.1. Y&V Ingeniería y Construcción....................................................................................... 4
1.2.2. Y&V Construcción y Montaje.......................................................................................... 5
1.2.3. Y&V Operación y Mantenimiento.................................................................................... 5
1.2.4. Y&V Ecoproyectos........................................................................................................... 5
1.3. Misión, Visión y Valores de la Organización...................................................................... 5
1.3.1. Misión............................................................................................................................... 6
1.3.2. Visión............................................................................................................................... 6
1.3.3. Valores.............................................................................................................................. 6
1.4. Sistema de Calidad............................................................................................................... 6
CAPITULO 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS…………………………….………………… 8
2.1. Transferencia de Calor......................................................................................................... 8
2.1.1. Conducción....................................................................................................................... 8
2.1.2. Convección........................................................................................................................ 9
2.1.3. Radiación.......................................................................................................................... 12
2.2. Resistencia Térmica............................................................................................................ 14
2.3. Pared Compuesta………………………………………………………….......................... 14
2.4. Aislamiento Térmico............................................................................................................ 15
2.4.1. Materiales aislantes........................................................................................................... 16
2.4.2. Enchaquetado.................................................................................................................... 21
2.4.3. Sujeción............................................................................................................................. 23
2.4.4. Recubrimiento................................................................................................................... 23
2.4.5. Barreras de vapor.............................................................................................................. 23
CAPITULO 3. METODOLOGIA…………………………………………………………….. 25
3.1. Estimación del Espesor del Aislante…................................................................................ 26
3.2. Análisis de Sensibilidad....................................................................................................... 28
vii
3.3. Estudio de Diferentes Casos Térmicos................................................................................ 28
3.4. Selección de Materiales Aislantes y de Sujeción................................................................. 29
3.5. Estudio de Permisibilidad en la Norma PDVSA................................................................. 29
3.6. Visita a la Planta de Fertilizantes......................................................................................... 30
3.7. Guía de Selección e Instalación de Sistemas de Aislamientos……………….................... 30
CAPITULO 4. MATERIALES AISLANTES………………………………………………… 31
4.1. Lana Mineral………………………………………………………………........................ 31
4.2. Silicato de Calcio………………………………………………………............................. 32
4.3. Fibra de Vidrio……………………………………………………………......................... 33
CAPITULO 5. RESULTADOS……………………………………………………………….. 34
5.1. Hoja de Cálculo.................................................................................................................... 34
5.2. Análisis de Sensibilidad....................................................................................................... 36
5.2.1. Emisividad........................................................................................................................ 36
5.2.2 Temperatura ambiental...................................................................................................... 39
5.2.3. Velocidad del viento......................................................................................................... 40
5.3. Estudio de Diferentes Casos Térmicos................................................................................ 42
5.4. Estudio de permisibilidad en la norma PDVSA................................................................... 44
5.5. Visita a la Planta de Fertilizantes…………………………………………......................... 45
5.6. Guía de Selección e Instalación de Sistemas de Aislamientos…………………................ 45
CONCLUSIONES...................................................................................................................... 46
RECOMENDACIONES............................................................................................................. 47
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................................... 48
ANEXO A.................................................................................................................................. 50
ANEXO B................................................................................................................................... 54
ANEXO C................................................................................................................................... 60
ANEXO D................................................................................................................................... 65
ANEXO E................................................................................................................................... 71
ANEXO F................................................................................................................................... 76
ANEXO G.................................................................................................................................. 83
viii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 4.1 Casos térmicos..................................................................................................................... 42
Tabla 4.2 Espesores recomendados por la norma PDVSA................................................................... 43
Tabla 4.3 Espesores calculados por límite en pérdida de calor (norma PEMEX)................................ 44
Tabla C.1 Valores de emisividad de algunos materiales....................................................................... 62
Tabla F.1 Recomendación de espesor para silicato de calcio................................................................ 77
Tabla F.2 Recomendación de espesor para lana mineral....................................................................... 78
Tabla F.3 Recomendación de espesor para fibra de vidrio.................................................................... 79
Tabla F.4 Recomendación de espesor para silicato de calcio................................................................ 80
Tabla F.5 Recomendación de espesor para lana mineral....................................................................... 81
Tabla F.6 Recomendación de espesor para fibra de vidrio.................................................................... 82
Tabla G.1 Recomendación de permisibilidad........................................................................................ 84
ix
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1. Compañías integrantes de Empresas Y&V.......................................................................... 4
Figura 2.1. Mecanismos de transferencia de calor................................................................................ 13
Figura 2.2. Grafica de costos en función del espesor del aislamiento................................................... 17
Figura 2.3. Diferentes presentaciones del aislamiento.......................................................................... 18
Figura 2.4. Enchaquetado metálico....................................................................................................... 22
Figura 3.1. Algoritmo de cálculo.......................................................................................................... 26
Figura 3.2. Representación del circuito termodinámico........................................................................ 27
Figura 5.1. Vista del programa.............................................................................................................. 34
Figura 5.2. Tabla de resultados............................................................................................................. 35
Figura 5.3. Curvas de temperatura y calor transferido en función del espesor de aislamiento.............. 36
Figura 5.4. Análisis de sensibilidad en curva de temperatura variando la emisividad........................... 37
Figura 5.5. Análisis de sensibilidad en curva de transferencia de calor variando la emisividad........... 38
Figura 5.6. Comportamiento del flujo de calor para diferentes valores de emisividad. Intervalo de
espesor de aislante entre 0,00 y 0,03 m................................................................................................. 38
Figura 5.7. Análisis de sensibilidad en curva de temperatura variando la temperatura ambiental........ 39
Figura 5.8. Análisis de sensibilidad en curva de transferencia de calor variando la temperatura
ambiental............................................................................................................................................... 40
Figura 5.9. Análisis de sensibilidad en curva de temperatura variando la velocidad del viento............ 41
Figura 5.10. Análisis de sensibilidad en curva de transferencia de calor variando la velocidad del
viento.................................................................................................................................................... 41
Figura 5.11. Tabla de permisividad...................................................................................................... 45
Figura A.1. Hebilla...................................................................................................................... .......... 51
Figura A.2. Tornillos con sellos............................................................................................................. 51
Figura A.3. Guía para cortar el aluminio............................................................................................... 51
Figura A.4. Chaqueta de aluminio......................................................................................................... 52
Figura A.5. Codo hecho de silicato de calcio......................................................................................... 52
Figura A.6. Silicato de calcio............................................................................................... .................. 52
Figura A.7. Máquina para cortar el silicato de calcio............................................................................ 53
Figura A.8. Lana mineral..................................................................................................... .................. 53
Figura B.1. Dimensiones del equipo..................................................................................................... 55
Figura B.2. Conductividad térmica del aislamiento de lana mineral..................................................... 55
Figura B.3. Sistema equivalente de resistencia...................................................................................... 56
x
Figura C.1. Vista del programa.............................................................................................................. 61
Figura C.2. Esquema de la tabla de resultados................................................................................ ...... 63
Figura C.4. Ejemplo de la hoja de cálculo............................................................................................. 64
Figura D.1. Detalle de la junta de expansión......................................................................................... 69
Figura E.1. Detalle de aislamiento para tubería..................................................................................... 73
Figura E.2. Detalle de aislamiento para brida........................................................................................ 74
Figura E.3. Detalle de aislamiento para válvula.............................................................................. ....... 74
Figura E.4. Detalle de aislamiento para boca de visita.......................................................................... 75
xi
LISTA DE SÍMBOLOS
A Área de superficie, m2
Cp Calor específico a presión constante, J/kg·K
h Coeficiente de transferencia de calor por convección, W/m2·K
k Conductividad térmica, W/m·K
L Longitud característica, m
m Flujo másico, kg/s
Nu Número de Nusselt, adimensional
P Potencia, W
Pr Número de Prandtl, adimensional
Ra Número de Rayleigh, adimensional
Re Número de Reynolds, adimensional
q Transferencia de calor, W
q’’ Flujo de calor por unidad de área de transferencia, W/m2
T Temperatura, K
V Volumen, m3
w Ancho, m
α Absortividad solar, adimensional
Δ Variación, adimensional
ε Emisividad, adimensional
μ Viscosidad dinámica, kg/s·m
ρ Densidad, kg/m3
σ Constante de Stefan-Boltzman, σ = 5,67×10-8 kg/s3·K4
xii
LISTA DE ABREVIATURAS
ANSI American National Standard Institute
ASME American Society of Mechanical Engineers
BP British Petroleum
GGPIC Guía de Gerencia para Proyectos de Inversión de Capital
IPC Ingeniería, Procura y Construcción
ISO International Standard Organization
PDVSA Petróleos de Venezuela Sociedad Anónima
PEMEX Petróleos Mexicanos
PMBOK Project Management Body of Knowledge
PMI Project Management Institute
SHA Seguridad, Higiene y Ambiente
Y&V Empresas Y&V (Yanes y Vergara)
1
INTRODUCCIÓN
Empresas Y&V es una corporación de proyectos en servicios en áreas de ingeniería,
construcción, mantenimiento y operación especializada en los sectores petrolero, petroquímico,
industrial y eléctrico.
En los sectores productivos, los procesos requieren operar con temperaturas muy frías: -200 °C
(refrigeración, criogenia) o muy calientes: 1500 °C (reactores, turbinas, calderas). Estas
temperaturas se obtienen en sistemas donde tienen lugar reacciones químicas, por lo que es de
importante conservarlas y mantenerlas estables; de allí la necesidad de implementar sistemas de
aislamiento térmico, que se colocan sobre equipos y tuberías para disminuir las pérdidas de calor
hacia el exterior de los mismos.
En los sistemas de aislamiento térmico se utilizan materiales o combinaciones de materiales
que tienen un amplio uso en el sector industrial y en el sector de la construcción. El aislamiento
cumple con varias funciones entre las cuales, la principal es la de reducir el flujo de calor en una
sección, de este modo se ahorra combustible y dinero. Aunado a estos ahorros, el aislamiento
también contribuye a la preservación del medio ambiente al reducir la cantidad de combustible
consumido para proporcionar energía, disminuyendo así la contaminación del medio ambiente
por la quema del mismo. Asimismo, permite la protección de equipos así como del personal que
labora y/o circula en las cercanías de éstos.
Debido a la importancia de los sistemas con aislamiento térmico, se plantea crear una base de
conocimientos que contenga toda la información necesaria para aplicar las especificaciones en el
diseño, selección e instalación de un sistema de aislamiento. Para esto es necesario hacer un
levantamiento de los fundamentos teóricos en transferencia de calor, elaborar un programa para
el cálculo del espesor del aislante recomendado en función del tipo de material, condiciones
ambientales (temperatura, velocidad del viento), así como la elaboración de una guía con las
especificaciones de distintos materiales aislantes más comúnmente disponibles en el mercado y el
procedimiento para su manejo e instalación en líneas y equipos.
2
Con ello queda claramente establecido que el objetivo general de este proyecto de pasantía fue
desarrollar una metodología de aislantes térmicos, para establecer procedimientos prácticos y
estandarizados dentro de la empresa, que logren evaluar e implementar correctamente estos
sistemas.
Es allí donde surgen los siguientes objetivos específicos:
Elaboración de una guía con los fundamentos teóricos básicos que rigen la transferencia
de calor, incluyendo los aspectos de aislamiento térmico.
Desarrollo de un algoritmo y consecuentemente, de una hoja de cálculo para la
estimación del espesor requerido de un aislante, temperatura de superficie y calor
transferido hacia el ambiente.
Desarrollo de una guía para la selección y colocación correcta de aislantes térmicos y
mecanismos de sujeción de éstos disponibles en el mercado.
CAPÍTULO 1
LA EMPRESA
1.1. Empresas Y&V
Y&V es una corporación de servicios venezolana, orientada al desarrollo de proyectos de
inversión en las áreas de: ingeniería, construcción, operación, mantenimiento y gestión ambiental
para los sectores público y privado, con presencia en Venezuela, Colombia, Chile, México,
España, Estados Unidos, Canadá y próximamente Medio Oriente. [1]
Y&V nace como corporación en 1985, año cuando decide integrar bajo un mismo esquema
organizativo de servicios algunas áreas adicionales a la ingeniería, como son construcción y
montaje, operación y mantenimiento y los aspectos relacionados a la medición y supervisión del
impacto de las obras en el medio ambiente. No obstante, la trayectoria de Y&V engloba las
historias individuales de sus compañías filiales, las cuales se trazan en más de 50 años de
experiencia en el campo de consultoría en áreas como ingeniería y construcción para los sectores
petrolero, gas, petroquímico, industrial, de infraestructura y eléctrico.
Hoy, Y&V se erige como una institución de reconocida trayectoria y liderazgo en cada una de
sus áreas de acción con el indiscutible aval del exitoso desarrollo de cada uno de los proyectos
ejecutados. Razones que unidas a la calidad y profesionalismo de todos sus trabajadores, han
permitido que para las próximas décadas, se abran nuevas oportunidades de negocio en el Medio
Oriente. [1]
4
1.2. Compañías que la integran Empresas Y&V
Empresas Y&V se divide en una serie de compañías como se muestra en la Figura 1.1, las
cuales se enfocan en áreas más específicas, con la finalidad de realizar los proyectos de manera
más exitosa y lograr cubrir cada aspecto con una mayor eficiencia. [2]
Figura 1.1. Compañías integrantes de Empresas Y&V [2]
1.2.1. Y&V Ingeniería y Construcción
Y&V Ingeniería y Construcción surge a partir de la empresa Yanes & Asociado, adoptando una
sólida experiencia de 40 años, para ofrecer sus servicios en diseño y desarrollo de soluciones en
el área de ingeniería de consultoría y construcción para los sectores de petróleo y gas,
petroquímica, industrial e infraestructura. Tiene un alto grado de especialización y experiencia en
el desarrollo de proyectos en cada una de sus fases: estudios de factibilidad, ingeniería
conceptual, básica y de proyectos, proyectos IPC, planificación y control de proyectos, gerencia
de construcción, inspección de obras, arranque y puesta en marcha, gestión y procura, estimación
y control de costos, asesorías y consultas, operación y mantenimiento. Además cuenta con un
destacado equipo multidisciplinario calificado para ofrecer un servicio de primera, acorde a las
necesidades del cliente. Éste se encuentra integrado por las disciplinas: Mecánica, Procesos,
Electricidad, Instrumentación y Control, Civil, Industrial, Arquitectura, Urbanismo, Sistemas y
Estructuras, entre otras.
5
1.2.2. Y&V Construcción y Montaje
Y&V Construcción y Montaje nace con el nombre de DRV Construcciones con el propósito de
ofrecer soluciones integrales en el área de construcción, asegurando costos, calidad, tiempo de
ejecución y seguridad. En mayo de 2005, DVR Construcciones da paso a Y&V Construcción y
Montaje, actuando como contratista general en la ejecución de obras de ingeniería.
1.2.3. Y&V Operación y Mantenimiento
Y&V Operación y Mantenimiento nace con el nombre de Vectra en 1968 y en el año 2005
cambia al nombre que lleva actualmente. Presta servicio técnico y gerencial, especialmente en la
operación y mantenimiento de plantas en los sectores de petróleo, gas, petroquímico e industrial.
1.2.4. Y&V Ecoproyectos
Y&V Ecoproyectos se encarga de diseñar y desarrollar soluciones en el área ambiental,
fundamentalmente para los sectores de petróleo y gas, petroquímico e industrial. Surge por la
iniciativa de un grupo de profesionales de las áreas de Ecología en Ingeniería Ambiental, con el
objetivo de desarrollar soluciones orientadas al crecimiento de las empresas industriales y de
servicios, bajo a las necesidades existentes en materia ambiental.
1.3. Misión, Visión y Valores de la Organización
Empresas Y&V se rige mediante principios éticos y morales que permiten obtener un excelente
desempeño en cada labor que ejecutan y de esta manera, contribuir favorablemente el progreso de
la sociedad.
6
1.3.1. Misión
"Prestar servicios de ingeniería y construcción de excelencia que excedan las expectativas de
nuestros clientes y maximicen el bienestar de trabajadores y accionistas dentro de una filosofía de
negocios que promueva el desarrollo de la sociedad y la conservación del medio ambiente." [1]
1.3.2. Visión
"Ser una corporación global de servicios integrales de ingeniería y construcción de clase
mundial, reconocida por los excelentes niveles de cumplimiento, confiabilidad, calidad y
compromiso con nuestros clientes." [1]
1.3.3. Valores
"Reconocimiento y respeto al individuo.
Mística, pasión y compromiso.
Integridad.
Espíritu competitivo.
Disposición al reto.
Excelencia.
Trabajo en equipo.
Disposición al cambio."
1.4. Sistema de Calidad de Empresas Y&V
El sistema de gestión de la calidad en Empresas Y&V se fundamenta en la norma ISO
9001:2008 y el Project Management Institute (PMI). Está orientado a la mejora continua para
satisfacer los requerimientos y expectativas de los clientes, mediante servicios de ingeniería y
7
construcción adecuados, confiables y oportunos, basados en procesos normalizados. El sistema
de gestión de la calidad se complementa con las mejores prácticas para la ejecución de proyectos,
así como la aplicación de normas y estándares nacionales e internacionales para el desarrollo de
sus productos, lo que lo convierte en una plataforma y herramienta de trabajo que soporta la
operación y la prestación de los servicios de todas las empresas que componen la corporación. [2]
CAPÍTULO 2
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2.1. Transferencia de Calor
La transferencia de calor se puede definir como la energía en tránsito que fluye debido a una
diferencia de temperatura. Cuando existen dos o más cuerpos, ya sean fluidos o sólidos, que
tengan diferencias de temperaturas debe ocurrir el intercambio de calor del medio que se
encuentra a mayor temperatura hacia el de menor temperatura (Ley Cero de la Termodinámica).
La tendencia es a alcanzar el equilibrio térmico definido éste como el estado que se alcanza
debido a la igualación de temperatura de ambos cuerpos o medios. [3,4]
La transferencia de calor puede ocurrir por medio de tres mecanismos: conducción, convección
y radiación.
2.1.1. Conducción
Es la transferencia de calor que ocurre desde partículas con más energía hacia partículas con
menos energía debido a la interacción o contacto entre ellas. En presencia de un gradiente de
temperatura, la transferencia debe ocurrir en la dirección en la que decrece la temperatura. Es un
fenómeno de tipo difusivo.
La ecuación que describe este mecanismo de transferencia de calor se conoce como Ley de
Fourier. Su forma matemática generalizada es la siguiente: [3]
(2.1)
9
donde es el vector transferencia de calor por unidad de área,
es el gradiente de
temperatura, es el tensor de conductividad térmica.
Si se considera que el material es isotrópico y que el flujo de calor ocurre en una dirección, la
ecuación anterior se simplifica, en coordenadas cartesianas, a:
(2.2)
donde q´´ es el flujo de calor por unidad de área de transferencia, dT/dx es el diferencial de
temperatura que se tiene en un diferencial de distancia, k es la conductividad térmica para un
material homogéneo (isotrópico). El signo negativo de la ecuación se debe a una convención de
signo, donde para que el flujo de calor sea positivo, se agrega el signo para compensar el signo
negativo que se deriva del gradiente de temperatura.
2.1.2. Convección
Es la transferencia de calor que se realiza a través del contacto entre una superficie y un fluido
en movimiento (gas o líquido), cuando se encuentran a temperaturas diferentes. La convección
puede ser clasificada de acuerdo a la naturaleza del flujo (convección forzada y convección libre).
La convección forzada se define cuando el flujo es causado por medios externos, tales como:
ventilador, bomba o vientos atmosféricos. La convección natural o libre, se refiere al flujo
inducido por fuerzas de empuje que surgen a partir de la diferencia de densidad ocasionada por la
variación de la temperatura en los fluidos; por ejemplo, la transferencia de calor desde un
pavimento caliente a la atmósfera durante el día.
En la convección, un importante grupo de moléculas se mueve aleatoriamente como agregados
lo cual, en presencia de un gradiente de temperatura, aumenta la transferencia de calor. Se puede
describir entonces la transferencia de calor por convección como la transferencia de energía hacia
10
o desde un fluido debido a efectos combinados de conducción y el movimiento del bulto del
fluido. [3]
La transferencia de calor por convección puede ser descrita a través de la siguiente expresión:
(2.3)
donde h es el coeficiente convectivo de transferencia de calor, el cual depende de la geometría,
régimen del flujo y propiedades del fluido, Ts es la temperatura de la superficie, T∞ es la
temperatura del medio.
2.1.2.1. Correlaciones para convección
La transferencia de energía por convección es un fenómeno complicado en donde participan un
gran número de efectos. A través de correlaciones, cuya forma matemática es obtenida a través
del análisis dimensional y del ajuste matemático de datos experimentales, pueden describirse los
coeficientes convectivos de transferencia de calor.
En las correlaciones para convección forzada participan tres números adimensionales: Nu
(número de Nusselt), Re (número de Reynolds), Pr (número de Prandtl). En el caso de la
convección natural, las correlaciones incluyen tres números adimensionales: Nu, Pr y Ra
(número de Rayleigh).
La definición de los números de Reynolds, Prandtl y Rayleigh es la siguiente:
(2.4)
donde V es la velocidad del fluido, X es la longitud característica y es la viscosidad cinemática
del fluido.
11
(2.5)
donde es la densidad del fluido, es el calor específico del fluido y es la conductividad
térmica del fluido.
(2.6)
donde es la gravedad y es el coeficiente de expansión térmica volumétrica.
El coeficiente convectivo de transferencia de calor se obtiene despejándolo de la expresión que
define el número de Nusselt: [11]
(2.7)
donde es el número de Nusselt y h es el coeficiente convectivo de transferencia de calor.
Dependiendo del régimen de flujo y de física del problema y de la geometría, se han propuesto
diversas correlaciones para el cálculo del coeficiente convectivo de transferencia de calor. A
continuación se presentan algunas de las expresiones que se utilizan comúnmente en aplicaciones
de equipos y líneas de procesos.
Para la convección forzada en cilindros verticales y verticales se tiene: [11]
,
(2.8)
donde
y es el número de Nusselt y Reynolds, respectivamente, donde la longitud
característica viene definida por el diámetro del cilindro.
12
Para la convección natural en cilindros horizontales se tiene: [11]
(2.9)
donde es el número de Rayleigh, donde la longitud característica viene definida por el
diámetro del cilindro.
Otras expresiones para el cálculo de la convección natural en cilindros horizontales son: [11]
(2.10)
donde
es el número de Nusselt y es el número de Rayleigh cuya longitud característica
es la longitud del ducto circular.
2.1.3. Radiación
La radicación es la energía emitida por una superficie a través de ondas electromagnéticas. La
emisión de energía se atribuye normalmente a cambios de configuración electrónica en átomos o
moléculas.
El máximo flujo de calor por radiación viene dado por la Ley de Stefan-Boltzmann [3]:
(2.11)
donde Ts es la temperatura de la superficie en grados absolutos y σ es la constante de Stefan
Boltzmann a la cual se hizo referencia previamente.
13
La ecuación anterior aplica para superficies conocidas como cuerpos negros perfectos. En el
caso de un flujo de calor emitido por una superficie real, se tiene un menor flujo de calor, el cual
viene dado por la expresión:
(2.12)
donde ε es la emisividad, la cual representa una eficiencia comparativa entre lo que emite la
superficie real de un cuerpo y un cuerpo negro perfecto.
En la práctica, se pueden encontrar intercambio de calor entre superficies pequeñas y
superficies mucho más grandes que las rodean, separadas por un gas que no interviene en la
radiación. Para estos casos, la ecuación que describe este fenómeno es [3]:
(2.13)
donde T∞ es la temperatura de los alrededores.
La Figura 2.1 muestra esquemáticamente los mecanismos de transferencias de calor que pueden
estar presentes en una edificación cualquiera.
Figura 2.1. Mecanismos de transferencia de calor
14
2.2. Resistencia Térmica
La resistencia térmica es una relación que indica la resistencia que ofrece el medio a la
transferencia de calor. Su concepto surge a partir de la analogía de los fenómenos de
transferencia de calor con los sistemas eléctricos.
La resistencia térmica se define como la relación entre el potencial de flujo a la correspondiente
tasa de transferencia de calor y se puede expresar de la siguiente forma, considerando flujo
unidimensional: [11]
(2.14)
donde R es el valor de la resistencia térmica.
Para el caso de resistencia térmica conductiva en cuerpos cilíndricos se tiene:
(2.15)
donde rext y rint es el radio exterior y radio interior del cilindro, respectivamente.
Para el caso de resistencia térmica convectiva en cuerpos cilíndricos se tiene:
(2.16)
2.3. Pared Compuesta
La forma final de la ecuación de resistencia térmica dependerá del conjunto de mecanismos de
transferencia de calor presentes en el sistema en estudio, así como de la geometría del sistema.
15
La representación de circuitos proporciona una herramienta útil para conceptualizar y
cuantificar los problemas de transferencia de calor. Las resistencias pueden asociarse
dependiendo de su configuración; esto es conocido como resistencia equivalente. Cuando la
configuración es en serie, la resistencia equivalente se obtiene al realizar las sumatorias de dichas
resistencias. [11]
(2.17)
donde Requiv es la resistencia equivalente de todo el sistema; R1, R2, R3, Rn son las resistencias
térmicas de cada sección y mecanismo que constituye el sistema en estudio.
Cuando la configuración es en paralelo, la resistencia térmica equivalente es igual a la inversa
de la suma de las inversas de cada una de las resistencias:
(2.18)
2.4. Aislamiento térmico
Es aislamiento térmico es el método donde se recubre una superficie con materiales aislantes
con la finalidad de proporcionar resistencia al flujo de calor y reducir la transferencia del mismo.
Con este proceso se busca minimizar las pérdidas de energía por transferencia de calor, proteger
al equipo, al personal y al medio ambiente. [5, 6,14]
Entre las funciones de un sistema de aislamiento, se encuentran las siguientes:
Aumentar la eficiencia del sistema
Protección personal, de equipos y estructuras
Mantener y controlar la temperatura de procesos
Prevención de la condensación y la corrosión
Protección contra incendios
Protección contra congelación
16
Reducción del ruido y la vibración
Disminuye las alteraciones al medio ambiente
El uso del aislamiento no se limita a superficies calientes, también se aplica sobre superficies
frías debido a que éstas se encuentran por debajo de la temperatura ambiental, por lo que el calor
se transfiere desde los alrededores hasta las mismas.
El sistema de aislamiento dependerá del tipo de requerimiento que se necesite en cada proceso;
pueden utilizarse combinaciones para resguardar un mismo proceso. Los tipos de requerimientos
pueden ser los siguientes: [7,12, 13]
Protección personal
Conservación normal del calor o aislamiento económico
Conservación total del calor o aislamiento ecológico
Aislamiento especial (temperaturas mayores a 650 °C)
Aislamiento de temperatura dual
El sistema de aislamiento está conformado por varios elementos que aseguran obtener el
máximo beneficio. El sistema está constituido por:
Materiales aislantes
Materiales de sujeción
Recubrimiento
Enchaquetado
Barreras de vapor (en caso de aislamiento en frio)
2.4.1 Materiales aislantes
Los materiales aislante se caracterizan por tener una baja conductividad térmica (conductividad
menor a 0,1 W/m·K), debido a que son materiales que contienen cámaras llenas de gas, fase que
posee baja conductividad térmica en comparación con la fase líquida o gas de materia y por ende,
no favorecen la transferencia de calor por conducción.
17
Dada la estructura de los materiales aislantes, se pueden clasificar en: [10]
Fibrosos: formados por fibras de diámetro muy pequeño; las fibras pueden estar
dispuestas de manera vertical u horizontal, así como también pueden o no estar unidas.
Celulares: contienen diminutas celdas individuales separadas unas de las otras
Granulares: constituidos por pequeños módulos los cuales contienen espacios vacíos, pero
permiten el paso de gas entre ellas.
El espesor del aislamiento dependerá de: el tipo de aislamiento requerido, las propiedades de
los materiales que se estén empleando, la temperatura de proceso y las dimensiones de la tubería,
recipiente o equipo a aislar.
Esencialmente existen tres grados de aislamiento en la industria. El primer grado es el más
delgado (de 0,002 a 0,020 m) y se enfoca en la prevención de lesiones de las personas que
trabajan cerca de las instalaciones. El segundo grado es un grosor intermedio (de 0,015 a 0,030
m), el cual se dirige a la reducción importante de la pérdida de calor (conocido como espesor
óptimo, debido a que logra un balance entre la inversión del aislamiento y las pérdidas por calor
como se muestra en la Figura 2.2). El último grado (de 0,030 a 0,050 m) es el más grueso y se
conoce como espesor ecológico porque se enfoca en reducir la pérdida de calor en lo máximo
posible y proteger el medio ambiente. [5, 16]
Figura 2.2. Grafica de costos en función del espesor del aislamiento [14]
18
Los aislamientos son fabricados en una variedad de formas de acuerdo a las aplicaciones y
funciones específicas que se requieran. Tal como se observa en la Figura 2.3, las formas más
usadas son:
Láminas rígidas, placas y preformados
Láminas flexibles y mantas
Espumas
Figura 2.3. Diferentes presentaciones del aislamiento [17,18]
2.4.1.1. Temperaturas de aplicación de los materiales aislantes
El uso de materiales aislantes se encuentra dentro de un rango de temperatura desde los -73 °C
hasta los 815 °C. En el caso que las temperaturas se encuentren fuera de este rango, se aplicará
otro tipo de recubrimiento en las distintas superficies, en los procesos menores a -73 °C se
emplean criogénicos y para los mayores a 815 °C se utilizan materiales refractarios. Dependiendo
del rango de temperatura se clasifica en: [9, 10]
Baja temperatura (-73 a 16 °C)
Temperatura intermedia (16 a 315 °C)
Alta temperatura (315 a 815 °C)
19
2.4.1.2. Propiedades de los materiales aislantes
Las propiedades de los materiales aislantes de mayor demanda son: [10, 12]
Temperaturas límite: el rango de temperatura donde el material conserva sus propiedades.
Conductividad térmica: la cantidad de calor que se transfiere a través del material.
Alcalinidad o acidez: el material no debe contribuir con la corrosión.
Coeficiente de expansión y contracción: determinar su comportamiento en operación.
Combustibilidad: el material no debe contribuir con el riesgo de incendio.
Resistencia a la compresión: deben ser capaces de soportar cargas y sufrir abuso
mecánico.
Densidad: afecta el desempeño térmico.
Emisividad: capacidad del material de transferir calor a través del mecanismo de
radiación.
Estabilidad dimensional: mantener sus propiedades a lo largo de grandes extensiones.
Resistencia al fuego: no contribuir con la propagación de fuego y producción de humo.
Resistencia al crecimiento de hongos y bacterias: no permitir el desarrollo de
microorganismos.
Impermeabilidad: capacidad de no permitir el paso de sustancias a través de él.
Toxicidad: desprendimiento de gases tóxicos.
Absorción de sonido: atenuación del ruido en recintos cerrados.
2.4.1.3. Principales materiales de aislamiento
Los materiales más frecuentemente empleados en la industria del aislamiento son:
Silicato de calcio (Calcium silicate): es un aislamiento granular formado con silicato
hidratado de calcio y sílice sin asbesto, reforzado con fibras orgánicas e inorgánicas.
Mantiene integridad física a temperaturas muy altas y es incombustible. Es un material
que se distingue por su durabilidad, resistencia y calidad en plantas industriales donde el
abuso físico es un inconveniente. Una desventaja es que absorbe gran cantidad de agua
20
aunque permite ser secado a la intemperie. Su rango de servicio térmico abarca desde los
-18 °C hasta 650 °C, aproximadamente.
Vidrio celular (Cellular glass): formado por millones de células de vidrio sellada. Este
producto es rígido e inorgánico, pero también es muy quebradizo y sensible a choques
térmicos de alta temperatura. Es un material muy especial debido a que no absorbe
líquidos ni vapores debido a que sus celdas son cerradas por completo, por lo que se
utiliza en instalaciones con problemas de humedad. Su rango de servicio térmico es
generalmente entre los -260 y 430 °C.
Fibra de vidrio (Fiber glass): este aislante se forma a partir de vidrio fundido con
materiales inorgánicos y se aglutinan con resinas orgánicas. Es un material muy versátil
debido a su gran eficiencia térmica, estabilidad dimensional, incombustible, gran
absorción acústica y livianos (baja densidad). Su rango de servicio térmico es entre -40 y
540 °C.
Fibras minerales y lana de roca (Mineral wool y Rock wool, respectivamente): se fabrican
a partir de roca o escoria de hornos, sus fibras son cortas y pesadas por lo que necesitan
mallas metálicas para mantener su integridad. Por su estructura permite el paso de vapor
de agua, lo cual reduce el riesgo de condensación en su interior. Puede utilizarse en un
rango grande de temperatura, que abarca desde los 0 hasta 1000 °C, aproximadamente.
Poliuretano (Polyurethane): es una espuma plástica formada a partir de polielos e
isocianatos; tienen la conductividad térmica más baja debido a que poseen gran cantidad
de cavidades llenas de gases. Es un material inflamable y en ocasiones se le puede añadir
sustancias retardantes de fuego que al mismo tiempo promueven el proceso de corrosión.
El rango de temperatura se comprende desde los -210 °C hasta los 120 °C.
Poliestireno expandido (Styrofoam): conocido como anime, es un material que se limita a
temperaturas bajas debido a su poca resistencia contra el fuego, por lo que es utilizado
principalmente en servicio en frio. Tiene una baja conductividad térmica por poseer
celdas con gases. Su rango de servicio térmico se encuentra entre -50 y 75 °C.
Espuma fenólica (phenol foam): es una espuma orgánica que tiene buen comportamiento
contra el fuego debido a que no es inflamable, pero no tiene tan baja conductividad
térmica como las demás clases de espumas. Su rango de servicio térmico está
comprendido entre los -200 °C hasta los 150°C.
21
Perlita (Perlite): es un producto vitrificado, fabricado a partir de cristales de roca
volcánica y su estructura se mantiene por aglutinantes y fibras. Es un material muy frágil
y abrasivo, no se pueden emplear en partes sometidas a vibraciones. Posee resistencia al
fuego, no es inflamable ni tóxico. Su rango de servicio térmico va desde los 0 °C hasta los
750 °C aproximadamente.
Plástico elastomérico (elastomers): son resinas espumadas que poseen plásticos
elastoméricos y polietilenos que producen un cuerpo celular flexible. Son materiales con
baja permeabilidad al vapor y al agua, permitiendo instalaciones sin barreras adicionales.
Su principal limitación es que no posee mucha resistencia al fuego. Su rango de servicio
térmico abarca desde los -100 °C hasta los 100 °C.
Fibra de cerámica (Ceramic fiber): son materiales que soportan temperaturas
extremadamente altas, constituidos por fibras de cerámicas o minerales con alúmina y
sílice unida con agentes aglutinantes. Posee una baja resistencia térmica. Su rango de
servicio térmico va desde 950 °C hasta 1650 °C.
2.4.2. Enchaquetado
Son elementos de protección al sistema, que se colocan luego de la instalación del aislamiento y
su función es proteger al material aislante de abuso mecánico, amenazas de fuego y aislarlo
contra la exposición de climas húmedos, así como también líquidos o gases. Otra de sus
funciones es aumentar o reducir la emisividad de la superficie, según se solicite. En la Figura 2.4
se muestra un sistema con enchaquetado de aluminio.
22
Figura 2.4. Enchaquetado de aluminio [19]
Generalmente, estas chaquetas están conformadas por materiales metálicos. Sin embargo,
también existen ciertas aplicaciones donde se emplean materiales plásticos. Los materiales
utilizados para la construcción son: [8]
Aluminio: fue el primer material usado para hacer chaquetas; es de muy bajo costo y fácil
maniobrabilidad, opone poca resistencia mecánica al fuego debido que se funde a 650 °C.
Aluminio con limpieza química: es un aluminio recubierto con un inhibidor de corrosión;
es decir, que a diferencia del aluminio sin baño, tiene mejor resistencia a la corrosión.
Alclad: son láminas de aluminio recubiertas de una aleación de aluminio anódica para
protección contra la corrosión.
Acero electro-galvanizado: acero químicamente tratado por ambas caras, posee excelente
resistencia mecánica y química.
Acero inoxidable: es el material que ofrece mayor resistencia a las diferentes adversidades
(abuso mecánico, corrosión, fuego y ambiente). Es de elevado costo por su fabricación.
PVC (Polivinil-Cloruro): es un material muy versátil debido a que combina flexibilidad,
resistencia mecánica, resistencia al ataque químico y sirve de retardarte al fuego.
23
2.4.3. Sujeción
Los equipos de sujeción son el conjunto de dispositivos y accesorios que se utilizan para fijar y
mantener el sistema de aislamiento sobre máquinas, tanques y tuberías. Éstos pueden ser de dos
tipos: permanentes o removibles. Los dispositivos de sujeción del aislamiento y enchaquetado
son: [7, 12, 13]
Tornillos
Remaches
Aros de acero
Alambre
Resortes (expansión y contracción)
Grapas
Flejes y hebilla
Malla de acero
2.4.4. Recubrimiento
Los recubrimientos son materiales que se aplican o depositan sobre la superficie de un objeto
para formar una capa o película, los cuales servirán como protección contra las diversas
condiciones a las cuales se encuentra expuesto. Los recubrimientos son aplicados mediante
procesos en forma de líquidos, gases o sólidos. Las funciones que estos materiales pueden
cumplir son diversas, bien sea proteger o aumentar la resistencia contra condiciones ambientales
(agua, humedad, vapor, corrosión), cambiar las propiedades de la superficie (propiedades para
reflejar, emitir o absorber), como también motivos decorativos. [7, 10]
2.4.5. Barreras de vapor
Las barreras de vapor conocidas también como retardadores de vapor de agua son los diferentes
procedimientos que se seleccionan para aislar sistemas que operan a bajas temperaturas. Sirven
24
para reducir y controlar el paso de vapor, de manera que el material aislante se pueda mantener
siempre seco y pueda conservar sus propiedades invariables.
Los retardantes de vapor de agua se pueden clasificar en rígidos, flexibles o recubrimientos.
Los rígidos incluyen láminas rígidas de metal y plásticos reforzados, las cuales son diseñadas
para ajustar perfectamente entre sí y crear un sello hermético; sin embargo, en la práctica no se
logra un buen sello, por lo que se hace necesaria la aplicación de otros materiales menos
permeables.
Los retardantes flexibles abarcan hojas metálicas y plásticas, los cuales son excelentes barreras
contra el vapor. Los recubrimientos que se emplean pueden ser mastiques o pinturas de tipo
asfálticas, los cuales poseen muy baja permeabilidad.
CAPÍTULO 3
METODOLOGÍA
Con la finalidad de alcanzar los objetivos planteados para el trabajo de pasantía se procedió a
realizar la recopilación de la información necesaria para el desarrollo del trabajo. Esta
información está compuesta por guías de gerencia, proyectos y casos relacionados con la
metodología a desarrollar, normas, estándares y teoría referente proyecto.
Se comenzó con la revisión de la Guía de Gerencia de Proyectos de Inversión Capital (GGIPC)
de PDVSA y el Project Management Body of Knowledge (PMBOK) para comprender cómo
funciona Empresas Y&V y conocer la manera como se desarrollan los proyectos.
Posteriormente, se analizaron las normas ASTM C-680, PDVSA, PEMEX y OTO para
desarrollar el algoritmo matemático de programación de la hoja de cálculo. La hoja de cálculo
tiene como función el cálculo del espesor del material aislante, la temperatura de la superficie y el
flujo de calor generado.
La programación de las ecuaciones para el cálculo del espesor del aislante en función de las
condiciones ambientales, temperatura de proceso, características de la tubería o del equipo,
propiedades del material aislante y tipo de chaqueta se realizó en Excel®. Seguidamente, se hizo
la validación de la hoja de cálculo usando los datos reales de un equipo de la Planta de
Fertilizantes de El Palito.
Por último, se elaboraron varias gráficas de resultados de un análisis de sensibilidad para
conocer el comportamiento que se obtendría al variar los valores de los parámetros de entrada del
programa realizado en la hoja de cálculo. Posteriormente, se elaboró una guía para la selección y
colocación de materiales aislantes de uso comercial.
26
A continuación, se describe la metodología de las distintas etapas que contempla este estudio.
3.1. Estimación del espesor del aislante
Se comenzó con la revisión de la norma ASTM C-680, proporcionada por Empresas Y&V, la
cual se utilizó de base y guía para desarrollar el algoritmo de cálculo, debido a que la misma es
una exigencia que debe utilizarse en la empresa. En la Figura 3.1 se muestra, de manera sencilla,
el algoritmo de cálculo del programa para estimar el espesor del aislamiento y conocer cuál será
la temperatura de la superficie, así como también el calor perdido en equipos o tubería.
Figura 3.1. Algoritmo de cálculo
Para el cálculo del espesor se dependerá de las condiciones de operación y ambientales, así
como del material que se vaya a emplear en los equipos, líneas y aislantes.
La Figura 3.2 muestra un sistema equivalente que representa los sistemas estudiados, de manera
simplificada.
27
Figura 3.2. Representación del sistema de pared compuesta estudiado
Implementando el concepto de resistencia térmica (Ec. 2.14) desde el interior de la pared hasta
el medio exterior del sistema, se obtiene una expresión que permite calcular el flujo de calor:
(3.1)
donde Top es la temperatura de operación, Tamb es la temperatura ambiente, ri es el radio interno,
rm es el radio medio, re es el radio externo, kp es la conductividad térmica de la pared, ka es la
conductividad térmica del material aislante, hC es el coeficiente de convección externo y hR es el
coeficiente correspondiente a la radiación.
En los cálculos no se considera la radiación emitida por otros equipos ya que se presume que
todo el sistema está aislado y por ende, no será un valor significativo. Para la estimación del
28
coeficiente de convección, se utilizaron las correlaciones presentes en la norma ASTM C-680
(Ecuaciones 2.5, 2.6 y 2.7).
Una vez desarrollado el algoritmo mostrado en la Figura 3.1, se procedió a programar la hoja de
cálculo en Excel® para la estimación de espesor de aislamiento térmico. En esta hoja de cálculo
se debe introducir como datos: la temperatura ambiental, velocidad del viento, características del
equipo y/o línea, conductividad del aislante y tipo de chaqueta, obteniendo como resultado una
tabla de espesores y su correspondiente temperatura superficial y flujo de calor.
3.2. Análisis de sensibilidad
Posterior al desarrollo del programa identificado con el nombre "Estimación del espesor del
aislante", se realiza el estudio la sensibilidad de las variables de entrada de la hoja de cálculo,
mostrándose en pantalla el comportamiento de la curvas de temperatura y de calor transferido
para diferentes espesores de aislante.
Se realizaron tres estudios para determinar el comportamiento del sistema (equipo o línea),
donde se varió la emisividad de la superficie, la temperatura ambiental y la velocidad del viento,
los cuales se describen en el siguiente apartado.
3.3. Estudio de diferentes casos térmicos
En este trabajo se realiza el estudio de trece diferentes equipos debido a que requerían, según
los fabricantes OTO (estos fabricantes desarrollan y proveen tecnología para la creación de
energía sustentable mediante el uso de recursos naturales), de un espesor de aislante mayor que el
establecido en las normas PDVSA.
Las normas OTO consideran los siguientes valores para el cálculo del espesor del aislante: el
máximo flujo de calor permitido es de 200 W/m2 (en invierno) y la máxima temperatura de la
superficie es de 55 °C (en verano y sin considerar el efecto de la radiación).
29
En las normas PDVSA no se especifican las limitaciones al calcular el espesor del aislante,
simplemente se menciona cuál debe ser el espesor para los diferentes casos.
3.4. Selección de materiales aislantes y de sujeción
En el presente proyecto se contempla la revisión de los materiales aislantes más usados, con el
fin conocer sus características principales, cómo se clasifican y cuál es el intervalo de
temperatura de operación.
En cuanto a los materiales de sujeción, se desarrolla una guía sencilla en donde se indican los
procedimientos a seguir y los detalles que se deben tener presentes en la instalación, cómo debe
ser el acabado del trabajo y los diferentes tipos de materiales a emplear para mantener el sistema
de aislante en su lugar (ver Capítulo 4).
Este proceso da origen al desarrollo de una hoja de cálculo identificada con el nombre
"Materiales aislantes" para estimar la cantidad de materiales que se requieren en las
ramificaciones de tuberías y, de esta manera, llevar un mejor control de lo que se necesita al
momento de efectuar procesos de procura.
3.5. Estudio de permisibilidad en la norma PDVSA
Empresas Y&V se basa en los estándares establecidos en las normas PDVSA para la
realización de los distintos proyectos en el área ingenieril, por lo que es importante conocer cuál
es la transferencia de calor permitida, ya que en las tablas de PDVSA sólo se especifica la
temperatura de operación, el diámetro de la tubería o equipo y el espesor de aislante a emplear.
Las tablas de la norma PDVSA funcionan de manera muy sencilla, se entra por rango de
operación (filas) y el diámetro de la tubería o equipo (columnas) y al unir estos puntos se obtiene
el espesor recomendado (ver Anexo F). Para generar la gráfica de permisibilidad se debe realizar
30
la simulación para las distintas temperaturas e identificar el punto de corte con el espesor
especificado, obteniendo el flujo de calor permitido.
Para este estudio se implementan las normas PEMEX (ver Anexo G), ya que ésta posee una
tabla de permisibilidad (máximo flujo que se debe perder al operar a una temperatura
determinada).
3.6. Visita a la Planta de Fertilizantes
Para complementar el estudio, se realizó una visita a la Planta de Fertilizantes, ubicada en El
Palito, Morón, donde se conversó con el personal encargado de la instalación del sistema de
aislamiento en los equipos y tuberías para conocer los aspectos más importantes del proceso de
instalación de aislante térmico, obteniéndose las consideraciones necesarias que se deben
considerar para futuros proyectos ingenieriles relacionados con petróleo, gas, petroquímica e
infraestructura.
3.7. Guía de selección e instalación de sistemas de aislamientos
Finalmente, se elaboró una guía que describe los materiales a emplear durante el proceso de
instalación del sistema de aislamiento, así como los pasos que deben seguirse para la correcta
instalación del mismo.
31
CAPÍTULO 4
MATERIALES AISLANTES
El aislamiento térmico tiene suma importancia en la industria en cuanto a reducir las pérdidas
de energía. Existen diferentes materiales de acuerdo al intervalo de temperatura de trabajo. La
propiedad que define a estos materiales es la conductividad térmica.
El estudio de materiales aislantes se enfocó en tres: lana mineral, silicato de calcio y fibra de
vidrio, ya que éstos son los materiales que se emplean en la norma PDVSA, de la cual se ha
hecho referencia previamente.
4.1. Lana Mineral
La lana mineral es un producto natural descubierto por primera vez en Hawaii a principios del
siglo XX, fruto de la acción natural de los volcanes. Es un excelente material aislante y posee las
siguientes características:
La estructura de la lana contiene aire seco y estable en su interior, por lo que disminuye la
transferencia de calor.
Debido a su estructura multidireccional y elástica, la lana frena el movimiento de las
partículas de aire y disipa la energía sonora, empleándose como acondicionador acústico
para evitar reverberaciones y ecos excesivos.
La lana es un material no combustible, siendo Clase A1 según la clasificación europea de
reacción al fuego de los materiales de la construcción (Euroclases). Conserva sus
propiedades mecánicas intactas incluso expuesta a temperaturas superiores a 1000 ºC.
32
La humedad puede debilitar la estructura de ciertos paneles y hacer que empiecen a perder
su forma.
La humedad puede fomentar la proliferación de microorganismos y ocasionar problemas
sanitarios. Las partículas de polvo también pueden afectar la salud humana y resultar
críticas en sectores especiales.
Además de reducir las facturas de electricidad, la luz que refleja mejora la calidad de las
condiciones de iluminación.
Fácil maniobrabilidad.
Se puede trabajar sin usar equipos de protección.
Durabilidad de 15 años, aproximadamente.
4.2. Silicato de calcio
El silicato de calcio es un compuesto natural constituido de cal y sílice, frecuentemente
empleado en aislamiento térmico industrial y constructivo. Posee las siguientes características:
Material con baja conductividad y excelente rendimiento térmico.
Material no combustible, por lo que ofrece protección pasiva contra el fuego, funcionando
como retardante en todo incendio. Puede resistir temperaturas de hasta 1050 °C. Se le
considera como uno de los materiales más acertados en el tema de ignifugación.
Posee alta resistencia estructural y durabilidad (20 años aproximadamente).
Brinda excelente protección anticorrosiva.
Libre de sustancias peligrosas por lo que se considera muy amigable con el ambiente.
El polvillo que suelta es tóxico para el ser humano.
Su instalación es lenta, ya que tarda en pegarse y sujetarse.
Insolubilidad en el agua.
33
4.3. Fibra de vidrio
La fibra de vidrio es un producto natural, inorgánico y mineral. Posee las siguientes
características:
Presenta valores inmejorables de absorción y amortiguación acústica gracias a su
estructura elástica y fibrosa.
La facilidad de montaje, requisito ya considerado en fase de proyecto, requiere breves
períodos de tiempo de instalación y manutención, con un notable aumento de la eficacia y
una disminución de los costos.
Elevada resistencia a ambientes corrosivos.
La notable inercia ofrecida a la conducción del calor y del frío hace de la fibra de vidrio
un elemento insustituible para aplicaciones en condiciones climáticas extremas.
Las características mecánicas específicas del material (elevada relación entre resistencia y
peso) permiten reducir las masas, sin comprometer el alto estándar de prestaciones.
Su durabilidad, gracias a la combinación entre las características fisicoquímicas y la
elevada resistencia mecánica de la fibra de vidrio, garantiza un excelente resultado incluso
a la intemperie.
Gracias a la naturaleza inorgánica de la fibra de vidrio, ésta resulta de carácter
incombustible y mantiene sus excelentes propiedades térmicas. Seguridad frente al fuego.
CAPÍTULO 5
RESULTADOS
En esta sección se muestran los resultados obtenidos en el trabajo desarrollado.
5.1. Hoja de cálculo
La hoja de cálculo denominada: "Estimación del espesor del aislante" está diseñada para
estimar el espesor del material aislante, así como para conocer la temperatura de la superficie y la
pérdida de calor que existe a través del mismo. En la Figura 5.1 se observa cómo es la apariencia
de la hoja de cálculo que ha sido diseñada y programada.
Figura 5.1. Vista del programa
Luego de introducir todos los valores de entrada, se presiona el botón "Calculate", el cual dará
como resultado la temperatura superficial y el calor transferido para varios espesores de
35
aislamiento, según lo requerido por la empresa. La Figura 5.2 muestra el modelo de la tabla de
resultados como salida del programa.
Figura 5.2. Esquema de la tabla de resultados
Asimismo, el programa grafica los valores obtenidos como resultados, a través de dos modelos
de curvas, las cuales se muestran en la Figura 5.3.
36
Figura 5.3. Curvas de temperatura en la superficie y flujo de calor transferido en función espesor
del aislante
5.2. Análisis de sensibilidad
Muestra la variación de diversos parámetros (emisividad, temperatura ambiental y velocidad
del viento) de manera gráfica tal como se señala a continuación.
5.2.1. Efecto de la emisividad
Con el fin de analizar el efecto de la emisividad sobre la temperatura superficial, se muestra la
Figura 5.4, en la cual se aprecia que a partir de un espesor de aislante de aproximadamente 0,35
metros, la temperatura superficial es independiente de la emisividad. Esto puede explicarse
porque a partir de este punto, las variaciones de temperatura son muy pequeñas. Para valores
inferiores de 0,35 m de espesor existe una ligera tendencia de mayores temperaturas en superficie
mientras menor es la emisividad.
37
Figura 5.4. Comportamiento de la temperatura superficial para diferentes valores de emisividad
En la Figura 5.5 se aprecia que el flujo de calor es mayor para espesores de aislantes menores
de 0,03 m, obteniéndose los mayores valores a medida que la emisividad aumenta. Esto puede
explicarse en la consideración que a mayor emisividad se produce mayor transferencia de calor
hacia el ambiente. Esta tendencia se aprecia mejor en la Figura 5.6.
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Tem
pe
ratu
ra [
°C]
Espesor [m]
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
38
Figura 5.5. Comportamiento del flujo de calor para diferentes valores de emisividad
Figura 5.6. Comportamiento del flujo de calor para diferentes valores de emisividad. Intervalo de
espesor de aislante entre 0,00 y 0,03 m
0,00
2000,00
4000,00
6000,00
8000,00
10000,00
12000,00
14000,00
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Ca
lor
Pe
rdid
o [
W/m
²K]
Espesor [m]
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,00
2000,00
4000,00
6000,00
8000,00
10000,00
12000,00
14000,00
0 0,01 0,02 0,03
Cal
or
Pe
rdid
o [
W/m
²K]
Espesor [m]
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
39
5.2.2. Efecto de la temperatura ambiental
El efecto de la temperatura ambiental se muestra en Figura 5.7, en la cual se observa que no hay
cambios significativos para valores de espesor de aislante inferiores a 0,05 m; mientras que para
valores superiores se aprecia un comportamiento asintótico, donde a medida que la temperatura
ambiente aumenta, la temperatura de la superficie es mayor, ya que la mínima temperatura que
puede alcanzar la superficie será la temperatura de los. Un comportamiento distinto se aprecia al
graficar el flujo de calor en función del espesor del aislante para distintas temperaturas del
ambiente, donde se aprecia que no hay un cambio significativo en el flujo de calor, ya que los
cambios en la temperatura ambiente no hacen variar los valores de las resistencias térmicas que
influyen en el sistema (Figura 5.8).
Figura 5.7. Comportamiento de la temperatura superficial para diferentes valores de temperatura
del ambiente
0
100
200
300
400
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Tem
per
atu
ra s
up
erfi
cial
[°C
]
Espesor [m]
10 °C
15 °C
20 °C
25 °C
30 °C
35 °C
40 °C
40
Figura 5.8. Comportamiento de la transferencia de calor para diferentes valores de temperatura
del ambiente
5.2.3. Efecto de la velocidad del viento
La velocidad del viento es una variable que influye sobre el valor del efecto convectivo
originado por el aire. En la gráfica de la temperatura de la superficie en función del espesor del
aislante se observa que a medida que la velocidad del viento es mayor se debe utilizar menor
aislamiento para alcanzar la temperatura de superficie deseada, debido a que aumenta el flujo de
calor por convección (ver Figura 5.9).
Al graficar el flujo de calor en función del espesor del aislante para distintas velocidades del
viento, se observa que no hay un cambio significativo para valores de espesor de aislante
mayores a 0,1 m, mientras que para valores inferiores se observa que existe una mayor pérdida de
calor para mayores velocidades de viento (ver Figura 5.10).
0
2000
4000
6000
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Flu
jo d
e ca
lor
[W
/m²K
]
Espesor [m]
10 °C
15 °C
20 °C
25 °C
30 °C
35 °C
40 °C
41
Figura 5.9. Comportamiento de la temperatura superficial variando la velocidad del viento
Figura 5.10. Comportamiento del flujo de calor variando la velocidad del viento
0
100
200
300
400
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Tem
pe
ratu
ra [
°C]
Espesor [m]
20,0 m/s
12,0 m/s
6,0 m/s
3,0 m/s
1,5 m/s
0,5 m/s
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Cal
or
Per
did
o [
W/m
²K]
Espesor [m]
20,0 m/s
12,0 m/s
6,0 m/s
3,0 m/s
1,5 m/s
0,5 m/s
42
5.3. Estudio de diferentes casos térmicos
En el proyecto se presentó la posibilidad de estudiar diferentes equipos para comparar los
espesores indicados por las normas del fabricante OTO y las normas de PDVSA, debido a que
entre los mismos existen diferencias.
En la Tabla 5.1 se muestra la descripción de los equipos, así como la temperatura de operación
de los mismos y el espesor recomendado para cada uno de ellos por parte de los fabricantes de los
equipos (OTO).
Tabla 5.1. Casos térmicos
Descripción Temp. Operación Espesores (OTO)
[°C] [mm]
GA01 CM01 Steam Drum 290 200
GA01 EO01 Waste Heat Boiler 425 250
GA01 EP02 Economizer 1 480 250
GA01 EP03 Economizer 2 580 350
GA01 EO04 Superheater 655 400
GA01 CM03 Feed Water Tank 105 150
GA01 CM02 Blow Down Tank 105 100
KK01 EP03 Preheating Exchanger 680 300
KK01 EP01 Heat Exchanger 3A 510 300
KK01 EP02 Heat Exchanger 3B 430 200
KK01 HX01 Converter 635 300
SS01 CM01 Sulfur Storage Tank 165 75
SS01 CM02 Sulfur Day Tank 165 75
Las segundas normas en estudio llevaron a utilizar las tablas de la norma PDVSA (Anexo F),
con el fin de conocer cuánto era el valor recomendado de espesor de aislante por las mismas, las
cuales se presentan en la Tabla 5.2. Estos resultados corresponden al uso de lana mineral como
material aislante, debido a que las recomendaciones por parte de los fabricantes OTO usaban este
material; razón por la cual para validar se requiere el uso de las mismas condiciones.
43
Tabla 5.2. Espesores recomendados por la norma PDVSA
Descripción Temp. Operación Espesores (PDVSA)
[°C] [mm]
GA01 CM01 Steam Drum 290 75
GA01 EO01 Waste Heat Boiler 425 100
GA01 EP02 Economizer 1 480 120
GA01 EP03 Economizer 2 580 140
GA01 EO04 Superheater 655 170
GA01 CM03 Feed Water Tank 105 40
GA01 CM02 Blow Down Tank 105 40
KK01 EP03 Preheating Exchanger 680 120
KK01 EP01 Heat Exchanger 3A 510 120
KK01 EP02 Heat Exchanger 3B 430 100
KK01 HX01 Converter 635 120
SS01 CM01 Sulfur Storage Tank 165 75
SS01 CM02 Sulfur Day Tank 165 75
Al comparar los dos grupos de resultados, producto de aplicar normas distintas (tablas 5.1 y
5.2), se observa que existe una diferencia apreciable entre ambos, donde los espesores
recomendados por OTO siempre son mayores que los de PDVSA. Al estudiar detalladamente
cada caso, se encuentra que las recomendaciones dadas por los fabricantes OTO son más
conservadoras, debido a que limitan al sistema a tener una menor transferencia de calor, ya que
establecen por norma una máxima temperatura y máxima pérdida de calor.
Para verificar que los valores recomendados por OTO eran los ideales, se estudian todos los
casos, implementando límites en la pérdida de calor recomendados por PEMEX. Los resultados
se presentan en la Tabla 5.3.
44
Tabla 5.3. Espesores calculados limitando la pérdida de calor (normas PEMEX)
Descripción Temp. Operación Espesores Calor Perdido
PEMEX
[°C] [mm] [W/m²K]
GA01 CM01 Steam Drum 290 170 85,84
GA01 EO01 Waste Heat Boiler 425 230 121,31
GA01 EP02 Economizer 1 480 250 137,89
GA01 EP03 Economizer 2 580 280 168,44
GA01 EO04 Superheater 655 280 207,41
GA01 CM03 Feed Water Tank 105 80 41,53
GA01 CM02 Blow Down Tank 105 80 41,53
KK01 EP03 Preheating Exchanger 680 300 207,41
KK01 EP01 Heat Exchanger 3A 510 260 146,82
KK01 EP02 Heat Exchanger 3B 430 240 121,31
KK01 HX01 Converter 635 280 200,00
SS01 CM01 Sulfur Storage Tank 165 100 61,63
SS01 CM02 Sulfur Day Tank 165 100 61,63
5.4. Estudio de permisibilidad en la norma PDVSA
Con la utilización de la hoja de cálculo que ha sido programada en el presente trabajo y que se
ha identificado con el nombre: "Estimación del espesor del aislante", así como las tablas de la
norma PDVSA, se crea una gráfica que permite conocer la tendencia de la permisibilidad de calor
que considera PDVSA en su normativa.
En este sentido, se hace un estudio considerando tres materiales: silicato de calcio, lana mineral
y fibra de vidrio dado que son los materiales empleados en las normas PDVSA y los resultados
se muestran en la Figura 5.11. También se grafica la permisibilidad que aparece en las normas
PEMEX para tener puntos de comparación que permitan validar el programa a través de los
resultados obtenidos.
45
Figura 5.11. Tabla de permisividad
5.5. Visita a la Planta de Fertilizantes de El Palito
Por medio de la visita a la Planta de Fertilizantes de El Palito, se pudo conocer cuáles eran los
principales inconvenientes que existían al realizar la práctica de instalación del aislamiento.
También en la visita los trabajadores expertos en el área mostraron como es el montaje de un
sistema de aislamiento. Esta información que ha sido recopilada se muestra en el Anexo D del
presente informe.
5.6. Guía de selección e instalación de sistemas de aislamientos
En el presente trabajo se desarrolla una guía para los procesos relacionados con los sistemas de
aislamiento térmico, conteniendo los principales materiales a emplear, así como la manera como
se debe realizar la instalación de éstos. Esta información se muestra en el Anexo E de este
informe.
0
100
200
300
400
500
600
0 100 200 300 400 500 600 700
Flu
jo d
e c
alo
r [W
/m2]
Temp. de Proceso [°C]
Silicato
Lana
Fibra
PEMEX
CONCLUSIONES
Producto del desarrollo y ejecución del proyecto realizado en Empresas Y&V se pueden citar
las siguientes conclusiones:
Se obtuvo que la temperatura de la superficie se comporta de manera decreciente con el
espesor del aislamiento y presenta una tendencia asintótica que tiende a la temperatura
ambiente.
El flujo de calor disminuye con el espesor del aislamiento y posee una asíntota que
tiende a cero.
La velocidad del viento afecta la temperatura de la superficie.
La emisividad en un parámetro que no afecta significativamente el flujo de calor y la
temperatura de la superficie.
Se logró diseñar una hoja para el cálculo de manera rápida del espesor del aislante de
sistemas con aislamiento térmico (equipos y tuberías), lo que permitirá a Empresas
Y&V verificar y comparar recomendaciones otorgadas por los vendedores de los
equipos con las normas utilizadas por ellos.
Se realizó la validación del programa mediante las corridas con datos reales de la Planta
de Fertilizantes de El Palito, la cual permitió verificar que el mismo cumplía con los
requerimientos exigidos por la empresa.
Se elaboró una guía de instalación, la cual será empleada por la empresa para futuros
proyectos en el ámbito de construcción, en la cual se encuentran las normas que se
deben cumplir, así como también la forma de sujetar y mantener el sistema de
aislamiento por medio de los materiales de sujeción.
La norma PDVSA tiene una alta permisibilidad en el flujo de calor por costo del
combustible económico en Venezuela.
RECOMENDACIONES
Adicionalmente se recomienda para los cálculos:
Utilizar como temperatura de operación la temperatura mayor promedio al cual el equipo
esté operando. En el caso de las tuberías se recomienda tomar la mayor temperatura a la
entrada del sistema para obtener menores perdidas de flujo de calor.
Utilizar como temperatura ambiente el promedio registrado de ésta durante todo el año.
Utilizar como velocidad del viento el valor promedio registrado durante todo el año.
Para casos donde sea relevante la conservación del calor se deberán aplicar las normas
más conservadoras como las OTO y PEMEX.
Para los casos donde se quiere reducir el flujo de calor, así como proteger al equipo y
personal se recomienda el empleo de la norma PDVSA.
BIBLIOGRAFÍA
[1] Y&V, "La Empresa", [en línea], [consultado Noviembre de 2011]. Disponible en la web:
http://www.yvsite.com.
[2] YV-Intranet, "Información General", [en línea], [consultado Noviembre de 2011]. Disponible
en la web: http://yv-intranet/default1.htm.
[3] Frank P. Incropera, David P. DeWitt, “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”, Fifth
Edition, 2002.
[4] Yunus A. Cengel, “Transferencia de Calor”, Segunda Edición, Mc Graw Hill, 2003.
[5] ISOVER "Manual de Aislamiento en la Industria", Mercaillament Salvador Escoda S.A.
[6] Línea PYME "Beneficios del Aislamiento Térmico en la Industria", [en línea], [consultado
Noviembre de 2011]. Disponible en la web:
http://lineapyme.com/guias_ee/aislamiento.pdf.
[7] PDVSA, "Material Aislante y Aplicación Servicio en Caliente", Manual de Ingeniería de
Diseño, Volumen 10, PDVSA N° L-212, 1990.
[8] ASTM, "Thermal Insulations in the Petrochemical Industry", 1975.
[9] Sethuram C., "Proper Selection of Insulation Material is an Art"
[10] FiberGlass Colombia C.A., "Industrial División: Aislamientos", Notas Técnicas.
[11] ASTM Norma C 680-08, "Standard Practice for Estimate of the Heat Gain or Loss and the
Surface Temperatures of Insulated Flat, Cylindrical, and Spherical Systems by Use Computer
Programs".
49
[12] PEMEX, "Aislamientos Térmicos para Altas Temperaturas en Equipos, Recipientes y
Tubería Superficial", N° de Documento NFR-034-PEMEX-2004.
[13] BP, "Thermal Insulation", Doc N° RP 52-1, 1997.
[14] Gerdipac Industrial, "Que es el Aislamiento Térmico", [en línea], [consultado Noviembre de
2011]. Disponible en la web:
http://www.gerdipac.com.pe/Que%20es%20el%20Aislamiento%20Termico.pdf.
[15] NAIMA "Insulate Today, Save Tomorrow", [en línea], [consultado Noviembre de 2011].
Disponible en la web: http://www.naima.org/index.php.
[16] RockWool "Grosor del aislamiento", [en línea], [consultado Noviembre de 2011].
Disponible en la web:
http://s-america.rockwool-rti.com/productos/sustentabilidad/grosor+del+aislamiento.
[17] SARISA "Productos térmicos de poliuretano", [en línea], [consultado Noviembre 2011].
Disponible en la web:
http://www.sarisa.mx/productos.html
[18] Interempresas "reseña de productos/servicios", [en línea], [consultado Noviembre 2011].
Disponible en la web:
http://www.interempresas.net/Construccion/FeriaVirtual/Escaparate-Knauf-Insulation-
191718.html
[19] Classic Industrial services incorporated "Thermal Insulations Services", [en línea],
[consultado Noviembre 2011]. Disponible en la web:
http://www.classicindustrial.com/thermal-insulation.php
50
ANEXO A
Fotografías tomadas en la Planta de Fertilizantes de El Palito
51
Figura A.1. Hebilla
Figura A.2. Tornillos con sellos
Figura A.3. Guía para cortar el aluminio
52
Figura A.4. Chaqueta de aluminio
Figura A.5. Codo hecho de silicato de calcio
Figura A.6. Silicato de calcio
53
Figura A.7. Máquina para cortar el silicato de calcio
Figura A.8. Lana mineral
54
ANEXO B
Validación
55
DATOS
Ambiente: Tambiente (TAMB) 27 °C Figura B.1. Dimensiones del equipo Vviento (V) 3 m/s
Chaqueta: Material Aluminio
Aislamiento: Mineral Wool acc. To ASTM C592 - 04
Figura B.2. Conductividad térmica del aislamiento de lana mineral
Equipo: Steam Drum
Toperacion (TOP) 290 °C
Material Acero
Diametro (DM) 2,5 m
Longitud (L) 11 m
Espesor (tP) 0,04 m
Posicion Horizontal
56
CALCULO
Sistema equivalente por medio de resistencias
Figura B.3. Sistema equivalente de resistencia
Suposición del espesor del aislamiento
Calculo de calor transferido (q)
57
Suposición de la temperatura de la superficie
Calculo de Resistencias (Rx)
a. Pared
b. Aislante
c. Radiación
d. Convección
58
Se procede a sustituir todos los valores
Calculo de la temperatura de superficie (Tsup)
59
Como la temperatura supuesta y la obtenida no son iguales (60 y 43 °C), se vuelve a resolver el
sistema, pero esta vez se utiliza la temperatura obtenida (43 °C). Pero al resolver la segunda
iteración se obtiene los siguientes valores:
60
ANEXO C
Instrucciones del programa "Estimación del espesor del aislante"
61
Guía
El programa está diseñado para estimar el espesor del material aislante, así como conocer la
temperatura de la superficie y la pérdida de calor que existe a través del mismo. El programa
realiza iteraciones, para lo cual solo necesitan los datos del proceso de operación, condiciones
ambientales, características del equipo, conductividad del material aislante y especificaciones de
la chaqueta. En la Figura C.1 se observa cómo es la apariencia del mismo.
Figura C.1. Vista del programa
Los datos son sencillos de agregar, solo hay que proporcionar la información en las unidades
que se requieren y de no cometer errores al transcribir los mismos. El programa se divide en 6
secciones diferentes y se completaran de la siguiente manera:
Data de proyecto: esta primera parte, contiene las especificaciones del proyecto y del equipo,
para poder mantener un control y orden en los archivos.
Data de proceso: se debe proporcionar la información de la temperatura de operación del
equipo o línea, esta deberá estar en grados centígrados [°C]. Esta temperatura será la máxima que
se alcance durante el proceso. El rango de temperatura estará comprendido entre 60 a 1100 °C.
62
Data Ambiental: contiene los valores ambientales de diseño; dichos datos reflejan los valores
promedio a lo largo del año en esa zona. Se deberá colocar la temperatura promedio en grados
centígrados [°C] y la velocidad promedio del aire en metros por segundo [m/s]. El rango de
velocidad está comprendido entre 0,1 y 20,0 m/s
Data del equipo o línea: se completa con las dimensiones y materiales. Las unidades se deben
suministrar en metros [m]. En el caso del material del equipo o de la tubería se debe revisar la
conductividad del material. El rango de diámetro debe estar comprendido entre 0,0254 y 30 m.
Data de material aislante: en este segmento se agregan los valores de la curva de
conductividad del material aislante. Los valores de la temperatura se suministran en grados
centígrados [°C] y los de la conductividad térmica en SI (Sistema Internacional de unidades)
[W/m∙K]. Los datos se colocan de mayor a menor de derecha a izquierda. En el caso de no llenar
todos los espacios, se debe colocar cero (0) para evitar errores en los cálculos.
Data del enchaquetado: refleja las propiedades del material de la chaqueta, en donde se
colocan los valores de la emisividad. En la Tabla C.1 se encuentran las propiedades de los
materiales más comunes. Los valores de la emisividad están comprendidos entre 0 y 1.
Tabla C.1. Valores de emisividad de algunos materiales
Materiales Emisividad [ε]
Aluminio (nuevo) 0,10
Aluminio (en servicio) 0,04
Acero 0,80
Acero inoxidable (nuevo) 0,13
Acero inoxidable (en servicio) 0,30
Acero Galvanizado (nuevo) 0,10
Acero Galvanizado (en servicio) 0,28
PVC 0,90
63
Luego de introducir todos los valores, se procede a presionar el botón Calculate, el cual
proporciona como resultado la temperatura superficial y flujo de calor relacionado a cada espesor
de aislamiento. La Figura C.3 se muestra el esquema de la tabla de resultados.
Figura C.2. Esquema de la tabla de resultados
En la Figura C.3 se muestra un ejemplo realizado empleando la hoja de cálculo.
64
Figura C.3 Ejemplo de la hoja de cálculo
65
APENDICE D
Lista de materiales
66
Materiales Aislantes
Silicato de calcio: en bloque, preformado para tuberías hasta 650 °C
Fibra mineral: en bloque, preformado para tuberías, manta hasta 455 °C
Perlita expandida: en bloques, preformado para tuberías hasta 650 °C
Fibra de cerámica: hasta 1260 °C
Vidrio Celular: en bloques, preformado para tuberías hasta 232 °C
Tipos de preformaciones:
Tubería recta
Codo 90°
Codo 45°
Tee
Tee reductora
Brida
Válvula
Consideraciones para el manejo y mantenimiento de los materiales aislantes:
Materiales libres de asbesto
Todos los materiales deberán ser nuevos
No exponer materiales a temperaturas superiores a las cuales no pueden superarse
mencionados por el fabricante
Los materiales aislantes rígidos no se deformaran más de 6 mm
El material no debe presentar ningún tipo de falla cuando se prueben
67
Accesorios y Dispositivos
Aro Flotante
Tornillos autorroscante
Remaches
Malla de alambre
Alambre de acero inoxidable.
Resortes de aireación (expansión y compresión)
Grapas de ajuste rápido
Bandas y sellos (asegurar aislamiento)
Bandas de expansión
Pines o pernos soldables, alfileres y clips de apoyo
Clips en forma de "S" y "J"
Tapajuntas
68
Enchaquetado
Acero inoxidable
Aluminio: liso y corrugado
Plástico
No poner en contacto dos metales diferentes, primero se tiene que revestir
69
Materiales para junta de expansión
Relleno suelto (aislamiento de la junta)
Cemento para acabado
Junta (aro, perno y tuerca)
Figura D.1 Detalle de junta de expansión [7]
70
Recubrimiento para el sistema aislante
Mastique
Masilla
Cemento
Sellador
Aglutinantes
Tela de vidrio
71
ANEXO E
Guía de instalación
72
Procedimientos Preliminares
- Medir con precisión el sistema a ser aislado para prever la cantidad de material necesaria para
su instalación.
- Todas las superficies a ser aisladas deberán estar limpias, completamente secas y libres de
cualquier tipo de impurezas.
- El aislamiento deberá estar protegido contra la humedad e intemperie antes de su instalación.
Acabados y Detalles
- El extremo abierto deberá ser biselado o se les aplicara cemento.
- Todas las juntas y aberturas sean selladas para prevenir la penetración de humedad.
- Los bordes cortantes externos deberán ser redondeados para máxima protección.
- Para aislar equipos con temperaturas superiores a la ambiental:
1. Utilizar pinturas anticorrosivas para prevenir exposición del sistema.
2. Proteger el sistema con chaqueta de aluminio con su respectiva capa de barrera de vapor.
3. Sellar las uniones con material asfaltico
- Para aislar equipos con temperaturas superiores a la ambiental:
1. Cubrir el aislamiento con chaquetas de aluminio para proteger al material contra abuso
físico y deterioro
2. Cerciorarse de colocar un material aislante que pueda resistir las temperaturas a las cuales
estará sometido
- Normalizar el espesor, para mantener un espesor constante a lo largo de una red de tuberías, en
vez de implementar distintos espesores.
- Ensamblar el sistema de tuberías con el aislamiento ya colocado.
- Para las tuberías, comprar solo aislamiento prefabricado recto, ya que la elaboración de los
codos, válvulas y bridas se realiza de manera sencilla.
- Fabricar los accesorios, ya que su compra hace que se retarde el pedido.
- Pedir con tiempo los materiales para el sistema de aislamiento.
- Por eficiencia y facilidad es preferible trabajar con lana mineral.
73
Instalación en las tuberías
a.- Aislamiento en forma de coquilla
El aislamiento puede sujetarse con alambre metálico o bandas espaciadas entre centros de 300
mm. No habrá menos de 3 alambres por sección.
b.- Aislamiento en forma de manta
Cortar la manta a una dimensión igual al diámetro de la tubería más el doble del espesor de la
manta
Para su sujeción, atravesar con espigas y sujetado con remaches rápidos, o colgado de aros de
soporte y bien sujetado con bandas.
En el caso que se necesiten aplicar varias capas, asegurar de que las uniones no coincidan entre sí
para aumentar la eficiencia térmica del conjunto.
No deben quedar espacios vacios entre zonas aisladas contiguas.
En el caso de tuberías verticales, las juntas de expansión provistas de un aro rigidizante para
soporte del asilamiento.
El aislamiento vecino a bridas y válvulas debe ser biselado. Se recomienda una distancia de 25
mm a partir de los pernos.
Figura E.1. Detalle de aislamiento para tubería
74
Bridas y Válvulas
El aislamiento puede consistir de tamaños sucesivos acoplados hasta formar una caja alrededor
del cuerpo.
El espesor del aislante será igual al del aislamiento adyacente.
Figura E.2. Detalle de aislamiento para brida [7]
Figura E.3. Detalle de aislamiento para válvula [7]
75
Figura E.4. Detalle de aislamiento para boca de visita [7]
76
ANEXO F
Tablas PDVSA
77
Tabla F.1. Recomendación de espesor para silicato de calcio [7]
78
Tabla F.2. Recomendación de espesor para lana mineral [7]
79
Tabla F.3. Recomendación de espesor para fibra de vidrio [7]
80
Tabla F.4. Recomendación de espesor para silicato de calcio [7]
81
Tabla F.5 Recomendación de espesor para lana mineral [7]
82
Tabla F.6. Recomendación de espesor para fibra de vidrio [7]
83
ANEXO G
Tabla PEMEX
84
Tabla G.1. Recomendación de permisibilidad [12]
![FolletoAislanatEnero2017.ppt [Modo de compatibilidad] · El aislante de celulosa La celulosa es un aislante natural térmico y acústico para construcción realizado a partir de papel](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/5bd595de09d3f2463e8bf89d/foll-modo-de-compatibilidad-el-aislante-de-celulosa-la-celulosa-es-un-aislante.jpg)
