Aislamiento térmico

Aislamiento de lana mineral, 1600 dpi escaneado

Aislamiento térmico es la reducción de la transferencia de calor (es decir, la transferencia de energía térmica entre objetos de diferente temperatura) entre objetos en contacto térmico o en el rango de influencia radiativa. El aislamiento térmico se puede lograr con métodos o procesos especialmente diseñados, así como con formas y materiales de objetos adecuados.

El flujo de calor es una consecuencia inevitable del contacto entre objetos de diferente temperatura. El aislamiento térmico proporciona una región de aislamiento en la que se reduce la conducción térmica, creando un rotura térmica o una barrera térmica, o la radiación térmica se refleja en lugar de ser absorbida por el cuerpo de temperatura más baja..

La capacidad aislante de un material se mide como la inversa de la conductividad térmica (k). Una baja conductividad térmica equivale a una alta capacidad aislante (valor de resistencia). En ingeniería térmica, otras propiedades importantes de los materiales aislantes son la densidad del producto (ρ) y la capacidad calorífica específica (c).

Definición

La conductividad térmica k se mide en vatios por metro por kelvin (W·m⁻¹·K⁻¹ o W/ m/K). Esto se debe a que se ha encontrado que la transferencia de calor, medida como potencia, es (aproximadamente) proporcional a

• diferencia de temperatura ${displaystyle Delta T}$
• la superficie de contacto térmico ${displaystyle A}$
• el inverso del espesor del material ${displaystyle d}$

De esto, sigue que el poder de la pérdida de calor ${displaystyle P}$ es dado por ${displaystyle P={frac {kA,Delta T} {d}}$

La conductividad térmica depende del material y para los fluidos, su temperatura y presión. A efectos de comparación, se suele utilizar la conductividad en condiciones estándar (20 °C a 1 atm). Para algunos materiales, la conductividad térmica también puede depender de la dirección de la transferencia de calor.

El acto de aislamiento se logra recubriendo un objeto con un material de baja conductividad térmica de alto espesor. La disminución del área de la superficie expuesta también podría reducir la transferencia de calor, pero esta cantidad generalmente está fijada por la geometría del objeto que se va a aislar.

El aislamiento multicapa se usa donde predomina la pérdida de radiación, o cuando el usuario tiene restricciones en cuanto al volumen y peso del aislamiento (p. ej., manta de emergencia, barrera radiante)

Aislamiento de cilindros

Los escapes de coche generalmente requieren alguna forma de barrera de calor, especialmente los escapes de alto rendimiento, donde se aplica un revestimiento cerámico a menudo.

Para cilindros aislados, se debe alcanzar un manto de radio crítico. Antes de que se alcance el radio crítico, cualquier aislamiento adicional aumenta la transferencia de calor. La resistencia térmica convectiva es inversamente proporcional al área superficial y, por tanto, al radio del cilindro, mientras que la resistencia térmica de una cubierta cilíndrica (la capa de aislamiento) depende de la relación entre el radio exterior y el interior, no del radio en sí. Si se aumenta el radio exterior de un cilindro mediante la aplicación de aislamiento, se agrega una cantidad fija de resistencia conductiva (igual a 2×π×k×L(Tin-Tout)/ln(Rout/Rin)). Sin embargo, al mismo tiempo, se reduce la resistencia convectiva. Esto implica que agregar aislamiento por debajo de un cierto radio crítico en realidad aumenta la transferencia de calor. Para cilindros aislados, el radio crítico viene dado por la ecuación

${displaystyle {fnK}={k} {fnK}$

Esta ecuación muestra que el radio crítico depende únicamente del coeficiente de transferencia de calor y la conductividad térmica del aislamiento. Si el radio del cilindro aislado es más pequeño que el radio crítico para el aislamiento, la adición de cualquier cantidad de aislamiento aumentará la transferencia de calor.

Aplicaciones

Ropa y aislamiento animal natural en aves y mamíferos

Los gases poseen malas propiedades de conducción térmica en comparación con los líquidos y los sólidos y, por lo tanto, son un buen material aislante si pueden quedar atrapados. Para aumentar aún más la eficacia de un gas (como el aire), se puede descomponer en pequeñas celdas que no pueden transferir el calor de forma eficaz por convección natural. La convección implica un mayor flujo de gas a granel impulsado por la flotabilidad y las diferencias de temperatura, y no funciona bien en celdas pequeñas donde hay poca diferencia de densidad para impulsarlo, y la alta relación superficie-volumen de las celdas pequeñas retarda el flujo de gas. en ellos por medio de arrastre viscoso.

Para lograr la formación de pequeñas celdas de gas en el aislamiento térmico hecho por el hombre, se pueden usar materiales de vidrio y polímeros para atrapar el aire en una estructura similar a la espuma. Este principio se utiliza industrialmente en la construcción y aislamiento de tuberías como (lana de vidrio), celulosa, lana de roca, espuma de poliestireno (styrofoam), espuma de uretano, vermiculita, perlita y corcho. El aire atrapado es también el principio en todos los materiales de ropa altamente aislantes como lana, plumón y vellón.

La propiedad de atrapar aire también es el principio de aislamiento empleado por los animales homeotérmicos para mantenerse calientes, por ejemplo, las plumas y el pelo aislante, como la lana de oveja natural. En ambos casos, el material aislante principal es el aire y el polímero utilizado para atrapar el aire es la proteína de queratina natural.

Edificios

Aplicaciones de aislamiento comunes en edificio de apartamentos en Ontario, Canadá.

Mantener temperaturas aceptables en los edificios (mediante calefacción y refrigeración) utiliza una gran proporción del consumo energético global. Los aislamientos de edificios también utilizan comúnmente el principio de pequeñas celdas de aire atrapado como se explicó anteriormente, p. fibra de vidrio (concretamente lana de vidrio), celulosa, lana de roca, espuma de poliestireno, espuma de uretano, vermiculita, perlita, corcho, etc. Durante un tiempo también se utilizó el amianto, sin embargo, provocaba problemas de salud.

La película aislante para ventanas se puede aplicar en aplicaciones de climatización para reducir la radiación térmica entrante en verano y la pérdida en invierno.

Cuando está bien aislado, un edificio es:

• energía eficiente y más barato para mantener el calor en el invierno, o fresco en el verano. La eficiencia energética conducirá a una reducción de la huella de carbono.
• más cómodo porque hay temperaturas uniformes en todo el espacio. Hay menos gradiente de temperatura tanto verticalmente (entre altura del tobillo y altura de la cabeza) y horizontalmente desde paredes exteriores, techos y ventanas a las paredes interiores, produciendo así un ambiente más cómodo de ocupante cuando las temperaturas exteriores son extremadamente frías o calientes.

En la industria, se debe gastar energía para subir, bajar o mantener la temperatura de los objetos o fluidos de proceso. Si estos no están aislados, esto aumenta los requerimientos energéticos de un proceso, y por lo tanto el costo y el impacto ambiental.

Sistemas mecánicos

Aislamiento de agua caliente y retorno hidronico piping en una caldera a gas

Aislamiento térmico aplicado al componente de escape mediante rociado de plasma

Los sistemas de calefacción y refrigeración de espacios distribuyen el calor por los edificios por medio de tuberías o conductos. El aislamiento de estas tuberías con aislamiento de tuberías reduce la energía en las habitaciones desocupadas y evita que se produzca condensación en las tuberías frías y enfriadas.

El aislamiento de tuberías también se usa en las tuberías de suministro de agua para ayudar a retrasar el congelamiento de las tuberías durante un período de tiempo aceptable.

El aislamiento mecánico se instala comúnmente en instalaciones industriales y comerciales.

Superficies de enfriamiento radiativo pasivo

Se ha descubierto que el aislamiento térmico mejora la emitancia térmica de las superficies de enfriamiento por radiación pasiva al aumentar la capacidad de la superficie para reducir las temperaturas por debajo del ambiente bajo la intensidad solar directa. Se pueden usar diferentes materiales para el aislamiento térmico, incluidos los aerogeles de polietileno que reducen la absorción solar y la ganancia de calor parasitaria que pueden mejorar el rendimiento del emisor en más del 20 %. Otros aerogeles también exhibieron un fuerte rendimiento de aislamiento térmico para superficies de enfriamiento radiativo, incluido un aerogel nanofibroso de sílice y alúmina.

Refrigeración

Un frigorífico consta de una bomba de calor y un compartimento aislado térmicamente.

Nave espacial

Aislamiento térmico en la sonda Huygens

Aislamiento de una aerolínea Boeing 747-8

El lanzamiento y el reingreso imponen graves tensiones mecánicas a las naves espaciales, por lo que la resistencia de un aislante es de vital importancia (como se vio en la falla de las placas aislantes en el transbordador espacial Columbia, que provocó que el fuselaje del transbordador se sobrecalentara y se rompiera durante reingreso, matando a los astronautas a bordo). El reingreso a través de la atmósfera genera temperaturas muy altas debido a la compresión del aire a altas velocidades. Los aisladores deben cumplir con exigentes propiedades físicas más allá de sus propiedades retardantes de transferencia térmica. Los ejemplos de aislamiento utilizados en las naves espaciales incluyen el cono de la nariz compuesto de carbono-carbono reforzado y las tejas de fibra de sílice del transbordador espacial. Véase también Pintura aislante.

Automoción

Los motores de combustión interna producen mucho calor durante su ciclo de combustión. Esto puede tener un efecto negativo cuando alcanza varios componentes sensibles al calor, como sensores, baterías y motores de arranque. Por lo tanto, es necesario un aislamiento térmico para evitar que el calor del escape llegue a estos componentes.

Los automóviles de alto rendimiento a menudo usan aislamiento térmico como medio para aumentar el rendimiento del motor.

Factores que influyen en el rendimiento

El rendimiento del aislamiento se ve influido por muchos factores, entre los que destacan:

• Conductividad térmica ("k" o "λ")
• Emisividad superficial ("valor ε")
• Espesor de aislamiento
• Densidad
• Capacidad de calor específica
• Termal bridging

Es importante tener en cuenta que los factores que influyen en el rendimiento pueden variar con el tiempo a medida que el material envejece o cambian las condiciones ambientales.

Cálculo de requisitos

Los estándares de la industria suelen ser reglas generales, desarrolladas durante muchos años, que compensan muchos objetivos en conflicto: lo que la gente pagará, el costo de fabricación, el clima local, las prácticas tradicionales de construcción y los diferentes estándares de comodidad. Tanto la transferencia de calor como el análisis de capas se pueden realizar en grandes aplicaciones industriales, pero en situaciones domésticas (electrodomésticos y aislamiento de edificios), la hermeticidad es la clave para reducir la transferencia de calor debido a fugas de aire (convección forzada o natural). Una vez que se logra la hermeticidad, a menudo ha sido suficiente elegir el grosor de la capa aislante según las reglas generales. Se consiguen rendimientos decrecientes con cada duplicación sucesiva de la capa aislante. Se puede demostrar que para algunos sistemas, se requiere un espesor de aislamiento mínimo para que se realice una mejora.