1

Tema 3. TRANSMISIN DE CALOR. Mecanismos de transmisin. Conduccin.

Conveccin natural y forzada. Resistencia trmica. Radiacin. Intercambiadores de calor.

Aislamiento trmico

1. Introduccin

Los mecanismos de transmisin de calor: conduccin, conveccin y radiacin se muestran en la

fig 1. La conduccin transfiere calor a travs de la materia por choque de unas molculas con

otras, donde las ms energticas entregan energa a las menos, generando un flujo de calor

desde la temperatura ms alta a la ms baja. Los metales son buenos conductores de calor,

mientras que el aire o los plsticos son malos conductores (aislantes).

La conveccin transfiere el calor en un fluido (lquido o gas) por circulacin de su masa dentro

del mismo. Puede ser natural producida por la diferencia de densidad; o forzada, cuando el

fluido se obliga a moverse, por ejemplo el aire con un ventilador o el agua con una bomba.

La radiacin es energa transferida a travs de ondas electromagnticas emitidas por la materia

que se encuentra a una temperatura superior a 0 K. Se produce directamente desde la fuente en

todas las direcciones. A diferencia de la conduccin y de la conveccin, la radiacin no requiere

un medio material para su propagacin. La transferencia de energa por radiacin es ms

efectiva en el vaco que en el aire.

Figura 1. Mecanismos de trasmisin de calor

2. Conduccin

Trataremos slo la conduccin unidireccional (monodimensional) con distintas geometras. La

ley de Fourier establece que el flujo de calor Q (W) que atraviesa una seccin de rea A es:

xd

TdAk

td

QdQ

(1)

Donde k es la conductividad trmica que depende del material y de la temperatura (W/m grad).

El signo (-) indica que el calor se conduce desde las zonas de mayor a las de menor temperatura.

La figura 2 muestra el mecanismo de conduccin unidireccional

Figura 2. Conduccin unidireccional

2

El flujo de calor por unidad de rea )A/Q(

viene dado por (figura 3):

)trmicaaresistenci(k

LR;

kL

TT

A

Q 12

(2)

La expresin (2) corresponde al caso de un valor constante de k (valor medio entre los valores

de k correspondientes a las temperaturas T1 y T2). Es una expresin anloga a la ley de Ohm, en

donde el flujo de calor por unidad de rea es anlogo a la intensidad elctrica, la diferencia de

temperaturas a la diferencia de potencial y la resistencia trmica a la elctrica.

Figura 3. Conduccin de calor en un material (caso unidimensional)

Cuando se trata de n capas de distinto material (distinta k) a travs de las cuales fluye el mismo

flujo de calor, la ley de asociacin de resistencias en serie conduce a (figuras 4 y 5):

)trmicaaresistenci(k

eR;

R

TT

A

Q n

1i i

isesi

(3)

Donde ei son los espesores de las capas. Las temperaturas Tsi y Tse son las temperaturas de las

superficies de las caras interior y exterior respectivamente

Figura 4. Conduccin multicapa desde una cara interior (si) a Tsi a una exterior (se) a Tse.

Figura 5. Conduccin a travs de dos capas de materiales distintos. Resistencia trmica

3

Debido a irregularidades entre las superficies de contacto, en la zona de unin entre capas el

contacto no es perfecto y el calor se transmite por conduccin, conveccin y radiacin. Se

asocia una resistencia de contacto (RC) que relaciona el flujo trmico con las temperaturas entre

de las superficies de contacto (figura 6). En la prctica slo se considera en los casos de capas

de espesor muy pequeo o bien en capas de materiales de elevada conductividad (metales).

Figura 6. Resistencia de contacto en conduccin de calor

En el caso de un cilindro hueco (por ejemplo una tubera) de una sola capa (figura 7) se tiene

)trmicaaresistenci(k2

DDlnR;

R

TT

L

Q iesesi

(4)

En donde De, Di son respectivamente los dimetros exterior e interior y L es la longitud del

cilindro. Se supone que a lo largo del mismo, las temperaturas de sus caras interior y exterior

son constantes, es decir no hay variacin de temperatura a lo largo del cilindro.

En el caso de una esfera hueca de dimetros interior y exterior De, Di, se tiene (figura7):

)trmicaaresistenci(D

1

D

1

k2

1R;

R

TTQ

ei

sesi

(5)

Figura 7. Conduccin en cilindro hueco y en esfera hueca

En el caso de la presencia de varias capas (figura 8), el flujo de calor se calcula de acuerdo a (4)

y (5) pero considerando la asociacin de resistencias trmicas en serie para calcular la

resistencia trmica total. Segn las expresiones:

i1iii

1i

i D

1

D

1

k

1

2

1R:Esfera;

D

Dln

k

1

2

1R:Cilindro (5)

4

Figura 8. Conduccin en cilindros y esferas multicapas

3. Conveccin

La conveccin es un proceso de transmisin de calor entre una superficie slida (TA) y un fluido

(T). Se produce tanto en flujo interno (fluido en el interior de una tubera) como en el flujo

exterior (el fluido envuelve al slido como el caso del ala de un avin). Se distingue:

Conveccin natural: el movimiento del fluido se provoca por la diferencia de densidades debida a la diferencia de temperaturas en el fluido.

Conveccin forzada: el movimiento del fluido se produce por un sistema de impulsin externo (ventilador, agitador..).

En funcin del rgimen de circulacin del fluido: laminar, transicin y turbulencia

El flujo trmico viene dado por (figura 9):

)trmicaaresistenci(h

1R;TTAhQ A

(6)

En donde h: coeficiente de conveccin (W/m2grad).

5

Figura 9. Mecanismo de transmisin de calor por conveccin

El coeficiente h debe determinarse experimentalmente y presenta un amplio intervalo de

valores. El orden de magnitud se muestra en la siguiente tabla y en la figura 10.

Conveccin Natural aire Natural agua Forzada aire Forzada agua

(h) W/m2 K 5 50 10 100 10 200 50 10.000

Figura 10. Intervalos de valores del coeficiente de conveccin (h)

4. Conduccin y conveccin combinadas. Coeficiente global de transmisin de calor

En la prctica la transmisin de calor entre dos fluidos separados por una o varias capas de

material es una combinacin de conveccin pared interna conduccin material conveccin pared externa.

4.1. Caso pared plana

El flujo de calor entre dos recintos con temperaturas de los fluidos (Ti) y (Te) se determina

mediante la aplicacin de la ley de asociacin en serie de resistencias (figura 11). El inverso (U)

de la resistencia total es el coeficiente global de transmisin de calor

R

1U;

h

1

k

e

h

1R;

R

TT

A

Q

e

n

1j j

j

i

ei

(7)

6

Figura 11. Conveccin y conduccin combinada. Caso pared plana multicapa

4.2. Caso de un cilindro multicapa con conveccin y conduccin

Con referencia a la configuracin cilndrica multicapa de la figura 8, se considera conveccin en

el interior y exterior, con temperaturas de fluido (Ti) y (Te) y coeficientes de conveccin (hi) y

(he). En una superficie cilndrica de dimetro D y longitud L, un coeficiente h introduce una

resistencia trmica (1/Dh), por lo que:

R

1U;

hD

1

D

Dln

k

1

2

1

hD

1R;

R

TT

L

Q

eej

1j

jii

ei

(8)

4.3. Caso de una esfera multicapa con conveccin y conduccin

De forma anloga para una esfera multicapa con conveccin se tiene:

R

1U;

hD

1

D

1

D

1

k

1

2

1

hD

1R;

R

TTQ

e2ej1j

ji

2i

ei

(9)

4.4. Caso de un conducto rectangular de espesor uniforme e

En este caso el flujo de calor por unidad de longitud del conducto es:

R1

U;hP

1

PPk

e2

hP

1R;

R

TT

L

Q

eeeiii

ei

(10)

Pi, Pe: permetros interior y exterior respectivamente (P = 2 (a+b)).

Figura 12. Conduccin y conveccin en un conducto de seccin rectangular

7

5. Radio crtico de un aislamiento

A veces no se reducen las prdidas de calor cuando se aumenta el espesor de la capa de aislante.

Sea D1 el dimetro exterior del tubo aislado y D2 el dimetro exterior del conjunto tubo-aislante

(espesor del aislamiento es la semidiferencia de ambos dimetros).Sea T1 la temperatura en la

superficie de contacto tubo aislante y Tf la temperatura del fluido exterior. El aislante tiene una conductividad (k) y el coeficiente de conveccin aislante fluido exterior es (h).

Figura 12. Radio crtico de un aislamiento

El flujo de calor por unidad de longitud viene dado por:

convaist

2conv

1

2ais

convais

f1 RRR;hD

1R;

D

Dln

k2

1R;

RR

TT

L

Q

(10)

Suponiendo que todas las magnitudes permanecen constantes cuando vara el dimetro D2, se

determina el valor crtico de ese dimetro para que el flujo de calor sea mximo (resistencia

trmica total mnima) derivando R t de la expresin (10) con respecto a D2 e igualando a cero.

2

DDecrticoespesor;

h

k2D0

Dd

Rd 1CCC

2

t (11)

En la prctica si se aumenta el espesor del aislante de un tubo cuyo dimetro exterior es menor

que el dimetro crtico del aislante, aumentan las prdidas de calor y slo cuando el espesor del

aislante supere el espesor crtico se comenzarn a reducir las prdidas (ver figura 12).

Ejemplo

Un tubo de vapor de 25,4 mm de dimetro exterior se cubre con un aislamiento trmico (k =

0,208 W/m K). Si el coeficiente de conveccin con el aire ambiente es h = 5,68 W/m2 K,

analizar el efecto del espesor del aislante sobre las prdidas de calor del tubo.

Solucin

Dimetro crtico: mm9,23ecrticoespesor;mm2,73hk2D CC

Como el dimetro exterior del tubo (25,4 mm) es menor que el dimetro crtico, las prdidas de

calor aumentan si se asla el tubo con un espesor de aislamiento inferior al crtico (23,9 mm).

6. Calor especfico. Capacidad trmica

El calor Q a suministrar a una masa m para cambiar su temperatura de T1 a T2, es:

8

12 TTcmQ (12)

Donde c es el calor especfico y es una propiedad de cada sustancia. En los slidos y lquidos

vara con la temperatura (los cambios con la presin son poco significativos salvo para

variaciones muy grandes de presin). En los gases vara con la presin y con la temperatura,

distinguindose el calor especfico a volumen constante (cv) y a presin constante (cp). Para un

gas ideal, la variacin de energa interna especfica es igual al calor especfico a volumen

constante por la diferencia de temperatura y la variacin de entalpa especfica es el producto

del calor especfico a presin constante por la variacin de temperatura.

Las unidades del calor especfico son (J/kg K). A veces se utiliza el calor molar (Cm)

relacionado con el calor especfico (c) por: Cm = Mc (M: masa molecular, kg/kmol).

7. Difusividad trmica

Para una determinada sustancia o material, se define la difusividad ( = k/c), donde k es la conductividad trmica, la densidad y c el calor especfico. Su unidad es m2/s. Su significado est asociado con la velocidad de propagacin de calor en la sustancia cuando la temperatura

vara con el tiempo (regmenes transitorios de calentamiento o enfriamiento). La siguiente tabla

muestra los valores de la difusividad trmica para distintas sustancias.

Ejemplo

Una placa seminfinita est a una temperatura T0. Sbitamente la temperatura de una de las caras

cae a 0C. El tiempo que tarda en descender la temperatura hasta T0/2 en un punto interior a 0,3

m de la cara que experimenta el cambio de temperatura, est dado en la siguiente tabla.

Material Plata Cobre Acero Vidrio Corcho

Difusividad (106 m2/s) 170 100 13 0,6 0,1

Tiempo 9,5 min 16,5 min 2,2 h 2 das 77 das

8. Transmisin de calor por radiacin

La radiacin es un mecanismo de transmisin de calor que permite el intercambio de calor entre

una superficie y su entorno, mediante la absorcin y emisin de energa por ondas

electromagnticas. Mientras que en la conduccin y en la conveccin se precisa la existencia de

un medio material para transportar la energa, en la radiacin el calor se transmite a travs del

vaco, o atravesando un medio transparente como el aire. La relacin entre la longitud de onda

() y la frecuencia (f) es a travs de la velocidad de la luz en vaco (c 3x108 m/s) y la energa (e) asociada a una onda electromagntica de frecuencia (f) vienen dadas por:

)Planckdeconstante,Js10626,6h(fhe;fc 34 (13)

La radiacin es ionizante f 3 PHz ( 0,1 m). El espectro visible se sita entre 0,4 y 0,7 m.

Ejemplo

Calcular la frecuencia y la energa asociada a una radiacin de longitud de onda 10 m

eV12,0102,0103010626,6fhe;THz3010103f 19123458

9

La figura 13 muestra el espectro electromagntico.

Figura 13.Espectro electromagntico

El cuerpo o superficie negra es la que absorbe toda la radiacin incidente en todo el espectro de

longitudes de onda (desde 0 a ). Es un concepto ideal ya que las superficies reales absorben siempre menos que la negra. La potencia radiante qb, o flujo emisivo por unidad de superficie y

longitud de onda para una superficie negra (black) viene dado por la ley de Planck:

mK10439,1C;m

W10743,3C;

1e

Cq 222

16

1

T

C

5

1,b

2

(14)

La figura 14 muestra la potencia emisiva en funcin de la longitud de onda para distintas

temperaturas (T) de la fuente. Se observan unos picos dados por la ley de Wien:

)mK(10898,2T 3max (15)

Figura 14. Flujo emisivo por unidad de superficie y unidad de longitud de onda

10

El flujo emisivo total (qb) del cuerpo negro para todas las longitudes de onda se determina

mediante la ley de Stefan Boltzmann:

427440

, 1056697,0;1006697,5 KmWTTdqq bb

(16)

Las propiedades radiativas de una superficie real se refieren a la forma y cantidad como esa

superficie emite, absorbe, refleja y transmite la radiacin. Estas propiedades dependen de las

caractersticas de la superficie y de la longitud de onda de la radiacin. Para una determinada

superficie se define la absortividad monocromtica (), la reflectividad monocromtica () y la transmitividad monocromtica () como la relaciones entre flujos emisivos por unidad de superficie y longitud de onda absorbidos, reflejados y trasmitidos con el flujo emisivo (q) por

unidad de superficie y longitud de onda incidente sobre una superficie.

1q

q;

q

q;

q

q

t

r

a (17)

Aunque estas propiedades son funcin de la longitud de onda, en la prctica salvo cuando se

analizan fenmenos selectivos al paso de la radiacin, como puede ser el efecto invernadero o

transmisin a travs de un vidrio, en general se consideran valores medios para todo el intervalo

de longitudes de onda (0 ), definidos segn:

1dq

dq

;dq

dq

;dq

dq

a

0

a

a

0

a

a

0

a

(18)

Un cuerpo negro absorbe toda la radiacin ( = 1), ( = 0, = 0). La nieve y el hielo poseen una absortividad prxima a 0,95 con lo que absorben toda la radiacin menos la visible, por

lo que se comportan casi como cuerpos negros

Por lo que se refiere a la energa radiante reflejada se distinguen dos categoras extremas: especulares que reflejan la radiacin trmica como un espejo refleja la visible (ngulo de

incidencia igual al de reflexin) y las difusas que reflejan la radiacin incidente con la

misma intensidad en todas las direcciones.

Las superficies opacas no son transparentes, por lo que = 0 ( + = 1)

Superficie gris. Modelo terico en el que las propiedades de la superficie son independientes de la longitud de onda

Para una superficie real, la potencia radiante q o flujo emisivo por unidad de superficie y

longitud de onda se relaciona con la de un cuerpo negro a la misma temperatura (T) segn:

icamonocromtemisividad:;qq ,b (19)

La energa radiante emitida por una superficie real a temperatura (T) es siempre menor que la

emitida por una superficie negra a la misma temperatura (T).

emisividad:;T

q

q

q

dq

dq

4

b

0

,b

0

,b

(20)

11

La potencia trmica por unidad de superficie emitida por una superficie de emisividad ():

24 mWTq (21)

La ley de Kirchoff estable la igualdad para la emisividad espectral o monocromtica () y la absortividad espectral o monocromtica () para la misma temperatura (T):

TT (22)

Cuando las propiedades radiantes son independientes de la longitud de onda (cuerpo gris):

TT (23)

La expresin anterior para superficies reales es tanto ms exacta cuanto menos dependan las

propiedades radiativas de la longitud de onda. Deben consultarse los datos en cada caso.

Un cuerpo buen emisor para una longitud de onda es tambin es buen absorbedor para esa misma longitud de onda.

Cuando se pretende aumentar la energa absorbida por radiacin interesa superficies rugosas poco pulimentadas, muy poco reflectantes y de materiales muy absorbentes. Si se pretende

emitir (enfriar una superficie por radiacin) debe seguirse las mismas indicaciones.

Hay materiales con gran absortividad y emisividad (~ 1) que se comportan casi como cuerpos

negros (asfalto, arena hmeda), mientras que otros tienen muy bajos valores siendo muy

reflectantes (aluminio pulido). Hay otros denominados superficies selectivas que tiene una absortividad muy diferente a su emisividad. En la construccin se usan las llamadas superficies

selectivas fras (cal, pintura blanca) porque tienen una baja absortividad (no se calientan con la

radiacin solar) y una alta emisividad (buenos emisores de irradiacin). Tambin existen

superficies especiales, (superficies selectivas calientes) como metales con tratamiento superficial, que se usan en colectores solares por su alta absortividad en el dominio de la

radiacin solar y baja emisividad en el dominio de la radiacin infrarroja. En la figura 15 se

muestra la clasificacin para materiales tpicos de construccin.

El vidrio presenta una transmisin selectiva. Su transmitividad para la radiacin solar es muy

alta ( = 0.85, en vidrios claros), pero para la radiacin de onda larga es prcticamente nula, lo que produce el efecto invernadero al dejar pasar la radiacin solar al interior de un recinto e

impidir la salida al exterior de la radiacin infrarroja de las superficies calientes del interior.

12

Otro fenmeno de inters para la refrigeracin pasiva, es la irradiacin nocturna. El aire es

parcialmente transparente a la radiacin infrarroja lejana cuando est relativamente seco y el

cielo despejado, permitiendo as que las superficies exteriores puedan emitir notables flujos de

irradiacin hacia el cielo, que no son compensados desde la atmsfera, con un balance negativo

que produce un enfriamiento de dichas superficies por la noche (puede helarse un charco de

agua sin alcanzar el ambiente una temperatura de 0C).

Figura 15. Materiales de construccin segn su comportamiento radiativo

8.1. Intercambio de radiacin entre superficies

Cuando dos superficies se ven entre s intercambian energa trmica por radiacin. Un caso simple son dos superficies planas paralelas de superficie infinita, como las cmaras de aire,

donde es posible calcular el balance de radiacin qa de una superficie 1, T1 (K) y emitancia 1, respecto a la otra superficie 2, T2 (K) y emitancia 2, mediante la expresin:

2

21

4

1

4

2 mW

1

1

1

TTq

(24)

Otro caso es el de una pequea superficie (2) rodeada de una gran superficie (1), por ejemplo

una estufa en medio de una habitacin. Se calcula:

241422 mWTTq (25)

13

9. Cambiadores de calor

Cambiador de calor: equipo en el que tiene lugar la transferencia de calor de un medio a otro.

En general los medios son fluidos. Si hay cambio de fase (vapor a lquido) el cambiador recibe

el nombre de condensador y si el cambio de fase es de lquido a vapor, de evaporador. En este

apartado se estudian los cambiadores sin cambio de fase. Su clasificacin puede ser:

Segn la forma: cambiadores de tubos concntricos, de coraza-tubo, de placas

Segn su uso: recuperadores entlpicos, precalentadores de agua o de aire

Segn la direccin de los flujos: paralelo, contracorriente, cruzado..

Figura 16. Cambiador carcasa-tubos. Tipo 2 y 4 pasos

Figura 17. Cambiador de flujos cruzados

Figura 18. Cambiador de calor de placas

14

Figura 19. Recuperadores entlpicos

Las figuras 20 muestran las variaciones de temperatura de los fluidos caliente y fro en los flujos

en contracorriente (counter flow) y en paralelo (paralel flow).

Figura 20. Diagrama de temperaturas en flujo contracorriente y paralelo

15

La potencia trmica o flujo de calor intercambiado en el cambiador viene dado por:

WAUQ ml

(26)

En donde:

U: coeficiente global de transmisin de calor (W/m2K) referido al rea A

A: rea de transferencia (m2)

ml: diferencia media logartmica de temperaturas (DTML) dada por la expresin

KTTln

TTDTML

12

12ml

(27)

Donde (figura 20):

out,cin,h1in,cout,h2

in,cin,h1out,cout,h2

TTT;TTT:ientecontracorrFlujo

TTT;TTT:paraleloFlujo

(28)

La expresin (26), deducida para un cambiador en paralelo o en contracorriente, se utiliza para

cualquier otro tipo con un factor de correccin F en la DTML. De tal forma que resulta:

WAUFQ ml

Pueden consultarse diagramas adecuados para determinar F para cada tipo de cambiador. Las

figuras 21 y 22 muestran dos casos particulares.

Figura 21. Factor F cambiador carcasa tubo con un nmero par de pasos en lado tubo

Figura 22. Factor F para cambiador de un solo paso en flujo cruzado

16

9.1. Intercambiadores de calor con superficies extendidas (aletas)

Cuando se desea aumentar la transferencia de calor en caso de fluidos con bajo coeficiente de

conveccin, se obtiene una mejora del coeficiente global U si se aumenta la superficie de

contacto con el fluido de menor coeficiente. Este principio da lugar a los cambiadores con

superficies aleteadas (aletas longitudinales, circulares, etc.). Las figuras 23 muestran distintos

tipos de aletas y la figura 24 un fain-coil de calentamiento de aire para calefaccin, donde por el

interior de los tubos circula agua caliente y por el exterior (zona aleteada) el aire a calentar.

Figura 23. Tubos de aletas longitudinales y transversales

Figura 24. Fain coil para el calentamiento de aire para calefaccin

10. Aislamiento trmico

Los materiales aislantes trmicos son productos naturales (minerales, vegetales) o sintticos,

con gran resistencia al paso del calor. Sus funciones y caractersticas son:

Funciones: ahorro de energa y mejora del confort trmico en sector residencial

Caractersticas: baja conductividad trmica. En su interior contienen aire o gas inerte

Propiedades:

Conductividad trmica k (W/mK). Mide la capacidad aislante de un material. Cuanto menor sea su valor ms capacidad aislante tiene el material. Para cada material depende de varios

factores, tales como la temperatura, la densidad, la humedad, y el estado del material.

17

Permeabilidad al vapor de agua (g m/MN s). Tambin denominado factor de resistencia a la difusin del vapor de agua. Debe tenerse presente en los aislamientos que preservan

una superficie fra; si el aislamiento permite que la temperatura de la superficie alcance la

de roco y la humedad del aire se ponga en contacto con la superficie fra, sta se ir

condensando y mojando todo el aislamiento, creando prdidas de capacidad de aislamiento,

superficies mojadas, e incluso problemas higinicos, de mohos y de corrosin.

Densidad (kg/m3).

Calor especfico c (J/kg K).

Resistencia trmica (R). Relacin entre el espesor y la conductividad trmica del producto. Es propia de cada producto. Cuanto mayor sea su valor mayor es su capacidad aislante. El

Cdigo Tcnico de la Construccin (CTE) considera aislante aquel material con

conductividad trmica menor que 0,06 W/m K y resistencia trmica mayor que 0,25 m2K/W

Clasificacin de los materiales aislantes

Segn su estructura: granular, fibrosa, alveolar, etc.

Segn su origen: vegetal, mineral, sinttico, etc.

Segn su resistencia en las diferentes zonas de temperaturas.

Origen natural orgnico Origen sinttico orgnico Origen inorgnico

Corcho aglomerado

expandido

Madera: fibra de madera,

virutas de madera, etc.

Fibra de camo

Fibra de lino

Balas de paja

Pasta de celulosa

Lana de oveja

Poliestireno expandido (EPS)

Poliestireno extruido (XPS)

Poliuretano (PUR)

Espuma de urea-formol

Espuma fenlica

Espuma elastomrica

Espuma de polietileno

Espuma de polipropileno

Espuma de melanina

Espuma de poliisocianurato

Plancha de policarbonato aislante

Lanas minerales: lana de

vidrio y lana de roca

Vidrio celular

Arcilla expandida

Vermiculita

Perlita

Hormign celular

Arcilla aislante

Polvo cermico

consolidado

Segn las temperaturas mximas de empleo

Aislante cermico hasta 1.500C

Lana de roca o mineral hasta 750C.

Lana de vidrio hasta 500C sin encolar y hasta 250C encolado.

Espuma elastomrica a base de caucho sinttico desde 50C hasta 175C Espumas de polietileno desde 10C hasta 90C.

Espumas de poliuretano desde 150C hasta 100C Poliestireno extruido hasta 85C y poliestireno expandido hasta 70C

10.1. Aplicacin a la edificacin

El aislamiento de fachadas, cubiertas y suelos reduce las prdidas de energa. Algunas de las

aplicaciones de los distintos de materiales aislantes en la edificacin son:

Aislantes cermicos: recubrimiento para todo tipo de hornos, cmaras, calderas, puertas industriales, paredes, techos, conductos, chimeneas, barrera contra incendio y como

recubrimiento secundario sobre el refractario para mejorar su eficiencia trmica.

18

Lana de roca: excelente aislamiento trmico a altas temperaturas, se aplica en tuberas de fluidos muy calientes, tubos de humos de combustin, proteccin de elementos

constructivos para el fuego, aislamiento acstico en construccin y aislamiento trmico.

Lana de vidrio: buen aislamiento trmico a medias temperaturas; se aplica en tuberas de fluidos calientes, aislamiento acstico, en construccin de viviendas e industriales como

aislamiento trmico. Se coloca en falsos techos, cmaras de aire, tuberas, cubiertas, etc.

Espuma elastomrica: buen aislamiento trmico a medias temperaturas y bajas; se aplica en tuberas de fluidos calientes y fros, necesita proteccin exterior contra radiacin UV.

Espuma de polietileno: Aplicacin en aislamiento de tuberas de calefaccin e hidrosanitaria. Evita en gran medida los ruidos y vibraciones de las instalaciones.

Espuma de poliuretano: Aplicada in situ tiene aplicaciones en cmaras de aire en edificios

Poliestireno expandido: Se usa en forma de placas en edificacin para la construccin de cmaras de aire, falsos techos, panel sndwich fabricados in situ o en fbrica, etc.

Poliestireno extruido: Recomendado especialmente en casos de humedad extrema y donde hay congelamiento. Usos ms comunes: en techos, lmina, madera, fibrocemento, muros y

suelos, mampostera, estructura metlica o de madera, as como en cmaras refrigerantes,

edificios, y una gran variedad de usos

10.2. Materiales aislantes y sus ciclos de vida

.

El anlisis del ciclo de vida (LCA) establece una relacin de todos los impactos positivos y

negativos de un producto en el ambiente. Estos impactos se miden en cada etapa de la vida del

producto desde la cuna a la tumba, es decir desde la extraccin de las materias primas hasta el final del uso del producto incluyendo el tratamiento del producto residual final, con indicadores

o ndices sobre los residuos slidos, los efluentes lquidos, las emisiones a la atmsfera y el

consumo de recursos energticos y no energticos. Un anlisis basado solamente en una parte

del ciclo de vida del producto sera engaoso. Por ejemplo, las lanas de camo usan poca

energa durante el proceso de produccin pero las fibras del polister usadas para entrelazar las

fibras de camo tienen un contenido en energa muy alto (fig 25).

Figura 25. Etapas del anlisis del ciclo de vida (LCA)

19

Cul es el mejor material de aislamiento desde el punto de vista ambiental?

Es difcil comparar distintos materiales de aislamiento, ya que slo se podran hacer

comparaciones directas con dos piezas idnticas de los productos de aislamiento (por ejemplo. 1

m2), con el mismo valor de resistencia trmica (R), instalado de la misma forma, con el mismo

uso, siendo la nica diferencia el material del que est fabricado. Estos dos productos ahorrarn

la misma cantidad de energa a lo largo de su vida y producirn disminuciones iguales de

emisiones de CO2. Pero sus impactos ambientales sern diferentes segn el producto y su

proceso de fabricacin, suministro y montaje. Slo el anlisis de LCA facilita una base objetiva

para la comparacin. Un producto puede ser bueno bajo ciertos criterios de impacto ambiental y

no serlo para otros. La siguiente tabla muestra un ejemplo de comparacin.

Por m2 sobre el conjunto del ciclo de vida Lana de vidrio Lana de camo

Energa primaria (MJ) 35,6 82,3

Agua (L) 16,7 11,7

Calentamiento global (kg eq CO2) 1,14 4,39

LCA segn NF P01-010 de dos productos de ISOVER-80 milmetros y R = 2 m2 K / W

Declaracin medioambiental de producto (Environmental Product Declaration EPD

Las declaraciones medioambientales de producto (EPD) proporcionan datos comparables

basados en anlisis LCA. Por ejemplo en el caso de ISOVER los EPD y los LCA se han

realizado segn el estndar francs NF P01-010 y se han sometido a la verificacin de terceros

(ECOBILAN, una divisin de Price Waterhouse Coopers). La figura 26 muestra una declaracin

ambiental de la lana de vidrio (ISOVER). La figura 27 muestra el aspecto de dos aislante muy

usados en construccin e industria: la lana de vidrio y la lana de roca (ISOVER)

Figura 26. Declaracin ambiental de producto para la lana de vidrio

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Figura 27. Muestras de lana de vidrio y de lana de roca (ISOVER)

Perlita expandida (inorgnico natural granuloso)

Se obtiene de la perlita, una roca volcnica, la cual, al aplicarle calor se expande, aumentando su

volumen un 20%. Se obtiene as un producto de grano muy ligero, formado por micro-celdas

cerradas y vacas, evitando el intercambio trmico por conduccin y radiacin. Adems, los

granos de perlita inmovilizan el aire presente evitando la transmisin trmica por conveccin.

Figura 28. Perlita expandida

Lana de roca (sinttico inorgnico fibroso)

Est formada por un entrelazado de filamentos de materiales ptreos que forman un fieltro que

mantiene entre ellos aire en estado inmvil. Se fabrica a partir de roca basltica.

Figura 29. Lana de roca

Vidrio celular (sinttico inorgnico espuma)

Es una mezcla de feldespato y vidrio reciclado. Una vez fra se muele y se obtiene un polvo

muy fino de vidrio. Despus se aade carbono y se cuece a alta temperatura. En la coccin el

carbono se oxida y crea burbujas gaseosas provocando un proceso de expansin de la masa.

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Figura 30. Vidrio celular

Corcho natural (orgnico natural granuloso)

Se extrae de la corteza del alcornoque cuando cambia de forma natural cada 10 aos. El

granulado de corcho se hornea, las clulas de corcho se expanden entre un 20-30% y la resina

natural que se segrega hace de aglutinante. El producto se prensa para formar planchas rgidas.

Figura 31. Corcho natural

Fibras de celulosa (orgnico natural fibrosa)

Se fabrica a base de papel reciclado, aadiendo productos aglutinantes e impermeabilizantes

como el sulfato de aluminio para obtener las propiedades trmicas e higromtricas apropiadas.

Figura 32. Fibra de celulosa

Poliestireno extruido (XPS)

El compuesto base es el estireno, que es un subproducto del procesado del gas natural y del

petrleo. El estireno monmero se transforma en poliestireno por un proceso de polimerizacin.

Posteriormente, la resina resultante sufre una serie de procesos qumicos cambiando su estado

de slido a espumoso, consiguiendo una estructura celular cerrada, es decir, sin conexiones

entre las distintas celdas, con forma de plancha rgida y continua.

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Figura 33. Poliestireno extruido (XPS)

Los materiales orgnicos tienden a tener menor conductividad (fig 34).

Figura 34. Comparacin de la conductividad trmica

Un aislante debe permitir la transpiracin para evitar condensacin y humedad. El ndice de

resistencia al vapor indica la capacidad de oposicin de un material al paso de vapor de agua.

Exceptuando el XPS, el resto de materiales tienen un buen comportamiento (fig 35).

Figura 35. Resistencia media a la difusin de vapor de agua

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Descripcin comparativa de las propiedades de los materiales aislantes escogidos

La siguiente tabla muestras las caractersticas de sostenibilidad de los diferentes aislantes.

10.2. Espesor ptimo econmico de aislamiento

En general, la mayor parte de las inversiones en aislamiento tienen un carcter econmico:

limitar las prdidas de calor. Por ello se requiere un anlisis econmico para la seleccin del

material y el espesor (e) de aislamiento. Las prdidas de energa disminuyen con el espesor de

aislamiento pero aumenta la inversin para su compra e instalacin. La figura 36 muestra estos

conceptos para la unidad especfica (m2 de superficie aislada) y para un tiempo de amortizacin.

A mayor espesor disminuye el coste de prdidas de energa pero en cambio aumenta los costes

de inversin. El espesor presenta un ptimo econmico en el mnimo de la funcin coste total.

Figura 36. Espesor ptimo econmico de un aislamiento trmico