Aislamiento Térmico - Tuberías. Temperatura superficial vs el espesor del aislante. Fluidos Calientes. Calculador
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Objetivos.
Introducción
El coeficiente superficial de transmisión de calor (coeficiente convectivo más radiactivo), ho
Cálculo del espesor del aislamiento térmico para evitar las pérdidas energéticas en superficies calientes
Variación de la temperatura superficial en una superficie plana y tubería respecto al espesor del aislante
Calculador para determinar el espesor del material aislante en superficies calientes, tanto planas como en tuberías
Formulario Registro de datos. Sup. Planas y Tuberías. Calor
Panel de Salida. Espesor límite aislamiento en sup. Planas y Tuberías. Calor
Introducción
Se presenta un Calculador Energético que facilitará determinar el espesor del material aislante tanto en una pared o superficie plana como en una curvada o tubería y que asegure un mínimo de pérdidas energéticas.
Desde que surgieron los grandes sistemas de tuberías para transportar vapor de agua y agua caliente, el reto principal para los materiales de aislamiento térmico fue evitar las pérdidas de calor al medio ambiente, además de proteger a las personas que operan las industrias y que pudieran tener contacto con las superficies a altas temperaturas.
Los proyectistas que tienen que seleccionar y prestar atención sobre el material aislante en los sistemas industriales y comerciales que funcionan con temperaturas superiores a la del ambiente, tienen que garantizar que el portador no pierda temperatura a lo largo de su trayectoria y con ello disminuya su calidad energética. La pérdida de temperatura está vinculada con un aislamiento deficiente.
Un buen aislamiento (entiéndase por un buen material aislante y por un montaje correcto) puede conseguir de forma continua que la temperatura superficial sea cercana a la temperatura ambiente y con ello reducir las pérdidas de calor. Para ello debemos seleccionar el material adecuado, según sus características y propiedades y de acuerdo a las condiciones ambientes peores donde se encuentra la superficie caliente o se hará el trazado de la tuberías. Para esto no solo tenemos que saber seleccionar el material correcto, también tenemos que dominar cómo determinar el espesor idóneo. Los factores que intervienen en una correcto diseño, aunque ya se ha visto en los temas anteriores, aquí los remarcamos nuevamente:
a) La temperatura ambiente, ta.
b)
La temperatura del fluido caliente, ti
c) El coeficiente de conductividad térmica del material aislante,
λ
d) El coeficiente superficial de transmisión de calor (coeficiente convectivo más radiactivo), ho
El coeficiente superficial de transmisión de calor (coeficiente convectivo más radiactivo), ho
Es la suma de ambos coeficientes (ho + hr) y debido a lo generalizado de los sistemas que conducen agua fría, existe una experiencia acumulada que asegura poder definir con seguridad que los valores que típicamente toma están entre 4 y 8 Kcal/m2-h-ºC (5 y 8 Wh/m2-h-ºC
):
-Aislamiento sin protección o pintado, en locales: 8
Kcal/m2-h-ºC (9 Wh/m2-h-ºC
)
-
Zonas ligeramente ventiladas: 8
Kcal/m2-h-ºC (9 Wh/m2-h-ºC
)
-Aislamiento recubierto con una lámina de acero galvanizado: 6
Kcal/m2-h-ºC (7 Wh/m2-h-ºC
)
-
Zonas poco ventiladas: 6
Kcal/m2-h-ºC (7 Wh/m2-h-ºC
)
-Aislamiento recubierto con una lámina de aluminio: 6
Kcal/m2-h-ºC (7 Wh/m2-h-ºC
)
- Zonas poco ventiladas: 6
Kcal/m2-h-ºC (7 Wh/m2-h-ºC
)
Cálculo del espesor del aislamiento térmico para evitar las pérdidas energéticas en superficies calientes.
Cómo ya se ha mostrado antes, se realizará un balance de energía entre el interior y el exterior de la tubería aislada.
donde:
-tsext es la temperatura superficial exterior del aislamiento térmico o capa que lo protege.
-e es el espesor del material aislante más la capa que lo recubre, si existe.
| q=λ/e (tsup-ti) |
| q=ho(ta-tsup) |
| ho (ta-tsup)=λ/e (tsup-ti) |
| e =λ/ho * (tsup-ti)/(ta-tsup) |
| finalmente >> e =λ/ho * (tsup-ti)/(ta-tsup) |
A continuación se presentan los cálculos de espesor de una manta o coquillas realizados para condiciones ambientes y de proceso extrema.
Hemos considerado unas condiciones severas del vapor de agua recalentado y a alta presión.
Encontramos una temperatura ambiente calurosa, de 36 ºC. Al otro lado de la superficie de la pared o tubería, tendremos una temperatura de 500 ºC. Si no tenemos en cuenta un buen aislamiento, seguro que tendremos pérdidas considerables de energía y caídas de temperatura en el vapor a lo largo de su trayectoria.
El procedimiento que se seguirá es que dado un valor del espesor del material aislante, se calculará la temperatura superficial. Para superficies planas corresponderá el espesor de mantas. Para las tuberías, serán los espesores de las coquillas o duelas.
Variación de la temperatura superficial en una superficie plana y tubería respecto al espesor del aislante.
| Superficie plana |
| Variables |
Caso 1 |
Caso 2 |
Caso 3 |
Caso 4 |
Caso 5 |
Caso 6 |
| t1, temperatura int. fluido, ºC |
500 |
500 |
500 |
500 |
500 |
500 |
| t2, temperatura ext. ambiente, ºC |
36 |
36 |
36 |
36 |
36 |
36 |
| espesor, e, m |
0 |
0.005 |
0.01 |
0.015 |
0.02 |
0.025 |
| λ, kcal/m2-h-ºC |
0.0264 |
0.0264 |
0.0264 |
0.0264 |
0.0264 |
0.0264 |
| ho, kcal/m2-h-ºC |
8 |
8 |
8 |
8 |
8 |
8 |
| Rho |
0.125 |
0.125 |
0.125 |
0.125 |
0.125 |
0.125 |
| Rtotal =1/ho + e/λ |
0.125 |
0.314 |
0.504 |
0.693 |
0.883 |
1.072 |
| tse, ºC |
268.00 |
168.00 |
128.24 |
106.89 |
93.56 |
84.46 |
| ∆Thext=tse-t2, ºC |
232.000 |
132.000 |
92.241 |
70.889 |
57.564 |
48.456 |
| ∆Taislante=t1-tse ºC |
232.000 |
332.000 |
371.759 |
393.111 |
406.436 |
415.544 |
| qhext=∆Thext/Rho, kcal/h |
1856.000 |
1056.000 |
737.928 |
567.111 |
460.511 |
387.646 |
| qaislante=∆Taislante/Rtotal, kcal/h |
1856.000 |
1056.000 |
737.928 |
567.111 |
460.511 |
387.646 |
| Reducción de la pérdida, unidades |
1 |
2 |
3 |
3 |
4 |
5 |
| Superficie tubería |
| Variables |
Caso 1 |
Caso 2 |
Caso 3 |
Caso 4 |
Caso 5 |
Caso 6 |
| t1, temperatura int. fluido, ºC |
500 |
500 |
500 |
500 |
500 |
500 |
| t2, temperatura ext. ambiente, ºC |
36 |
36 |
36 |
36 |
36 |
36 |
| di, m |
0.025 |
0.025 |
0.025 |
0.025 |
0.025 |
0.025 |
| do, m |
0.025 |
0.03 |
0.035 |
0.04 |
0.045 |
0.05 |
| λ, kcal/m2-h-ºC |
0.0264 |
0.0264 |
0.0264 |
0.0264 |
0.0264 |
0.0264 |
| ho, kcal/m2-h-ºC |
8 |
8 |
8 |
8 |
8 |
8 |
| Rho |
0.125 |
0.125 |
0.125 |
0.125 |
0.125 |
0.125 |
| determinando ln do/di |
0.000 |
0.182 |
0.336 |
0.470 |
0.588 |
0.693 |
| ln (do/di)/2πλ |
0.000 |
1.100 |
2.029 |
2.835 |
3.545 |
4.181 |
| Rtotal, ln (do/di)/2πλ*Rho |
0.125 |
1.225 |
2.154 |
2.960 |
3.670 |
4.306 |
| espesor, m |
0.00000 |
0.00500 |
0.01000 |
0.01500 |
0.02000 |
0.02500 |
| tse, ºC |
268.0 |
79.0 |
61.4 |
54.8 |
51.3 |
49.1 |
| ∆Thext=tse-t2, ºC |
232.0 |
43.0 |
25.4 |
18.8 |
15.3 |
13.1 |
| ∆Taislante=t1-tse ºC |
232.0 |
421.0 |
438.6 |
445.2 |
448.7 |
450.9 |
| qho=∆Thext/Rho |
1856.000 |
343.780 |
203.555 |
150.410 |
122.256 |
104.721 |
| qaislante=∆Taislante/Rtotal |
1856.000 |
343.780 |
203.555 |
150.410 |
122.256 |
104.721 |
| Reduccion de la pérdida, unidades |
1.000 |
5 |
9 |
12 |
15 |
18 |
Si comparamos las pérdidas energéticas que se producen cuándo una superficie metálica no está aislada con la aislada y con distintos espesores, comprobamos la cantidad de calor que se dejará de perder por hora de operación.
Otra comparación interesante es que en las coquillas, con igual espesor de aislamiento respecto a la superficie plana e iguales condiciones del sistema, se consiguen mayores resistencias térmicas. Ya este comportamiento lo explicamos antes.
Calculador para determinar el espesor del material aislante en superficies calientes, tanto planas como en tuberías.
a)
Se consideran las condiciones del ambiente exterior (ta2), e interior del flujo en la tubería (t1)
b)
Se requiere conocer el coeficiente de conductividad térmica
λ y el coeficiente combinado de transferencia de calor del ambiente exterior (ho) de la tubería.
d) Se requiere definir el diámetro interior (d1) y exterior (d2) de la coquilla, en m
e) El calculador reportará la temperatura superficial del material aislante e informará los grados de sobre temperatura respecto a la ambiente, como medida de eficiencia energética.
Procedimiento:
1) Se determinan las propiedades de la capa 2 (aire ambiente), temperatura bulbo seco (t2) y el coeficiente combinado de transferencia de calor, (ho)
-ho en superficies verticales es de 7 a 10 kcal/m2-h-ºC (8 a 12 W/m2 - ºC) régimen forzado
-ho en superficies horizontales entre 5 y 9 kcal/m2-h-ºC (6 a 10 W/m2 - ºC) régimen forzado
3) Se registra el diámetro interior (d1) y exterior (d2) de la coquilla, o el espesor (e) de la superficie plana, en m
4) Se corre el procesador. En el Panel de salida se muestran los resultados.
Reporte del Bloque que valida los registros
Debes seleccionar si se trata de una sup. plana o tubería
