Aislamiento Térmico - Propiedades de los materiales aislantes
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Objetivos.

Introducción.
Materiales aislantes. Propiedades y coeficientes que los diferencian
Propiedades que deben reunir los materiales aislantes.
Principales materiales aislantes sus características
Diferentes tipos de materiales y ladrillos refractarios aislantes
Coeficientes de conductividad térmica de los materiales refractarios
Aislamientos de superficies frías
Aislamientos de superficies calientes
Aislamientos de edificaciones

Introducción

El contenido de este material cumple una función orientativa. Se han ordenado las temáticas de esta rama de la especialidad energética, buscando una comprensión fácil, evitando las complicaciones de tener que trabajar con grandes expresiones matemáticas. Se incluyen los conocimientos básicos, problemas que con frecuencia ocurren, las soluciones prácticas, los fenómenos complicados que hay que tener en cuenta para resolver y un conjunto de herramientas de cálculo que han sido diseñadas para que el usuario pueda realizar una aplicación inmediata.

Está presente en todo el contenido el análisis económico, las implicaciones sobre la eficiencia energética y el impacto sobre las emisiones de CO2 inducidas que se producen por la utilización de la energía fósil.
Materiales aislantes

Según la estructura de los materiales aislantes, se clasifican en:
Celular. Pequeños espacios llenos de aire, parcial o independiente unos de otros. Espumas de resinas, Poliestireno y Poliuretano
Fibrosos, Capas encimas unas de otras y entretejidas - Lana de vidrio, fibra de vidrio y fibras de rocas silícias.
Granular, Materiales en polvo o granos, unidos entre si por aglutinantes. Coquillas y mantas de perlita expandida.
Reflectivos. Chapas brillantes y finas metálicas y de baja emisividad. Láminas de aluminio de 0,6 - 0,8 y 1,0 mm

Son muy utilizados los aislantes de origen mineral, entre ellos las fibras de amianto (reguladas en muchos países por su efecto nocivo a la salud), fibras de cristal o de vidrio, fibras de roca, vidrio expandido, sílices fósiles, perlitas, verniculitas, etc.

Productos orgánicos obtenidos por la síntesis o polimerización de hidrocarburos, que se presentan en forma de espumas, como por ejemplo el PVC, los poliestirenos, los poliuretanos, resinas fenólicas, las espumas elastoméricas, etc.

Propiedades que deben reunir los materiales aislantes.

Baja conductividad térmica
Densidad aparente optima
Resistente al deterioro
Estable a la temperatura ambiente
Resistente a la absorción de agua
Resistente a la penetración del vapor de agua
Resistente a agentes químicos
Resistentes al fuego
Fácil de montar y reemplazar
Buen precio.

Principales materiales aislantes sus características.

Aislante/características	origen/presentación
Amianto Densidad media: 180 a 200 kg/m3 Temperatura límite aplicación: 550 ºC Coef. de conductividad térmica: 0.038 kcal/m-h-ºC @ 20 ºC Resistencia mecánica: regular Resistencia al fuego: satisfactoria Límite de elasticidad: 2 bar	fibra natural. Compuesto de silicatos de magnesio. Placas, planchas, duelas, granular
Corcho Densidad media: 100 a 300 kg/m3 Temperatura límite aplicación: desde -200 º C y hasta 130 ºC Coef. de conductividad térmica: 0.038 kcal/m-h-ºC @ 20 ºC Resistencia mecánica: regular Resistencia al fuego: difíciles de inflamar, pero arden Resistencia a la compresión: -hasta 200 kg/m3: 5 bar y de - 300 kg/m3 : 10 bar.	de origen vegetal, procede del árbol alcornoque. Se presenta en aglomerados expandidos puros y aglomerados con resinas.
Fibra de vidrio Densidad media: 5 a 110 kg/m3 Temperatura límite aplicación: desde 450 ºC Coef. de conductividad térmica: 0.030 kcal/m-h-ºC @ 20 ºC Resistencia mecánica: buena Resistencia al fuego: buena, incombustible Resistencia a la tracción: 3500 kg/mm2 Buen acondicionador acústico	hilos de vidrio fundido, en forma de mantas, paneles, losetas, coquillas, etc.
Lana mineral Densidad media: 8 a 300 kg/m3 Temperatura límite aplicación: desde 750 ºC Coef. de conductividad térmica: 0.032 kcal/m-h-ºC @ 20 ºC Resistencia mecánica: buena Resistencia al fuego: buena, incombustible Resistencia a la tracción: 350 kg/mm2	De rocas silíceas, basálticas, de escorias de alto horno, en forma de mantas, paneles, losetas, coquillas
Magnesita Densidad media: variada en función de las mezclas Temperatura límite aplicación: hasta 1000 ºC Coef. de conductividad térmica: variada Resistencia mecánica: buena Resistencia al fuego: buena, incombustible	a partir del carbonato de magnesio, cloruro de magnesio, fibras de amianto, etc. Paneles, coquillas, polvo, granulado para emplearlo como cemento aislante.
Vermiculita Densidad media: 50 a 130 kg/m3 Temperatura límite aplicación: max. 1300 ºC Coef. de conductividad térmica: 0.038 kcal/m-h-ºC @ 20 ºC Resistencia mecánica: buena Resistencia al fuego: buena, incombustible	a partir del silicato de aluminio y de magnesio hidratado. Forma de escamas brillantes. Se presenta en sacos para uso a granel
Perlita A la densidad media: 50 a 60 kg/m3 el coef. de conductividad varía entre 0.030 a 0.033 kcal/m-h-ºC. A la densidad media: 90 a 100 kg/m3 el coef. de conductividad varía entre 0.035 a 0.038 kcal/m-h-ºC. A la densidad media: 110 a 120 kg/m3 el coef. de conductividad varía entre 0.039 a 0.041 kcal/m-h-ºC. A la densidad media: 120 a 130 kg/m3 el coef. de conductividad varía entre 0.041 a 0.044 kcal/m-h-ºC	Es un silicato de alúmina, de sosa, de potasio y de calcio, que encierre alrededor del 3% de agua. Cristal de origen volcánico, pulverulento, en forma de bolitas de vidrio natural, que se expande a altas temperaturas hasta 20 veces el volumen inicial. Se comercializa en bolsas o sacos
Poliestirenos expandidos Densidad media: 15 a 40 kg/m3 A 15, Coef. de conduct.: 0.038 kcal/m-h-ºC @ 20 ºC A 40, Coef. de conduct.: 0.028 kcal/m-h-ºC @ 20 ºC Temperatura. Límites aplicación: -200 ºC hasta 80 ºC Calor específico: 0.33 kcal/kg ºC Permeabilidad agua: prácticamente impermeable. Resistencia al fuego: se inflama rápidamente y arde.	Es un plástico termosensible obtenido de la polimerización del monómero estireno y que contiene pentano como agente de expansión. Se fabrica en forma de perlas, paneles, coquillas, etc.
poliuretanos expandidos Densidad media: 30 a 150 kg/m3 A 30, Coef. de conduct.: 0.0245 kcal/m-h-ºC @ 20 ºC A 150, Coef. de conduct.: 0.018 kcal/m-h-ºC @ 20 ºC Temperatura. Límites aplicación: -200 ºC hasta 130 ºC	Se obtienen por la acción de un policiosanato   sobre un poliéster saturado. Se presenta en forma de bloques, placas y coquillas.

Diferentes tipos de ladrillos refractarios y otros materiales aislantes.

Ladrillos refractarios. Estos materiales presentan una resistencia piroscópica de 1500 ºC o mayor. Deben poseer una conductividad térmica baja, inferior a 0.400 kcal/m-h-ºC. Hay diferentes tipos de ladrillos para una amplia gama de aplicaciones. Los tipos más utilizados son:

Ladrillos arcillosos, formado por la arcilla refractaria mezclada con un material combustible como serrín de madera o polvo de carbón que al arder y desaparecer, dejan poros dentro de la masa del ladrillo.
Ladrillos de diatomitas, se fabrican por estirado a partir de la pasta humedecida
Ladrillos de vermiculita. La vermiculita expandida se muele y se mezcla con aglomerantes
Ladrillos silico aluminosos, formado por mezclas de chamota y arcilla refractaria
Ladrillos de alto contenido de alúmina, se emplea en su fabricación la alúmina y el corindón
Ladrillos aislantes básicos, como materia prima se emplea la magnesia, la cromita y el ortosilicato de magnesio.
Ladrillos de sílice
Ladrillos de circón, se utiliza como materias prima el silicato de circonio
Fibras cerámicas, existen fibras de vidrio, lanas minerales y de escorias principalmente concebidas para soportar temperatura de hasta 810 ºC.

La conductividad térmica de estos materiales varía con la temperatura. Los ladrillos se unen con cemento refractario, preparados partiendo de la diatomita y la vermiculita y se plastifican con la adición de la bentonita.

materiales y ladrillos refractarios/características	aplicación
Arcilla refractaria silícea Porosidad aparente, %: 20.6 Densidad total: 2.12 kg/m3 Refractariedad, ºC: 1595 - 1605 Coef. de conductividad térmica: 1.1 kcal/h-m2-ºK (1.3 W/m-ºK ) @ 500 ºC Calor específico, kcal/kg - ºC : 0.25	Hornos, Recalentadores, cucharas de Vertido, Cazuelas.
Arcilla refractaria alúmina Porosidad aparente, %: 22.1 Densidad total: 1.97 kg/m3 Refractariedad, ºC: 1690 Coef. de conductividad térmica: 1.1 kcal/h-m2-ºK (1.3 W/m-ºK ) @ 500 ºC Calor específico, kcal/kg - ºC : 0.25	Hornos, Recalentadores, puertas, marcos, calderas
Sílice de baja alúmina Porosidad aparente, %: 20 Densidad total: 1.86 kg/m3 Refractariedad, ºC: 1730 Coef. de conductividad térmica: 1.2 kcal/h-m2-ºK (1.4 W/m-ºK ) @ 500 ºC Calor específico, kcal/kg - ºC : 0.26	Hornos, Recalentadores, puertas, marcos, calderas
Cromo - Magnesita Porosidad aparente, %: 17 a 21 Densidad total: 3.03 a 3.11 kg/m3 Refractariedad, ºC: -- Coef. de conductividad térmica: 1.1 kcal/h-m2-ºK (1.4 W/m-ºK ) @ 1000 ºC Calor específico, kcal/kg - ºC : 0.25	Techos hogares de hornos y calderas, paredes laterales, arcos, recalentadores.
Dolomita Porosidad aparente, %: 18 a 20 Densidad total: 2.73 kg/m3 Refractariedad, ºC: -- Coef. de conductividad térmica: 1.1 kcal/h-m2-ºK (1.4 W/m-ºK ) @ 1000 ºC Calor específico, kcal/kg - ºC : 0.26	Laterales de hornos, hornos de cemneto.
Alta alúmina Porosidad aparente, %: 17 a 21 Densidad total: 2.83 a 2.97 kg/m3 Refractariedad, ºC: 1850 Coef. de conductividad térmica: 1.6 kcal/h-m2-ºK (1.9 W/m-ºK ) @ 1000 ºC Calor específico, kcal/kg - ºC : 0.25	Laterales de hornos, altos hornos, techos, arcos, recalentadores
Ladrillo sílico Densidad, kg/m3: 300 Temperatura límite ºC:1200 Coef. de conductividad térmica: 0.09 kcal/h-m2-ºK (0.11 W/m-ºK ) @1000 ºC Densidad, kg/m3: 400 Temperatura límite ºC: 1350 Coef. de conductividad térmica: 0.11 kcal/h-m2-ºK (0.13 W/m-ºK ) @1000 ºC Densidad, kg/m3: 650 Temperatura límite ºC: 1150 Coef. de conductividad térmica: : 0.16 kcal/h-m2-ºK (0.19 W/m-ºK ) @1000 ºC
Ladrillo aluminoso Densidad, kg/m3: 500 Temperatura límite ºC: 1350 Coef. de conductividad térmica: 0.14 kcal/h-m2-ºK (0.16 W/m-ºK ) @1000 ºC
Ladrillo sílico aluminoso Densidad, kg/m3: 600 Temperatura límite ºC: más de 1350 Coef. de conductividad térmica: : 0.16 kcal/h-m2-ºK (0.19 W/m-ºK ) @1000 ºC Densidad, kg/m3: 900 Temperatura límite ºC: más de 1400 Coef. de conductividad térmica: 0.20 kcal/h-m2-ºK (0.24 W/m-ºK ) @1000 ºC

Coeficientes de conductividad térmica de los materiales refractarios

Los coeficientes de conductividad térmica de los materiales refractarios varían con la temperatura.

conductividad térmica en kcal/m-h-ºC
Materiales	temperaturas en º C
	200	400	600	800	1000	1200
Chamota y arcilla	0.4	0.5	0.6	0.7	0.7	0.75
Arcilla y fibras minerales	0.134	0.174	0.205	0.235	-	-
Ladrillos alta alúmina	0.312	0.347	0.387	0.422	-	-
Ladrillos de sílice	0.273	0.342	0.427	0.488	-	-

Aislamientos de superficies frías

Las superficies frías se aíslan por las siguientes razones:

-Para limitar el flujo de calor que absorben los espacios refrigerados
-Para mantener la presión de saturación de los líquidos en el sistema y evitar sobrecalentamientos.
-Para disminuir o impedir la condensación superficial.

La penetración del vapor a través del aislamiento es un mecanismo indeseable ya que produce condensaciones muy dañinas por la pronta destrucción de material aislante, el aumento de la conductividad del aislamiento que incrementa las pérdidas de energía, daños colaterales por el goteo sobre otras superficies y la corrosión de las propias tuberías aisladas cuándo estas son metálicas.

El agua que absorbe el material aislante aumenta considerablemente la conductividad térmica. Por ejemplo, un aumento del 1% en peso debido al agua absorbida, incrementa la conductividad en un 6%.

Para evitar la penetración del vapor se emplean selladores de vapor colocados sobre las superficies exteriores de los materiales aislantes.

Uno de los sistemas energéticos de mayor presencia mundial, son los sistemas de refrigeración y aire acondicionado. Están presentes en las industrias, los comercios, los edificios de todos tipos y nuestras casas. Por su diversificación y uso generalizado, se plantea que entre el 30 y el 40 % del consumo eléctrico mundial va a transformarse en potencia en estos sistemas. Y si algo se necesita para que los sistemas de refrigeración y aire acondicionado operen eficientemente, es que los conductos por donde se transporta el fluido frio estén correctamente aislados.

Aislamientos de superficies calientes

Normalmente las superficies calientas se aíslan para:

-Protección personal
-Reducir las pérdidas de calor al ambiente. Conservación del calor
-Evitar o disminuir las caídas de temperatura de los fluidos calientes

Los sistemas de calor que forman la fuente energética de la mayoría de las industrias de mediana y gran capacidad, de la propia industria de transformación de la energía y generación de potencia, son por lo general intensivos y operan a elevadas temperaturas. Es común encontrar en estas industrias que los fluidos energéticos se transportan a valores entre 300 y más de 1000 ºC, incluyendo desde los vapores saturados, los fluidos térmicos, gases comprimidos, los vapores recalentados y los humos o productos de la combustión.

Los elevados gradientes de temperaturas respecto al ambiente (diferencia entre la temperatura de trabajo del fluido y la ambiente) crean el potencial para que si no hay nada que se oponga, se escapen grandes cantidades de calor al exterior, lo que equivale recalentamientos en la superficie que encierran los sistemas y a pérdidas de energía.

Y una cosa que es común a todos los sistemas energéticos, si hay altas temperaturas es debido a que se ha generado calor, entonces existe una fuente energética que generó la energía, y esa fuente energética tiene un costo por unidad de energía, y si es una fuente fósil o de origen fósil, se producen emisiones inducidas de CO2 a la atmosfera al transformarse el portador energético desde su forma original energética (electricidad, combustibles, etc) al calor.

En los sistemas térmicos donde se transporta o genera calor, el aislamiento se convierte en un material de primera necesidad ya que constituye la barrera que protege la economía (la factura energética) y el medio ambiente. No solo es aislar, es mantener el material que ya se ha colocado anteriormente.

Hay que tener en cuenta que una de las vías para elevar la eficiencia de la generación eléctrica en las Planta Térmicas, es aumentar la temperatura de operación del ciclo de vapor y esto significa mayor gradiente o potencial de temperatura. Así que el desarrollo obliga a avanzar tecnológicamente en nuevos materiales aislantes y mejorar la calidad de los existentes.

Aislamientos de edificaciones

La necesidad de aislar térmicamente un edificio está justificada por 4 razones:

-economizar energía, al reducir las pérdidas térmicas por las paredes
-mejorar el confort térmico, al reducir la diferencia de temperatura de la superficie interior de las paredes y el ambiente interior.
-suprimir los fenómenos de condensación que se producen cuando la temperatura exterior es inferior a la temperatura de los locales. O cuándo la temperatura del fluido frio o el ambiente interior, es inferior a la temperatura exterior. Con ello evitar humedades en los muros, estructuras, humedades en los locales, goteos por condensación, etc.
-mejorar el entorno medioambiental, al reducir las emisiones inducidas que se producen en la generación de energía.

En los edificios encontramos presentes varios sistemas energéticos que intervienen en su funcionalidad y que pueden calificarse de intensivos en su insumo energético:

-sistema de fuerza, iluminación
-sistema de climatización (calefacción y aire acondicionado)
-sistema hidráulico que distribuye el flujo de agua potable, sanitaria y de enfriamiento o calefacción a todo el edificio

Los sistemas de climatización y el sistema hidráulico que distribuye fluidos fríos o calientes, requieren de aislamiento térmico

Las paredes de los locales, el falso techo y las ventanas o espacios abiertos, requieren de soluciones de aislamiento para evitar tanto que salga como que entre el calor, buscando un equilibrio entre iluminación y protección térmica.

Al activar los sistemas que permiten habitar el edificio, se genera calor por una parte y se produce frio y aire climatizado. La actividad genera una temperatura interna y se produce un gradiente de temperatura respecto al ambiente exterior, lo que provoca como ya se ha dicho, bien una fuga de calor o bien una penetración del calor.

La comunicación interior, exterior se establece por las siguientes vías:

-renovación del aire interior, bien mediante el tiro natural o forzado
-entrada de la radiación calórica por las superficies abiertas o acristaladas
-a través de las paredes exteriores, techos, suelos, o acristalamiento

A estas fuentes de intercambio de calor con el exterior se pueden agregar las fuentes internas:

-fuentes por radiación y convección del calor de los equipos que consumen energía y que operan en el edificio
-fuentes motivadas por el contacto del clima interior con las personas que visitan y operan el edificio, donde ocurren procesos de evaporación del sudor y de transferencia de calor por convección

Tomando en cuenta todos los factores, se determina la carga térmica del edificio y los tipos de materiales aislantes a colocar en la estructura y los sistemas energéticos que operan en su interior, para reducir el consumo energético del mismo.

Es bueno destacar que hay toda una serie de factores que pueden determinar en la carga térmica del edificio y que están ligados a factores externos, como es la localización geográfica del edificio respecto a la trayectoria solar de esa localidad, o parámetros de confort interno, o de distribución y disposición de los locales interiores, etc. Estos factores de no tenerlos en cuenta desde la etapa inicial del proyecto, incidirán a lo largo de la vida útil de funcionamiento del edificio en un sobre gasto y sobre contaminación atmosférica.

Informacióm co,plementaria

Pueden consultarse la documentación básica del Sistema Transferencia de Calor, las que explican los principales mecanismos que están presentes. Seguidamente colocamos vínculos hacia ellas: