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El 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 un 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 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) . La baja conductividad térmica equivale a una alta capacidad de aislamiento ( valor de resistencia ). En la ingeniería térmica , otras propiedades importantes de los materiales aislantes son la densidad del producto (ρ) y la capacidad calorífica específica (c) .
Definición [ editar ]
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
- la superficie de contacto térmico
- la inversa del espesor del material
De esto se deduce que la potencia de la pérdida de calor viene dada por
La conductividad térmica depende del material y para los fluidos, su temperatura y presión. Para fines de comparación, se usa comúnmente 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 encerrando un objeto en material con baja conductividad térmica en alto espesor. Disminuir el área de la superficie expuesta también podría disminuir la transferencia de calor, pero esta cantidad generalmente está determinada por la geometría del objeto a aislar.
El aislamiento multicapa se utiliza donde predomina la pérdida radiativa o cuando el usuario tiene restricciones en el volumen y el peso del aislamiento (por ejemplo , manta de emergencia , barrera radiante )
Aislamiento de cilindros [ editar ]
Para cilindros aislados, se debe alcanzar una manta de radio crítico . Antes de que se alcance el radio crítico, cualquier aislamiento adicional aumenta la transferencia de calor. [1] La resistencia térmica convectiva es inversamente proporcional al área de la superficie y, por lo tanto, al radio del cilindro, mientras que la resistencia térmica de una carcasa cilíndrica (la capa de aislamiento) depende de la relación entre el radio exterior e interior, no del radio en sí. . Si se aumenta el radio exterior de un cilindro aplicando aislamiento, se agrega una cantidad fija de resistencia conductora (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 críticoen realidad aumenta la transferencia de calor. Para cilindros aislados, el radio crítico viene dado por la ecuación [2]
Esta ecuación muestra que el radio crítico depende solo del coeficiente de transferencia de calor y la conductividad térmica del aislamiento. Si el radio del cilindro aislado es menor que el radio crítico para el aislamiento, la adición de cualquier cantidad de aislamiento aumentará la transferencia de calor.
Aplicaciones [ editar ]
Ropa y aislamiento natural de animales en aves y mamíferos [ editar ]
Gases possess poor thermal conduction properties compared to liquids and solids and thus make good insulation material if they can be trapped. In order to further augment the effectiveness of a gas (such as air), it may be disrupted into small cells, which cannot effectively transfer heat by natural convection. Convection involves a larger bulk flow of gas driven by buoyancy and temperature differences, and it does not work well in small cells where there is little density difference to drive it, and the high surface-to-volume ratios of the small cells retards gas flow in them by means of viscous drag.
Para lograr la formación de pequeñas células de gas en el aislamiento térmico artificial, se pueden usar materiales de vidrio y polímero para atrapar el aire en una estructura similar a una espuma. Este principio se utiliza industrialmente en aislamientos de construcción y tuberías como ( lana de vidrio ), celulosa , lana de roca , espuma de poliestireno (espuma de poliestireno), espuma de uretano , vermiculita , perlita y corcho . Atrapar el aire también es el principio en todos los materiales de ropa altamente aislantes, como la lana, las plumas y el vellón.
La propiedad de atrapamiento de aire es también el principio de aislamiento empleado por los animales homeotérmicos para mantenerse calientes, por ejemplo, las plumas y el pelo aislante, como la lana natural de oveja . En ambos casos, el material aislante principal es el aire y el polímero utilizado para atrapar el aire es la proteína queratina natural .
Edificios [ editar ]
El mantenimiento de temperaturas aceptables en los edificios (mediante calefacción y refrigeración) utiliza una gran proporción del consumo energético mundial. Los aislamientos de edificios también utilizan comúnmente el principio de pequeñas celdas de aire atrapadas como se explicó anteriormente, por ejemplo, fibra de vidrio (específicamente lana de vidrio ), celulosa , lana de roca , espuma de poliestireno , espuma de uretano , vermiculita , perlita , corcho , etc. Durante un período de tiempo, También se utilizó amianto , sin embargo, causó 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.
When well insulated, a building is :
- energy efficient and cheaper to keep warm in the winter, or cool in the summer. Energy efficiency will lead to a reduced carbon footprint.
- more comfortable because there is uniform temperatures throughout the space. There is less temperature gradient both vertically (between ankle height and head height) and horizontally from exterior walls, ceilings and windows to the interior walls, thus producing a more comfortable occupant environment when outside temperatures are extremely cold or hot.
In industry, energy has to be expended to raise, lower, or maintain the temperature of objects or process fluids. If these are not insulated, this increases the energy requirements of a process, and therefore the cost and environmental impact.
Sistemas mecánicos [ editar ]
Los sistemas de calefacción y refrigeración de espacios distribuyen el calor a través de los edificios mediante 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 refrigeradas.
El aislamiento de tuberías también se utiliza en las tuberías de suministro de agua para ayudar a retrasar la congelación de las tuberías durante un período de tiempo aceptable.
El aislamiento mecánico se instala comúnmente en instalaciones industriales y comerciales.
Refrigeración [ editar ]
Un frigorífico consta de una bomba de calor y un compartimento aislado térmicamente. [3]
Nave espacial [ editar ]
El lanzamiento y el reingreso provocan tensiones mecánicas severas en la nave espacial, por lo que la resistencia de un aislante es de importancia crítica (como se ve por la falla de las baldosas aislantes en el transbordador espacial Columbia , que causó que la estructura del avión del transbordador se sobrecaliente y se rompa durante el reentrada, lo que los astronautas a bordo). El reingreso a la atmósfera genera temperaturas muy altas debido a la compresión del aire a altas velocidades. Los aisladores deben cumplir con propiedades físicas exigentes más allá de sus propiedades retardantes de transferencia térmica. Ejemplos de aislamiento utilizado en naves espaciales incluyen el cono de nariz compuesto de carbono reforzado y las baldosas de fibra de sílice del transbordador espacial . Consulte también Pintura aislante .
Automotive[edit]
Internal combustion engines produce a lot of heat during their combustion cycle. This can have a negative effect when it reaches various heat-sensitive components such as sensors, batteries, and starter motors. As a result, thermal insulation is necessary to prevent the heat from the exhaust from reaching these components.
High performance cars often use thermal insulation as a means to increase engine performance.
Factors influencing performance[edit]
Insulation performance is influenced by many factors, the most prominent of which include:
- Thermal conductivity ("k" or "λ" value)
- Emisividad de superficie (valor "ε")
- Espesor de aislamiento
- Densidad
- Capacidad calorífica específica
- Puente térmico
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.
Calcular requisitos [ editar ]
Los estándares de la industria son a menudo reglas empíricas, desarrolladas durante muchos años, que compensan muchos objetivos en conflicto: lo que la gente pagará, el costo de fabricación, el clima local, las prácticas de construcción tradicionales 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 estanqueidad 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. Los rendimientos decrecientes se logran con cada duplicación sucesiva de la capa aislante. Se puede demostrar que para algunos sistemas, se requiere un espesor mínimo de aislamiento para realizar una mejora.[4]
See also[edit]
- Thermal mass
- List of thermal conductivities
- Insulative paint
References[edit]
- ^ "17.2 Combined Conduction and Convection". web.mit.edu. Archived from the original on 19 October 2017. Retrieved 29 April 2018.
- ^ Bergman, Lavine, Incropera and DeWitt, Introduction to Heat Transfer (sixth edition), Wiley, 2011.
- ^ Keep your fridge-freezer clean and ice-free. BBC. 30 April 2008
- ^ Frank P. Incropera; David P. De Witt (1990). Fundamentals of Heat and Mass Transfer (3rd ed.). John Wiley & Sons. pp. 100–103. ISBN 0-471-51729-1.
Further reading[edit]
- US DOE publication, Residential Insulation
- US DOE publication, Energy Efficient Windows
- US EPA publication on home sealing
- DOE/CE 2002
 | Wikimedia Commons has media related to Thermal insulation. |
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