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Ejemplo: aislamiento de poliestireno extruido

Una fuente importante de pérdida de calor de una casa es a través de las paredes. Calcule la tasa de flujo de calor a través de una pared de 3 mx 10 m de área (A = 30 m ² ). La pared tiene 15 cm de espesor (L ₁ ) y está hecha de ladrillos con la conductividad térmica de k ₁ = 1.0 W / mK (pobre aislante térmico). Suponga que las temperaturas interior y exterior son 22 ° C y -8 ° C, y los coeficientes de transferencia de calor por convección en los lados interior y exterior son h ₁ = 10 W / m ² K y h ₂ = 30 W / m ²K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida especialmente de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).

1. Calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared no aislada.
2. Ahora suponga aislamiento térmico en el lado exterior de esta pared. Utilice aislamiento de poliestireno extruido de  10 cm de espesor (L ₂ ) con la conductividad térmica de k ₂ = 0.028 W / mK y calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared compuesta.

Solución:

Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de conducción y convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor en general , conocido como un factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton :

El coeficiente global de transferencia de calor está relacionado con la resistencia térmica total y depende de la geometría del problema.

1. pared desnuda

Suponiendo que la transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el coeficiente global de transferencia de calor se puede calcular como:

El coeficiente global de transferencia de calor es entonces:

U = 1 / (1/10 + 0.15 / 1 + 1/30) = 3.53 W / m ² K

El flujo de calor se puede calcular simplemente como:

q = 3.53 [W / m ² K] x 30 [K] = 105.9 W / m ²

La pérdida total de calor a través de este muro será:

q _pérdida = q. A = 105,9 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 3177W

2. pared compuesta con aislamiento térmico

Suponiendo que la transferencia de calor unidimensional a través de la pared compuesta plana, sin resistencia de contacto térmico y sin tener en cuenta la radiación, el coeficiente global de transferencia de calor se puede calcular como:

El coeficiente global de transferencia de calor es entonces:

U = 1 / (1/10 + 0.15 / 1 + 0.1 / 0.028 + 1/30) = 0.259 W / m ² K

El flujo de calor se puede calcular simplemente como:

q = 0.259 [W / m ² K] x 30 [K] = 7.78 W / m ²

La pérdida total de calor a través de este muro será:

q _pérdida = q. A = 7.78 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 233 W

Como se puede ver, una adición de aislante térmico causa una disminución significativa en las pérdidas de calor. Debe agregarse, una adición de la siguiente capa de aislante térmico no causa un ahorro tan alto. Esto se puede ver mejor con el método de resistencia térmica, que se puede utilizar para calcular la transferencia de calor a través de paredes compuestas . La tasa de transferencia de calor constante entre dos superficies es igual a la diferencia de temperatura dividida por la resistencia térmica total entre esas dos superficies.

Conductividad térmica de poliestireno extruido

La conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de espesor dado (en metros) debido a una diferencia de temperatura . Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor y, por lo tanto, mayor será la efectividad del aislamiento. Valores de conductividad térmica típica para poliestireno extruido  son entre 0.025 y 0.040W / m ∙ K .

En general, el aislamiento térmico se basa principalmente en la muy baja conductividad térmica de los gases . Los gases poseen malas propiedades de conducción térmica en comparación con líquidos y sólidos, y por lo tanto son un buen material de aislamiento si pueden quedar atrapados (por ejemplo, en una estructura similar a la espuma). El aire y otros gases son generalmente buenos aislantes. Pero el principal beneficio es la ausencia de convección. Por lo tanto, muchos materiales aislantes (por ejemplo, poliestireno extruido ) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala .

La alternancia de la bolsa de gas y el material sólido hace que el calor se transfiera a través de muchas interfaces, lo que provoca una disminución rápida del coeficiente de transferencia de calor.

Poliestireno extruido – XPS

En general, el poliestireno es un polímero aromático sintético hecho del monómero estireno, que se deriva del benceno y el etileno, ambos productos derivados del petróleo. El poliestireno puede ser sólido o espumado. El poliestireno es un termoplástico transparente e incoloro, que se usa comúnmente para hacer aislamiento de paneles de espuma o paneles de cuentas y un tipo de aislamiento de relleno suelto que consiste en pequeñas cuentas de poliestireno. Las espumas de poliestireno son 95-98% de aire. Las espumas de poliestireno son buenos aislantes térmicos y, por lo tanto, a menudo se usan como materiales aislantes de construcción, como en formas de hormigón aislante y sistemas de construcción de paneles aislantes estructurales. Poliestireno expandido y poliestireno extruidoAmbos están hechos de poliestireno, pero el EPS está compuesto de pequeñas cuentas de plástico que se fusionan y XPS comienza como un material fundido que se presiona de una forma en láminas. XPS se usa más comúnmente como aislamiento de paneles de espuma.

El poliestireno extruido (XPS) también es un polímero termoplástico. El poliestireno extruido tiene una estructura celular cerrada y, a menudo, es más fuerte, con un mayor rendimiento mecánico y, en principio, a menudo es más costoso que el EPS. Su rango de densidad es de aproximadamente 28–45 kg / m ³ . XPS se produce a partir de los mismos materiales base que EPS y, por lo tanto, también tiene petróleo crudo en su base. El proceso de producción de e xtruded poliestireno es sólo ligeramente diferente de poliestireno expandido.

Del mismo modo que EPS, XPS tiene una amplia variedad de aplicaciones. Se puede usar para aislar edificios, techos y pisos de concreto. El material de poliestireno extruido también se puede utilizar en manualidades y construcción de modelos, en particular modelos arquitectónicos.

Aunque tanto el poliestireno expandido como el extruido tienen una estructura de celda cerrada, son permeables por las moléculas de agua y no pueden considerarse una barrera de vapor. En el poliestireno expandido hay espacios intersticiales entre los gránulos de células cerradas expandidos que forman una red abierta de canales entre los gránulos unidos. Si el agua se congela en hielo, se expande y puede hacer que los gránulos de poliestireno se desprendan de la espuma.

Conductividad térmica de poliestireno extruido

La conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de espesor dado (en metros) debido a una diferencia de temperatura . Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor y, por lo tanto, mayor será la efectividad del aislamiento. Valores de conductividad térmica típica para poliestireno extruido  son entre 0.025 y 0.040W / m ∙ K .

En general, el aislamiento térmico se basa principalmente en la muy baja conductividad térmica de los gases . Los gases poseen malas propiedades de conducción térmica en comparación con los líquidos y los sólidos, y por lo tanto son un buen material de aislamiento si pueden quedar atrapados (por ejemplo, en una estructura similar a la espuma). El aire y otros gases son generalmente buenos aislantes. Pero el principal beneficio es la ausencia de convección. Por lo tanto, muchos materiales aislantes (por ejemplo, poliestireno extruido ) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala .

La alternancia de la bolsa de gas y el material sólido hace que el calor se transfiera a través de muchas interfaces, lo que provoca una disminución rápida del coeficiente de transferencia de calor.

Ejemplo: aislamiento de poliestireno expandido

Una fuente importante de pérdida de calor de una casa es a través de las paredes. Calcule la tasa de flujo de calor a través de una pared de 3 mx 10 m de área (A = 30 m ² ). La pared tiene 15 cm de espesor (L ₁ ) y está hecha de ladrillos con la conductividad térmica de k ₁ = 1.0 W / mK (pobre aislante térmico). Suponga que las temperaturas interior y exterior son 22 ° C y -8 ° C, y los coeficientes de transferencia de calor por convección en los lados interior y exterior son h ₁ = 10 W / m ² K y h ₂ = 30 W / m ²K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida especialmente de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).

1. Calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared no aislada.
2. Ahora suponga aislamiento térmico en el lado exterior de esta pared. Use aislamiento de poliestireno expandido de 10 cm de espesor (L ₂ ) con la conductividad térmica de k ₂ = 0.03 W / mK y calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared compuesta.

Solución:

Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de conducción y convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor en general , conocido como un factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton :

El coeficiente global de transferencia de calor está relacionado con la resistencia térmica total y depende de la geometría del problema.

1. pared desnuda

Suponiendo que la transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el coeficiente global de transferencia de calor se puede calcular como:

El coeficiente global de transferencia de calor es entonces:

U = 1 / (1/10 + 0.15 / 1 + 1/30) = 3.53 W / m ² K

El flujo de calor se puede calcular simplemente como:

q = 3.53 [W / m ² K] x 30 [K] = 105.9 W / m ²

La pérdida total de calor a través de este muro será:

q _pérdida = q. A = 105,9 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 3177W

2. pared compuesta con aislamiento térmico

Suponiendo que la transferencia de calor unidimensional a través de la pared compuesta plana, sin resistencia de contacto térmico y sin tener en cuenta la radiación, el coeficiente global de transferencia de calor se puede calcular como:

El  coeficiente global de transferencia de calor  es entonces:

U = 1 / (1/10 + 0.15 / 1 + 0.1 / 0.03 + 1/30) = 0.276 W / m ² K

El flujo de calor se puede calcular simplemente como:

q = 0.276 [W / m ² K] x 30 [K] = 8.28 W / m ²

La pérdida total de calor a través de este muro será:

q _pérdida  = q. A = 8,28 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 248 W

Como se puede ver, una adición de aislante térmico causa una disminución significativa en las pérdidas de calor. Debe agregarse, una adición de la siguiente capa de aislante térmico no causa un ahorro tan alto. Esto se puede ver mejor con el método de resistencia térmica, que se puede utilizar para calcular la transferencia de calor a través de paredes compuestas . La tasa de transferencia de calor constante entre dos superficies es igual a la diferencia de temperatura dividida por la resistencia térmica total entre esas dos superficies.

Conductividad térmica de poliestireno expandido

La conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de espesor dado (en metros) debido a una diferencia de temperatura . Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor y, por lo tanto, mayor será la efectividad del aislamiento. Valores de conductividad térmica típica para poliestireno expandido  son entre 0.030 y 0.040W / m ∙ K .

En general, el aislamiento térmico se basa principalmente en la muy baja conductividad térmica de los gases . Los gases poseen malas propiedades de conducción térmica en comparación con líquidos y sólidos, y por lo tanto son un buen material de aislamiento si pueden quedar atrapados (por ejemplo, en una estructura similar a la espuma). El aire y otros gases son generalmente buenos aislantes. Pero el principal beneficio es la ausencia de convección. Por lo tanto, muchos materiales aislantes (por ejemplo, poliestireno expandido ) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala .

La alternancia de la bolsa de gas y el material sólido hace que el calor se transfiera a través de muchas interfaces, lo que provoca una disminución rápida del coeficiente de transferencia de calor.

Poliestireno expandido – EPS

En general, el poliestireno es un polímero aromático sintético hecho del monómero estireno, que se deriva del benceno y el etileno, ambos productos derivados del petróleo. El poliestireno puede ser sólido o espumado. El poliestireno es un termoplástico transparente e incoloro, que se usa comúnmente para hacer aislamiento de paneles de espuma o paneles de cuentas y un tipo de aislamiento de relleno suelto que consiste en pequeñas cuentas de poliestireno. Las espumas de poliestireno son 95-98% de aire. Las espumas de poliestireno son buenos aislantes térmicos y, por lo tanto, a menudo se usan como materiales aislantes de construcción, como en formas de hormigón aislante y sistemas de construcción de paneles aislados estructurales. Poliestireno expandido (EPS) y extruido (XPS)Ambos están hechos de poliestireno, pero el EPS está compuesto de pequeñas cuentas de plástico que se fusionan y XPS comienza como un material fundido que se presiona de una forma en láminas. XPS se usa más comúnmente como aislamiento de paneles de espuma.

El poliestireno expandido (EPS) es una espuma rígida y resistente de celda cerrada. Las aplicaciones de construcción y construcción representan alrededor de dos tercios de la demanda de poliestireno expandido. Se utiliza para el aislamiento de paredes (cavidades), techos y pisos de concreto. Debido a sus propiedades técnicas, como el bajo peso, la rigidez y la conformabilidad, el poliestireno expandido se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones, por ejemplo, bandejas, platos y cajas de pescado.

Aunque tanto el poliestireno expandido como el extruido tienen una estructura de celda cerrada, son permeables por las moléculas de agua y no pueden considerarse una barrera de vapor. En el poliestireno expandido hay espacios intersticiales entre los gránulos de células cerradas expandidos que forman una red abierta de canales entre los gránulos unidos. Si el agua se congela en hielo, se expande y puede hacer que los gránulos de poliestireno se desprendan de la espuma.

Conductividad térmica de poliestireno expandido

La conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de espesor dado (en metros) debido a una diferencia de temperatura . Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor y, por lo tanto, mayor será la efectividad del aislamiento. Valores de conductividad térmica típica para poliestireno expandido  son entre 0.030 y 0.040W / m ∙ K .

En general, el aislamiento térmico se basa principalmente en la muy baja conductividad térmica de los gases . Los gases poseen malas propiedades de conducción térmica en comparación con los líquidos y los sólidos, y por lo tanto son un buen material de aislamiento si pueden quedar atrapados (por ejemplo, en una estructura similar a la espuma). El aire y otros gases son generalmente buenos aislantes. Pero el principal beneficio es la ausencia de convección. Por lo tanto, muchos materiales aislantes (por ejemplo, poliestireno expandido ) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala .

La alternancia de la bolsa de gas y el material sólido hace que el calor se transfiera a través de muchas interfaces, lo que provoca una disminución rápida del coeficiente de transferencia de calor.

Ejemplo: aislamiento de lana de vidrio

Una fuente importante de pérdida de calor de una casa es a través de las paredes. Calcule la tasa de flujo de calor a través de una pared de 3 mx 10 m de área (A = 30 m ² ). La pared tiene 15 cm de espesor (L ₁ ) y está hecha de ladrillos con la conductividad térmica de k ₁ = 1.0 W / mK (pobre aislante térmico). Suponga que las temperaturas interior y exterior son 22 ° C y -8 ° C, y los coeficientes de transferencia de calor por convección en los lados interior y exterior son h ₁ = 10 W / m ² K y h ₂ = 30 W / m ²K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida especialmente de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).

1. Calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared no aislada.
2. Ahora suponga aislamiento térmico en el lado exterior de esta pared. Utilice  aislamiento de lana de vidrio de 10 cm de espesor (L ₂ ) con la conductividad térmica de k ₂ = 0.023 W / mK y calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared compuesta.

Solución:

Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de conducción y convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor en general , conocido como un factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton :

El coeficiente global de transferencia de calor está relacionado con la resistencia térmica total y depende de la geometría del problema.

1. pared desnuda

Suponiendo que la transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el coeficiente global de transferencia de calor se puede calcular como:

El coeficiente global de transferencia de calor es entonces:

U = 1 / (1/10 + 0.15 / 1 + 1/30) = 3.53 W / m ² K

El flujo de calor se puede calcular simplemente como:

q = 3.53 [W / m ² K] x 30 [K] = 105.9 W / m ²

La pérdida total de calor a través de este muro será:

q _pérdida = q. A = 105,9 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 3177W

2. pared compuesta con aislamiento térmico

Suponiendo que la transferencia de calor unidimensional a través de la pared compuesta plana, sin resistencia de contacto térmico y sin tener en cuenta la radiación, el coeficiente global de transferencia de calor se puede calcular como:

El coeficiente global de transferencia de calor es entonces:

U = 1 / (1/10 + 0.15 / 1 + 0.1 / 0.023 + 1/30) = 0.216 W / m ² K

El flujo de calor se puede calcular simplemente como:

q = 0.216 [W / m ² K] x 30 [K] = 6.48 W / m ²

La pérdida total de calor a través de este muro será:

q _pérdida = q. A = 6.48 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 194 W

Como se puede ver, una adición de aislante térmico causa una disminución significativa en las pérdidas de calor. Debe agregarse, una adición de la siguiente capa de aislante térmico no causa un ahorro tan alto. Esto se puede ver mejor con el método de resistencia térmica, que se puede utilizar para calcular la transferencia de calor a través de paredes compuestas . La tasa de transferencia de calor constante entre dos superficies es igual a la diferencia de temperatura dividida por la resistencia térmica total entre esas dos superficies.

Conductividad térmica de lana de vidrio

La conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de espesor dado (en metros) debido a una diferencia de temperatura . Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor y, por lo tanto, mayor será la efectividad del aislamiento. Valores de conductividad térmica típica para lanas de vidrio son entre 0.023 y 0.040W / m ∙ K .

En general, el aislamiento térmico se basa principalmente en la muy baja conductividad térmica de los gases . Los gases poseen malas propiedades de conducción térmica en comparación con líquidos y sólidos, y por lo tanto son un buen material de aislamiento si pueden quedar atrapados (por ejemplo, en una estructura similar a la espuma). El aire y otros gases son generalmente buenos aislantes. Pero el principal beneficio es la ausencia de convección. Por lo tanto, muchos materiales aislantes (por ejemplo , lana de vidrio ) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala .

La alternancia de la bolsa de gas y el material sólido hace que el calor se transfiera a través de muchas interfaces, lo que provoca una disminución rápida del coeficiente de transferencia de calor.

Ejemplo: aislamiento de lana de piedra

Una fuente importante de pérdida de calor de una casa es a través de las paredes. Calcule la tasa de flujo de calor a través de una pared de 3 mx 10 m de área (A = 30 m ² ). La pared tiene 15 cm de espesor (L ₁ ) y está hecha de ladrillos con la conductividad térmica de k ₁ = 1.0 W / mK (pobre aislante térmico). Suponga que las temperaturas interior y exterior son 22 ° C y -8 ° C, y los coeficientes de transferencia de calor por convección en los lados interior y exterior son h ₁ = 10 W / m ² K y h ₂ = 30 W / m ²K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida especialmente de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).

1. Calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared no aislada.
2. Ahora suponga aislamiento térmico en el lado exterior de esta pared. Utilice aislamiento de lana de roca de 10 cm de espesor (L ₂ ) con la conductividad térmica de k ₂ = 0.022 W / mK y calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared compuesta.

Solución:

Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de conducción y convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor en general , conocido como un factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton :

El coeficiente global de transferencia de calor está relacionado con la resistencia térmica total y depende de la geometría del problema.

1. pared desnuda

Suponiendo que la transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el coeficiente global de transferencia de calor se puede calcular como:

El coeficiente global de transferencia de calor es entonces:

U = 1 / (1/10 + 0.15 / 1 + 1/30) = 3.53 W / m ² K

El flujo de calor se puede calcular simplemente como:

q = 3.53 [W / m ² K] x 30 [K] = 105.9 W / m ²

La pérdida total de calor a través de este muro será:

q _pérdida = q. A = 105,9 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 3177W

2. pared compuesta con aislamiento térmico

Suponiendo que la transferencia de calor unidimensional a través de la pared compuesta plana, sin resistencia de contacto térmico y sin tener en cuenta la radiación, el coeficiente global de transferencia de calor se puede calcular como:

El coeficiente global de transferencia de calor es entonces:

U = 1 / (1/10 + 0.15 / 1 + 0.1 / 0.022 + 1/30) = 0.207 W / m ² K

El flujo de calor se puede calcular simplemente como:

q = 0.207 [W / m ² K] x 30 [K] = 6.21 W / m ²

La pérdida total de calor a través de este muro será:

q _pérdida = q. A = 6.21 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 186 W

Como se puede ver, una adición de aislante térmico causa una disminución significativa en las pérdidas de calor. Debe agregarse, una adición de la siguiente capa de aislante térmico no causa un ahorro tan alto. Esto se puede ver mejor con el método de resistencia térmica, que se puede utilizar para calcular la transferencia de calor a través de paredes compuestas . La tasa de transferencia de calor constante entre dos superficies es igual a la diferencia de temperatura dividida por la resistencia térmica total entre esas dos superficies.