Propiedades de los materiales de aislamiento.
El aislamiento térmico se basa en el uso de sustancias con muy baja conductividad térmica y baja emisividad superficial. 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. Las propiedades clave de los materiales de aislamiento son:
- La conductividad térmica . La conductividad térmica, medida en W / mK describe qué tan bien un material conduce el calor. Tenga en cuenta que la ley de Fourierse aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gaseoso), por lo tanto, también se define para líquidos y gases. Es 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. En general, los gases tienen una baja conductividad térmica (por ejemplo, el aire tiene 0.025 W / mK) mientras que los metales tienen valores altos (por ejemplo, el cobre tiene 400 W / mK). Los aislantes de uso común tienden a tener una conductividad térmica entre 0.019 W / mK y 0.046 W / mK.
- Valor R – Resistencia térmica . El valor R (factor de aislamiento térmico) es una medida de resistencia térmica. Cuanto mayor sea el valor R, mayor será la efectividad aislante. El aislamiento térmico tiene las unidades [(m 2 .K) / W] en unidades SI o [(ft 2 · ° F · hr) / Btu] en unidades imperiales. Es la resistencia térmica del área unitaria de un material. El valor R depende del tipo de aislamiento, su grosor y su densidad. Se requiere un área y una diferencia de temperatura para resolver el calor transferido. La industria de la construcción utiliza unidades como el valor R (resistencia), que se expresa como el grosor del material normalizado a la conductividad térmica, y bajo condiciones uniformes es la relación de la diferencia de temperatura a través de un aislante y la densidad de flujo de calor a través de él: R (x) = ∆T / q. Cuanto mayor sea el valor R, más impedirá el material la transferencia de calor. Como se puede ver, la resistencia depende del grosor del producto.
- Valor U – Transmitancia térmica . La transmitancia térmica describe qué tan bien el material conduce el calor. La transmitancia térmica es la inversa del valor R (es decir, 1 / R) y cuanto menor sea el valor U, mejor será el aislamiento. El valor U se define mediante una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton.
- Emisividad superficial . Como se escribió, la transferencia de calor a través de cualquiera de estos sistemas de aislamiento puede incluir varios modos: conducción a través de los materiales sólidos, conducción o convección a través del aire en los espacios vacíos e intercambio de radiación entre las superficies de la matriz sólida. Por lo tanto, la emisividad de un material juega también un papel muy importante. La emisividad, ε , de la superficie de un material es su efectividad en la emisión de energía como radiación térmica.y varía entre 0.0 y 1.0. La emisividad es simplemente un factor por el cual multiplicamos la transferencia de calor del cuerpo negro para tener en cuenta que el cuerpo negro es el caso ideal. La superficie de un cuerpo negro emite radiación térmica a una velocidad de aproximadamente 448 vatios por metro cuadrado a temperatura ambiente (25 ° C, 298,15 K). Los objetos reales con emisividades inferiores a 1.0 (p. Ej., Papel de aluminio) emiten radiación a tasas proporcionalmente más bajas (p. Ej. 448 x 0.07 = 31.4 W / m 2 ).
- Resistencia al fuego . Los materiales aislantes térmicos deben tener una clasificación de resistencia al fuego. Esta clasificación es importante porque puede influir en la aplicación de materiales aislantes. Normalmente, la clasificación de resistencia al fuego es seguida por un límite de tiempo en minutos 15, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240 o 360 que muestra el tiempo que se cumplen los criterios de rendimiento durante una prueba de fuego estandarizada.
Materiales de aislamiento
Como se escribió, el aislamiento térmico se basa en el uso de sustancias con muy baja conductividad térmica . Estos materiales se conocen como materiales aislantes . Los materiales de aislamiento comunes son lana, fibra de vidrio, lana de roca, poliestireno, poliuretano, plumas de ganso, etc. Estos materiales son muy malos conductores de calor y, por lo tanto, buenos aislantes térmicos.
Debe agregarse, 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 de aislamiento (por ejemplo, poliestireno) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala . En todos los tipos de aislamiento térmico, la evacuación del aire en el espacio vacío reducirá aún más la conductividad térmica general del aislante.
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.
Cabe señalar que las pérdidas de calor de los objetos más calientes se producen por tres mecanismos (individualmente o en combinación):
Hasta ahora no hemos discutido la radiación térmica como un modo de pérdidas de calor . La transferencia de calor por radiación está mediada por radiación electromagnética y, por lo tanto, no requiere ningún medio para la transferencia de calor. De hecho, la transferencia de energía por radiación es más rápida (a la velocidad de la luz) y no sufre atenuación en el vacío. Cualquier material que tenga una temperatura superior al cero absoluto emite algo de energía radiante . La mayor parte de la energía de este tipo se encuentra en la región infrarroja. del espectro electromagnético, aunque parte de él está en la región visible. Para disminuir este tipo de transferencia de calor, se deben utilizar materiales con baja emisividad (alta reflectividad). Los aislamientos reflectantes generalmente están compuestos de láminas paralelas multicapa de alta reflectividad, que están espaciadas para reflejar la radiación térmica de regreso a su fuente. La emisividad , ε , de la superficie de un material es su efectividad en la emisión de energía como radiación térmica y varía entre 0.0 y 1.0. En general, los metales pulidos tienen una emisividad muy baja y, por lo tanto, se utilizan ampliamente para reflejar la energía radiante de regreso a su fuente, como en el caso de las mantas de primeros auxilios .
Espesor Crítico de Aislamiento
En una pared plana, el área perpendicular a la dirección del flujo de calor que agrega más aislamiento a una pared siempre disminuye la transferencia de calor. Cuanto más grueso es el aislamiento , menor es la tasa de transferencia de calor . Esto se debe al hecho de que la superficie externa siempre tiene la misma área .
Pero en coordenadas cilíndricas y esféricas, la adición de aislamiento también aumenta la superficie externa , lo que disminuye la resistencia a la convección en la superficie externa. Además, en algunos casos, una disminución en la resistencia a la convección debido al aumento en el área superficial puede ser más importante que un aumento en la resistencia a la conducción debido a un aislamiento más grueso. Como resultado, la resistencia total en realidad puede disminuir, lo que resulta en un aumento del flujo de calor.
El espesor hasta el que aumenta el flujo de calor y después del cual disminuye el flujo de calor se denomina espesor crítico . En el caso de cilindros y esferas se llama radio crítico . Se puede derivar el radio crítico de aislamiento depende de la conductividad térmica del aislamiento k y la externa de calor por convección coeficiente de transferencia h.
Ver también: radio crítico de aislamiento
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