Aislamiento térmico en cañerías y estanques. Fundamentos teóricos, ejemplos prácticos.

Transcripción

1 Aislamiento térmico en cañerías y estanques Fundamentos teóricos, ejemplos prácticos.

2 Índice 1. Fundamentos teóricos transferencia de calor Conducción Convección Radiación. 2. Aislamiento térmico Que es el aislamiento térmico Clasificación de aislantes Aspectos a considerar a la hora de aislar Espesor de aislante. 3. Tipos de aislantes Armaflex Lana de vidrio Lana mineral Celular Glass Poliuretano Silicato de calcio. 4. Ejemplos de cálculo. 5. Ventajas del aislamiento Pérdidas de calor en ductos no aislados Pérdidas en paredes planas Pérdidas en estanques verticales Pérdidas en estanques horizontales Espesor de aislamiento óptimo económico.

3 1. Fundamentos teóricos de Transferencia de calor Conducción. Es la transmisión de calor a través de la materia, a nivel atómico a través de cuerpos en contacto. Dirección de conducción

4 1. Fundamentos teóricos de Transferencia de calor Conducción. Conducción de calor en superficies planas, tales como paredes de hornos, paredes, etc. Q conducción k T e = kcal 2 h m Dirección de conducción Donde: k : Coeficiente de conductividad térmica, depende de cada material.[kcal/h-m-ºk] e : espesor de la placa [m] T : Diferencia de Temperaturas entre las caras de la placa plana.

5 1. Fundamentos teóricos de Transferencia de calor Conducción. Conducción de calor en superficies cilíndricas, tales como cañerías, estanques, por unidad de largo Q conducción k T = 2 π kcal [ h m ] r ln e r i Dirección de conducción Donde: k : Coeficiente de conductividad térmica, depende de cada material. [kcal/h-m-ºk] r e ; r i : radio exterior ; radio interior [m] T : Diferencia de Temperaturas entre las caras del cilindro.

6 1. Fundamentos teóricos de Transferencia de calor Conducción. Conducción de calor en superficies esféricas. r r Qconducción = k T r r Dirección de conducción Donde: k : Coeficiente de conductividad térmica, depende de cada material. [kcal/h-m-ºk] r e ; r i : radio exterior ; radio interior [m] [ ] e i 4 π kcal h e T : Diferencia de Temperaturas entre las caras de la esfera. i

7 1. Fundamentos teóricos de Transferencia de calor Convección. Esta forma de transmisión de calor se relaciona directamente con el movimiento de fluidos. Existen dos tipos de convección. - Convección natural - Convección Forzada

8 1. Fundamentos teóricos de Transferencia de calor Convección. Qconvección = A h T [ ] kcal h Donde A : Área superficie.[m 2 Dirección ] de conducción h : Coeficiente de transferencia de calor por convección.[kcal/h-m^2] T : Diferencia de Temperaturas entre las caras de la placa plana. Si se tiene convección natural o convección forzada determina la forma de cálculo del coeficiente de transferencia de calor, en función de los números adimensionales estudiados, Nusselt, Prandtl, Reynolds y Grashof.

9 1. Fundamentos teóricos de Transferencia de calor Radiación. Corresponde a la transferencia de calor a través de ondas electromagnéticas, no tienen la necesidad de un medio de transferencia, un claro ejemplo es la radiación solar. Q radiativ o = ε A e σ ( T pared 4 Tcorriente;aire 4 ) Donde ε: Emisividad del acero al carbono. σ: Constante de Boltzman [W/m^2-K^4] A e : Área del manto exterior del ducto.[m 2 ] Tcorriente aire y Tagua: Son temperaturas absolutas del aire como del agua, en grados Kelvin.

10 2. Aislamiento térmico Que es el aislamiento térmico? Es el evitar la transferencia de calor no deseada desde un cuerpo al ambiente o viceversa.

11 2. Aislamiento térmico Clasificación de aislante. Los aislantes se clasifican en función de la forma de transferencia de calor y en función de la temperatura de utilización. Según la forma de transferencia de calor: En masa Reflectantes En función de la temperatura: Se considera alta temperatura generalmente por sobre de los 100 [ºC], pudiendo ser a menores temperaturas, dependiendo de la aplicación. Para temperaturas mayores a [ºC] deben utilizarse materiales refractarios.

12 2. Aislamiento térmico Clasificación de aislante. Aislantes masa Pequeñas bolsas de aire en su interior. Imponen una alta resistencia a la conducción del calor. (k aire a 0ºC = 0,02 [kcal/h-m-ºc], k aire a 200 ºC =0,03[kcal/h-m-ºC]). No es posible que ocurra convección en su interior.

13 2. Aislamiento térmico Clasificación de aislante. Aislantes reflectantes. Se caracterizan por tener una alta reflexividad y baja emisividad. Refleja gran parte del calor recibido y no alcanza altas temperaturas superficiales. Usualmente se utilizan como última capa de los aislantes en masa (capa exterior).

14 2. Aislamiento térmico Aspectos a considerar a la hora de aislar. Tipo de aislante necesario, en masa o reflectante. Conductividad térmica del aislante en masa. Emisividad del aislante reflectante. Campo de temperaturas de trabajo. Densidad del aislante en masa. Resistencia a la impregnación de humedad. Resistencia a la combustión. Facilidad de colocación. Resistencia al daño y deterioro. Resistencia a la deformación.

15 2. Aislamiento térmico Espesor del aislante. Variables que definen el espesor de aislamiento. Radio de la tubería. Radio del aislante. Conductividad térmica del aislante. Resistencia térmica deseada.

16 JHG1 2. Aislamiento térmico Espesor del aislante. Espesor Crítico de Aislamiento Es una relación entre la conductividad del aislante y el coeficiente convectivo del ambiente que rodea el ducto, se relaciona de la siguiente manera: r C = k h aislante ambiente

17 Diapositiva 16 JHG1 Incluir tablas de k comunes y h comunes JHG Ingeniería Ltda.; 01/06/2007

18 2. Aislamiento térmico Espesor del aislante.

19 2. Aislamiento térmico Espesor del aislante. Espesor crítico de aislamiento. Si el valor de r C es mayor al radio exterior del ducto, la transferencia de calor aumentará al colocar el aislante. En este caso conviene evaluar el r e con un nuevo aislante, ya que el h depende de las condiciones externas al ducto y por lo tanto poco probable de modificar.

20 2. Aislamiento térmico Espesor del aislante. Espesor crítico de aislamiento. Si el valor de r C es menor al radio exterior del ducto, la transferencia de calor disminuirá al colocar el aislante. En este caso conviene instalar el aislante y corresponde determinar el espesor de este.

21 Q Q 2. Aislamiento térmico Espesor del aislante. Espesor crítico de aislamiento. Aire T = 20 [ºC] Vidrio celular k = 0,17 [W/mºC] Lana mineral k = 0,035 h ambiente = 3 [W/m 2 ºC] Tubería acero De = 0,10 [m] Vapor T = 220 [ºC] T pared = 200 [ºC] aislado aislado ( ) ( T T ) 2 π i e = rc _ aislado re _ ducto ln 1 k + aislante ( rc _ asilante) hexterno 2 π ( ) = = 50,9 ln 0,0117 0, ,035 (0,0117) 3 Q Q W [ m ] ambiente ( ) Q h r T T aislado aislado r e sin_ aislamiento = 2 π i e k = h ( ) [ ] = 3 2 π = 84,4 W m ( T T ) 2 π i e = rc _ aislado re _ ducto ln 1 k + aislante ( rc _ asilante ) hexterno 2 π ( ) = = 105,7 ( 0,0567 0,025 ) ln + 1 0,17 (0, 0567) 3 kaislante re = h aislante ambiente W [ m ] 0,17 re = = 0,0567[ m] > rexterno _ ducto = 0,05[ m] 3 0,035 re = = 0,0117[ m] < rexterno _ ducto = 0,05[ m] 3

22 2. Aislamiento térmico Espesor del aislante. Cálculo espesor Tablas. Algoritmos de cálculo.

23 2. Aislamiento térmico Espesor del aislante. Cálculo espesor: Tablas. Útil para decidir el aislamiento o no de instalaciones pequeñas. Basado mayoritariamente en criterios económicos. Ejemplo de utilización

24 2. Aislamiento térmico Espesor del aislante. Cálculo pérdidas en ducto Temperatura Impuesta pared: 45 [ºC] Procedimiento de cálculo coeficientes de convección T ambiente 20 [º C]; V aire: 10 [m/s]; h e :33,65 [kcal/h-m^2-k] Agua a 60 [º C]; V agua: 1 [m/s]; h : [kcal/h-m^2-k] Cañería acero al carbono: D e : 114,3 [mm] ; D i : 80,06 [mm]; L: 50[m] Q = [kcal/h] Q =165 [kcal/h] por metro lineal Equivalente a: En un año (8000 horas) = 5.2 [MMBTU/año-m] Considerando un 85 % de eficiencia de la caldera Combustible utilizado Gas Natural 12,5 [US$/MMBTU] Pérdida de dinero en combustible producto de las pérdidas del ducto 76,9 [US$/año] => por metro de tubería.

25 2. Aislamiento térmico Espesor del aislante. Cálculo perdidas en ducto Temperatura Impuesta pared: 45 [ºC] Pérdidas aprox: 110 [kcal/h x m lineal] Diferencia de Temperatura : 40 [ºC] Diámetro 114 [mm]

26 2. Aislamiento térmico Espesor del aislante. Espesor de aislante

27 2. Aislamiento térmico Espesor del aislante. Cálculo espesor Algoritmo de cálculo.

30 2. Aislamiento térmico Espesor del aislante. Cálculo espesor Algoritmo de cálculo. Resultados. Con un aislante (lana mineral) de 18 [mm] de espesor se obtiene: 133,13 [kcal/h] de ahorro [kcal/año] 4,23 [MMBTU/año] 52,88 [US$/año] Estos son US$ ahorrados por cada metro de tubería.

31 2. Aislamiento térmico Espesor del aislante. Cálculo espesor Disminución calor en función del aumento del espesor Q [W] Espesor aislante [mm]

32 3. Tipo de aislantes Armaflex Lana de vidrio Lana mineral Cellular Glass Poliuretano Silicato de calcio.

33 3. Tipo de aislantes Armaflex. La espuma elastomérica es un aislamiento térmico a base de caucho sintético y con estructura celular cerrada.

34 3. Tipo de aislantes Armaflex. Características técnicas

35 3. Tipo de aislantes Lana de vidrio. La lana de vidrio es tanto un aislante térmico como acústico, importantes ventajas son su bajo peso y alta resilencia, lo que implica ahorros en el transporte. Su principal uso es en aislasión de techos

36 3. Tipo de aislantes Lana de Vidrio. Características técnicas Conductividad térmica desde 0,033 a 0,045 [W/m C] a 20 [ C]. Incombustibilidad. Durabilidad y estabilidad dimensional. Fácil instalación y manipulación. No es tóxico. Resistente a la putrefacción.

37 3. Tipo de aislantes Lana mineral. La lana mineral tiene una densidad 200 veces mayor a la lana de vidrio. El coeficiente de conductividad térmica de la lana mineral es de 0,030 a 0,040 [W/ C m]

38 3. Tipo de aislantes Lana mineral. Características técnicas Alta capacidad de aislación y absorción acústica. Incombustibilidad. Fácil manipulación e instalación.

39 3. Tipo de aislantes Cellular Glass, espuma celulósica. Material constituido por células de celulosa, cubiertas por una pared de vidrio.

40 3. Tipo de aislantes Cellular Glass. Características técnicas Formato: Placas, bloques, Medias Cañas, curvas. Espesores: 1 hasta 4. Diámetros interiores: ½ hasta 18. Densidad: 120 [kg/m 3 ]. Conductividad térmica: 0,039 [W/m K] Usos: En protecciones industriales con temperatura de trabajo entre C a 482 C. Ventajas: Estanqueidad total y definitiva al vapor de agua, al agua y gas, incompresible, incombustible, protege de la corrosión.

41 3. Tipo de aislantes Poliuretano. Este material es aplicable in situ en forma de spray presenta estructura ligera, rígida y de celdas cerradas.

42 3. Tipo de aislantes Poliuretano. Características técnicas. Formato: Spray, Placas y medias cañas. Espesores: Desde 25 [mm] hasta 100 [mm]. Diámetros interiores: Desde ½ hasta 24. Densidad: 35 a 40 [kg/m 3 ]. Conductividad Térmica: 0,020 0,025 [W/mK] Temperaturas de utilización: -200 a 110 [ºC] Usos: Parades, ductos, cañerías. Aplicaciones: In situ en forma de Spray, vertido o colado Ventajas: Se moldea de acuerdo a la superficie, resistente a la compresión, autoextingible.

43 3. Tipo de aislantes Silicato de calcio. Es una aislación moldeada a altas temperaturas compuesta de silicato de calcio.

44 3. Tipo de aislantes Silicato de calcio. Características técnicas. Formato: Placas y medias cañas. Espesores: Desde 1 hasta 4. Diámetros interiores: Desde ½ hasta 38. Densidad: 232 [kg/m 3 ]. Conductividad térmica: 0,07 0,09 [W/mK] Usos: Cañerías y equipos industriales sometidos a alta temperatura. Ventajas: Durable y resistente, temperatura de trabajo de 40 [ C] a 659 [ C], resistente al fuego, bajo contenido de cloro y libre de asbestos.

45 4. Ventajas del aislamiento. Conservación de la energía por la reducción de las pérdidas o ganancias de calor en cañerías, ductos, estanques, equipos, paredes y estructuras. Control de las temperaturas superficiales de equipos y estructuras permitiendo seguridad y confort para las personas. Ayudar al control de temperatura en un proceso químico, una pieza de equipamiento, o una estructura. Prevenir condensación del vapor sobre las superficies en ambientes con temperatura bajo el punto de rocío. Reducir las fluctuaciones de temperatura en los espacios cerrados cuando el calentamiento o enfriamiento no es necesario o no esté disponible. Proveer protección contra el fuego.

46 5. Ventajas del aislamiento Pérdidas de calor en ductos no aislados y accesorios.. Insertar tablas de manual de EE Escanear

47 5. Ventajas de aislamiento Pérdidas de calor en superficies planas

48 5. Ventajas del aislamiento Pérdidas en estanques verticales.

49 5. Ventajas del aislamiento Pérdidas en estanques, en estanques horizontales.

50 5. Ventajas del aislamiento Espesor de aislamiento óptimo económico

51 Muchas Gracias JHG Ingeniería.

52 Convección natural Cálculo Coeficiente de Transferencia de Calor por Convección para el aire. Convección Natural he d k = Nusselt Donde k : Conductividad térmica del aire [W/m]. Nusselt : Número adimensional d : Diámetro exterior del ducto [m].

53 Convección natural Cálculo Coeficiente de Transferencia de Calor por Convección natural para el aire. Cálculo de Nusselt. Nusselt = C GrPr m C = 0,48 m = 0,25 C y m son coeficientes experimentales, parametrizados a partir del valor de GrPr. Donde Gr : Número adimensional de Grashoft. Pr : Número adimensional de Prandt.

54 Cálculo Coeficiente de Transferencia de Calor por Convección para el aire. Cálculo del Número de Grashoft. Convección natural Gr = 9,81 β ( T pared T corriente ) d 3 ν 2 Donde B : Coeficiente de dilatación = 1 / T película [1 / K] d v : Diámetro exterior del ducto [m]. : Viscosidad dinámica del aire [m/s^2]. Cálculo del Número de Prandtl. Pr = µ c k Donde u : viscosidad dinámica del aire [kg/m-s]. k c : Conductividad térmica del aire [W/m]. : Calor específico del aire [J/kg-K].

55 Convección natural Valores Obtenidos para determinar h e : Gr : 4,04 E 6 Pr : 0,7296 Nusselt : 19,89 ( Gr ) 0.25 Nu = 0.48 Pr Nusselt k he = d h e = 4,437 h e = 3,815 h e = 15,14 [W/m^2-K] [kcal/h-m^2-k] [BTU/h-m^2-K]

56 Convección forzada Cálculo de h e para corriente en convección forzada. V corriente aire =10 [m/s] Tº corriente aire = 5 [ºC] Debemos calcular h e al despejarlo de la siguiente ecuación: Nusselt = he k d aire Pero para el cálculo de Nusselt se determina la ecuación a utilizar en función del Número de Reynolds, por lo cual: Numero de Reynold Re = ρ V aire d µ Donde ρ : Densidad del aire [kg/m3]. V aire : Velocidad de la corriente exterior de aire [m/s] d: Diámetro exterior del ducto [m] µ: Viscosidad dinámica del aire [kg / m s].

57 Convección forzada Cálculo de h e para corriente en convección forzada. Numero de Nusselt Nusselt = 0,3 + 0,62 Re 0,5 Pr ( 1 / 3 ) 0,4 ( 2 / 3 ) ( 1 / 4 ) 1 + Pr 1 + Re ( 5 / 8 ) ( 4 / 5 ) Donde Re : Número de Reynolds. Pr : Número de Prandtl Número de Prandtl Pr = µ c k Donde µ: Viscosidad cinemática [kg/m-s] c: Calor específico [J/kg-K] k: Conductividad térmica del aire [W/m-K]

58 Convección forzada Evaluando tenemos Cálculo de h e para corriente en convección forzada. Re = Pr = 0,7267 Nusselt = 0,3 + 0,62 Re 0,5 Pr ( 1 / 3 ) 0,4 ( 2 / 3 ) ( 1 / 4 ) 1 + Pr 1 + Re ( 5 / 8 ) ( 4 / 5 ) Nusselt = h e = Nusselt k d aire h e = 39,13 [W/m^2-K] h e = 33,65 [kcal/h-m^2-k] h e = 133,65 [BTU/h-m^2-K]

59 Convección forzada Al reemplazar los resultados obtenidos en la siguiente ecuación se obtiene: U = 1 h i A i + 1 r e ln r i 2 π k acero L + 1 h e A e U = 683,6 [W/m^2-K] U = [kcal/h-m^2-k] Por lo tanto el calor cedido por el agua es de: Q total = U A i ( T corriente T agua ) Q total = [kcal/h]

60 Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección para el agua Convección Forzada Donde h i : Coeficiente de transferencia de calor por convección para el agua. k agua : Conductividad térmica del agua. Nusselt agua : Número adimensional de Nusselt para el agua. d i Nusselt agua hi d = k : Diámetro interior del ducto. agua i

61 Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección forzada para el agua Numero de Nusselt para el agua: Donde Re : Número adimensional de Reynolds. Pr agua Nusselt agua = 0,023 Re agua 0,8 Pragua 0,3 : Numero adimensional de Prandtl. Nusselt agua : Número adimensional de Nusselt para el agua. d i : Diámetro interior del ducto. Número de Reynolds Número de Prandtl V d Re = µ c ν Pr = k Donde V: Velocidad del agua d: Diámetro interior del ducto v: Viscosidad cinemática del agua Donde u: Viscosidad dinámica del agua c: Calor específico del agua k: Conductividad térmica del agua

62 Cálculo coeficiente de transferencia de calor por convección forzada para el aire Valores Obtenidos para determinar h i : Re : Pr : 3,052 Nusselt : Nusselt agua = 0,023 Re agua 0,8 Pragua 0,3 h i = k agua Nusselt agua d i h i = h i = h i = [W/m^2-K] [kcal/h-m^2-k] [BTU/h-m^2-K]

63 Cálculo coeficiente de transferencia de calor por convección forzada para el aire Cálculo de h e para corriente en convección forzada. V corriente aire =10 [m/s] Tº corriente aire = 5 [ºC] Debemos calcular h e al despejarlo de la siguiente ecuación: Nusselt = he k d aire Pero para el cálculo de Nusselt se determina la ecuación a utilizar en función del Número de Reynolds, por lo cual: Numero de Reynold Re = ρ V aire d µ Donde ρ : Densidad del aire [kg/m3]. V aire : Velocidad de la corriente exterior de aire [m/s] d: Diámetro exterior del ducto [m] µ: Viscosidad dinámica del aire [kg / m s].

64 Cálculo coeficiente de transferencia de calor por convección forzada para el aire Numero de Nusselt Cálculo de h e para corriente en convección forzada. Nusselt = 0,3 + 0,62 Re 0,5 Pr ( 1 / 3 ) 0,4 ( 2 / 3 ) ( 1 / 4 ) 1 + Pr 1 + Re ( 5 / 8 ) ( 4 / 5 ) Donde Re : Número de Reynolds. Pr : Número de Prandtl Número de Prandtl Pr = µ c k Donde µ: Viscosidad cinemática [kg/m-s] c: Calor específico [J/kg-K] k: Conductividad térmica del aire [W/m-K]

65 Cálculo coeficiente de transferencia de calor por convección forzada para el aire Evaluando tenemos Cálculo de h e para corriente en convección forzada. Re = Pr = 0,7267 Nusselt = 0,3 + 0,62 Re 0,5 Pr ( 1 / 3 ) 0,4 ( 2 / 3 ) ( 1 / 4 ) 1 + Pr 1 + Re ( 5 / 8 ) ( 4 / 5 ) Nusselt = h e = Nusselt k d aire h e = 39,13 [W/m^2-K] h e = 33,65 [kcal/h-m^2-k] h e = 133,65 [BTU/h-m^2-K]