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 dentro del rango de influencia radiactiva. 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 , lo que crea una ruptura térmica o barrera térmica [1] , o la radiación térmica se refleja en lugar de ser absorbida por el cuerpo de menor temperatura.
La capacidad aislante de un material se mide como la inversa de la conductividad térmica (k) . Una conductividad térmica baja es equivalente a una capacidad aislante alta ( valor de resistencia ). [2] En ingeniería térmica , otras propiedades importantes de los materiales aislantes son la densidad del producto (ρ) y la capacidad calorífica específica (c) .
La conductividad térmica k se mide en vatios por metro por kelvin (W·m −1 ·K −1 o W/mK). Esto se debe a que se ha descubierto que la transferencia de calor , medida como potencia , es (aproximadamente) proporcional a
De esto se deduce que la potencia de pérdida de calor viene dada por
La conductividad térmica depende del material y, en el caso de los fluidos, de su temperatura y presión. A modo de comparación, se suele utilizar la conductividad en condiciones estándar (20 °C a 1 atm). En el caso de algunos materiales, la conductividad térmica también puede depender de la dirección de la transferencia de calor.
El aislamiento se lleva a cabo envolviendo un objeto en un material de baja conductividad térmica y de gran espesor. La disminución de la superficie expuesta también podría reducir la transferencia de calor, pero esta cantidad suele estar determinada por la geometría del objeto que se va a aislar.
El aislamiento multicapa se utiliza donde predomina la pérdida radiactiva o cuando el usuario está restringido en cuanto al volumen y el peso del aislamiento (por ejemplo, manta de emergencia , barrera radiante ).
En el caso de los cilindros aislados, se debe alcanzar una capa de radio crítico . Antes de alcanzar el radio crítico, cualquier aislamiento adicional aumenta la transferencia de calor. [3] 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 y el interior, no del radio en sí. Si se aumenta el radio exterior de un cilindro mediante la aplicación de aislamiento, se agrega una cantidad fija de resistencia conductiva (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 crítico en realidad aumenta la transferencia de calor. En el caso de los cilindros aislados, el radio crítico viene dado por la ecuación [4].
Esta ecuación muestra que el radio crítico depende únicamente del coeficiente de transferencia de calor y de la conductividad térmica del aislamiento. Si el radio del cilindro aislado es menor que el radio crítico del aislamiento, la adición de cualquier cantidad de aislamiento aumentará la transferencia de calor.
Los gases poseen propiedades de conducción térmica deficientes en comparación con los líquidos y sólidos y, por lo tanto, constituyen un buen material aislante si se pueden atrapar. Para aumentar aún más la eficacia de un gas (como el aire), se lo puede dividir en pequeñas celdas, que no pueden transferir calor de manera efectiva por convección natural . La convección implica un flujo de gas más grande impulsado por la flotabilidad y las diferencias de temperatura, y no funciona bien en celdas pequeñas donde hay poca diferencia de densidad para impulsarlo, y las altas relaciones superficie-volumen de las celdas pequeñas retardan el flujo de gas en ellas por medio de la fricción viscosa .
Para lograr la formación de pequeñas celdas de gas en el aislamiento térmico artificial, se pueden utilizar materiales de vidrio y polímeros para atrapar aire en una estructura similar a la espuma. Este principio se utiliza industrialmente en el aislamiento de edificios y tuberías, como ( lana de vidrio ), celulosa , lana de roca , espuma de poliestireno (poliestireno expandido), espuma de uretano , vermiculita , perlita y corcho . La captura de aire también es el principio en todos los materiales de ropa altamente aislantes, como la lana, el plumón y el vellón.
La propiedad de atrapar el aire es también el principio de aislamiento que emplean los animales homeotermos para mantenerse calientes, por ejemplo, las plumas de plumón 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 natural queratina .
Mantener temperaturas aceptables en los edificios (mediante calefacción y refrigeración) supone una gran proporción del consumo energético mundial . Los aislamientos de los edificios también suelen utilizar el principio de pequeñas celdas de aire atrapadas, como se ha explicado anteriormente, por ejemplo, fibra de vidrio (en concreto, lana de vidrio ), celulosa , lana de roca , espuma de poliestireno , espuma de uretano , vermiculita , perlita , corcho , etc. Durante un tiempo, también se utilizó amianto , pero provocó 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.
Cuando está bien aislado, un edificio es:
En la industria, para elevar, reducir o mantener la temperatura de objetos o fluidos de proceso es necesario gastar energía. Si estos no están aislados, aumentan los requerimientos energéticos de un proceso y, por lo tanto, el costo y el impacto ambiental.
Los sistemas de calefacción y refrigeración distribuyen el calor por los edificios mediante tuberías o conductos. El aislamiento de estas tuberías reduce la energía que llega a las habitaciones desocupadas y evita que se produzca condensación en las tuberías de agua fría y refrigerada.
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.
Se ha descubierto que el aislamiento térmico mejora la emisión térmica de las superficies de enfriamiento radiativo pasivo al aumentar la capacidad de la superficie para reducir las temperaturas por debajo de la temperatura ambiente bajo la intensidad solar directa. [5] Se pueden utilizar diferentes materiales para el aislamiento térmico, incluidos los aerogeles de polietileno que reducen la absorción solar y la ganancia de calor parásita, lo que puede mejorar el rendimiento del emisor en más del 20%. [5] Otros aerogeles también mostraron un fuerte rendimiento de aislamiento térmico para superficies de enfriamiento radiativo, incluido un aerogel nanofibroso de sílice-alúmina . [6]
Un refrigerador consta de una bomba de calor y un compartimento aislado térmicamente. [7]
El lanzamiento y el reingreso a la atmósfera imponen tensiones mecánicas severas a las naves espaciales, por lo que la resistencia de un aislante es de vital importancia; la falla de las placas aislantes del transbordador espacial Columbia provocó que la estructura del transbordador se sobrecalentara y se rompiera durante el reingreso, matando a los astronautas a bordo. El reingreso a través de la atmósfera genera temperaturas muy altas debido a la compresión del aire a altas velocidades. Los aislantes deben cumplir con propiedades físicas exigentes más allá de sus propiedades retardantes de transferencia térmica. Algunos ejemplos de aislamientos utilizados en naves espaciales incluyen el cono de morro de compuesto de carbono -carbono reforzado y las placas de fibra de sílice del transbordador espacial . Véase también Pintura aislante .
Los motores de combustión interna producen mucho calor durante su ciclo de combustión. Esto puede tener un efecto negativo cuando llega a diversos componentes sensibles al calor, como sensores, baterías y motores de arranque. Como resultado, es necesario un aislamiento térmico para evitar que el calor del escape llegue a estos componentes.
Los automóviles de alto rendimiento a menudo utilizan el aislamiento térmico como un medio para aumentar el rendimiento del motor.
El rendimiento del aislamiento está influenciado por muchos factores, los más destacados de los cuales incluyen:
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 las condiciones ambientales cambian.
Las normas de la industria suelen ser reglas generales, desarrolladas a lo largo de muchos años, que compensan muchos objetivos contrapuestos: lo que la gente está dispuesta a pagar, el coste de fabricación, el clima local, las prácticas de construcción tradicionales y los distintos estándares de confort. 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 hermeticidad 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 espesor de la capa aislante basándose en reglas generales. Se obtienen rendimientos decrecientes con cada duplicación sucesiva de la capa aislante. Se puede demostrar que para algunos sistemas, existe un espesor mínimo de aislamiento necesario para que se realice una mejora. [8]
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