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 , creando una rotura 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 baja conductividad térmica equivale a una alta capacidad de aislamiento ( 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 está dada por
La conductividad térmica depende del material y, en el caso de los fluidos, de su temperatura y presión. A efectos de comparación, se utiliza habitualmente 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 un material de baja conductividad térmica de alto espesor. Disminuir la superficie expuesta también podría reducir la transferencia de calor, pero esta cantidad suele estar fijada por la geometría del objeto a aislar.
El aislamiento multicapa se utiliza cuando predomina la pérdida radiativa o cuando el usuario tiene restricciones en cuanto al volumen y peso del aislamiento (por ejemplo, manta de emergencia , barrera radiante ) .
Para cilindros aislados, se debe alcanzar un radio de cobertura crítico . Antes de alcanzar el radio crítico, cualquier aislamiento añadido 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 aislante) 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 crítico en realidad aumenta la transferencia de calor. Para 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 para el 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, son un buen material aislante si pueden quedar atrapados. Para aumentar aún más la eficacia de un gas (como el aire), se puede dividir en pequeñas células, que no pueden transferir calor de forma eficaz por convección natural . La convección implica un mayor flujo de gas 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 ellos mediante arrastre viscoso .
Para lograr la formación de pequeñas células de gas en un aislamiento térmico artificial, se pueden utilizar materiales de vidrio y polímeros para atrapar el aire en una estructura similar a la espuma. Este principio se utiliza industrialmente en aislamientos de edificios y tuberías como ( lana de vidrio ), celulosa , lana de roca , espuma de poliestireno (espuma de poliestireno), espuma de uretano , vermiculita , perlita y corcho . La retención de aire también es el principio de todas las prendas con un alto poder aislante, como la lana, el plumón y el vellón.
La propiedad de atrapar 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 .
Mantener temperaturas aceptables en los edificios (mediante calefacción y refrigeración) utiliza una gran proporción del consumo energético mundial . Los aislamientos de edificios también suelen utilizar el principio de pequeñas células 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.
Cuando un edificio está bien aislado:
En la industria, se debe gastar energía para elevar, disminuir o mantener la temperatura de los objetos o fluidos de proceso. Si estos no están aislados, esto aumenta los requerimientos energéticos de un proceso y, por tanto, el coste y el impacto ambiental.
Los sistemas de calefacción y refrigeración de espacios distribuyen el calor por los edificios mediante tuberías o conductos. Aislar estas tuberías mediante aislamiento de tuberías reduce la energía que llega a 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 habitualmente en instalaciones industriales y comerciales.
Se ha descubierto que el aislamiento térmico mejora la emitancia térmica de las superficies de enfriamiento radiativo pasivo al aumentar la capacidad de la superficie para reducir las temperaturas por debajo de la ambiental bajo intensidad solar directa. [5] Se pueden utilizar diferentes materiales para el aislamiento térmico, incluidos aerogeles de polietileno que reducen la absorción solar y la ganancia de calor parásita que pueden mejorar el rendimiento del emisor en más de un 20%. [5] Otros aerogeles también exhibieron un fuerte rendimiento de aislamiento térmico para superficies de enfriamiento radiativo, incluido un aerogel nanofibroso de sílice-alúmina . [6]
Un frigorífico consta de una bomba de calor y un compartimento aislado térmicamente. [7]
El lanzamiento y la reentrada imponen graves tensiones mecánicas a las naves espaciales, por lo que la resistencia de un aislante es de vital importancia (como se ve en el fallo de las placas aislantes del transbordador espacial Columbia , que provocó que la estructura del transbordador se sobrecalentara y se rompiera durante la reentrada, matando a 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 exigentes propiedades físicas más allá de sus propiedades retardantes de transferencia térmica. Ejemplos de aislamiento utilizado en naves espaciales incluyen el cono de nariz compuesto de carbono -carbono reforzado y losas 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 coches de alto rendimiento suelen utilizar aislamiento térmico como medio para aumentar el rendimiento del motor.
El rendimiento del aislamiento está influenciado por muchos factores, los más destacados incluyen:
Es importante tener en cuenta que los factores que influyen en el rendimiento pueden variar con el tiempo a medida que los materiales envejecen o cambian las condiciones ambientales.
Los estándares de la industria son a menudo reglas generales, desarrolladas a lo largo de muchos años, que compensan muchos objetivos contradictorios: lo que la gente pagará, el costo de fabricación, el clima local, las prácticas de construcción tradicionales y los distintos 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 conseguida la estanqueidad, a menudo ha sido suficiente elegir el espesor de la capa aislante basándose en reglas generales. Se consiguen rendimientos decrecientes 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. [8]
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