XV SEMINARIO PENINSULAR “USO EFICIENTE DE ENERGÍA”

DEL 28 AL 29 DE JULIO DE 2011

EL AISLAMIENTO TÉRMICO Y EL AHORRO DE ENERGÍA

PAESE FIDE UTM CFE

AISLAMIENTOS TÉRMICOS

EN LA ENVOLVENTE DE LOS EDIFICIOS

Y EN INSTALACIONES INDUSTRIALES

Y SU IMPACTO EN EL AHORRO DE ENERGÍA

Ing. José Carlos Peraza Lizama

NORMAS DE REFERENCIA

1. NOM-008-ENER-2001 Eficiencia Energética en la Envolvente de Edificios no Residenciales.

2. NOM-020-ENER-2010 Eficiencia Energética en la Envolvente de Edificios para uso Habitacional.

3. NOM-018-ENER-1997 Aislantes Térmicos para Edificaciones. Características, Límites y Métodos de Prueba.

4. NOM-009-ENER-1995 Eficiencia Energética en Aislamientos Térmicos Industriales.

5. NRF-025-PEMEX-2002 AISLAMIENTOS TÉRMICOS PARA BAJA TEMPERATURA.

6. NRF-034-PEMEX-2004 AISLAMIENTOS TÉRMICOS PARA ALTA TEMPERATURA.

OBJETIVO DEL AIRE ACONDICIONADO

ELIMINAR LAS CARGAS TÉRMICAS INTERIORES SOLAMENTE

UN AIRE ACONDICIONADO QUE ELIMINA TANTO LAS CARGAS INTERIORES , COMO LAS CARGAS EXTERIORES,

PUEDE CONSUMIR MÁS DEL DOBLE DE ENERGÍA ELÉCTRICA

CARGAS TERMICAS EXTERIORES

1.GANANCIA DE CALOR POR RADIACION Y POR CONDUCCIÓN EN LOS TECHOS

2.GANANCIA DE CALOR POR RADIACION Y POR CONDUCCIÓN EN PAREDES

3.GANANCIA DE CALOR POR RADIACION Y POR CONDUCCIÓN EN PUERTAS Y VENTANAS

4.GANANCIA DE CALOR POR INFILTRACION EN PUERTAS Y VENTANAS

1. POR PERSONAS2. POR EQUIPOS ELECTRICOS3. POR MATERIALES4. POR FRUTAS5. POR VERDURAS6. POR CARNES7. POR BEBIDAS EMBOTELLADAS8. POR CONSERVAS

CARGAS TERMICAS INTERIORES

ALGUNOS TIPOS DE AISLANTES

DESFASAMIENTO DE ONDAS TERMICASEN LAS EDIFICACIONES

INFLUENCIA DE LAS ESTACIONES DEL AÑO

COORDENADAS SOLARES

INFLUENCIA DE LA ORIENTACIÓN DE LOS EDIFICIOS

PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

1. CONDUCCIÓN

ES LA QUE SE LLEVA A CABO A TRAVÉS DE UN MATERIAL

SÓLIDO . Se identifica a través de su coeficiente de conductividad (k) y del espesor del material (x) Qc = kA (T2 – T1 ) Ley de Fourier

2. CONVECCIÓN

ES LA QUE SE LLEVA A CABO A TRAVÉS DE UN MEDIO LÍQUIDO O GASEOSO. Suele llamarse “coeficiente de película o de Convección” (h)

Q = h A (Ts – Te)

3. RADIACIÓNES LA QUE SE LLEVA A CABO A TRAVÉS DE UN MEDIO VACÍO POR ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS (Q = σ As Ts4), donde σ = Cte. de Stefan

Bolztman = 5.67 x 10-8 w/m2 K4

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

CONDUCCIÓN

RADIACIÓN

CONVECCIÓN

TIPOS DE RADIACIONES

• Radiación de radio • Radiación de microondas • Radiación infrarroja • Radiación visible • Radiación ultravioleta • Radiación X • Radiación gamma (es la que emite más energía y

la más peligrosa)

MAGNITUDES DEL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

COMPARATIVOS ENTRE LONGITUD DE ONDA, FRECFUENCIA Y TEMPERATURA

ESCALA DE TEMPERATURAS A CONSIDERAR EN LA SELECCIÓN DE LOS

AISLAMIENTOS TÉRMICOS

TE

MP

ER

AT

UR

AS

C

RIO

GÉ

NIC

AS

TE

MP

ER

AT

UR

AS

AM

BIE

NT

AL

ES

TE

MP

ER

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AS

EL

EV

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TE

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NG

EL

AN

TE

S

TE

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AS

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FR

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RA

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TE

MP

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AT

UR

AS

DE

CA

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TE

MP

ER

AT

UR

AS

DE

VA

PO

RIZ

AC

ION

TE

MP

ER

AT

UR

AS

DE

CO

MB

UST

ION

DE – 100 oC A – 273 o C

DE – 10 oC A – 90 o C

DE 10 oC A 0 oC

DE 15 oC A 40 oC

DE 50 oC A 100 oC

De 100 oC A 300 oC

DE 500 oC A 2000 oC

DE 2500 A 10,000 oC

SELECCIÓN DE AISLAMIENTOS EN FUNCION DE LA ESCALA DE TEMPERATURAS

TEMPERATURAS CEIOGENICAS

TEMPERATURAS CONGELANTES

TEMPERATURAS REFRIGERAN TES

TEMPERATURAS AMBIENTALES

TEMPERATURAS DE

CALEFACCION

TEMPERATURAS DE

VAPORIZACION

TEMPERATURAS DE

COMBUSTION

TEMPERATURAS ELEVADAS

Armaflex LTD POLIURETANOCELULAR

POLIURETANOEXPANDIDO

POLIESTIRENO FIBRA DE VIDRIO

FIBRA DE VIDRIO

LADRILLOSREFRACTARIOS

ALEACIONESDE

REFRACTARIOS

Cryogel Z POLIESTIRENO CELULAR

STIROFOAM POLIURETANO VITROFIBRAS SILICATO DE CALCIO

MATERIAL CERAMICO

ELEVADOS CAMPOS

MAGNETICOS

Poliuretano Rígido

VALCOM

VIDRIO CELULAR

ARMAFLEX FIBRA DE VIDRIO

SILICATO DE CALCIO

FIBRA MINERAL

FIBRA CERAMICA

VACIO YVERMICULITA

FORMULAR NUMALOCK POLIETILENO CELULAR

LANA MINERAL

LANA MINERAL

FIROGEL

FOAMGLASS POLIESTIRENO CELULAR

COEFICIENTES GLOBALES DE TRANSMISION DE CALOR EN VENTAN AS

FACTORES DE SOMBREADO PARA VENTANAS

Coeficiente de Ganancia de Calor Solar (Solar Heat Gain Coefficient, SHGC)

Porcentaje de energía solar directamente transmitido o absorbido e irradiado nuevamente a un edificio. Mientras más bajo es el SHGC, mejores son las propiedades de control solar de la película.

VIDRIOS DE BAJA EMISIVIDAD

Baja emisividad, o Baja-E, se refiere a un recubrimiento de los vidrios de la película para ventanas que reduce la pérdida de calor a través de la película para ventanas. Mientras menor es el valor nominal de emisividad, mejor es la característica de aislamiento del sistema de vidriado en relación con la pérdida de calor. Silver Ag 25 de Solar Gard es una excelente película de baja emisividad.

ADHESIVO DE CONTACTO A PRESIÓN DE PELICULAS PARA CRISTALES

Adhesivo para montar películas para ventanas que usa la presión aplicada para formar una unión mecánica entre la película y el vidrio. El adhesivo de contacto es pegajoso al tacto y está protegido por un revestimiento antes de usarse. Todas las películas para ventanas para aplicaciones automotrices y las películas de seguridad para ventanas de Bekaert incorporan el PSA.

ANGULOS DE SOMBRA Y MASCARAS DE SOMBRA

Angulo de Sombra Horizontal (d)Caracteriza un elemento vertical, y es la diferencia entre el azimut solar y el azimut de la pared.

Angulo de Sombra Vertical (e)Caracteriza un elemento horizontal, y se mide sobre un plano vertical perpendicular a la elevación considerada.

FACTORES DE SOMBREADO EXTERIORDEPENDIENDO DE LA LATITUD Y LA ORIENTACIÓN DE LA

VENTANA

L

H

L/H

W

L

HW/HFACTOR DE CORRECCION POR VOLADOS SOBRE VENTANA CON EXTENSION LATERAL HASTA LOS LIMITES

FACTOR DE CORRECCION DE SOMBREADO EXTERIOR

W

P

E

W/EFACTOR DE CORRECCION DE SOMBREADO POR VENTANAS REMETIDAS

REDUCCION DEL CONSUMO DE ENERGÍA CON PROTECCIONES SOLARES EXTERNOS

Ubique las ventanas de modo que favorezca un adecuado patrón de flujo interno del aire dentro del ambiente

INFLUENCIA DE LA ORIENTACIÓN SOBRE LA EFICIENCIA DEL SOMBREADO EN VENTANAS

Temperatura “Sol-Aire”

La temperatura sol –aire es la temperatura superficial de los materiales y es la resultante de un efecto térmico combinado de:•La temperatura ambiente•La fracción de radiación solar absorbida por la superficie•El intercambio de calor radiante con el entorno

tsa = ta +αI/ho

tsa = Temp. sol-aire

α = coeficiente de absortividad

I = Intensidad de la radiación solar incidente

ho = Coeficiente de conductancia de la superficie externa

Ta = temperatura del aire exterior

TIPOS DE VIDRIOS

Vidrio Claro Transmite radiación de todas las longitudes de onda. Vidrio absorbente térmico Absorbe una gran parte de la radiación infrarroja

Vidrio de reflexión térmicaRefleja una gran parte de la radiación infrarroja

Vidrio de baja emisividadCubierto con una lámina de baja emisividad de la radiación de onda larga.

Vidrio super-aislanteConsta de tres capas de vidrio, con capas de baja emisividad

Vidrio gris y coloreado. Absorve más radiación visible que radiación infraroja

COEFICIENTES DE SOMBREADOPOR CORTINAS

COEFICIENTES DE SOMBREADOPOR CORTINAS

COEFICIENTES DE SOMBREADOPOR CORTINAS

COEFICIENTES DE SOMBREADOPOR CORTINAS

14 cm

90 cm

44 cm

44 cm

U = 2.8070 W/M² ºK U = 1.3526 W/M² ºK

U = 0.5615 W/M² ºK U = 0.9817 W/M² ºK

COMPARATIVA DE COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR (U)

ARQUITECTURA VERNACULA

M

U

R

O

S

CONSTRUCCION CONTEMPORANEA

T E C H

O S

adobe

ladrillo

tierra

concreto

tierra

PROPIEDADES BÁSICAS USADAS EN LAS ECUACIONES PARA EL CÁLCULO DE TRANSFERENCIA

DE CALOR

1. CONDUCTIVIDAD TERMICA (K)2. CAPACITANCIA TERMICA (C) 3. RESISTENCIA TÉRMICA (R) 4. COEFICIENTE DE PELICULA O DE CONVECCION (h) 5. COEFICIENTE DE RADIACIÓN (σ) 6. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFRENCIA (U) 7. FACTOR DE SOMREADO (Fs)

CÁLCULO DE LAS GANANCIAS DE CALOR POR CONDUCTIVIDAD EN MUROS

a) MURO SIN AISLAMIENTOUa = 1/(1he+x/km+1/hi)Ua = 1/(134.08+0.18/0,73+1/8.29)Ua = 2.93 W/m2 O C

Qa = Ua x Aa x(Te-Ti) = 2.93x50x(32-24)

= 1172 w

b) MURO CON AISLAMIENTOQb = 1/(1he+x/km+x/ka+1/hi) = 1/(134.08+0.18/0,73+0.0254/0.22+1/8.29)

= 0.866 W/m2 O C

Qb = Ub x Ab x(Te-Ti) = 0.866 X 50 X (32 – 24)

346.4 W ΔQ = 825.6 W = 2817.6 Btu/h

CÁLCULO DE LAS GANANCIAS DE CALOR POR CONDUCTIVIDAD EN VENTANAS

a) Con vidrio sencillo Ua = 1/ (1/he + x / kv + 1 /hi) Ua = 1/(1/34.8 + 0.006/0.72+ 1/8.14) = 6.23

b) Con vidrio doble Ub = 1/(1/34.8+ 0.006/0.72+ 0.006/0.72+ 1/8.14) Ub = 5.93

c) Con vidrio doble más vacio:

Uc =1/(1/34.8+ 0.006/0.72+0.006/0.72+0.01/0.026+0.006/0.72+1/8.14) = 1.38

GANANCIA DE CALOR EN CADA CASO:

Qa = Ua.Aa.(Te –Ti) = 6.23 x 2.4 x (32 – 24) = 119.616 WQb = Ub.Ab.(Te–Ti) = 5.93 x 2.4 x(32 – 24) = 113.856 WQc = Uc.Ac.(Te–Ti) = 1.38 x 2.4 x(32 – 24) = 26.496 W

EL AISLAMIENTO TÉRMICO EN LA INDUSTRIA

AEREOGEL UN AISLANTE DE ÚLTIMA GENERACIÓN

Tipo

Índice FM200 FM400 FM650

Temperatura de

servicio (° C) -80 ~ 200 -180 ~ 400 -180 ~ 650

Espesor (mm) 3,6,10 3,6,10 3,6,10

La conductividad

térmica (W · m -1 K -1) 0.016 0.016 0.016

Densidad (kg / m 3) <180 <220 <220

Característica principal índice y campo de aplicación

HUMO SÓLIDO

1. Calcular el espesor óptimo de aislante para una aplicación

2. Calcular el espesor crítico de aislante para una aplicación

3. Calcular pérdidas de calor conocidas las temperaturas superficiales tanto interna como externa de una tubería, o equipo

4. Explicar el significado de términos como: espesor crítico de aislante, espesor óptimo de aislante, conductividad térmica.

5. Resolver problemas reales de transmisión de calor en los que aparezcan combinados los tres mecanismos

6. Calcular coeficientes globales de transmisión de calor para distintas geometrías

7. Cuantificar las resistencias a la transmisión de calor con objeto de hallar la/s etapa/s controlante/s y simplificar los cálculos

OBJETIVOS DEL AISLAMIENTO TÉRMICO EN LA INDUSTRIA

OTRAS RAZONES DEL AISLAMIENTO INDUSTRIAL

1. Minimizar las pérdidas de calor o minimizar ganancias de calor (en caso de que el contenido esté por debajo T ambiente)

2. Alcanzar T’s3. Poder transportar fluidos calientes a distancias grandes

Ej: vapor generado en una caldera.4. Suprimir condensaciones5. Reducir el desgaste de equipos cuando está afectado a

dilataciones debidas a diferencias de T6. Mejorar las condiciones de trabajo (Seguridad, evitar

que el operario se queme).

CARACTERISTICAS DE UN BUEN AISLANTE

• Baja conductividad• Ligero (baja densidad)• No combustible• No putrescible• No atacable por insectos u otros

organismos• Inerte• Fácil de colocar

PÉRDIDAS DE CALOR EN UN A TUBERÍA AISLADA

DONDE:

dw: diámetro medio logarítmico de la tuberíada: diámetro medio logarítmico del aislamientods: diámetro exterior del aislamientoxw, xa: espesores pared del tubo y del aislamientokw, ka: conductividad térmica del tubo y del aislamientohi, hCN , hrad

Qt = Am ΔTtot /[1/hi πdi +Xw/Kwπdw +Xa/Ka πda+1/(hrad .hCN) πds]

TRANSFERENCIA DE CALOR EN UNA TUBERIA

r

R+x

x To

Ts

Ta Qs = h.2π L.(r+x).(Ts-Ta)Qi = (2π L.rln/x).k.(To-Ts) = (2π L/ln((ro + x)/ro).k.(To-Ts)

ESPESOR ÓPTIMO DEL AISLAMIENTO DE UNA TUBERÍA

CO

STO

S

ESPESORES

COSTO TOTAL

COSTO DEAISLAMIENTO

COSTO DEOPERACION

AISLAMIENTO TÉRMICO DE UN RECIPIENTE CON NITRÓGENO LÍQUIDO

(TEMPERATURA CRIOGÉNICA)

MECANISMO DE LA CONDUCCIÓN

Q = k A dT dx

ANALOGIA ELÉCTRICA DE LA CONDUCCIÓN Qk = ΔT / Rk . Donde: potencial Térmico ΔT = T2 - T1

Resistencia Térmica Rk = x / kA

Qs = (T1-T2)/(x1/k1A) + (T2-T3)/(x2/k2A) + (T3-T4)/(x3/k3A) = (T1 – T4) / [(x1/k1A) + (x2/k2A) + (x3/k3A)]

TRANSMISIÓN EN SERIE

TRANSMISIÓN EN PARALELO

CIRCUITOS SERIE –PARALELO EN PAREDES COMPUESTAS

Qg = ΔTglobal / Σ Ri global = ΔTglobal / (R1 + R2 + R3 + Rn)

CONDUCTIVIDADES TÉRMICAS CERTIFICADAS POR LA NOM-018-ENER-1997

PARA LOS AISLAMIENTOS TÉRMICOS MÁS UTILIZADOS

TIPO DE AISLAMIENTO

DENSIDAD APARENTE CONDUCTIVIDAD TERMICA A25 oC

RESISTENCIA TÉRMICA A 2.5 CM DE ESPESOR

Kg/m 3 Lb/ft3 w/m oK Btu in /ft2 h m2 K/ w Ft2 h oF / Btu

FIBRA DE VIDRIO

DE 10 A 30DE 31 A 45 DE 45 A 65

DE 0.63 A 1.19DE 1.94 A 2.81 DE 2.88 A 4.06

0.0400.0340.033

O.280.240.23

0.640.750.77

3.64.24.4

FIBRA MINERAL DE ROCA

DE 30 A 50 DE 1.88 A 3,13 0.037 0.26 0.69 3.9

CÁLCULO DE CARGAS EXTERNAS EN EDIFICACIONES SIN AISLAMIENTO Y CON

AISLAMIENTOSIN AISLAMIENTO CON AISLAMIENTO

Qsa = Usa.A.(te – ti) Qca = Uca.A.(te – ti)

Qsa = A.(ti – te)/ΣRsa Qca = A.(ti – te)/ΣRca

Qsa = A.(ti – te)/[1/(1/hi+x/k+1/he)] Qca =A.(ti-te)/[1/(1/hi+x1/k+x2/k2+1/he)]

VENTANAS SIMPLES VENTANAS CON DOBLE CRISTAL

Ua = 1/ (1/he + x / kv + 1 /hi) Ub = 1/ (1/he + x1/k1+x2/k2 +1/hi)

VENTANAS CON DOBLE CRISTAL Y VACIO

Uc = 1/ (1/he + x1/k1+x2/ɛ2+x3/k3 +1/hi)

VENTANAS CON PELÍCULA ANTISOLAR

UP = 1/ (1/he + x1/k1+x2/σɛ2 +1/hi)

Qc = A.[(ti-te)/1/1/hi+σɛ(T4g-T4

i)/(Tg-Ti)]

EQUIVALENCIAS

W/m2 oC Btu/h.pie2 oF

1 0.176