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AISLANTES Y CONDUCTORES TERMICOS
Andrés M. Herrera A.
117004316
Steffanny Granados Penagos
117004315
Presentado a: Ing. Peter R. Velázquez
TRANSFERENCIA DE CALOR
INGENIERIA AGROINDUSTRIAL
UNIVERSIDAD DE LOS LLANOS
2022
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aislantes y conductores termicos, Esquemas y mapas conceptuales de Calor y Transferencia de Masa
investigacion sobre aislantes y conductores termicos
Tipo: Esquemas y mapas conceptuales
2021/2022
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AISLANTES Y CONDUCTORES TERMICOS
Andrés M. Herrera A. 117004316 Steffanny Granados Penagos 117004315 Presentado a: Ing. Peter R. Velázquez TRANSFERENCIA DE CALOR INGENIERIA AGROINDUSTRIAL UNIVERSIDAD DE LOS LLANOS 2022
TABLA DE CONTENIDO
- Introducción………………………………………………………………………………………
- Marco teórico……………………………………………………………………………………..
- Antecedentes de transferencia de calor…………………………………………………….
- Mecanismos de transmisión de calor………………………………………………………
- Convección………………………………………………………………………………...
- Radiación térmica………………………………………………………………………….
- Conductividad térmica…………………………………………………………………….
- Aislantes térmicos…………………………………………………………………………
- Aislantes térmicos naturales……………………………………………………...
- Conclusiones…………………………………………………………………………………….
- Bibliografía……………………………………………………………………………………...
Mecanismos de transmisión de calor. Los textos de transferencia de calor suelen reconocer tres modos distintos de transmisión del calor: conducción, radiación y convección. En rigor, solo la conducción y la radiación debieran clasificarse como procesos de transferencia de calor, porque solo estos dos mecanismos dependen de la simple existencia de un desequilibrio térmico. Por su parte, la convección no satisface de manera estricta la condición de transferencia de calor porque su operación también depende del transporte de masa. Pero como la convección también transmite energía de regiones con mayor temperatura a regiones con menor temperatura, se ha adoptado el término “transferencia de calor por convección”. (Aguilar Juárez, 2008) Leyes fundamentales en transmisión de calor. Antes de desarrollar matemáticamente la transmisión de calor, se consideran de manera particular las leyes definitorias de los tres mecanismos de transferencia de calor (figura 1), y posteriormente se analizan las características de cada uno de ellos así como las ecuaciones básicas que rigen su comportamiento. No obstante, se debe hacer hincapié en que durante la mayoría de las situaciones naturales el calor se transfiere no sólo por uno, sino por varios mecanismos que operan en forma simultánea. (Aguilar Juárez, 2008)
Tomado de: http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/jspui/bitstream/132.248.52.100/8493/1/Tesis_Completa.pdf Convección La convección es la transferencia de calor a través del movimiento de un gas o líquido. Los aislantes térmicos que evitan la convección son utilizados para evitar que el gas o líquido caliente dispersen calor hacia otras zonas. Debido a que la bebida en sí es líquida, también estará sujeta a la transferencia por convección. En convección, las moléculas de la sustancia que ganan energía térmica son realmente capaces de cambiar de ubicación. Esto no es posible en un sólido ya que sus moléculas simplemente vibran más rápidamente, pero permanecen en su lugar. Las moléculas del solido que han sido calentadas por conducción cerca de la superficie interna de la botella o lata se moverán alrededor del líquido a zonas que no están en contacto con las paredes del recipiente y también los calentarán.
Un objeto con baja conductividad transfiere menos calor que un objeto con alta conductividad. Debido a esta propiedad, algunos materiales se utilizan como aislantes térmicos mientras que otros se utilizan en aplicaciones que requieren una alta transferencia de calor. De forma general, los sólidos tienen una conductividad térmica mayor que gases y líquidos. La conducción de calor en los metales se produce principalmente por movimiento de electrones y en menor medida por vibración molecular. La transferencia por el movimiento de electrones es mucho más eficiente y por eso los metales son generalmente mejores conductores térmicos que los materiales no metálicos. Por ejemplo, el cobre tiene una conductividad de 380 vatios por kelvin y metro, y el poliuretano 0,035 vatios por kelvin y metro. En el Sistema Internacional de Unidades (SI) la unidad de conductividad térmica se define, para un cuerpo homogéneo isótropo, como el flujo térmico de un vatio, sin intercambio de materia, entre dos planos paralelos de un metro cuadrado de superficie de un objeto con un metro de espesor y una diferencia de temperatura entre ellos de un grado Kelvin. Se mide por tanto en W/(K·m) (watios por Kelvin y metro), equivalente a J/(s·K·m) (Julios por segundos, Kelvin y metro). La unidad de conductividad térmica en el SI se representa por la letra griega λ (lamda). En Estados Unidos se suele utilizar la letra k La conducción tiene lugar cuando dos sustancias con diferentes cantidades de energía térmica, o temperaturas diferentes, entran en contacto una con el otra. La energía térmica de la sustancia más caliente comenzará a aumentar el movimiento molecular de la más fría. Por ejemplo, cuando el aire caliente entra en contacto con un envase de bebida fría, la energía térmica del aire se transfiere a la lata o la botella a través de conducción. Lo mismo sucede si el recipiente está en una mano caliente. (Thompson, 2012)
La tabla que se muestra a continuación se refiere a la capacidad de ciertos materiales para transmitir el calor. Tabla 1. Conductividades térmicas. Sustancia K(W/mK) Aluminio 205. Latón 109. Cobre 385. Plomo 34. Mercurio 8. Plata 406. Acero 50.
. Fuentes: Serway. Physics for Scientists and Engineers / Sears, Z & Y. Física Universitaria Aislantes térmicos. Los aislantes térmicos son materiales diseñados para disminuir la transferencia de calor entre objetos. Hay tres tipos básicos de aislantes que se diseñan para evitar que el calor pase por conducción, convección o radiación. La mayoría de los aislantes térmicos, están diseñados para evitar la conducción de transferencia del calor a través del contacto entre objetos sólidos. Los aislantes diseñados para evitar la pérdida de calor por convección están diseñados para limitar el movimiento de aire mientras que las barreras de radiación están diseñadas para reflejar la energía emanada. El primer componente a considerar es el mecanismo físico por el cual el calor, o energía térmica, se transfiere entre los objetos. La energía térmica es la cantidad de movimiento molecular en una sustancia y tiene tres métodos de transferencia antes mencionados. Debido a
I. Fibrosos. Los materiales fibrosos se componen de filamentos con partículas de diámetro pequeño de baja densidad que pueden colocarse en una abertura como “relleno suelto” o en forma de tablas, bloques o mantas. Los materiales fibrosos tienen una porosidad muy alta (-90%). La lana mineral es un aislante fibroso común para aplicaciones a temperaturas por debajo de los 700 o C, y con frecuencia se utiliza fibra de vidrio con temperaturas por debajo de los 200 o C. Para protección térmica a temperaturas entre 700 y 1700 o C se pueden utilizar fibras refractarias tales como alúmina o sílice. II. Celulares. Los aislantes celulares son materiales que se encuentran en celdas cerradas o abiertas que suelen tener la forma de tableros extendidos flexibles o rígidos. Sin embargo, también es posible darles forma o rociarlos en el lugar para lograr las formas geométricas deseadas. El aislamiento celular tiene la ventaja de su baja densidad, baja capacidad de calentamiento, y una resistencia a la compresión relativamente buena. Algunos ejemplos son el poliuretano y la espuma de poliestireno expandida. III. Granulares. El aislamiento granular consiste en pequeñas escamas o partículas de materiales inorgánicos, aglomeradas en formas prefabricadas o utilizadas como polvo. Algunos ejemplos son polvo de perlita, sílice diatomáceo y vermiculita. Para temperaturas criogénicas, los gases presentes en los materiales celulares pueden condensarse o congelarse y crear un vacío parcial, lo que mejora la eficacia del aislamiento. Es posible aplicar vacío a los aislamientos fibrosos y granulares para eliminar la convección y conducción, con lo que disminuye la conductividad efectiva de una manera apreciable. Además de los tres tipos de aislamientos anteriormente mencionados, también es posible limitar la transferencia de energía térmica por medio de una barrera de calor. En este método se colocan paralelas dos o más hojas
metálicas delgadas con baja emitancia para reflejar la radiación de regreso a su fuente. La propiedad más importante a considerar para elegir un material aislante es la conductividad térmica, aunque la densidad, el límite superior de temperatura, la rigidez estructural, la degradación, la estabilidad química y el costo, desde luego, también son factores importantes. Las propiedades físicas de los aislantes son medidas pero en 10 general los indica el fabricante del producto o es posible obtenerlas en manuales. Por desgracia, los datos a menudo son muy limitados, sobre todo para temperaturas elevadas. En esos casos se extrapola la información disponible y luego se aplica un factor de seguridad para el diseño final, pero si lo que se desea es optimizar el funcionamiento de un equipo o sistema en el que intervenga el aislamiento térmico, se requiere de valores reales y por lo tanto confiables de la conductividad térmica de los aislamientos. (Aguilar Juárez, 2008) Aislantes térmicos naturales Estos materiales son 100 % naturales, totalmente reciclables y se han venido utilizando cada vez con más frecuencia debida sus ventajas:
- Son renovables, reciclables, biodegradables.
- No contienen elementos derivados del petróleo.
- No emiten partículas toxicas.
- Ayudan a disminuir la huella ecológica debido a la baja cantidad de energía utilizada para su fabricación. Entre los aislantes naturales utilizados, se encuentran los siguientes.
Es una fibra que provine de la planta del cannabis, fácil de cultivar, crece rápidamente, con este se elaboran mantas aislantes transpirables (Segura, 2019). La efectividad de un aislante térmico depende de la conductividad térmica del aislante y de su geometría. Los aislantes térmicos no pueden evitar completamente la transferencia de calor, pero están hechos para disminuir la cantidad de calor transferido con el tiempo. Los aislantes térmicos sólo son efectivos para evitar la transferencia del calor si se cubre toda la superficie del objeto a aislar y son lo suficientemente gruesos como para reducir significativamente la cantidad de energía transferida por el aislante con el tiempo. Algunos sistemas de aislación térmica incluyen una barrera de aire, la aislación y una barrera radiante, diseñados para evitar los tres tipos de pérdida de calor. Ya que el metal es un buen conductor de energía térmica, no se mantiene frío tanto como un recipiente plástico, una vez que entra en contacto con aire caliente o con la mano. Los recipientes plásticos de bebidas son de capa muy delgada, sin embargo, a pesar de que aísla mejor que una lata de aluminio, no mantendrá una bebida fría mucho tiempo. CONCLUSIONES La conductividad térmica de un material es un factor térmico empleado para crear, pronosticar o plantear artefactos y métodos para un mejor aprovechamiento de la energía gastada. Los aislantes térmicos naturales favorecen en la industria debido a que son económicos y son renovables con esto los procesos industriales podrían disminuir en costo y ayudar al medio ambiente. Existen materiales que pueden ser aislantes y conductores térmicos ya que tienen una baja conductividad térmica y por ende pueden ser utilizados en ambos casos.
BIBLIOGRAFÍA
Aguilar Juárez, J. (2008). Rediseño Y Construcción De Un Medidor De Conductividad Térmica Para Aislantes Térmicos. Universidad Nacional Autónoma De México. Cano, M. P. (2017). Aislantes Térmicos. Criterios De Selección Por Requisitos Energéticos. Universidad Politécnica De Madrid. Connor, N. (08 de 01 de 2020). ¿Qué es la conductividad térmica? Obtenido de Thermal Engineering: https://www.thermal-engineering.org/es/que-es-la-conductividad-termica- definicion/ D'Oliveira, G. (s.f.). ECOESMÁS. Obtenido de 5 materiales aislantes ecológicos para tu casa : https://ecoesmas.com/5-materiales-aislantes-ecologicos/ Mosquera Casierra, I. F., & Valencia Paz, J. S. (2014). Análisis De Transferencia De Calor De Un Material Para Aislamiento Térmico De Bebidas Refrigeradas En Envases O En Empaques Cilíndricos. Universidad Autónoma De Occidente. Pizarro, A. (2020). Estudio tecnico para la implementacion de lana de obeja como aislante en Chile. Universidad Tecnica Federico Santa Maria , Viña del mar Segura, J. (Septiembre de 2019). Estudio comparativo de materiales sostenibles aislantes en arquitectura Tejela, J., & San Martin, T. (2010). Tecnica de aislamiento termico y acustico. Madrid: Fundación Laboral de la Construcción