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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA

AISLANTES TERMICOS Un material con propiedades de "Aislante Térmico" o "mal conductor del calor" debe tener gran resistencia a la transmisión de calor, restringiendo o anulando el mecanismo de convección y dificultando la conducción del calor a través del mismo. Para ello se requiere que el material esté formado por una gran cantidad de células que contengan aire o gases de muy baja conductividad térmica, como Anhídrido Carbónico CO2, Triclorotrifluoroetano C2Cl3F3, Triclorofluorometano CCl3F, etc. El aire se introduce y queda atrapado en el proceso de fabricación del aislante, pero los otros gases son introducidos durante la expansión de los materiales (Espumas). Debido a esto todos los aislantes tienen baja densidad y su conductividad térmica aumenta conforme aumenta la densidad del aislante, es decir disminuye el contenido de aire o gas y aumenta la compacticidad del material. Las propiedades aislantes de un material pueden modificarse o deteriorarse en función de algunos factores externos, como la permeabilidad al vapor de agua e higroscopicidad (absorción de agua) que aumentan la densidad del material disminuyendo la resistencia al flujo de calor y promoviendo la degradación del material. El progresivo desarrollo de los materiales empleados para aislamiento térmico, ha ocasionado actualmente que materiales considerados peligrosos a la salud como el AMIANTO (ASBESTO) y la DOLOMITA debido a que la inhalación de sus partículas provoca la neumoconiosis, sean remplazados por materiales de estructura Fibrosa, Celulares o Granulares. También se han ampliado los rangos de resistencia a la temperatura y mejorado las características de resistencia a la acción ambiental, las resinas aglutinantes termoestables y las barreras de vapor (humedad).

FUNCIONES DEL AISLAMIENTO.El uso principal de un aislante es la conservación de energía en rangos de servicio desde temperaturas criogénicas (- 200°C) hasta altas temperaturas (850°C); esto es mantener las temperaturas de operación, las condiciones y estado de fluidos involucrados. Sin embargo otros usos también importantes del TRANSFERENCIA DE CALOR – 2013 - II

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aislamiento consisten en: .-

Controlar la condensación de vapores, para evitar la migración de humedad que es el origen de la destrucción de la resistencia al flujo de calor en el aislante, promoción de corrosión y degradación de los materiales.

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Protección de tuberías, tanques y equipos contra la acción ambiental, principalmente de bajas temperaturas.

.-

Protección de equipos a la exposición de fuego o atmósferas corrosivas.

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Protección del personal contra el contacto con superficies calientes manteniéndolas debajo de 50° C y evitar quemaduras.

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Atenuar ruido y vibraciones.

Adicionalmente algunas de las cualidades que debe tener un buen material aislante son: .-

Plasticidad, para adaptarse a las deformaciones de montaje

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Resistencia a la presión y al apilamiento, para evitar disminución de dimensiones (espesor).

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No ser higroscópico, para conservar sus propiedades aislantes.

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Muy poco permeable al vapor de agua, para evitar acumulación de humedad y degradación del material.

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Imputrecible.

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Inodoro, para que no impregne su olor sobre otros productos.

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Neutro frente a los otros materiales de construcción.

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Ininflamable e ignífugo.

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CLASIFICACIÓN.Existen varios criterios que se pueden emplear para clasificar a los materiales con características de aislante térmico: De acuerdo a su origen:

MINERALES Y SINTÉTICOS.Los principales aislantes minerales son las escorias de alto horno, perlita, vermiculita, asbesto, magnesia, silicato de calcio, fibra de vidrio, lana de roca y vidrio expandido. Los sintéticos son las espumas de PVC (cloruro de polivinilo), de Polisocianurato, de Poliestireno, de Poliuretano y de Resinas Fenol-Formol. Por su estructura interna: FIBROSOS, CELULARES Y GRANULARES.Entre los principales aislantes fibrosos se tienen a la Fibra o Lana de Vidrio y las Lanas Minerales (de roca y de basalto). Los aislantes de estructura celular son el vidrio expandido o celular (foamglass) y las espumas sintéticas. Los aislantes granulares o pulverulentos son el silicato de calcio, magnesia, perlita y la mica exfoliada (vermiculita). Por el rango de temperatura de aplicación: DE BAJA TEMPERATURA (FRIGORÍFICOS Y CRIOGENIA).Temperaturas cercanas y menores a las ambientales, donde existe posibilidad de condensación de humedad y formación de hielo. Se emplean principalmente las espumas sintéticas y la fibra de vidrio con barreras al vapor de agua De uso común: temperaturas mayores a las ambientales y hasta un máximo de 850° C. Se pueden emplear casi todos los aislantes excepto algunos como las espumas sintéticas que solo pueden soportar temperaturas relativamente bajas (menos de 100°C en promedio).

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DE ALTA TEMPERATURA O DE USO REFRACTARIO.Temperatura mayor a 850°C y con posibilidad de exposición a flama directa. Se emplean principalmente las fibras cerámicas.

FIBRA DE VIDRIO.Los aislamientos a base de FIBRAS DE VIDRIO son empleados con temperaturas desde -30° C hasta 450°C, dependiendo de la estructura interna y resina de impregnado de las fibras. Puede ser empleado hasta -30°C si se instala con una barrera de vapor y cubierta metálica. Antiguamente estos aislamientos sólo podían aplicarse hasta 260° C, sin embargo el mejoramiento de los procedimientos de fabricación, materiales y resinas termoestables impregnantes de las fibras han logrado alcanzar el límite de 450°C. Las fibras se obtienen por estiramiento y soplado de una masa vítrea de arenas de cuarzo y álcalis fundidos. Es importante que el contenido de álcalis sea pequeño puesto que las fibras son atacadas hidrolíticamente frente a la humedad en función del contenido de álcalis. Las fibras alcalinas pierden parte de su espesor y resistencia frente a la humedad. Es incombustible, insensible a lejías y ácidos, no envejece y no se pudre.

LANA MINERAL.La lana de origen mineral es obtenida a partir escorias fundidas, rocas o cristales fundidos, y combinaciones de ellos; y las fibras son sostenidas por medio de resinas o sustancias impregnantes resistentes al calor. Dependiendo de ello estos materiales pueden ser usados hasta 1000° C combinando su uso con refractarios, por ello es usual encontrarlos en hogares de calderas y hornos, tanto como en tuberías y recipientes. Es inodora, deformable, resistente a vibraciones, químicamente estable, e incombustible.

VIDRIO EXPANDIDO O CELULAR.Se le conoce también por el nombre comercial de Foamglass; es una espuma de vidrio obtenida por emulsificación del vidrio y es por tanto impermeable e incombustible y resistente a ácidos, por lo que ofrece un desempeño confiable de larga duración y bajo mantenimiento. Se emplea tanto en interiores como a intemperie, e incluso en elementos enterrados. TRANSFERENCIA DE CALOR – 2013 - II

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El rango usual de empleo es desde -140°C hasta 650° C.

ESPUMAS SINTÉTICAS.Las espumas usualmente empleadas son de POLISOCIANURATO, POLIESTIRENO y POLIURETANO.

PVC,

de

La espuma de PVC puede ser rígida o blanda, su densidad varía de 100 a 200 kg/m3, es impermeable al agua y al vapor de agua. No es combustible, pero a partir de los 60° a 80°C se deforma completamente. La espuma de POLIESTIRENO debido a su costo muy asequible ha logrado una gran difusión entre los aislamientos para bajas temperaturas. Se le conoce usualmente con el nombre de TEKNOPOR y su densidad varia de 15 a 200 kg/m3 en función de la resistencia mecánica y de compresión requerida. Puede soportar temperaturas constantes de 75° C y en forma intermitente hasta 80° C. Las planchas pueden ser pegadas en frío con resinas epóxicas y colas sintéticas, pero no se pueden emplear resinas de fenol pues atacan a la espuma. Se fabrica en dos tipos, una combustible y otra autoextinguible. Absorbe algo de humedad, de la cual un porcentaje muy pequeño lo retiene en forma permanente, debido a ello se debe proteger con barreras de vapor. La espuma de POLISOCIANURATO se desarrolló para ofrecer una mayor estabilidad térmica e incombustibilidad que la espuma de POLIURETANO, teniendo un límite de temperatura de 150° C, en relación a la espuma de POLIURETANO que tiene un límite de temperatura de 105°C.

MATERIALES GRANULARES O PULVERULENTOS.Estos aislantes son obtenidos en base a materiales granulares y pulverulentos, conteniendo bolsas de aire atrapadas y formando con o sin aglutinantes un material poroso. Se pueden producir en forma de relleno suelto o con estructura rígida uniendo los gránulos entre sí con resina y adicionando fibras. Los más empleados son el Silicato de Calcio, Perlita y Magnesia.

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El SILICATO DE CALCIO es obtenido a partir de la reacción de cal y sílice, luego es reforzado con fibras orgánicas e inorgánicas, para ser moldeado en formas rígidas. El rango usual de empleo es desde 15° C hasta 850° C. Tiene buena resistencia a la flexión y es incombustible; aunque absorbe agua con facilidad, puede ser secado sin deterioro. Esta característica limita su aplicación a baja temperatura. Si se desea emplear a menos de 15°C debe instalarse con una muy buena barrera de humedad. Se emplea principalmente como aislamiento de recipientes y tuberías sometidos a alta temperatura. La PERLITA es obtenida a partir de rocas volcánicas de Vidrio Reolítico conteniendo un 75% de óxido de silicio. Se expande con temperaturas superiores a 1000° C en forma de perlas pequeñas y sirve como árido para la fabricación de bloques y hormigón de perlita fácil de trabajar. Es incombustible e higroscópica. Como MAGNESIA se conoce a los aislantes constituidos en base a carbonato de magnesia. Consiste en una pasta blanquecina que se moldea y deja secar. También se suele incorporar fibras de amianto, de magnesia calcinada y cloruro de magnesio. Puede resistir temperaturas elevadas, según su composición, hasta 1000° C y las piezas moldeadas tienen buena resistencia mecánica. En forma pulverulenta puede ser empleado como cemento refractario. OTROS AISLANTES.Se tienen otros materiales y elementos que tienen características como Fibras Cerámicas y Elementos de Estructura Reflectante.

aislantes

Las FIBRAS CERAMICAS se emplean en el rango de 350° C a 1700° C, se especifican especialmente para servicio a alta temperatura en hogares y con riesgo de exposición a flama directa, y de uso con refractarios encima de 850° C. Son materiales caros y solo se emplean cuando se requiere de buena resistencia a altas temperaturas. Los AISLAMIENTOS REFLECTANTES se basan en el principio de la reflexión de la radiación térmica por superficies altamente pulidas, por lo cual están conformados por un gran número de hojas metálicas muy pulidas y separadas por espacios de aire o evacuados (vacío) por lo cual se dificulta la transmisión del calor a través de esta compleja estructura.

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CUBIERTAS DE PROTECCIÓN.Hay varios de tipos de cubiertas que pueden ser elegidas: .-

Cubiertas de papel, tela, lámina de aluminio para ser instaladas en taller.

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Cubiertas para ser instaladas en planta.

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Barreras de cemento bituminoso o resinas en forma de pasta o pintura para prevenir el ingreso de humedad, agua o hielo.

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Cubiertas de láminas resistentes a la corrosión.

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Cubiertas metálicas de acero inoxidable o de acero recubierto con vinilo.

SELECCIÓN DEL AISLANTE.Escoger el material aislante para una aplicación particular no es una tarea sencilla. Se debe no solo considerar las características térmicas (baja conductividad térmica y temperatura límite) sino también las características de instalación y montaje en el lugar de aplicación, resistencia ambiental, reacción a la humedad y atmósferas corrosivas. Usualmente un primer aspecto es buscar la posibilidad de absorción de sustancias corrosivas por el aislamiento, por lo cual debería proporcionarse una barrera de vapor (humedad) hermética, a no ser que la temperatura sea muy alta para las barreras de vapor y deba buscarse un material altamente impermeable como el vidrio celular. Es importante verificar la resistencia mecánica a la compresión, dado que muchas veces los equipos, tuberías y recipientes aislados están expuestos a tránsito por el personal de la planta y un material resistente (silicato de calcio) mantendrá sus dimensiones (espesor) mejor que uno menos resistente o suelto como la fibra de vidrio. Otra consideración importante es la resistencia a desplazamientos internos o externos debido a expansiones térmicas y vibraciones que podrían ocurrir. Las características de instalación y disposición en la planta pueden influir tanto en costo como en el comportamiento del aislamiento. Casi todos los TRANSFERENCIA DE CALOR – 2013 - II

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aislantes se disponen en una gran variedad de formas como mantas, fieltros, placas y cubiertas de tuberías; y la efectividad de un aislamiento depende muchas veces del adecuado montaje y de los accesorios necesarios, como las barreras de vapor o humedad, cubiertas protectoras, así como los materiales de unión, adhesivos y resinas bituminosas de impermeabilización. Muchas veces las formas prefabricadas, de montaje directo y con cubiertas de cierre, son fáciles de instalar en planta, proporcionan un bajo costo de instalación y facilitan el mantenimiento.

PROPIEDADES DE MATERIALES AISLANTES

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CARACTERISTICAS DE LOS AISLAMIENTOS MATERIAL

CARACTERISTICAS DE APLICACION

Fibra de Vidrio Requiere de barrera de vapor en servicio de baja temperatura. Lana Mineral

Material de uso general desde baja a media temperatura.

Vidrio Celular

Se deteriora al contacto con soluciones alcalinas (10% NaOH). Muy poca resistencia al desgaste por abrasión.

Polisocianurato

Deterioro significativo con ácidos y soluciones orgánicas. Generalmente puede ser reemplazado por POLIURETANO. Uso principal a bajas temperaturas.

Poliestireno

Excelente comportamiento a bajas temperaturas, menos de 0 C. Es atacado por resinas de fenol.

Poliuretano

Deterioro significativo con ácidos y soluciones orgánicas. Buena resistencia contra el vapor de agua y humedad.

Silicato de Calcio

Tienen alta absorbencia de agua y humedad, pero fáciles de ser secados sin deterioro significativo.

Perlita

Uso principal a mediana y alta temperatura, fácil empleo.

Magnesia (85%)

Alta absorbencia de agua y humedad. Sufre desmoronamiento. Requiere cubierta de protección, usualmente malla metálica y tela (cañamazo). Aplicación en mediana temperatura.

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