23 marzo 2010

Objetivos de diseño en proyectos de aislamiento industrial

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Hace pocos días veíamos en prensa que las viviendas españolas están entre las peores aisladas de Europa (ver aquí). Durante años no se valoró la importancia que al aislamiento se da en otros países y la mayoría de las viviendas del país son auténticos agujeros en el bolsillo de sus ocupantes y es por ello que seguimos abordando artículos sobre aislamiento.
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En varios artículos hemos hablado del aislamiento de edificios en TODOPRODUCTIVIDAD en varias ocasiones:
En este nuevo artículo nos centramos en conceptos aplicables por los ingenieros en sus diseños industriales. Hablamos conceptualmente de las técnicas de diseño que podemos aplicar tanto en ambientes industriales como en edificación, pero intentaremos centrarnos en las aplicaciones menos conocidas del aislamiento. En edificación, ingenieros, arquitectos y usuarios están familiarizados con el aislamiento para el control de las cargas térmicas y el control del ruido. Pero las técnicas para diseñar aislamiento de tuberías, conducciones, depósitos y otros equipos son menos conocidas. Como resultado de ello, el aislamiento mecánico a menudo se pasa por alto, se infravalora, o se especifica incorrectamente en los proyectos de construcción industrial.

El aislamiento industrial se usa principalmente para limitar la ganancia o pérdida de calor en superficies operando a temperaturas por encima o por debajo de la temperatura ambiente.

¿Por qué diseñar sistemas de aislamiento?

Los principales motivos que justifican el diseño del aislamiento mecánico son los siguientes:
  • Control de la condensación: El aislamiento minimiza la condensación y el potencial de crecimiento de mohos manteniendo la temperatura de la superficie por encima del punto de rocío del aire circundante.
  • Conservación de la energía: Minimizando ganancia/pérdida de calor no deseada desde sistemas.
  • Seguridad contra incendios.
  • Protección contra la congelación: Se minimiza la energía requerida para distribuir el calor y/o prevenir la condensación en caso de que falle el sistema.
  • Protección de las personas: Control de las temperaturas de superficie para evitar quemaduras de contacto (calor o frío).
  • Control de procesos: Minimizar cambios de temperatura en procesos donde se necesite un control cercano.
  • Control del ruido: Reducir/controlar ruido en sistemas mecánicos.
Consideraciones de diseño en los sistemas de aislamiento

Al diseñar sistemas de aislamiento debemos tener en cuenta especialmente las siguientes consideraciones de diseño sobre las que prestar atención:
  • Abusar de la resistencia.
  • Corrosión bajo el aislamiento.
  • Calidad del aire interior.
  • Mantenibilidad.
  • Consideraciones regulatorias.
  • Servicio y localización.
  • Vida de servicio.
El diseño de sistemas de aislamiento puede ser complicado pues en algunos proyectos el diseño del aislamiento debe satisfacer múltiples objetivos de forma simultánea. Por ejemplo, el objetivo puede ser proporcionar el espesor más económico de aislamiento y evitar la condensación en superficie en una línea de distribución de agua fría. Una línea de agua fría puede además pasar a través de varios espacios dentro del proyecto. Por ello los espacios pueden tener diferentes temperaturas y condiciones de humedad. Es probable que diferentes materiales aislantes, espesor, y cobertura sean requeridos en una única línea. Ya que los proyectos pueden implicar muchas líneas de distribución operando a diferentes temperaturas de servicio en varias condiciones ambientales, es obvio que los proyectos deben estudiarse de forma sistemática.



OBJETIVOS DE DISEÑO

a) Control de la condensación
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En sistemas por debajo de la temperatura ambiente, a menudo se pasa por encima el control de la condensación. El problema puede estudiarse mejor si se separa como dos cuestiones independientes: 1) Evitar la condensación de superficie en la superficie exterior del sistema de aislamiento y 2) minimizar o gestionar la intrusión del vapor de agua.

Evitar la condensación de superficie es deseable para prevenir corrosión que pueden producir las superficies húmedas, minimizar el crecimiento del moho y evitar tensiones y posibles daños a la camisa exterior.

El propósito del diseño es mantener la temperatura de la superficie por encima de la temperatura del punto de rocío del aire circundante. El cálculo de la temperatura de la superficie es relativamente simple pero la selección de las condiciones de diseño apropiadas son a menudo confusas. Las condiciones de diseño apropiadas son normalmente la peor condición esperada para la aplicación. Para el control de la condensación, sin embargo, es a veces imposible la condición del peor caso. El problema es que cuando aumenta la humedad relativa el espesor requerido para prevenir la condensación crece dramáticamente, y es impracticable por encima del 90 % HR.
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En las aplicaciones en exterior Owen espacios ventilados hay siempre unas horas al año en las que la temperatura ambiente está casi saturada. En esos periodos, ninguna cantidad de aislamiento o previene la condensación en superficie.
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En aplicaciones en el exterior se sugiere diseñar para una humedad relativa del 90 %.
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Diseños en interior debe tenerse en cuenta que las condiciones de las cargas pueden originar aumento en los niveles de humedad relativa, y durante los fines de semana las condiciones pueden ser lo más severas.
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Otra importante consideración de diseño es minimizar o gestionar la intrusión del vapor de agua.
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La intrusión del vapor de agua es extremadamente importante en tuberías y equipos que operen por debajo de la temperatura ambiente. Problemas relacionados con el agua incluyen pérdidas de rendimiento térmico, problemas de salud y seguridad, degradación estructural, y asuntos estéticos. La entrada de agua en el sistema de aislamiento puede ser a través de la difusión del vapor de agua, pérdidas de aire que te ven vapor de agua, y pérdidas de agua de superficie.
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Durante los periodos en los que la temperatura de operación está por debajo del punto de rocío del aire ambiente circundante, hay una diferencia en la presión de vapor de agua del sistema de aislamiento. Esta diferencia de presión de vapor sirve para impulsar la difusión del vapor de agua desde el ambiente hacia la superficie fría. Las tuberías y equipos típicamente crean una barrera absoluta al paso del vapor de agua, así que cualquier diferencia de presión de vapor y puesta al sistema de aislamiento resulta en potencial de condensación dentro del aislamiento o en la superficie fría.
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Hay varios principios fundamentales de diseño que se utilizan para gestionar la intrusión del vapor de agua. Un método es reducir la fuerza de impulsión reduciendo el contenido de humedad del aire circundante. Ya que el diseñador del aislamiento típicamente no lleva un control de la localización de la tubería, conducto o equipo que va a aislarse, air oportunidades de ingeniería mecánica para influir sobre las condiciones ambientales. Ciertamente, la localización de las tuberías, conductos y equipos en partes no acondicionadas del edificio debe ser minimizada.


Otro método común es la aplicación de diseños de bloqueo de la humedad. El principio de bloqueo de la humedad se aplica a un diseño donde el paso del vapor de agua se elimina o minimiza a un nivel insignificante. El diseño debe incorporar lo siguiente: 1) un retardador de vapor con permeancia convenientemente baja 2) un sistema de sellado que mantiene la integridad del sistema de retardo del vapor y 3) acomodación para reparación de daños futuros.
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Bibliografía:
  • ASTM Standard Practice C 755 "Selecting Water Vapor Retarders for Thermal Insulation”
  • ASHRAE Handbook of Fundamentals.
  • ASHRAE Handbook - Refrigeration.
  • Mechanical Insulation Design Guide - Design Objetives
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