Aislamiento térmico

Para cilindros aislados, se debe alcanzar un radio crítico de aislamiento. Antes de alcanzar el radio crítico, cualquier aislamiento adicional aumenta la transferencia de calor. ^{[ 4 ]} 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 de aislamiento) depende de la relación entre el radio exterior e interior, no del radio en sí. Si el radio exterior de un cilindro aumenta al aplicar aislamiento, se agrega una cantidad fija de resistencia conductiva (igual a 2×π×k×L(Tin-Tout)/ln(Rout/Rin)). Sin embargo, al mismo tiempo, la resistencia convectiva se reduce. 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 ^{[ 5 ].}

${\displaystyle {r_{\text{crítico}}}={k \over h}}$

Esta ecuación demuestra 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 del aislamiento, la adición de cualquier cantidad de aislamiento aumentará la transferencia de calor.

Los gases poseen propiedades de conductividad térmica deficientes en comparación con los líquidos y los sólidos, por lo que constituyen un buen material aislante si se logran confinar. Para aumentar aún más la eficacia de un gas (como el aire), este puede dividirse en pequeñas celdas, las cuales no pueden transferir calor eficazmente por convección natural . La convección implica un flujo masivo de gas impulsado por la flotabilidad y las diferencias de temperatura, y no funciona bien en celdas pequeñas donde la diferencia de densidad es mínima para impulsarla, y la alta relación superficie-volumen de estas celdas retarda el flujo de gas en su interior debido a la resistencia viscosa .

Para lograr la formación de pequeñas celdas de gas en el 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 emplea industrialmente en el aislamiento de edificios y tuberías, como la lana de vidrio , la celulosa , la lana de roca , la espuma de poliestireno (espuma de poliestireno), la espuma de uretano , la vermiculita , la perlita y el corcho . El atrapamiento de aire también es el principio fundamental en todos los materiales textiles altamente aislantes, como la lana, las plumas y el vellón.

La capacidad de atrapar el aire es también el principio aislante que emplean los animales homeotermos para mantenerse calientes, como por ejemplo las plumas de plumón y el pelo aislante, como la lana natural de oveja . En ambos casos, el principal material aislante es el aire, y el polímero utilizado para atraparlo es la proteína queratina natural .

Mantener temperaturas adecuadas en los edificios (mediante calefacción y refrigeración) consume una gran proporción del consumo energético mundial . Los materiales aislantes para edificios también suelen utilizar el principio de pequeñas celdas 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 tiempo, también se utilizó amianto , aunque este causaba problemas de salud.

Las láminas aislantes para ventanas se pueden aplicar en proyectos de mejora de la climatización para reducir la radiación térmica entrante en verano y las pérdidas en invierno.

Cuando un edificio está bien aislado, es:

• Eficiente energéticamente y más económico para mantener la temperatura en invierno o en verano. La eficiencia energética conlleva una menor huella de carbono .
• Resulta más confortable gracias a la uniformidad de la temperatura en todo el espacio. La diferencia de temperatura, tanto vertical (entre la altura de los tobillos y la de la cabeza) como horizontal, entre las paredes exteriores, los techos y las ventanas, y las paredes interiores, es menor, lo que genera un ambiente más confortable para los ocupantes cuando las temperaturas exteriores son extremadamente frías o calientes.

En la industria, se requiere energía para elevar, disminuir o mantener la temperatura de los objetos o fluidos de proceso. Si estos no están aislados, aumenta el consumo energético del proceso y, por lo tanto, el costo y el impacto ambiental.

Los sistemas de calefacción y refrigeración distribuyen el calor por los edificios mediante tuberías o conductos. Aislar estas tuberías con material aislante reduce la pérdida de energía en las habitaciones desocupadas y evita la condensación en las tuberías frías.

El aislamiento de tuberías también se utiliza en las tuberías de suministro de agua para ayudar a retrasar la congelación de las mismas durante un período de tiempo aceptable.

El aislamiento mecánico se instala habitualmente en instalaciones industriales y comerciales.

Se ha comprobado que el aislamiento térmico mejora la emisividad térmica de las superficies de refrigeración radiativa pasiva al aumentar la capacidad de la superficie para reducir la temperatura por debajo de la ambiente bajo intensidad solar directa. ^{[ 6 ]} Se pueden utilizar diferentes materiales para el aislamiento térmico, incluidos los aerogeles de polietileno que reducen la absorción solar y la ganancia de calor parásita, lo que puede mejorar el rendimiento del emisor en más del 20 %. ^{[ 6 ]} Otros aerogeles también mostraron un alto rendimiento de aislamiento térmico para superficies de refrigeración radiativa, incluido un aerogel nanofibroso de sílice-alúmina . ^{[ 7 ]}

Un refrigerador consta de una bomba de calor y un compartimento con aislamiento térmico. ^{[ 8 ]}

El lanzamiento y la reentrada someten a las naves espaciales a severas tensiones mecánicas, por lo que la resistencia de un aislante es de vital importancia; la falla de las losetas aislantes del transbordador espacial Columbia provocó el sobrecalentamiento y la desintegración de la estructura del transbordador durante la reentrada, causando la muerte de los astronautas a bordo. La reentrada a través de la atmósfera genera temperaturas muy altas debido a la compresión del aire a altas velocidades. Los aislantes deben cumplir con exigentes propiedades físicas que van más allá de sus propiedades de retardo de la transferencia térmica. Ejemplos de aislamiento utilizado en naves espaciales incluyen el cono de nariz de compuesto de carbono reforzado y las losetas de fibra de sílice del transbordador espacial . Véase también Pintura aislante .

Los motores de combustión interna generan mucho calor durante su ciclo de combustión. Esto puede tener un efecto negativo al alcanzar componentes sensibles al calor, como sensores, baterías y motores de arranque. Por consiguiente, es necesario el aislamiento térmico para evitar que el calor de los gases de escape llegue a estos componentes.

Los coches de carreras, como los de Fórmula 1, los deportivos de alto rendimiento e incluso la mayoría de los coches de calle convencionales utilizan aislamiento térmico para controlar la temperatura de los componentes críticos, principalmente protegiéndolos del calor irradiado por los colectores y tubos de escape y/o los turbocompresores. El aislamiento térmico también se utiliza con frecuencia en los coches de calle para reducir la transmisión del calor del motor y del sistema de escape al interior del vehículo.

Los motores de aeronaves, como los turborreactores, utilizan barreras térmicas en componentes como las secciones de la cámara de combustión/postquemador para la protección contra el calor. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

El aislamiento térmico es fundamental en el diseño de invernaderos, ya que permite crear ambientes controlados para el crecimiento de las plantas y optimizar la eficiencia energética. Entre las técnicas de aislamiento más comunes se encuentran las láminas de doble capa y los paneles de policarbonato multicapa, que atrapan el aire entre las capas para reducir la transferencia de calor, a la vez que mantienen una transmisión de luz suficiente para la fotosíntesis. Estas medidas mejoran la eficiencia energética y permiten la producción agrícola durante todo el año, reduciendo significativamente los costos de calefacción.