ahorro de energia por aislacion

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UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL 
FACULTAD REGIONAL RESISTENCIA 
 
 
 
 
CARRERA INGENIERIA QUIMICA 
CATEDRA TECNOLOGIA DE LA ENERGIA TERMICA 
 
 
 
 
Ahorro de energía por aislación 
 
 
 
Ing. Químico Marcos G. Maiocchi 
 
 
2007 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ahorro de energía por aislación 
 
Método abreviado (corto) permite a partir de gráficos, la evaluación de perdidas de calor 
para recipientes aislados y no aislados térmicamente. Dependiendo de la temperatura del 
recipiente y del ambiente (∆T), el método permitirá hallar el espesor de la aislacion a 
utilizar. 
 Richard Hughes y Victor Deumaga, The Badger Co. 
Por lo general resulta muy complejo el cálculo del flujo de calor entre el contenido de 
un recipiente y el medio que lo rodea. En el camino del flujo de calor se presentan 
múltiples resistencias en series. 
Se suman simultáneamente el flujo de calor por conducción, convección y radiación. 
Además puede haber flujos de evaporación o condensación en los confines del 
resepiente. 
Por ello, se recurre a suposiciones y simplificaciones, que permitirán lograr una 
aproximación aceptable en los cálculos. 
Se utilizara un método simple de aproximación (shor-cut) para determinar el espesor 
necesario de aislacion. Por otra parte, frecuentemente conviene, para realizar el diseño 
final, la determinación de las pérdidas promedio anuales (porque se producen a lo largo 
del año variaciones en las condiciones operacionales). 
De acuerdo con esto se presentan dos métodos para el cálculo de perdidas de calor: 
1. Un método grafico para evaluar pérdidas de calor. 
2. Un método algebraico más exacto, utilizable también con computadora si los 
cálculos lo requieren. 
 
Método grafico (rápido) 
 
Podemos obtener a partir de las figuras un valor aproximado de la “unidad de perdida 
de calor “. Fig.1 o 2. La unidad de perdida de calor cuando se multiplica por la 
superficie del recipiente analizado da la pérdida horaria global de calor. La sumatoria de 
las pérdidas del techo y los lados del recipiente expuestos al vapor o a líquido da la 
perdida horaria total hacia la atmósfera. 
Se agregan también las pérdidas desde el fondo del tanque hacia el suelo, que se calcula 
fácilmente con la Ec.5 para completar la aproximación. En la tabla 1 aparece las 
condiciones para las cuales se recomienda el uso de la figura 1 o 2. 
La figura 1 se utiliza para calcular aproximadamente las pérdidas de q˙ en tanques no 
aislados. Cuenta con una tabla de factores de corrección de difencia de temperatura para 
compensar las resistencias internas a la trasferencia de q. Aparecen en las mismas las 
pérdidas unitarias con convención y radiación. 
También contienen la unidad total de perdida para velocidad del viento nula y un 
coeficiente superficial de emisividad de 0,9. 
La fig. 2 se usa para aproximar las pérdidas de q en recipiente aislado. Contiene además 
una tabla con espesores de aislante recomendado para un rango dado de temperatura, 
como también factores de corrección por velocidad del viento que afectan al espesor. 
 
 
 
 
 
 
Figura Nº 1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Las perdidas en tanque no aislados del contenido. La figura contempla el caso de 
velocidad nula del viento y ε = 0.9 con temperatura ambiente 70º F. 
 
 
 
 
Figura Nº 2: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Análisis del método algebraico 
 
Las perdidas de calor en tanques (Tk) serán calculadas utilizando las ecuaciones de 
transferencias de calor para convección natural, en el caso de las paredes y techo, y para 
conducción cuando se analicen las perdidas desde el fondo del recipiente cuando esté 
apoyado en el suelo. 
 Las perdidas totales QT, se dividen en cuatro partes: 
 
 
GrvlT QQQQQ +++= (1) 
 
Donde 
 
Ql =perdidas desde el liquido a la atmósfera a través de las paredes. 
Qv=perdidas desde el vapora a la atmósfera a través de las paredes. 
Qr=perdidas desde el vapor a la atmósfera a través del techo. 
QG= perdidas desde el liquido a través del fondo del recipiente. 
 
 La tabla 1 indica que ecuación utilizar en cada caso considerado para el calculo. 
 
 Guía para el cálculo de perdidas de calor en tanque de almacenamiento tabla I 
 
 
 
 
 
Perdidas a través de paredes y cabezales 
 
El método para el cálculo de las perdidas de calor por paredes y cabezal (techo), 
Ql, Qv y Qr es esencialmente el mismo. En todos los casos se calcula a partir de 
dos resistencias a la transferencia de calor en serie. Estas resistencias son: 
 1º_ Película interior de fluido o la aislacion del tanque. 
 2º_ Película de aire. 
• Cuando se usa aislacion se desprecia la resistencia de la película de fluido 
interna. 
 
Se observa que en todos los casos se desprecia la resistencia de la pared; que 
podemos considerar como resistencia si el tanque está construido con algún 
material resistente a la transferencia o si se forma una película de incrustación 
(ensuciamiento apreciable o solidificación de algún compuesto). 
 
 
Condición Despreciar Solución grafica usar : Solución algebraica 
usar: 
Recipiente no aislado. 
Contiene liquido 
Resistencia en película 
lado líquido. 
Fig.1. corregir para 
velocidad del viento o 
emisividad superficial 
si se requiere. 
Perdidas de calor lado 
aire. Ec.7 b y 4b. 
 Recipiente no aislado. 
Contiene vapores 
condensando a temp. 
pared. 
Resistencia en película 
vapor. 
Fig. 1 corregir para 
velocidad del viento o 
emisividad superficial 
si se requiere. 
Factor de correc. de 
T =>W=1 
 
Perdidas de calor lado 
aire. EC 7b y 4b. 
Recipiente no aislado. 
Contiene líquidos 
sucios o sólidos 
suspendidos a temp. 
pared 
Resistencia de ambos 
líquido y vapor 
cercanos a la superficie 
sucia. 
Fig. 1corregir para 
veloc.del viento y 
emisividad. 
Factor de correc. de 
T =>W=0,4 
Perdidas desde la capa 
incustrada a la película 
del liquido adyacente. 
Ec. 4 a u 8 
Recipiente no aislado. 
Contiene fluido 
estancado o vapor seco. 
 Fig.1 corregir veloc. del 
viento emisividad , 
hallar W para el 
contenido del Tk. 
Perdidas desde la 
película interior de 
fluido hacia la película 
de aire adyacente. Ec. 6 
o 6a, 7 y 4. 
Recipiente aislado con 
silicato de calcio o 
material similar. 
Resistencia de las 
películas liquida y de 
vapor adyacente a la 
superficie aislada 
Fig.2 con corrección 
por velocidad del viento 
a partir del factor 
obtenido de tabla. El 
espesor de la aislacion 
puede obtenerse de la 
figura. 
Perdidas desde la 
aislacion y adyacencias 
(película de aire). 7a y 3 
 
La relación global e individual para la transferencia de calor viene dada por: 
 
( ) ( )
( ) ( )TThTTq
TThTTq
q
AiAw
wiiAi
ca
x
k
U
qq
A
Q
−=−=
−=−=
=+=
1
1
1
 (2) 
 
 Cuando la superficie del tanque considerado esté aislada, la unidad de pérdida de calor 
q viene dada por: 
 
 ( ) ( )TThTTq AAix
k −=−=
11
1
1 (3) 
 
 Notar que se desprecia la resistencia de la película interior de fluido y así Tw=Ti. La 
resistencia de la película de líquido puede despreciarse cuando el tanque no está aislado 
si el líquido contenido se encuentra agitado (mejora la transferencia). Para este caso la 
solución es directa a partir de la ecuación 4b. De igual manera, se puede despreciar la 
resistencia en la película de vapor si se produce apreciable condensación en las zonas 
expuestas al vapor. Cuando la superficie del tanque no está aislada, la unidad de pérdida 
de calor q está dada por: 
 
 ( ) ( )TThTThq AwAwii −=−= (4) 
 
 Para tanques aislados o no aislados, el método computacional es similar. La 
temperatura del aire TA y la del contenido del recipiente Ti se conocen. Se utilizan los 
coeficientes individuales de transferencia de calor (como los quedefinen las ecuaciones 
6 y 7), junto a la resistencia que ofrece el aislante, para calcular la temperatura T1 (Ec. 
3) o la temperatura tanque (Ec.4) y así calcular la pérdida unitaria. La pérdida total se 
obtiene multiplicando q por el área total en consideración. 
 
 Si la superficie está internamente cubierta por incrustaciones o ensuciamiento, la 
unidad de pérdida de calor se modifica a partir de la Ec. 4, dando: 
 
 ( ) ( )TThTTq AwAwi
iR
−=−= 1 (4-a) 
 
 Cuando la resistencia de la película de fluido interior es pequeña y el Tk está 
aislado, la unidad de pérdida de calor se convierte a partir de la Ec. 4 en: 
 
 ( )TThq AiA −= (4-b) 
 
 
 
 
 
 
 
Perdidas de calor desde la base del tanque 
 
 Cuando el recipiente está apoyado en el suelo, la pérdida de calor desde la base QG, 
viene dado por: 
 
 ( )TTQ GLGG Dk −= 2 (5) 
 
 Esta ecuación deriva de otra dada por Mc Adams. La resistencia de la película 
interior se desprecia. Referencias 1 y 3. 
 Si el tanque se monta suspendido, la base del mismo AG se adiciona a superficie de 
las paredes AL y se calcula QL con la Ec. 3 o 4. 
 
 Finalmente QT se obtiene sumando cada una de las pérdidas parciales. 
 
 
Coeficientes peliculares y factor de ensuciamiento 
 
 El coeficiente pelicular para el líquido en contacto con la superficie (hi=hL) viene 
dado por: 
 
 
( )







 −
=
k
TTCg
kh
F
wiFFF
FL µ
βρ 2
45.0
25,0
 (6) 
 
 
 Esta ecuación deriva de la referencia 2 y la de Mc Adams de la referencia 4. 
 
 El coeficiente pelicular del vapor en contacto con la superficie del tanque (hi=hv), 
está dado por: 
 
 ( )TTTPh wvFV −−−= 25,01,05,0210.686,9 (6-a) 
 La ecuación 6-a es un caso particular de la ecuación 6, y puede ser usada para N2 
(Nitrógeno) y para aire a temperaturas y presiones moderadas (50º a 400º F y 0 a 500 
psi). 
 
 En presencia de vapor, que es apreciablemente diferente al aire en sus propiedades, 
el coeficiente pelicular para el vapor se calcula con la Ec. 6 utilizando las propiedades 
físicas de la película del vapor. Para vapor condensado, se desprecia la resistencia de la 
película y no se calcula coeficiente. 
 El coeficiente pelicular externo del aire se calcula a partir de una de las siguientes 
ecuaciones. 
 Cuando el tanque no está aislado, se recomienda no utilizar la Ec. 7 dentro de la Ec. 4. 
 
 
 
( ) ( )














−







 +
−





 +
++−=
TT
TT
TTh
Aw
Aw
AwA
V
44
5,025,0 100
464
100
460
174,0128,1296,0 ε (7) 
 
 
 
 La Ec. 7 un factor de corrección por la velocidad del viento y por la radiación 
[Referencia 5]. 
 
 Cuando la superficie del tanque esté aislada, la ecuación 7-a se utiliza para calcular 
q con la Ec. 3. 
 
 
( ) ( )














−







 +
−





 +
++−=
TT
TT
TTh
Al
Al
AlA
V
44
5,025,0 100
464
100
460
174,0128,1296,0 ε (7-a) 
 
 
 La ecuación anterior difiere de de la Ec. 7 en que se cambia la temperatura de la pared 
Tw por la temperatura aislante Tl. 
 En cada caso, para el calculo de la unidad de pérdida de calor q (Ec. 3 o 4) se utiliza 
un método de prueba y error para las temperaturas intermedias T1 o Tw. 
 
 Cuando la superficie del tanque no está aislada y la resistencia de la película de 
líquido o de vapor para el material contenido en el recipiente es pequeño, se recomienda 
usar la Ec. 4-b. la Ec. 7-b en el cálculo de hA, y con hA hallar q. 
 
( ) ( )














−







 +
−





 +
++−=
TT
TT
TTh
Ai
Ai
AiA
V
44
5,025,0 100
464
100
460
174,0128,1296,0 (7 b) 
 
 Si puede estimarse el espesor de la capa de ensuciamiento (fouling) se podrá 
calcular el factor de ensuciamiento (fouling factor) de la siguiente manera: 
 
 
k
xR
r
r
i
= 
 
 La conductividad térmica, Kr, se toma como la conductividad del fluido a la 
temperatura media de la capa de ensuciamiento. 
 
Emisividades superficiales tabla II 
 
Superficie Fracción de radiación de cuerpo negro 
de 50-100ºF → a 1000ºF 
Superficies negras no metálicas 
Tal como: asfalto, carbón, papel, 
pizarra, pintura. 
 
0,90 - 0,98 0,90 – 0,98 
Ladrillos y tejas rojas, concreto y 
canto, acero y hierro oxidados, pinturas 
oscuras (rojo, pardo, verde) 
 
0,85 – 0,95 0,75 – 0,90 
Pared blanca o crema, teja azulejo, 
pintura o papel, yeso, ladrillos de color 
suave. 
 
0,85 – 0,95 0,60 – 0,80 
Pintura brillosa de aluminio. 
Pintura dorada o bronceada. 
0,40 - 0,60 – 
Latón opaco, cobre o aluminio, acero 
galvanizado, hierro pulido. 
0,20 - 0,30 0,30 – 0,50 
Latón pulido, cobre pulido. Metal 
pulido. 
0,02 - 0,05 0,05 – 0,15 
Aluminio muy pulido, láminas de 
estaño, níquel, cromo. 
0,02 - 0,04 0,05 – 0,10 
 
 
 
Temperaturas y propiedades físicas 
 
 Inicialmente podemos asumir que las temperaturas intermedias Tl o TW, es la 
promedio entre Ti y TA. Las propiedades físicas del fluido contenido se evalúan a la 
temperatura promedio 






 −
2
TT wi del film. De igual modo se evalúan las propiedades 
del fluido exterior a la temperatura promedio 






 −
2
TT Aw de la película. 
 Cuando el tanque está aislado, la temperatura promedio de la aislacion es de 
(Ti+Tl)/2= TM. Similarmente la temperatura media del film o película exterior será 
(Tl+TA)/2. Estas temperaturas medias se utilizan en la evaluación de las propiedades 
físicas del fluido para el cálculo de los coeficientes peliculares. 
 Para la mayor exactitud, la temperatura media de la película puede recalcularse 
usando Tl o Tw obtenidas a partir de las Ec. 3 o 4. Así puede obtenerse un nuevo valor 
de q obtenido a partir de las propiedades físicas estimadas a la nueva temperatura 
media de la película. 
 
Problema ilustrativo del procedimiento 
 
 Fuel oil 12º API a 60º F con una viscosidad de 50 SSF a 122º F es almacenado a 
300º F en un tanque a presión atmosférica de acero al carbono de 20 ft. de diámetro por 
30 ft de longitud. El nivel de fuel en el tanque es de 18 ft. La temperatura del aire es de 
70º F. Calcular las pérdidas de calor hacia los alrededores para los siguientes casos: 
 
 Caso 1: la superficie total del recipiente no está aislada y es de color 
negro. La velocidad del viento es nula (v=0 mph). La emisividad superficial es de 0,9. 
La conductividad térmica del suelo es 0,8 Btu/(h)(ft2) (ºF/ft). 
 
 Computaremos los cálculos para hallar las pérdidas basándonos en la 
superficie interna “mojada” (en contacto) con el fuel oil. La superficie mojada es: 
 
 ( )( ) 211301820 ftDH LLA === ππ 
 
 Donde AL es la superficie longitudinal. 
 
 ( ) FTTT Ai °=−=−=∆ 23070300 
 
 De la figura 1, obtenemos la pérdida unitaria que es 664 BTU/(h) (ft2) para esa ∆T. 
Así tendremos: 
 
 hBTU
hft
BTU
xftqA LLLQ /7503206641130 2
2 === 
 
 Ahora calcularemos las pérdidas de calor desde la zona no mojada y el techo del 
tanque. 
 
 
( )( ) ( )
( ) FxWTTT
ft
D
DH
Ai
V
VV
A
A
°==−=∆
=+=
+−=+=
4620,0230
1068314754
4
20
183020
4
2
22 ππππ
 
 
 El factor de corrección por diferentes temperaturas W corresponde al caso de vapor 
no constante (fig. 1). 
 
 Para esta diferencia de temperaturael valor de qv obtenido de la figura 1 es 
84,3 BTU/(h) (ft2), así tenemos: 
 
h
BTU
hft
BTU
ftqA VVVQ 900323,841068 2
2 === 
 
 Asumiendo que la temperatura del suelo es TG es TA (temperatura de la chapa), 
ponemos apropiadamente este valor en la Ec. 5 y obtener las pérdidas de calor desde la 
base QG. 
 
 ( ) ( )
h
BTUQ
G
7360703008,0202 =−= 
 
 Estamos ya en condiciones de hallar las pérdidas totales por medio de: 
 
 GvLT QQQQ ++= 
 
 
h
BTUQ
T
847712736090032750320 =++= 
 
 Alternativamente, podemos obtener una solución más exacta usando las ecuaciones 
algebraicas. 
 GvLT QQQQ ++= 
 
 
h
BTUQ
T
8941227360135782750980 =++= 
 Caso 2: 
 
 El caso del tanque no está aislado y está pintado con pintura de aluminio. 
La pared lateral se encuentra aislada con silicato de calcio o equivalente y la superficie 
que cubre al aislante tiene una emisividad superficial de 0,8. La velocidad del viento es 
de 30 mph. La conductividad térmica del suelo es 0,8 BTU /(h) (ft2) (º F/ft) 
 
 Como en el caso 1, la superficie húmeda (en contacto con fuel oil) AL es 1130 ft
2. 
Esté área representa la zona del tanque que contiene al fuel oil y que tiene una altura de 
18 ft. 
 Las pérdidas de calor a través de las paredes hacia el ambiente son función de 
 
 ( ) FTTT Aw °=−=−=∆ 230703001 
 
 De la figura 2, con un espesor recomendado de aislacion de 1½ inch, y con un 
factor por velocidad del viento igual a 1,10 obtenemos el valor de la pérdida unitaria de 
calor. 
 
 
2
6,5010,146
hft
BTU
xq
L
== 
donde 
 
 hBTU
hft
BTU
xftqA LLLQ /571786,501130 2
2 === 
 Ahora calcularemos las pérdidas desde la parte aislada que no esta en contacto con 
el combustible. 
 ( )( ) 2754183020 ftDHVVA =−== ππ 
 
 ( ) FTTT Aw °=−=−=∆ 23070300 
 
 
2
6,5010,146
hft
BTU
xq
V
== 
 
 hBTU
hft
BTU
xftqA VVVQ /381526,50754 2
2 === 
 
 
 
 
 
 Para calcular las pérdidas por el techo no aislado, usamos la figura 1. La superficie 
del techo es: 
 
 
( ) 222 314
4
20
4
ft
D
AR ===
ππ
 y de tabla II la emisividad superficial es 0,4. 
 
 ( ) FxWTTT AiW °==−=∆ 4620,0230 
 
 Utilizando el ∆T corregido y la figura 1 podemos encontrar el valor de las pérdidas 
de calor unitaria por convección y radiación (corrigiendo las pérdidas por convección 
con el factor de velocidad del viento y las de radiación con el coeficiente de emisividad 
superficial 0,4). 
 
( )
( )[ ]
2
2
2
1
2
5,2448,2227,21
8,22213028,15,35
7,214,02,54
hft
BTU
hft
BTU
x
hft
BTU
x
qqq
q
q
caR
c
a
=+=+=
=+=
==
 
 
De aquí obtenemos 
 hBTU
hft
BTU
xftqA RRRQ /767735,244314 2
2 === 
 
Las perdidas de calor por la base (hacia el suelo) son las mismas que para el caso 1 
 
 
h
BTUQ
G
1360= 
 
Tendremos entonces por suma de las perdidas parciales, la pérdida total QT: 
 
 
h
BTUQ
T
1479457360767733852957743 =+++= 
Este problema muestra como pueden obtenerse las perdidas aproximadas de calor de 
forma rápida. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Nomenclatura 
 
A Área de transformación de calor [ft²] 
C Calor especifico [BTU/(lb)(ºF)] 
D Diámetro del tanque[ft] 
g Aceleración de la gravedad = 4,17x108 [ft/h²] 
H Altura del tanque [ft] 
k Conductividad Térmica [BTU/(h)(ºF/ft)(ft²)] 
P Presión [Psia] 
Q Calor de transferido [BTU/h] 
q Unidad de trans.de calor [Btu/(h) (ft²) 
R Factor de ensuciamiento [(h) (ft²)(ºF)/BTU] 
T Temperatura [ºF] 
U Coeficiente global de Transf. [BTU/(h) (ft²)(ºF)] 
V Velocidad del viento [mph] 
W Factor de corrección por diferencia de temperatura 
X Espesor [ft] 
ß Coeficiente de expansión volumétrica [1/ºF] 
ε Emisividad 
µ Viscosidad [lb/(h)(ft)] 
ρ Densidad [lb/ft3] 
 
Subíndices 
 
A Envoltura 
a Radiación 
c Convección 
F Película de fluido 
G Suelo 
i Fluido contenido 
I Aislacion 
L Liquido 
M Aislacion media 
R Techo 
r Capa de incrustaciones (ensuciamiento) 
T Total 
V Vapor 
W Pared