Uso eficiente de energía en la industrial – ¿Cómo llevar a cabo cálculos de pérdida o ganancia de calor por envolvente y de ahorros por aislamiento térmico?
La energía térmica es ampliamente utilizada en el sector industrial en forma de calor de flama directa, aire caliente, vapor, agua caliente, agua fría y refrigerante, entre otros. El uso de energía térmica, en la mayoría de los casos, cuesta dinero y es contabilizado como un costo operativo si ésta es generada a partir de electricidad o algún combustible fósil, además de resultar en la emisión de gases de efecto invernadero.
Los sistemas térmicos industriales son sujetos a pérdidas de energía que les restan eficiencia. Las pérdidas de energía más importantes generalmente son aquellas pérdidas por chimenea para sistemas térmicos con combustión y las pérdidas (o ganancias) de calor en estado estable por envolvente al medio ambiente en sistemas en general; hablaremos de éstas últimas en este artículo.
Las pérdidas o ganancias de calor por envolvente no deseadas, resultan en costos operativos evitables en cierta medida. Emplear aislamiento térmico para minimizar la transferencia térmica no deseada es frecuentemente un proyecto atractivo de ahorro en costos de energía y disminución de emisión de gases de efecto invernadero.
La transferencia de energía térmica ocurre en sistemas con una diferencia de temperaturas. En sistemas industriales se lleva a cabo por mecanismos de convección y radiación simultáneos hacia el medio ambiente.
Transferencia de calor por convección
En ambientes industriales, la transferencia de calor por convección ocurre en superficies expuestas al aire ambiente. El modelo matemático para calcular la transferencia de calor por convección en estado estable es mediante la ley de enfriamiento de Newton. El resultado de la ecuación es el flujo de calor por unidad de superficie que se transfiere de la superficie al medio ambiente o viceversa.
De los parámetros necesarios para poder calcular el flujo de calor por convección, el coeficiente de convección es el más difícil de determinar. Este coeficiente depende de las propiedades del aire ambiente en cada situación individual. Hay dos casos en particular que determinan en gran medida el valor numérico del coeficiente de convección, el hecho de ser convección natural o convección forzada.
La convección natural es causada por movimiento cíclico del aire al éste cambiar su densidad por diferencia de temperatura. La convección forzada se da gracias al movimiento del aire cerca de la superficie, siendo este movido por un impulsor externo.
A pesar de la complejidad para calcular el coeficiente de convección para cada caso en particular, ASHRAE propone algunos valores que pueden ser utilizados de manera general. Cálculos de transferencia de calor más rigurosos, exigirán un análisis detallado de este coeficiente.
| Superficie expuesta | Coeficiente de convección h, W/m2°C |
| Para cálculos con aire quieto (ej. Interior del edificio) | |
| Techo | 10.0 |
| Muro vertical | 7.7 |
| Para cálculos con aire en movimiento (ej. Exterior del edificio) depende de la velocidad del aire, no de la orientación de la superficie | |
| Aire a 7 m/s (25 km/h) | 33.3 |
| Aire a 4 m/s (14 km/h) | 25.0 |
| Aire a 2 m/s (7 km/h) | 16.7 |
Transferencia de calor por radiación
Además de la transferencia de calor por convección, existe otro mecanismo simultáneo de transferencia de calor de una superficie hacia el medio ambiente o viceversa. Este mecanismo es llamado radiación térmica, y comprende la transferencia de calor por radiación electromagnética, en específico, la radiación infrarroja.
La radiación térmica, a diferencia de la convección, puede llevarse a cabo sin necesidad de contar con un medio de transferencia. Este mecanismo de transferencia de calor depende de tres parámetros de manera general: emisividad de superficie, temperatura absoluta de la superficie y temperatura absoluta media de las superficies a los alrededores de la superficie de análisis.
La emisividad de la superficie es un parámetro que indica qué tan buena es una superficie para emitir radiación térmica. Este parámetro varía entre cero y uno. La emisividad de una superficie está en función de la temperatura, de la longitud de onda de emisión y del ángulo en que dicha radiación es emitida, sin embargo, para aplicaciones de transferencia de calor industriales, se han obtenido valores medios. La tabla siguiente muestra la emisividad para varios materiales.
| Material | Emisividad | Material | Emisividad |
| Asfalto | 0.93 | Panel de yeso | 0.85 |
| Pintura epóxica negra | 0.89 | Hierro, gris oscuro | 0.31 |
| Ladrillo rojo | 0.93 | Polipropileno | 0.97 |
| Cemento | 0.54 | Acero oxidado | 0.79 |
| Concreto | 0.85 | Acero galvanizado viejo | 0.88 |
*Fuente: www.TheEngineeringToolbox.com
Otro aspecto importante de la radiación térmica es que, entre mayor sea la temperatura de la superficie, mayor será la proporción de pérdida de calor por radiación sobre la total (convección + radiación), gracias a la diferencia de temperaturas absolutas a la cuarta potencia.
Transferencia de calor simultánea por convección y radiación
La evaluación conjunta de la transferencia de calor por convección y radiación de una superficie hacia el medio ambiente o viceversa puede efectuarse utilizando el coeficiente combinado de convección y radiación.
El coeficiente combinado de convección y radiación permite evaluar simultáneamente ambos efectos. Una suposición que debe hacerse en dicho caso es que T∞ y Tsurr sean prácticamente iguales. Esta suposición es razonable dado que muchas superficies expuestas (ej. muros, techos de naves) pueden suponerse a una temperatura superficial similar a la del medio ambiente. La imagen siguiente indica la ecuación de transferencia de calor que incluye los efectos simultáneos de la convección y la radiación.
Esta ecuación es el paso final para evaluar la transferencia de calor de una superficie a una temperatura distinta a la del medio ambiente y/o a las superficies aledañas. Por ejemplo, piense en un tanque de agua helada o almacenamiento de hielo, un horno de tratamiento térmico, o una olla de transporte de metal fundido en un sitio industrial.
Uso de materiales aislantes térmicos para reducir la transferencia de calor
Ahora bien, ¿qué podemos hacer para disminuir las pérdidas o ganancias de calor? Podemos añadir aislamiento térmico a las superficies expuestas al medio ambiente. El aislamiento térmico es un material que ofrece una gran resistencia al paso del calor a través de él. El parámetro más importante del material aislante térmico es la conductividad térmica – k; la tabla a continuación muestra la conductividad térmica de varios materiales.
| Material | k, W/m°C | Material | k, W/m°C |
| Lana de vidrio | 0.04 | Foami (hule celular) | 0.045 |
| Lana de piedra | 0.05 | Panel de yeso | 0.17 |
| Poliestireno expandido | 0.03 | Vidrio | 1.05 |
| Polyisocianurato | 0.023 | Ladrillo aislante | 0.15 |
| Foamular (poliestireno extruido) | 0.029 | Ladrillo común | 0.80 |
*Fuente: www.TheEngineeringToolbox.com
La selección del aislamiento térmico de acuerdo con la aplicación es de suma importancia. Por ejemplo, en aplicaciones frías, el aislamiento térmico debe ser capaz de mantener sus propiedades térmicas incluso estando húmedo. Asimismo, el método de sujeción del aislamiento térmico a la superficie que se desea cubrir debe de ser considerado.
Existen materiales aislantes térmicos para aplicaciones de calor y de frío, y en varios rangos de temperatura. Otra propiedad importante de los materiales aislantes térmicos es la resistencia a la flama para las aplicaciones de muy alta temperatura.
Al igual que en el caso de la transferencia de calor por convección y radiación, existe un modelo matemático para modelar la transferencia de calor por conducción a través de sólidos y fluidos estáticos (los aislamientos térmicos convencionales son una combinación de ambos), desarrollado por Joseph Fourier, científico francés del siglo XVIII. Este modelo, en análisis de estado estable para superficies planas o que pueden suponerse planas, se expresa por la ecuación de la figura siguiente.
Metodología de análisis de beneficio por uso de aislamiento térmico
El análisis del beneficio por la utilización de aislamiento térmico se realiza calculando la transferencia térmica original sin y con aislamiento térmico, tal como está indicado en la figura siguiente.
Al realizar dicho análisis, considere los siguientes puntos importantes:
- Mida la temperatura de la superficie expuesta a analizar en varios puntos representativos y considere un promedio.
- Considere una temperatura ambiente o de los alrededores que represente en la mejor medida de lo posible las condiciones a las que están sometidas las superficies expuestas que Ud. desea analizar.
- Los cálculos de transferencia de calor por conducción suponen que Ts es igual sin y con el aislamiento térmico. Esta suposición es errónea, pero el error se cancela con la suposición de que hconv y hrad son iguales sin y con aislamiento térmico. Los efectos de ambas suposiciones son opuestos y se cancelan.
- Recuerde que para calcular hrad, deberá especificar las temperaturas absolutas, en Kelvin, todos los demás cálculos pueden ser hechos con grados Celsius.
El beneficio del uso del aislamiento térmico en términos de potencia térmica es la diferencia entre el flujo térmico original y el flujo térmico nuevo con aislamiento térmico. El ahorro energético anual es el producto de la diferencia del flujo térmico y las horas de operación del equipo cuyas superficies son analizadas, dividido por la eficiencia térmica del equipo o el COP del equipo de refrigeración, según corresponda.
El ahorro energético puede ser directamente convertido en ahorro monetario La siguiente figura explica los cálculos para obtener el ahorro monetario anual por disminución de la transferencia de calor por envolvente, ya sea en equipos que queman combustible (hornos o calderas) o bien en refrigeradores (imagine cuartos fríos).
En el caso de los equipos que generan calor quemando combustible fósil, se utiliza la eficiencia de combustión en los cálculos de ahorro anual de energía, mientras que, en el caso de los equipos de refrigeración se utiliza el COP (coeficiente de desempeño) en los mismos cálculos.
Además del beneficio monetario, existe un beneficio ambiental por la disminución de emisiones de gases de efecto invernadero asociadas al uso de gas natural localmente (piense en un horno de gas en su sitio industrial) o bien, asociadas al uso de electricidad localmente proveniente de centrales de generación eléctrica convencionales que queman combustibles fósiles (piense en un horno eléctrico o un refrigerador eléctrico en su sitio industrial).
En ambos casos, existen factores de conversión de unidades de energía a emisiones de gases de efecto invernadero. Los factores se indican a continuación:
| Energético | Factor de emisiones, kgCO2eq/kWh* |
| *kWh puede ser eléctrico o de combustible | |
| Electricidad CFE** | 0.505 |
| Combustión de gas natural*** | 0.181 |
**Fuente: Registro Nacional de Emisiones 2019 – SEMARNAT
***www.epa.gov 2014
El factor de emisión eléctrico es publicado anualmente y representa un indicador que engloba todos los gases de efecto invernadero productos de la combustión en las centrales eléctricas de CFE. Si Ud. compra su electricidad a un suministrador distinto, pregunte a su suministrador por su factor de emisión.
El factor de emisión de combustión de gas natural indica una cantidad promedio de emisiones por la combustión de dicho gas bajo ciertas suposiciones, por ejemplo, el origen de dicho gas, su contenido de azufre y el % de exceso de aire en la combustión. Dicho número es un valor promedio, utilizado en ausencia de información particular de la aplicación en donde Ud. realiza su análisis. Si Ud. quema un combustible diferente al gas natural, deberá realizar el cálculo de disminución de emisiones con el factor adecuado.
Palabras finales
Los proyectos de ahorro de energía por uso de aislamiento térmico para limitar la transferencia de calor son atractivos y normalmente tienen un retorno simple de inversión cercano a 12 meses si la temperatura de las superficies expuesta es igual o mayor de 80°C.
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