Análisis de estos dos aspectos importantes dentro de los sistemas de enfriamiento.
por Arcadio Velásquez*
Durante la selección de aislamiento térmico para sistemas de enfriamiento es muy usual seguir recomendaciones bien sea del fabricante o del consultor/diseñador del sistema, quizás en algunos casos se siguen recomendaciones en la red, sin embargo como fabricante y parte del gremio VAC&R (Ventilación, Aire Acondicionado y Refrigeración) mi sugerencia es hacer cálculos térmicos.
Los cálculos térmicos arrojan ideas claras de que tan lejos o cerca esta nuestra selección de aquellas recomendaciones. En el mundo de VAC&R existen muchos estándares para hacer los cálculos, uno de los más usados a nivel global es la ISO 12241 Aislamiento térmico para equipos de edificación e instalaciones industriales - Método de cálculo. Este estándar en particular especifica reglas muy claras para el cálculo de sistemas térmicos, ejemplo de su eficacia es el estándar británico BS 5422 que especifica los aislamientos térmicos acorde a ciertas condiciones ambientales y ubicación de los sistemas, este en particular basa las recomendaciones en cálculos realizados usando ISO 12241
La mayoría de los fabricantes (con presencia en América Latina) recomiendan materiales y espesores basados en cálculos previos en general y experiencias, sin embargo cada situación es diferente una de otra, por ubicación geográfica que determina las condiciones ambientales, por cuestiones de diseño, selección de equipamiento, aplicación, selección de materiales, tipo de medio, entre otros.
Para la selección del material aislante los cálculos se basan en dos principales objetivos: 1) Control de Condensación y 2) Control en las Ganancias de Calor. ¿Cuál es mejor?, ¿En cuál de ellas se deben basar los cálculos?, ¿Qué criterio se ha venido usando?
El control de la condensación se calcula haciendo uso de las condiciones ambientales tales como la temperatura ambiente y la humedad relativa y el objetivo principal es mantener la temperatura de la superficie exterior igual o mayor a la temperatura del punto de rocío. Propiedades como la conductividad térmica de los materiales y la Emisividad de la capa exterior influyen en la temperatura de la superficie exterior así como la velocidad del viento alrededor del sistema.
Para controlar las ganancias de calor en los sistemas de enfriamiento como tuberías de agua helada, ducto de aire acondicionado, procesos industriales y similares, el control de la condensación es apenas la primera etapa, es muy importante controlar condensación como un paso previo especialmente cuando el material aislante es un material que absorbe agua o es un material de celda abierta.
Para determinar el espesor óptimo de aislamiento térmico, en un estado inicial se deben hacer cálculos térmicos considerado las condiciones ambientales en sus peores escenarios, con ello se crea lo que se conoce como factor de seguridad. El factor de seguridad es simplemente el la diferencia de temperatura entre la temperatura de superficie exterior aislada y la temperatura del punto de rocío, su fin es prevenir la condensación en caso de que la temperatura ambiente alrededor del sistema aumento o la humedad relativa aumente, en ese caso, la temperatura del punto de rocío será mayor pudiendo acercarse a la temperatura de la superficie exterior. La figura expresa una recomendación útil para la selección del factor de seguridad. La figura anterior ilustra cómo funciona el factor de seguridad y como se calcula.
Figura 1.
Solo se debe considerar que para instalaciones dentro del edificio generalmente la temperatura ambiente alrededor del sistema y la humedad relativa estarán bajo control, sin embargo para instalaciones fuera del edificio estas condiciones no pueden ser controladas y será diferentes dependiendo de la ubicación geográfica. Es por ello que el factor de seguridad recomendado para instalaciones fuera del edificio tiene mayor amplitud ya que las condiciones no son controladas por sistemas mecánicos. La figura solo muestra una recomendación, los diseñadores pueden usar sus propios criterios basados en estudios o experiencias, sin embargo cuando los factores de seguridad son seleccionados de manera aleatoria pudiera haber dos escenarios:
1.- Que el factor de seguridad sea muy bajo y no pueda cubrir los cambios en las condiciones ambientales lo que se traduce en posible condensación (especialmente en instalaciones fuera del edificio).
2.- Que el factor de seguridad sea muy alto, lo que mejoraría en cierto modo las ganancias de calor pero pudiera afectar el presupuesto inicial, quizás sea tan alto que pudiera considerarse inútil, para saberlo hay que determinar entonces las ganancias de calor.
Una vez controlada la condensación se debe entonces tomar la decisión entre mantener el espesor obtenido o aumentar el espesor de aislamiento térmico para mejorar las ganancias de calor. Para lograrlo, no se recomienda simplemente seleccionar el espesor aleatoriamente o seleccionando el siguiente espesor estándar, es probable que el siguiente sea una pérdida de dinero.
Como guía, haciendo referencia a la gráfica Control de Condensación vs. Ganancias de Calor se puede estudiar el comportamiento de la temperatura de la superficie exterior aislada, el costo de cada espesor (para un material en particular) y las ganancias de calor para cada espesor, se evidencia el impacto económico y energético que tiene aumentar el espesor de dicho material, es muy eficiente hacer este estudio y graficar estos comportamientos para tomar una decisión y ofrecer al cliente una solución viable. Este estudio ha sido llamado como “Selección del Espesor óptimo de Aislamiento Térmico en Sistemas de Enfriamiento”. En conclusión, este método determina el mejor espesor de aislamiento térmico basado en precio y ganancia de calor.
Figura 2.
Grandes espesores seleccionados de manera aleatoria pudieran no ser siempre la mejor solución, la gráfica explica cómo funciona. [La grafica es solo un ejemplo, los precios no corresponden a un material en específico necesariamente, el material referido para los cálculos tiene baja conductividad térmica acorde a ASTMC 518 y una emisividad media acorde a BS 5422, los cálculos se han basado en ISO 12241 para una tubería de agua helada, material de la tubería acero al carbono de 50.00mm de Diámetro Nominal (2”) localizada fuera del edificio, todos los casos son diferentes es por ello que se recomienda hacer cálculos para cada caso en particular].
La línea azul, representa el valor del aislamiento térmico (unidad monetaria, eje vertical) en función del espesor de aislamiento (eje horizontal), la línea naranja representa la temperatura de la superficie exterior aislada para el material aislante en específico en función del espesor de aislamiento y la línea gris representa las ganancias de calor en función del espesor de aislamiento para un metro lineal de tubería.
El punto de arranque es considerado el espesor óptimo de aislamiento térmico para controlar la condensación y las ganancias de calor, es exactamente el punto donde se cruzan el valor monetario y las ganancias de calor. Ello quiere decir que si se elige un espesor mejor es probable que controle la condensación pero la ganancia de calor será tan alta que no sustentara la inversión, el ROI será muy lento y dependiendo del tiempo de vida del material quizás se convierta en una pérdida económica muy importante. Elegir un espesor mucho mayor pudiera significar que se controle la condensación y la ganancia de calor pero es probable que no hay un ROI a corto o mediano plazo y dependiendo del tiempo de vida del material quizás no haya ROI.
El punto de arranque generalmente no representa un espesor de aislamiento estándar y es muy probable que se deba elegir el siguiente espesor estándar. Es por ello que se determina la “zona rentable”, esta zona especifica algunos espesores estándares que suelen no ser muy costos en comparación con el punto de arranque, y la mejora en la ganancia de calor es significativa, garantizando un ROI idóneo.
Por otro lado, la gráfica muestra una zona que se denomina “zona no rentable”, esta especifica espesores de aislamiento que no hacen sentido utilizarlos, son excesivamente costosos, su instalación y transporte se vuelven costosos y además no representa un valor añadido a la mejora de la ganancia de calor.
¿Cómo comparar ambas zonas?
Se elige un espesor intermedio de cada zona, ejemplo 25.00mm (1”) y 75.00mm (3”), muchas veces se cree que aumentando el espesor de aislamiento térmico el sistema es más eficiente, en cierto modo lo es, pero el costo de 25.00mm (1”) es de aproximadamente 24.00 UM y el de 75.00mm (3”) es aproximadamente 125.00 UM, en relación precio el espesor mayor es 5.21 veces más costoso, si el proyecto requiere de 1,000 metros lineales entonces el costo total esos 1,000 metros lineales comprando ambos espesores tiene una brecha muy significativa. Desde el punto de vista energético, con el espesor menor se obtienen una ganancia de calor 10.00W por metro lineal sin embargo para el espesor mayor la ganancia de calor es de 6.00W por metro lineal.
En conclusión, para este caso en particular, invirtiendo 5.21 veces más dinero (solo en material), el sistema mejora apenas 1.67 veces solamente. En la gráfica, se observa que a partir de 40.00mm de espesor de aislamiento la curva de ganancia se hace horizontal, para este caso en particular significa que aunque aumentemos el espesor la ganancia de calor será casi siempre la misma, llega un momento en el cual no hace sentido hacer el espesor más grande ya que en lugar de añadir un valor de ahorro energético se añade un costo que incrementa de manera exponencial y hace muy difícil que el ROI se complete en menor tiempo, si el material tiene una vida útil o estable menor a 10 años es probable que en lugar de ahorrar inversión y lograr ROI se logre unas pérdidas económicas muy significativas. En ese caso se recomienda no solo hacer este estudio sino también basarlo en el tiempo de vida del material.
* Arcadio J. Velásquez. Ingeniero Mecánico – Actualmente Sr. Technical Marketing Engineer para Hira Industries LLC en la división de Aislamiento Térmico y Soluciones Acústicas desde Dubái, Emiratos Árabes Unidos.
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