Se sabe que al agregar más aislamiento a una pared siempre se disminuye la transferencia de calor. Entre más grueso sea el aislamiento, más baja es la razón de la transferencia de calor. Esto es previsible ya que el área de la transferencia de calor es constante y agregar aislamiento siempre incrementa la resistencia térmica de la pared sin incrementar la resistencia a la convección.

Sin embargo, agregar aislamiento a un tubo cilíndrico es un asunto diferente. El aislamiento adicional incrementa la resistencia a la conducción de la capa de aislamiento, pero disminuye la resistencia a la convección de la superficie debido al incremento en el área exterior. La transferencia de calor del tubo puede aumentar o disminuir dependiendo de cuál sea el efecto dominante.

Considere un tubo cilíndrico de radio exterior r₁ cuya temperatura de la superficie exterior T₁ se mantiene constante (ver figura 1).

 

Ahora se aísla el tubo con un material cuya conductividad térmica es k y su radio exterior es r₂. Se pierde calor del tubo hacia el medio circundante que está a la temperatura T∞, con un coeficiente de transferencia de calor h por convección. La razón de la transferencia de calor del tubo aislado hacia el aire circundante se puede expresar como:

De la expresión anterior nos interesa conocer el cambio de la resistencia total debido a un cambio en el espesor del aislamiento, por lo tanto, nos enfocamos en los términos resistivos, el radio crítico es un punto de inflexión por eso usamos el criterio de la derivada, es decir:

respecto a r₂ e igualando a cero:

Note que el radio crítico de aislamiento depende de la conductividad térmica del aislamiento k y del coeficiente externo de transferencia de calor por convección h. La razón de transferencia de calor del cilindro aumenta con la adición de aislamiento (figura 2) para r₂ < r_cr, alcanza un máximo cuando r₂ = r_cr y empieza a decrecer para r₂ > r_cr .

Por lo tanto, aislar una tubería puede aumentar la razón de la transferencia de calor en lugar de disminuirla si se elige un espesor de aislamiento incorrecto, es decir, cuando r₂ < r_cr[1] .

En la práctica, el valor de k lo proporciona el fabricante del asilamiento y el valor de h se obtiene de tablas[2] ampliamente estudiadas que relacionan el diámetro de tubería, la temperatura del fluido que transportan y la temperatura ambiente.

Autor: I.M. ENRIQUE PÉREZ DESARROLLO DE PROYECTOS

Intercambiadores de Calor

 

Fuentes:

[1] Cengel Yunus A-Ghajar Afshin J., Transferencia de calor y masa, Ed McGraw-Hill,2011

[2] Kern, Donald Q, Procesos de transferencia de calor, Ed. Patria,2013