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ENSAYO CIENTIFICO: ANALISIS DE RESISTENCIA EN MATERIALES AISLANTES TÉRMICOS Universidad Autónoma del Caribe Autor_1:[email protected];Autor_2:[email protected];Auto_3: [email protected]

I. RESUMEN Una opción tecnológica muy popular y económica para mejorar el desempeño de los sistemas de acondicionamiento de aire, es acompañarlos de un recinto diseñado con materiales de aislación térmica. Los materiales de aislación térmica permiten mantener el confort térmico de un recinto acondicionado gracias a sus buenas características termo-ambientales. El principio de funcionamiento de los aislantes térmicos radica en la reducción de la pérdida o ganancia de energía a través de los mismos, lo cual conlleva a la reducción del costo energético para el recinto en particular, sin comprometer el confort térmico, no obstante, debido a la naturaleza para la construcción de los mismos es de interés conocer las propiedades mecánica de estos materiales. En este ensayo se recopila y presenta los estudios realizados desde el año 2015 a la actualidad sobre la aislación térmica y la resistencia mecánica de estos materiales, en particular, se analiza espuma celulósica, panel de aislación al vacío, aerogel, y material con cambio de fase (PCM). El análisis presenta el material aislante térmico, una breve descripción del mismo, un estudio relevante dentro de los últimos 4 años en el cual se destaca el método empleado y los resultados térmicos y mecánicos de interés reportados.

II. INTRODUCCIÓN En la actualidad, es un hecho que la tendencia mundial sobre la demanda energética en los sectores industriales y de transporte se encuentra en un continuo y rápido crecimiento, al igual que la demanda de energía para fines térmicos y/o eléctricos. En este contexto, se destaca que el sector hogar/residencial representa actualmente del 30 al 40% del total de la

demanda global energética, en donde alrededor del 24% de la generación de los gases de efecto invernadero ocurren en este sector [1]. En el sector residencial, los sistemas de acondicionamiento de aire son los primordiales consumidores, representando un gran porcentaje en la matriz energética total de consumo. Para dar solución a esta situación, se han desarrollados diversas tecnologías, tanto directas como indirectas, que buscan mejorar la eficiencia de enfriamiento, y por ende, los costos asociados al continuo uso de estos equipos. Una solución, económica, popular y que no requiere modificar los componentes del sistema de acondicionamiento de aire es emplear aislantes térmicos como capas de resistencia térmica entre la interfaz exterior-pared-interior, y/o exterior-techo-interior del recinto. El principio de funcionamiento de los aislantes térmicos radica en la reducción de la pérdida o ganancia de energía a través de los mismos, lo cual conlleva a la reducción del costo energético para el recinto en particular, sin comprometer el confort térmico. A pesar de que todos los materiales aislantes tienen el mismo propósito de reducir la tasa de transferencia de calor a través del espacio cerrado deseado, determinados materiales desempeñan una función específica, por lo cual suelen clasificarse de diferentes maneras: o De acuerdo a las propiedades de intercambio de calor: o Aislación por masa o Aislación reflectiva o De acuerdo a la forma o De acuerdo a la composición o Materiales inorgánicos y orgánicos o Materiales combinados y de nueva tecnología De estas categorías, solo considerando los materiales en su nomenclatura general, se encuentra alrededor de 30 materiales que se emplean con fines de aislamiento térmico, de los cuales se ha seleccionado (1) espuma celulósica, (2) panel de aislación, (3) aereogel y (4) material de cambio de fase para acotar el marco de análisis e investigación.

III. MATERIALES AISLANTES TÉRMICOS

Espuma celulósica: Los materiales de espuma se utilizan en un gran número de aplicaciones además del aislamiento térmico incluyendo embalaje, aislamiento acústico, amortiguadores de impacto, núcleos de estructuras, filtros y flotación, debido a sus ventajas de propiedad tales como ligereza, alta absorción de impacto y atenuación acústica, y baja conductividad térmica [2]. Chen y otros estudiaron los efectos de la variación del tamaño y espesor de pared de una espuma celulósica comercial M130 a través de análisis de elementos finitos, concluyendo que las resistencias a la compresión y al cortante de las espumas celulósica disminuyen a medida que aumentan las variaciones del tamaño de la célula y del espesor de la pared de la célula, y la resistencia a la compresión se reduce de manera más significativa [3]. Nina y otros estudiaron el comportamiento de falla efectivo de forma analítica y numérica de una espuma celulósica, caracterizando que las fallas en las mismas dependen del esfuerzo hidrostático. El comportamiento de la falla puede ser descrito por una superficie cerrada en el espacio principal de tensión con un punto de intersección del eje hidrostático. Además, los datos experimentales muestran que las superficies de fallo de las espumas tienen secciones transversales variables [4].

Panel de aislación al vacío: El panel de aislamiento al vacío (VIP) es un sistema de aislamiento avanzado de bajo consumo que facilita un aislamiento delgado, pero de alto rendimiento, basado en un material poroso de núcleo evacuado y encapsulado en una envoltura de barrera. Los VIP han estado en el mercado durante décadas, no fue hasta hace poco que se iniciaron los esfuerzos para proponer y adoptar un estándar global sobre caracterización y pruebas. Uno de los problemas relacionados con el VIP es su durabilidad y envejecimiento debido al aumento de la baja conductividad térmica inicial en función de la presión y la humedad con el tiempo; más aún en aplicaciones de construcción. Jin-Hee Kim y otros evaluaron la conductividad térmica y la presión interna de los VIPs a base de sílice ahumada disponibles en el mercado, y el rendimiento de envejecimiento (durabilidad) de los paneles basándose en experimentos y modelos establecidos. La conductividad térmica se probó de acuerdo con la norma ISO 8302 (método de placa caliente

protegida), mientras que la presión interna se midió utilizando una cámara de vacío bajo el método de compensación de presión. Además, la conductividad térmica y la presión interna se midieron después de exponer las muestras a condiciones de envejecimiento acelerado, con el fin de evaluar el rendimiento a largo plazo de los VIPs. Basándose en un criterio de rendimiento a largo plazo establecido, se estimó que el rendimiento térmico de los VIPs era de 7,9 mW/mK después de 25 años. Se encontraron diferencias significativas entre los datos proporcionados por el fabricante y las mediciones de la conductividad térmica y la presión interna de los VIPs [5].

Aereogel: El aerogel es un material poroso que tiene una baja conductividad térmica debido a que su tamaño de poro es pequeño. La aplicación del aerogel como material de construcción se ha mostrado prometedora debido a su alto rendimiento de aislamiento térmico. Ha habido muchos intentos por agregar aerogel al concreto. Liang Wang y otros utilizaron perlita expandida con aerogel como agregado en concreto. La perlita expandida graduada y no graduada rellena con aerogel se agregan al concreto por separado. El agregado natural es parcialmente reemplazado por el nuevo material, tanto la resistencia mecánica como la conductividad térmica del concreto disminuyen cuando el contenido del nuevo material aumenta. Cuando el contenido de agregado y la relación aguacemento son iguales, la resistencia mecánica y la conductividad térmica del material no graduado del concreto es mayor que la del material graduado. Como resultado se muestra que el concreto con un contenido en volumen de perlita expandida graduada rellena con aerogel tiene una conductividad térmica de 0,098 W/mK y una resistencia a la compresión de 3,71 MPa [6].

Materiales de cambio de fase: La tendencia de los materiales de aislamiento y ahorro de energía existe como resultado del avance de los materiales, y las investigaciones ahora están conduciendo principalmente a la utilización de materiales de cambio de fase (PCM) para obtener el acondicionamiento térmico del recinto a una tasa de consumo de energía más baja. Los PCM almacena y libera calor a medida que cambia el entorno. En esta aplicación, los

PCM aplicados aprovecharían las ventajas de la fluctuación de energía en el exterior del recinto que absorbe el calor y lo libera en el medio ambiente sin afectar el equilibrio energético del interior del recinto. Para reducir la transferencia de calor de ambos lados (externo e interno), la temperatura de transición de fase del PCM debe estar lo más cerca posible de la temperatura de confort humano o de la temperatura del set point del espacio interior [7]. Piti Sukontasukkul y otros investigaron el calor latente y el almacenamiento de energía del concreto ligero con alto contenido de material de cambio de fase (PCM) (hasta aproximadamente un 7,8% en peso del concreto). El PCM, en este caso, polietilenglicol (PEG) con una temperatura de fusión de aproximadamente 42-46 °C se impregnó en áridos ligeros porosos de hasta el 24% en peso. Los resultados muestran que la existencia de agregados PCM afecta a las propiedades mecánicas y térmicas del concreto en diferentes grados. Las propiedades mecánicas parecen mejorar con el aumento del contenido de los agregados de PCM. Para propiedades térmicas como la conductividad térmica y el calor específico, el estado del PCM (estado líquido o sólido), así como la temperatura de ensayo durante el mismo, muestran una influencia significativa en los resultados obtenidos. Se valido que el calor latente aumentaba proporcionalmente con el aumento de la tasa de sustitución del PCM [8].

IV. CONCLUSIONES Una de las formas más fáciles y efectivas para la conservación de energía disponibles hoy en día es a través del aislamiento mediante materiales térmicos, los cuales ofrece una serie de aplicaciones en los sectores residencial, comercial e industrial. El objetivo principal de la instalación de material aislante en el recinto es reducir el consumo de energía para la calefacción o refrigeración aumentando la resistencia térmica de la envolvente del recinto. Muchas sustancias pueden ser utilizadas como material aislante, como espumas, paneles de aislación, aereogel y otros materiales que también se utilizan en la producción de los aislamientos. Las propiedades mecánicas de interés para cada estudio varían dependiendo de de la naturaleza del material térmico aislante, como se evidencia, la resistencia mecánica y la conductividad térmica disminuye para el concreto con un alto porcentaje de aereogel

agregado, mientras que aumentan, para el mismo, con un alto porcentaje de PCM agregado. Para una espuma celulósica las propiedades mecánicas disminuyen al aumentar el espesor y tamaño de célula; para una pared de aislamiento al vacío las propiedades térmicas disminuyen en función del envejecimiento del material dado las condiciones de humedad y presión.

V. REFERENCIAS [1]

“International Energy Agency.” [Online]. Available: https://www.iea.org/. [Accessed: 28-Mar-2019].

[2]

L. J. Gibson and M. F. Ashby, Cellular Solids. Cambridge: Cambridge University Press, 1997.

[3]

Y. Chen, R. Das, and M. Battley, “Effects of cell size and cell wall thickness variations on the strength of closed-cell foams,” Int. J. Eng. Sci., vol. 120, pp. 220– 240, Nov. 2017.

[4]

N.-C. Fahlbusch, J. L. Grenestedt, and W. Becker, “Effective failure behavior of an analytical and a numerical model for closed-cell foams,” Int. J. Solids Struct., vol. 97–98, pp. 417–430, Oct. 2016.

[5]

J.-H. Kim, F. E. Boafo, S.-M. Kim, and J.-T. Kim, “Aging performance evaluation of vacuum insulation panel (VIP),” Case Stud. Constr. Mater., vol. 7, pp. 329–335, Dec. 2017.

[6]

L. Wang et al., “Strength properties and thermal conductivity of concrete with the addition of expanded perlite filled with aerogel,” Constr. Build. Mater., vol. 188, pp. 747–757, Nov. 2018.

[7]

J. Kośny, “Short History of PCM Applications in Building Envelopes,” Springer, Cham, 2015, pp. 21–59.

[8]

P. Sukontasukkul et al., “Thermal properties of lightweight concrete incorporating high contents of phase change materials,” Constr. Build. Mater., vol. 207, pp. 431– 439, May 2019.