Valor K, Valor U, Valor R, Valor C

En la mayoría de las aplicaciones, la característica principal de un material de aislamiento térmico es su capacidad para reducir el intercambio de calor entre una superficie y el medio ambiente, o entre una superficie y otra. Esto se conoce como tener un valor bajo de conductividad térmica. En general, cuanto menor sea la conductividad térmica de un material, mayor será su capacidad de aislamiento para un espesor de material y un conjunto de condiciones determinados.

Si realmente es tan simple, ¿por qué hay tantos términos diferentes, como valor K, valor U, valor R y valor C? Aquí hay una descripción general con definiciones relativamente simples.

El valor K

El valor K es simplemente una abreviatura de conductividad térmica. La norma ASTM C168, sobre Terminología, define el término de la siguiente manera:

Conductividad térmica, n: la tasa de tiempo del flujo de calor en estado estacionario a través de una unidad de área de un material homogéneo inducido por un gradiente de temperatura unitario en una dirección perpendicular a esa unidad de área.

Esta definición no es realmente complejo. Echemos un vistazo más de cerca, frase por frase.

La tasa de tiempo de flujo de calor se puede comparar con la tasa de flujo de agua, por ejemplo, el agua que fluye a través de un cabezal de ducha a tantos galones por minuto. Es la cantidad de energía, generalmente medida en los Estados Unidos en Btus, que fluye a través de una superficie en un cierto período de tiempo, generalmente medido en horas. Por lo tanto, la tasa de tiempo del flujo de calor se expresa en unidades de Btu por hora.

El estado estacionario simplemente significa que las condiciones son estables, como el agua que sale de un cabezal de ducha a una velocidad constante.

El material homogéneo simplemente se refiere a un material, no dos o tres, que tiene una composición consistente en todo. En otras palabras, solo hay un tipo de aislamiento, en lugar de una capa de un tipo y una segunda capa de un segundo tipo. Además, para los propósitos de esta discusión, no hay pasadores o tornillos de soldadura, ni ningún metal estructural que pase a través del aislamiento; y no hay huecos.

¿Qué pasa a través de un área de unidad? Esto se refiere a un área de sección transversal estándar. Para el flujo de calor en los Estados Unidos, generalmente se usa un pie cuadrado como área de unidad. Por lo tanto, tenemos unidades en Btu por hora, por pie cuadrado de área (para visualizar, imagine el agua que fluye a un cierto número de galones por minuto, golpeando una tabla de 1 pie x 1 pie).

Finalmente, está la frase por un gradiente de temperatura unitario. Si dos artículos tienen la misma temperatura y se unen para que se toquen, no fluirá calor de uno a otro porque tienen la misma temperatura. Para que el calor fluya por conducción de un objeto a otro, donde ambos se tocan, debe haber una diferencia de temperatura o gradiente. Tan pronto como haya un gradiente de temperatura entre dos objetos en contacto, el calor comenzará a fluir. Si hay aislamiento térmico entre esos dos objetos, el calor fluirá a un ritmo menor.

En este punto, tenemos una tasa de flujo de calor por unidad de área, por grado de diferencia de temperatura con unidades de Btus por hora, por pie cuadrado, por grado F.

La conductividad térmica es independiente del grosor del material. En teoría, cada rebanada de aislamiento es la misma que su rebanada vecina. Las rebanadas deben ser de algún grosor estándar. En los Estados Unidos, las unidades de pulgadas se utilizan típicamente para el grosor del aislamiento térmico. Así que tenemos que pensar en términos de Btu de flujo de calor, para una pulgada de espesor de material, por hora, por pie cuadrado de área, por grado F de diferencia de temperatura.

Después de separar la definición ASTM C168 para conductividad térmica, tenemos unidades de Btu-pulgada/hora por pie cuadrado por grado F. Esto es lo mismo que el término valor K.

Valor C

El valor C es simplemente una abreviatura de conductancia térmica. Para un tipo de aislamiento térmico, el valor C depende del grosor del material; el valor K generalmente no depende del grosor (hay algunas excepciones que no están en el alcance de este artículo). ¿Cómo define ASTM C168 la conductancia térmica?

Conductancia térmica, n: la tasa de tiempo de flujo de calor en estado estacionario a través de un área unitaria de un material o construcción inducida por una diferencia de temperatura unitaria entre las superficies del cuerpo.

ASTM C168 proporciona una ecuación simple y unidades. En las unidades pulgadas-libra utilizadas en los Estados Unidos, esas unidades son Btus/hora por pie cuadrado por grado F de diferencia de temperatura.

Las palabras son bastante similares a las de la definición de conductividad térmica. Lo que falta son las unidades de pulgadas en el numerador porque el valor C para un tablero de aislamiento de 2 pulgadas de espesor es la mitad del valor que lo es para el mismo material tablero de aislamiento de 1 pulgada de espesor. Cuanto más grueso sea el aislamiento, menor será su valor C.

Ecuación 1:Valor C = valor K / grosor

Valor R

Normalmente, este término se usa para describir la calificación de rendimiento etiquetada del aislamiento de edificios que se puede comprar en un patio de madera. Se utiliza con menos frecuencia para el aislamiento mecánico, pero sigue siendo un término útil para comprender. Su denominación oficial es resistencia térmica. Así lo define ASTM C168:

Resistencia, térmica, n: cantidad determinada por la diferencia de temperatura, en estado estacionario, entre dos superficies definidas de un material o construcción que induce un flujo de calor unitario a través de un área unitaria.

ASTM C168 proporciona una ecuación, seguida de unidades típicas. En las unidades pulgadas-libra, la resistencia térmica se mide en grados F por pies cuadrados de área por horas de tiempo por Btu de flujo de calor.

La mayoría de la gente sabe que para un material de aislamiento dado, cuanto más grueso es, mayor es el valor R. Por ejemplo, para un tipo particular de placa aislante, una placa de 2 pulgadas de grosor tendrá el doble del valor R de la placa de 1 pulgada de grosor.

Ecuación 2: Valor-R = 1 / valor-C

Si el valor-C es 0.5, entonces el valor-R es 2.0. Uno puede calcularlo a partir de la ecuación para el valor C en la Ecuación 1 anterior:

Ecuación 3:Valor R = grosor / valor K

Por lo tanto, si el grosor es de 1 pulgada, y el valor K es 0.25, entonces el valor R es 1 dividido por 0.25, o 4 (dejando las unidades por brevedad).

Valor U

Finalmente, existe el valor U, conocido oficialmente como transmitancia térmica. Este es más un término de ingeniería utilizado para designar el rendimiento térmico de un sistema en lugar de un material homogéneo. La definición de ASTM C168 es la siguiente:

Transmitancia térmica, n: la transmisión de calor en tiempo unitario a través del área unitaria de una construcción de material y las películas de aire límite, inducidas por la diferencia de temperatura unitaria entre los entornos de cada lado.

Hay algunos términos nuevos: las películas de aire límite y entre los entornos de cada lado. Las definiciones anteriores no se referían a entornos.

La mejor manera de ilustrar la transmitancia térmica o el valor U es a través de un ejemplo. Considere la pared de una casa aislada típica con placas nominales de 2 x 4 (que en realidad miden aproximadamente 1-1/2 pulgadas x 3-1/2 pulgadas), espaciadas 16 pulgadas en el centro, que se ejecutan verticalmente. Se puede ver un tablero de pared de yeso de 3/8 de pulgada de grosor en el interior de la pared, con una barrera de vapor de película de plástico que separa el tablero de pared de yeso de los postes de madera. Los bloques de fibra de vidrio pueden llenar los espacios de 3-1 / 2 pulgadas de ancho entre los pernos de 2 x 4. En el exterior de los pernos, puede haber paneles aislantes de poliestireno de 1/2 pulgada de grosor cubiertos con revestimiento de madera exterior. Este ejemplo ignorará las puertas y ventanas, así como el valor K y el grosor de la lámina de plástico utilizada como barrera de vapor.

El cálculo del valor U de la pared es lo suficientemente complejo como para estar fuera del alcance de este artículo, pero se deben conocer o al menos estimar los siguientes valores para calcular su transmitancia térmica: *

• Valor C de la película de aire interior
• Valor K de la placa de pared de yeso de 3/8 de pulgada
• Valor K de los tacos de madera de 3-1/2 pulgadas de ancho
• Espaciado entre los tacos (16 pulgadas, en este caso)
• Valor K de las batas de aislamiento de fibra de vidrio, así como su grosor (3-1/2 pulgadas de grosor)
• Ancho de batas de fibra de vidrio (16 pulgadas menos el grosor de 1-1/2 pulgadas de los postes de madera = 14-1/2 pulgadas)
• Valor K de los tableros de poliestireno y su grosor (1/2 pulgada)
• Valor K y grosor de los materiales de revestimiento de madera
• Valor C del aire exterior película

Cuanto menor sea el valor U, menor será la tasa de flujo de calor para un conjunto dado de condiciones. Un sistema de paredes de edificios bien aislado tendrá un valor U o transmitancia térmica mucho menor que un sistema sin aislamiento o mal aislado.

Para determinar con precisión el valor U de un sistema de aislamiento mecánico, se debe tener en cuenta la transferencia de calor a través del aislamiento homogéneo, así como a través de cualquier brecha y brecha de expansión con un material de aislamiento diferente. También está la película de aire exterior y, ocasionalmente, una película de aire interior.

En realidad, muchas porciones no homogéneas normalmente no se contabilizan. Los procedimientos de prueba de conductividad térmica estándar suelen tratar el material como homogéneo. En aplicaciones reales, hay juntas y, a veces, grietas en materiales rígidos. Estas inconsistencias hacen que el valor U sea mayor que si el aislamiento se comportara como un material homogéneo.

Los conceptos de valor K, valor C, valor R y valor U se pueden resumir en las siguientes reglas:

• Cuanto mejor aislado esté un sistema, menor será su valor U.
• Cuanto mayor sea el rendimiento de una pieza de aislamiento, mayor será su valor R y menor su valor C.
• Cuanto menor sea el valor K de un material aislante en particular, mayor será su valor aislante para un grosor particular y un conjunto de condiciones dado.

Estas son las propiedades de las que dependen los usuarios de aislamiento térmico para el ahorro de energía, el control de procesos, la protección del personal y el control de condensación.

* Los valores de todo lo anterior se pueden encontrar en el Manual de Fundamentos de ASHRAE, Capítulo 25: «Datos de Transmisión Térmica y de Vapor de Agua.»Los capítulos 23 al 26 del mismo manual ASHRAE también discuten el cálculo del valor U de la pared.