Causas de Condensaciones Superficiales en Tuberías Aisladas

Por Jim Young /Director of Technology / ITW Insulation Systems

Traducido por: Javier Cano (INTARCON) y Lorena Hernández (ASOFRIO)

NOTA DEL EDITOR:

Además de reducir la ganancia de calor del entorno, uno de los principales objetivos del aislamiento en tuberías y equipos mecánicos que operan a temperaturas inferiores a la ambiente es prevenir la condensación en la superficie exterior del sistema de aislamiento. Evitar esta condensación superficial es algo sencillo en concepto. Simplemente se diseña el sistema de manera que la temperatura de la superficie del sistema de aislamiento se mantenga por encima de la temperatura de punto de rocío del aire circundante. Esta relación sencilla se complica porque cada una de estas dos temperaturas depende de la interrelación de una multitud de factores. Todos estos factores deben ser considerados plenamente y de manera adecuada o seleccionados para asegurar un control óptimo de la condensación superficial del sistema de aislamiento, comúnmente conocido como control de condensación.

En este sentido, se analiza la influencia de cada uno de los factores de diseño y climáticos que influyen en el control de condensación, y se hacen recomendaciones sobre cómo seleccionar o identificar el valor apropiado para cada factor. Por último, se describen algunos errores comunes, consejos y trucos relacionados para el logro del control de condensación.

CUERPO

Las tuberías, tanques, conductos, recipientes y otros equipos mecánicos que operan a temperaturas inferiores a la ambiente se aíslan por diversas razones, y una de las principales es prevenir la condensación del vapor de agua del ambiente en la superficie exterior del sistema de aislamiento. La condensación puede provocar numerosos problemas, entre ellos:

Riesgos de seguridad cuando el agua gotea en el suelo.
Daños en el inventario cuando el agua gotea sobre la mercancía.
Problemas estéticos cuando el agua goteada mancha los techos
Daños en los materiales del sistema de aislamiento.
Reducción de la capacidad de aislamiento del aislante (aumento del factor K).
Reducción de la vida útil del sistema de aislamiento. • Corrosión de la cubierta o tubería.
Crecimiento de moho en la superficie del sistema de aislamiento o en otros materiales de construcción donde cae el agua condensada.

Debido a estos posibles problemas, la prevención de la condensación en la superficie de los sistemas de aislamiento mecánico en frío es de vital importancia. En este documento se analizarán las causas de la condensación superficial, los factores que influyen, cómo identificar las condiciones de diseño y seleccionar los componentes del sistema de manera adecuada para prevenir la condensación superficial en los sistemas de aislamiento mecánico.

A continuación se presentan varias tablas o gráficos que muestran el espesor del aislamiento necesario para prevenir la condensación bajo diferentes condiciones. Estos espesores no se generaron mediante la experiencia, sino que se basan en cálculos comunes o modelos utilizando el método de cálculo de espesor estándar ASTM C680. Este es el método normal utilizado en la industria del aislamiento mecánico para diseñar los espesores de aislamiento. Todas las tablas o gráficos de espesor presentados asumen que las propiedades del material y las condiciones ambientales se conocen correctamente. Además, también asumen que el sistema de aislamiento funciona perfectamente y es impermeable a la penetración de agua y vapor de agua. Si bien la resistencia al agua de los diferentes componentes del sistema es importante, especialmente en aplicaciones de tuberías frías, es un tema para otra ocasión. En este momento, no se discutirá qué materiales de aislamiento o retardantes de vapor tienen una mejor o peor resistencia al agua. Estas suposiciones sobre las propiedades del material y el rendimiento del sistema a menudo son incorrectas, pero son útiles y necesarias para el propósito de esta discusión.

Esta discusión se limitará únicamente al aislamiento para lograr el control de condensación. Otros criterios de diseño, como cumplir con los requisitos del código de energía, alcanzar límites de ganancia de calor, mantener el control de la temperatura y la protección contra el congelamiento, no se abordarán.

En primer lugar, se presentará la teoría de la condensación superficial, seguida de la influencia de las condiciones climáticas y los componentes del sistema en la condensación superficial. Por último, se harán recomendaciones sobre cómo seleccionar de manera adecuada las condiciones climáticas y los componentes del sistema para prevenir la condensación superficial.

TEORÍA DE LA CONDENSACIÓN SUPERFICIAL

La causa de la condensación superficial es bastante simple en concepto. El vapor de agua en el aire se condensará en una superficie que esté por debajo de la temperatura de punto de rocío del aire circundante. Este es un tema complicado cuando se aplica a los sistemas de aislamiento mecánico porque hay muchos factores que influyen tanto en el punto de rocío como en la temperatura de la superficie del sistema de aislamiento. La Figura 1 ilustra este concepto y enumera los diversos factores que influyen en cada componente de la ecuación. Los factores mostrados en rojo se discuten en detalle en este documento. El diseñador del sistema debe comprender esta teoría, seleccionar las condiciones de diseño climático adecuadas, los componentes idóneos del sistema de aislamiento y luego determinar el espesor del aislamiento requerido para lograr el rendimiento deseado.

INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES CLIMÁTICAS

Temperatura ambiente

La primera condición climática que se examina por su influencia en la condensación superficial del aislamiento es la temperatura ambiente. La Tabla 1 muestra cómo se debe ajustar el espesor del aislamiento para prevenir la condensación superficial a medida que cambia la temperatura ambiente. Esto se muestra tanto para una tubería muy fría a -62ºC (-80°F) como para una tubería a -6,6ºC (20°F). El material de aislamiento utilizado para esta tabla es poliisocianurato (PIR), especificado según ASTM C591, Grado 2, Tipo IV. Las condiciones constantes específicas utilizadas para esta tabla fueron 90% de humedad relativa, viento de 3 m/s (7 mph), revestimiento de aluminio con una emisividad (ε) de 0,1 y tubería horizontal. El tamaño de la tubería, la temperatura ambiente y la temperatura de la tubería se variaron como se muestra.

Como muestra la Tabla 1, una temperatura ambiente mayor puede requerir un espesor ligeramente mayor de aislamiento para prevenir la condensación superficial, pero esta influencia es pequeña y solo se observa típicamente a temperaturas de tubería más altas. Para el diseñador del sistema, esto significa que es aceptable determinar aproximadamente la temperatura ambiente de diseño. No es necesario hacer un esfuerzo significativo para precisar esta variable de diseño. Si bien la temperatura ambiente desempeña un papel pequeño en el control de la condensación, es un factor clave en la conservación de energía y otros criterios de diseño que no se abordan en este documento.

Humedad Relativa del Ambiente

La influencia de la humedad relativa del ambiente en la condensación superficial se muestra en la Figura 2, que representa gráficamente el espesor del aislamiento necesario para prevenir la condensación superficial a medida que se cambia la humedad relativa ambiente. Esto se muestra tanto para una tubería muy fría a -62ºC (-80°F) como para una tubería a -6,6ºC (20°F). El material de aislamiento utilizado en estos gráficos es nuevamente poliisocianurato (PIR). Las condiciones constantes específicas utilizadas para estos gráficos fueron una temperatura ambiente de 32ºC (90°F), viento de 3 m/s (7 mph), revestimiento de aluminio con una emisividad (ε) de 0.1 y tubería horizontal. El tamaño de la tubería, la humedad relativa ambiente y la temperatura de la tubería se variaron como se muestra.

Como se muestra en la Figura 2, la influencia de la humedad relativa en la condensación superficial es muy significativa, especialmente cuando la humedad relativa supera alrededor del 70-80%. A medida que la humedad relativa aumenta, el espesor del aislamiento necesario para prevenir la condensación superficial también aumenta. Este efecto está presente independientemente de la sección y de la temperatura de la tubería, y es particularmente pronunciado en humedades relativas por encima del 80%. Es importante destacar que el espesor del aislamiento requerido para prevenir la condensación superficial se acerca de forma progresiva a infinito a medida que la humedad relativa se acerca al 100%. En otras palabras, diseñar un sistema para prevenir la condensación al 100% de humedad relativa requeriría el uso de un espesor de aislamiento infinito, lo cual es obviamente imposible. Como resultado de este comportamiento asintótico, por encima de una humedad relativa de alrededor del 90-95%, se requiere un espesor de aislamiento irreal y poco práctico para prevenir la condensación. Esto establece un límite práctico de diseño para la humedad relativa de alrededor del 90-95%.

En la Figura 2 y en muchas otras gráficas y tablas posteriores que muestran el espesor del aislamiento, se destacan secciones en amarillo para indicar “espesor irrealista”. Estos son espesores de aislamiento que el propietario/ingeniero/especificador consideraría demasiado grande para ser considerado práctico en la aplicación especificada. Sin duda, habría debate sobre qué espesor se considera “no realista” y estos resaltados en amarillo no pretenden indicar un punto específico en el que el espesor del aislamiento se vuelve irrealista. Más bien, se muestran para ilustrar que existen límites prácticos que desempeñan un papel en el diseño del sistema, además de los factores teóricos que se están discutiendo.

Dado que la mayoría de los sistemas de tuberías frías se diseñan utilizando una humedad relativa bastante alta, la influencia de este factor es de suma importancia. Considerando los cinco escenarios del sistema de aislamiento que se muestran en la Tabla 2 para el rango de humedad relativa de 80- 95%, que generalmente es importante. Para cada escenario, se muestra el espesor de aislamiento requerido para prevenir la condensación superficial en función de un alto porcentaje de humedad relativa. Como muestra esta tabla, el espesor del aislamiento requerido aumenta muy rápidamente por encima del 80-85% de humedad relativa, especialmente a temperaturas de tubería más frías. Se alcanzan espesores de aislamiento impracticables en el rango del 85-95% de humedad relativa, dependiendo de la temperatura de la tubería.

A medida que la temperatura de la tubería en una aplicación se vuelve más fría, el especificador de un sistema de aislamiento normalmente reducirá la humedad relativa de diseño o introducirá otras características de diseño, como una mayor emisividad del revestimiento, con el fin de evitar la necesidad de espesores de aislamiento poco realistas.

Velocidad del aire ambiente

En una situación de tubería fría, la temperatura superficial del sistema de aislamiento estará por debajo de la del ambiente que lo rodea. El aire aumentará la tasa de transferencia de calor y calentará la superficie del aislamiento, lo que reducirá la probabilidad de condensación superficial. La influencia de la velocidad del viento en la condensación superficial es bastante significativa, pero alcanza retornos decrecientes por encima del rango de 2,2-3 m/s (5-7 mph). La Tabla 3 muestra la influencia de la velocidad del viento en el espesor del aislamiento requerido para prevenir la condensación en varios escenarios. Como muestra esta tabla, el espesor del aislamiento requerido aumenta a velocidades de aire más bajas y es especialmente alto a velocidad de cero.

Al considerar la influencia de la velocidad del viento, es importante recordar que 0 m/s (0 mph) también es una velocidad y, en la mayoría de las aplicaciones en interiores, la velocidad del aire será efectivamente cero. En aplicaciones al aire libre, es común asumir la presencia de cierto viento en el diseño del sistema de aislamiento. Una velocidad de viento comúnmente asumida en la industria cuando no hay una razón específica para utilizar un valor más alto o más bajo es de 3 m/s (7 mph).

INFLUENCIA DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA

Tipo de revestimiento – Emisividad (ε)

La emisividad es un factor importante en el componente radiante de transferencia de calor y se define en ASTM C168 como:

“La relación entre el flujo radiante emitido por una muestra y el emitido por un cuerpo negro a la misma temperatura y en las mismas condiciones”.

Esto ciertamente no es tan fácil de entender como la velocidad del viento o la temperatura ambiente, que son conceptos sencillos incluso para una persona sin conocimientos técnicos. La emisividad varía de 0 a 1, siendo los valores más bajos representativos de materiales con una capacidad comparativamente baja para transferir calor a través de la radiación, como los revestimientos de metal de aluminio o acero inoxidable, y los valores más altos representativos del rendimiento de superficies no metálicas como plástico, papel u otros materiales que suelen tener una mayor capacidad para transferir calor a través de la radiación.

Es importante tener en cuenta que la emisividad no es lo mismo que la reflectancia solar. En la reflectancia solar, el color del revestimiento es importante. Un revestimiento de plástico de color negro tendría una reflectancia solar mucho menor que un revestimiento blanco y, por lo tanto, absorbería más calor de la luz solar incidente. En la emisividad, el color del revestimiento tiene una influencia mínima. Un revestimiento de plástico negro puede tener una emisividad de 0,92, mientras que un revestimiento de plástico blanco puede tener una emisividad de 0,9, lo cual es una diferencia insignificante.

La Tabla 4 muestra la influencia de la emisividad del revestimiento en la probabilidad de condensación en la superficie. Los materiales de revestimiento con emisividad más baja, como la mayoría de los metales, generan una superficie exterior más fría, lo que hace que la condensación en la superficie sea más probable y aumenta el espesor de aislamiento requerido. Los materiales con emisividad más alta, como el papel, el plástico o la masilla, generan una superficie exterior más cálida, lo que hace que la condensación en la superficie sea menos probable. Esto tiene un efecto obvio y significativo en el espesor de aislamiento necesario para prevenir la condensación.

No se recomienda el uso de revestimientos de PVC para aplicaciones al aire libre debido a su sensibilidad a la luz ultravioleta. Sin embargo, se incluye en la Tabla 4 solo para ilustrar el impacto en el espesor del aislamiento al utilizar revestimientos con alta emisividad. El uso de revestimientos de metal pintado en aplicaciones al aire libre es una forma a menudo pasada por alto pero excelente para reducir el espesor de aislamiento requerido al aumentar la emisividad del revestimiento.

Tipo de aislamiento – Conductividad térmica

La capacidad aislante del material de aislamiento utilizado tiene un impacto obvio y significativo en la probabilidad de condensación en la superficie y en el espesor de aislamiento necesario para prevenir esta condensación. Hay muchas formas de caracterizar la capacidad aislante, siendo la más común en la industria de aislamiento mecánico de Norteamérica la conductividad térmica (Factor K) a una temperatura media de 24ºC (75°F). Esta caracterización simple es útil al hablar de materiales de aislamiento, pero no se debe utilizar en cálculos reales de espesor u otros cálculos de transferencia de calor. La relación a menudo complicada entre la conductividad térmica y la temperatura media requiere que cualquier cálculo de transferencia de calor se realice utilizando la curva completa y real, no solo un punto de representación de esta curva, como el valor a 24ºC (75°F). Al comparar el Factor K, hay que tener en cuenta que un valor más bajo es mejor. La Tabla 5 muestra el Factor K de varios tipos de aislamiento mecánico a una temperatura media de 24ºC (75°F), extraído de las respectivas normas de materiales de ASTM.

Por supuesto, existen muchas propiedades además del Factor K que deben tenerse en cuenta al seleccionar un material de aislamiento, como el coste, la resistencia al agua, la inflamabilidad, la disponibilidad y más. No obstante, el material de aislamiento utilizado y su conductividad térmica tienen un impacto directo e importante en el espesor requerido para prevenir la condensación en la superficie y deben ser considerados al seleccionar un material de aislamiento y, sin duda, al diseñar el espesor del aislamiento.

La Tabla 6 muestra la fuerte influencia de la conductividad térmica del aislamiento en el espesor necesario para prevenir la condensación en la superficie. A medida que la conductividad térmica disminuye (mejora), el espesor de aislamiento requerido también disminuye.

Geometría del sistema: Tamaño de la tubería y orientación de la superficie plana

El último factor a discutir es la geometría del sistema. Esto se refiere a la sección de tamaño nominal de tubería en escenarios de tuberías y a la orientación de la superficie en escenarios de tanques planos o conductos. La superficie plana fría puede estar orientada verticalmente, horizontalmente hacia abajo u horizontalmente hacia arriba. La influencia de la orientación de la superficie plana es un fenómeno que a menudo se pasa por alto, lo que lleva al error de aislar todas las superficies de un tanque o conducto con el mismo espesor. En realidad, el componente convectivo de la transferencia de calor es diferente en cada una de estas orientaciones, lo que lleva a la necesidad de diferentes espesores de aislamiento para cada orientación. La diferencia en la transferencia de calor convectiva se debe al fenómeno de hundimiento del aire frío y ascenso del aire caliente, junto con la posible interferencia de este movimiento por parte del tanque o conducto. Por ejemplo, en la parte superior de un tanque o conducto, el aire frío junto a la superficie del sistema de aislamiento debería hundirse naturalmente, pero queda “atrapado” por la presencia del conducto y el sistema de aislamiento debajo de él. Esto hace que el aire frío permanezca más tiempo en la superficie del sistema de aislamiento, lo que provoca una superficie más fría y una mayor tendencia a la condensación en esta superficie. Para tener esto en cuenta, el espesor del aislamiento en esa superficie superior debe aumentarse.

La Tabla 7 muestra la influencia del tamaño de la tubería y la orientación de la superficie plana en el espesor de aislamiento necesario para prevenir la condensación. Como se puede observar, a medida que aumenta el tamaño de la tubería (NPS), también aumenta el espesor de aislamiento requerido, y este efecto es moderado y crece en importancia a temperaturas de tubería más frías. Además, se puede ver que el espesor de aislamiento requerido en las superficies planas frías es mayor en la parte superior de un tanque o conducto, menor en la parte inferior e intermedio en los costados del tanque o conducto.

RESUMEN DE LA INFLUENCIA DE LOS DIFERENTES FACTORES

La influencia de todos los factores se resume en la Tabla 8, que muestra tanto el efecto de cada factor en el aislamiento así como una evaluación cualitativa de la magnitud o tamaño del efecto de cada factor.

Otra forma de resumir las influencias es categorizar los factores como útiles, es decir, que reducen la probabilidad de condensación o disminuyen el espesor del aislamiento necesario para prevenir la condensación, o dañinos, es decir, que aumentan la probabilidad de condensación o aumentan el espesor del aislamiento necesario para prevenirla. Esto se muestra en la Figura 3.

Al examinar el impacto de una condición de diseño, también se debe tener en cuenta la MAGNITUD de este efecto. Por ejemplo, se debe prestar más atención a la humedad relativa que a la temperatura ambiente debido a que la primera tiene un efecto mucho mayor.

SELECCIÓN DE CONDICIONES DE DISEÑO Y COMPONENTES DEL SISTEMA

Temperatura ambiente de diseño

Se recuerda que se mencionó anteriormente en este documento que el impacto de la temperatura ambiente en la probabilidad de control de condensación o en el espesor del aislamiento necesario para prevenir la condensación es pequeño. Como resultado, la selección precisa de una temperatura ambiente no es muy importante. El enfoque más común y perfectamente aceptable es seleccionar una temperatura razonablemente extrema para la situación. La Tabla 9 muestra algunos ejemplos de temperaturas ambientales razonables para utilizar en el diseño de sistemas de aislamiento para diversas aplicaciones.

Por supuesto, si la eficiencia energética es un criterio de diseño separado, la selección de la temperatura ambiente es de vital importancia.

Velocidad del aire de diseño

En aplicaciones en interiores, generalmente es mejor seleccionar 0 m/s (0 mph) (sin viento) a menos que se tenga la certeza de que siempre habrá una ventilación forzada presente y proporcionando una velocidad del viento superior a cero.

En aplicaciones al aire libre, hay dos enfoques que se pueden utilizar. Se puede utilizar una fuente de referencia para obtener información climática, como el Manual de Fundamentos de ASHRAE, una base de datos en línea como weatherbase. com o un programa informático con datos meteorológicos como WYEC2 o TMY2. El problema con este enfoque es que no está claro qué tipo de valor de velocidad del viento se debe utilizar. ¿Debería ser un promedio anual, la velocidad más alta registrada, algún valor de percentil alto como el 99º, u otra cosa? Como alternativa, se puede utilizar el valor estándar de la industria de 3 m/s (7 mph), a menos que se sepa que el sistema se encuentra en una ubicación con vientos fuertes o débiles. Ejemplos de ubicaciones donde puede ser apropiada una velocidad del viento más alta incluyen cerca de la costa del océano, debajo de puentes y en puertos de montaña. Un ejemplo de una ubicación donde puede ser apropiada una velocidad del viento más baja es en una ubicación en la azotea donde la tubería está bloqueada de los vientos predominantes por alguna estructura sólida. Si bien es ciertamente menos preciso utilizar un único valor de 3 m/s (7 mph) como una regla general para la mayoría de las ubicaciones, este enfoque tiene la ventaja de ser simple y ampliamente utilizado.

Tipo de Aislamiento y Conductividad Térmica

Existen muchos factores que deberían influir en la selección del tipo de material de aislamiento, y uno de los factores clave es la capacidad aislante (conductividad térmica) del material. Cuando sea razonable y apropiado, se elige un tipo de material de aislamiento que tenga una mejor (menor) conductividad térmica. Una vez seleccionado un tipo de material de aislamiento o si ya ha sido especificado, se obtiene los datos de conductividad térmica para ese material de aislamiento de la versión más reciente de la norma ASTM correspondiente. Se tendrá precaución al utilizar afirmaciones de conductividad térmica por parte de fabricantes individuales. Existen muchas formas de obtener valores de prueba de conductividad térmica que son mejores que los publicados en las normas ASTM, y estos valores “mejores” pueden no ser verdaderamente indicativos del rendimiento a largo plazo del material.

Geometría del sistema: Tamaño del tubo y orientación de superficies planas

Este no es realmente un factor que se pueda controlar durante el diseño del sistema de aislamiento. El tamaño del tubo y la orientación de las superficies planas ya se han establecido según las necesidades de la instalación. La respuesta del diseñador del sistema de aislamiento a este factor es simplemente comprender que el tamaño del tubo y la orientación de las superficies planas pueden influir en la probabilidad de condensación en la superficie y en el espesor del aislamiento necesario para prevenir esta condensación. El espesor de aislamiento requerido para cada tamaño de tubo y orientación de superficie debe determinarse de manera independiente.

Tipo de revestimiento: Emisividad (ε)

En la mayoría de las aplicaciones en Norteamérica, las opciones de revestimiento son sencillas. En ubicaciones exteriores se utiliza revestimiento de aluminio (ε = 0,1) por su resistencia a los rayos UV y su resistencia mecánica. En ubicaciones interiores se utiliza revestimiento de PVC (ε = 0,9). Sin embargo, existen excepciones a estas prácticas generales cuando las condiciones específicas de la aplicación requieren un tipo de revestimiento diferente. En un entorno interior donde es probable que haya un alto grado de abuso físico, como en un muelle de carga, se debe considerar el revestimiento de aluminio (ε = 0,1). Incluso puede ser prudente utilizar un espesor mayor de revestimiento de aluminio para proporcionar una mayor resistencia al abuso físico. En un entorno interior o exterior donde habrá una exposición excesiva a productos químicos corrosivos o se requiera una resistencia especialmente alta al fuego, se debe considerar el revestimiento de acero inoxidable (ε = 0,3).

Como se mencionó de forma breve anteriormente en este documento, en la sección sobre la influencia de la emisividad en la condensación en la superficie, el uso de metal pintado, especialmente aluminio pintado (ε = 0,8), puede ser muy útil para reducir la probabilidad de condensación en la superficie o reducir el espesor de aislamiento necesario para prevenir la condensación en la superficie. Este beneficio del revestimiento de metal pintado se debe únicamente a su mayor emisividad en comparación con el metal desnudo. Por ejemplo, se considera la Tabla 10 que muestra el espesor de aislamiento requerido para prevenir la condensación en la superficie en una línea de refrigeración de amoníaco con revestimiento de aluminio estándar y revestimiento de aluminio pintado. El uso de revestimiento de aluminio pintado en este escenario produce una reducción de casi el 50% en el espesor de aislamiento. El revestimiento de aluminio pintado también proporciona una mayor resistencia a la corrosión del revestimiento exterior y es especialmente útil en líneas de refrigeración en la azotea que operan a temperaturas de tubería en el rango de -51 a -6,6ºC (-60 a 20°F).

Si bien el uso de revestimientos con una emisividad más alta (por ejemplo, metal pintado) tiene una fuerte influencia en el espesor del aislamiento relacionado con el control de la condensación en la superficie, es importante destacar que un revestimiento con una emisividad más alta tiene una influencia muy pequeña en la transferencia de calor total. Por lo tanto, el uso de revestimientos con una emisividad más alta tendrá un impacto mínimo en la eficiencia energética.

Independientemente del tipo de revestimiento metálico utilizado (aluminio, aluminio pintado, acero inoxidable u otro metal), es fundamental que el revestimiento metálico tenga una barrera de humedad de polisurlyn de 3 milésimas de pulgada (76 micrómetros) de espesor laminada en fábrica en la superficie interior para ayudar a prevenir la corrosión galvánica, así como la corrosión por picaduras y en hendiduras en la superficie interior del revestimiento.

Humedad Relativa

La selección de la humedad relativa adecuada para controlar la condensación en la superficie en el diseño del sistema de aislamiento mecánico es definitivamente más complicada que la selección de otros factores y también tiene la mayor influencia en el espesor necesario del aislamiento. El primer paso es distinguir entre ubicaciones en interiores y exteriores.

Humedad Relativa en Interiores

En ubicaciones interiores, la condensación en la superficie de los sistemas de aislamiento mecánico suele ser un desastre que, en el mejor de los casos, lleva a exigir al contratista que solucione el problema y, en el peor de los casos, puede resultar en demandas legales. La condensación en la superficie puede gotear sobre el suelo, creando riesgos de resbalones. Puede gotear sobre productos manufacturados, dañándolos. Puede gotear sobre alimentos, ya sea durante el procesamiento o almacenamiento, contaminándolos. Puede gotear sobre los paneles del techo, causando antiestéticas manchas de agua. Puede provocar el crecimiento de moho en la superficie del retardante de vapor, especialmente cuando la superficie externa del retardante de vapor está hecha de papel. Puede provocar el crecimiento de moho dentro del sistema de aislamiento, especialmente cuando el material de aislamiento ofrece poca o ninguna resistencia a la absorción de agua y a la permeabilidad del vapor de agua. Esto puede conducir a una reducción de la capacidad de aislamiento del sistema, lo que empeora aún más el problema de la condensación en la superficie.

En interiores, se debe evitar la condensación en la superficie el 100% del tiempo. Esto es posible con un diseño adecuado del sistema de aislamiento, siempre y cuando el aire interior se deshumidifique y se controle a una humedad relativa muy por debajo del 100%.

La humedad relativa en ubicaciones interiores puede variar ampliamente. Se considera estos ejemplos:

En áreas de procesamiento de alimentos/bebidas puede haber una alta humedad relativa y estar sujetas a lavados.
Las salas de máquinas de edificios comerciales pueden tener una alta humedad relativa e incluso ventilarse con aire exterior.
Las áreas ocultas de edificios comerciales pueden tener una humedad relativa más alta.
Las áreas con plenum de edificios comerciales pueden tener una humedad relativa más alta.
Las áreas de oficinas y otros espacios ocupados en edificios comerciales suelen tener una humedad relativa baja.

Las tuberías aisladas en ubicaciones interiores deben diseñarse para prevenir la condensación en la superficie a una humedad relativa muy alta en comparación con lo que es probable en esa área. Diseñar para una humedad relativa ambiente del 85% o más es completamente razonable, ya que es necesario prevenir la condensación en la superficie el 100% del tiempo en interiores. Diseñar para una humedad relativa ambiente tan alta generalmente tiene menos impacto en el espesor de aislamiento requerido en interiores debido a la alta emisividad del revestimiento (generalmente 0.9), el tamaño de la tubería generalmente es más pequeño y la temperatura de la tubería generalmente no es muy baja, especialmente en las líneas de agua fría en edificios comerciales.

Humedad relativa exterior

El punto clave a tener en cuenta para comprender la filosofía de aislar para prevenir la condensación superficial en ubicaciones al aire libre es que es imposible prevenir la condensación superficial el 100% del tiempo. Tarde o temprano, la humedad relativa del aire exterior alcanzará el 100%, lo que requeriría un espesor de aislamiento infinito, claramente imposible, para prevenir la condensación superficial. Incluso si se diseña para una alta humedad relativa, como el 90-95% de humedad relativa, eventualmente se alcanzará una humedad relativa por encima de este límite. Esta alta humedad podría alcanzarse durante o inmediatamente después de una tormenta de lluvia, en una mañana fresca con un rocío pesado o en presencia de niebla en el ambiente. Cualquier preocupación sobre la inevitabilidad de la condensación superficial en tuberías frías al aire libre se atenúa una vez que se comprende que la condensación superficial periódica en tuberías exteriores es perfectamente aceptable. Después de todo, la superficie de la tubería se moja por la lluvia, el rocío, la niebla y la nieve. No es un problema significativo si la frecuencia de humedad superficial aumenta ligeramente debido a la condensación superficial real.

La clave para las tuberías aisladas en ubicaciones al aire libre es diseñar el sistema para prevenir la condensación superficial la mayor parte del tiempo, pero ¿cómo se debe hacer esto? Hay varios enfoques que se pueden considerar.

2009 ASHRAE Handbook of Fundamentals, Capítulo 14 Este enfoque es el más complicado. El Manual Fundamentos de la Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE), Capítulo 14, contiene información climática sobre condiciones extremas para numerosas ubicaciones globales. Las tablas de este capítulo incluyen el punto de rocío en el percentil 0,4 y la temperatura promedio coincidente de bulbo seco (MCDB). A partir de esta información y utilizando un diagrama psicrométrico o un programa, se puede determinar el porcentaje de humedad relativa. Sin embargo, la experiencia de campo ha sugerido a este autor que las condiciones resultantes de este enfoque no son lo suficientemente severas. Como ejemplo, se considera la información de este capítulo para Charlotte, Carolina del Norte. El punto de rocío en el percentil 0,4 es de 23,3ºC (74°F) con un MCDB de -62,6ºC (-80,8°F). Esto da como resultado una humedad relativa del 80%. Sin embargo se considera la Figura 4, que muestra la distribución frecuencial de la humedad relativa exterior basada en los datos meteorológicos típicos para el año en Charlotte. Como se muestra en esta figura, hay una parte muy significativa del año (32,6%) en la que la humedad relativa está por encima del 80%. Con demasiada frecuencia, este enfoque parece producir condiciones de diseño que no son lo suficientemente severas y que permitirían la condensación superficial con demasiada frecuencia.
2009 ASHRAE Handbook of Fundamentals, Capítulo 23 Este capítulo recomienda el uso del 90% de humedad relativa (r.h.) para todas las aplicaciones exteriores y las aplicaciones interiores ventiladas hacia el exterior. Esto se combina con el punto de rocío en el percentil 0,4 y, utilizando un diagrama psicrométrico, se puede determinar la temperatura de bulbo seco. Utilizando el ejemplo de Charlotte, Carolina del Norte, nuevamente, el punto de rocío en el percentil 0,4 es de 23,3ºC (74°F). Al combinar esto con el 90% de humedad relativa, se obtiene una temperatura de bulbo seco de 25ºC (77°F), por lo que las condiciones de diseño recomendadas según este enfoque serían de 25ºC (77°F) y 90% de humedad relativa. Este enfoque pasa por alto el hecho de que el punto de rocío en el percentil 0,4 ya tiene asociada una temperatura media coincidente de bulbo seco, como se discutió en el primer enfoque. El enfoque de utilizar siempre el 90% de humedad relativa probablemente daría resultados aceptables en aplicaciones de agua fría en edificios comerciales, donde la temperatura de la tubería rara vez es inferior a 4,4ºC (40°F). Sin embargo, para aplicaciones a temperaturas más frías y especialmente aquellas a temperaturas criogénicas como el oxígeno líquido (-182ºC/-297°F), el nitrógeno líquido (-195ºC/-320°F), el gas natural licuado (GNL) (-165ºC/- 265°F) e incluso las líneas de refrigeración de amoníaco muy frías a -40 a -51ºC (-40 a -60°F), el uso del 90% de humedad relativa genera un requisito de espesor de aislamiento para prevenir la condensación superficial que a menudo se considera poco práctico. Como ejemplo, se considera 15,5 pulgadas de espesor de aislamiento PIR requeridos en una tubería de gran diámetro de GNL para prevenir la condensación superficial al 90% de humedad relativa según la Tabla 2. Este espesor es poco práctico y nunca se utilizaría. En su lugar, el diseñador del sistema diseñaría con una humedad relativa más baja, aceptaría la consecuencia de una condensación superficial más frecuente y diseñaría otros aspectos del sistema de aislamiento para evitar daños por la condensación superficial más frecuente.
Enfoque recomendado para seleccionar la humedad relativa de diseño en exteriores

A menos que existan razones específicas detalladas para utilizar una humedad relativa más alta o más baja, se debe utilizar un valor en el rango del 80 al 90%. Dentro de este rango recomendado, se debe basar el valor específico seleccionado en el conocimiento del clima en el lugar de trabajo y la temperatura de la tubería. En temperaturas de tubería más cálidas, como el agua fría en el rango de 1,5 a 7,2ºC (35 a 45°F), es razonable utilizar un 90% de humedad relativa. En temperaturas de tubería más frías, se deben utilizar valores más bajos de humedad relativa de diseño dentro de este rango (80-85%) para determinar el espesor de aislamiento requerido y examinar este espesor para ver si es poco práctico. Si es demasiado grueso, se deben tomar medidas para reducir el espesor de aislamiento requerido. Esto podría ser el uso de un revestimiento de mayor emisividad, como el metal pintado en lugar del metal desnudo, o podría ser diseñado a una humedad relativa más baja con cambios correspondientes en otros aspectos del diseño del sistema, como la permeabilidad y calidad del retardarnte de vapor, para prevenir daños en el sistema debido a la condensación superficial más frecuente.

ERRORES COMUNES, TRUCOS Y CONSEJOS

Errores comunes en el diseño del sistema mecánico relacionados con la condensación superficial.

Los propietarios, diseñadores de sistemas u otras personas involucradas desean diseñar el sistema de aislamiento para prevenir la condensación al 100% de humedad relativa. Este problema se manifiesta comúnmente como una solicitud de espesor de aislamiento que evite la condensación al 100% de humedad relativa. Esto no se puede lograr, ya que requeriría un espesor de aislamiento infinito. El enfoque correcto es diseñar para un rango de humedad relativa entre el 80% y el 90% en exteriores, dependiendo de varios factores descritos anteriormente, y alrededor del 85% en interiores.
Los propietarios, diseñadores de sistemas u otras personas involucradas desean diseñar el sistema de aislamiento para prevenir la condensación el 100% del tiempo en un lugar exterior o en un interior no climatizado. Esto no se puede lograr. Tarde o temprano, la humedad relativa aumentará por encima de cualquier valor de diseño y ocasionalmente alcanzará el 100% de humedad relativa. Para lograr este objetivo de diseño imposible se requeriría un espesor de aislamiento infinito. El enfoque correcto es diseñar el sistema de aislamiento para permitir una pequeña pero no nula fracción de tiempo de condensación en la superficie y diseñar otros aspectos del sistema de manera que esta condensación superficial infrecuente pero inevitable no dañe el sistema de aislamiento.
Diseñar un sistema de aislamiento para condiciones de interior controladas por el clima y luego poner en marcha el sistema antes de que el edificio esté cerrado y terminado. En efecto, esto simplemente significa operar el sistema en un entorno con una humedad relativa más alta de la que el sistema fue diseñado para funcionar. La condensación en la superficie en esta situación es común y ha sido la causa de algunos fallos importantes en el sistema. • Daños no reparados del sistema de aislamiento durante la construcción, a menudo por parte de otros oficios. Este tipo de daño casi siempre causa roturas en lo que se supone que es un retardante de vapor continuo. Si se pone en marcha el sistema sin reparar el aislamiento dañado, el vapor de agua entra rápidamente en el sistema de aislamiento y se condensa. Este es el comienzo de un círculo vicioso clásico. El agua condensada conduce a una menor capacidad de aislamiento del aislamiento (mayor/peor Factor K), lo que provoca más condensación y un Factor K cada vez peor. La entrada de agua en el sistema de aislamiento también puede causar corrosión en las tuberías y el revestimiento, crecimiento de moho, formación de hielo y pérdida de control del proceso.
Diseñar para una humedad relativa del 50% en espacios interiores. Este nivel de humedad puede tener sentido en la parte ocupada de un edificio de oficinas si el sistema de aire acondicionado/ deshumidificación puede garantizar que este valor nunca se exceda. Sin embargo, hay otras partes de un edificio comercial que pueden tener una humedad relativa más alta, como salas de máquinas, cocinas, vestuarios y salas de ducha, e incluso espacios ocultos como conductos de tuberías. Es fundamental no asumir que la humedad siempre será inferior al 50% en estas otras partes del edificio. En instalaciones industriales ligeras, como la fabricación de alimentos y bebidas, pueden existir áreas de procesamiento con alta humedad a pesar del aire acondicionado del edificio en general o de ciertas áreas del edificio. La misma tubería puede requerir diferentes espesores de aislamiento u otros cambios en el sistema de aislamiento dependiendo de la parte del edificio en la que se encuentre. • Utilizar una emisividad de 0,4 para el revestimiento de aluminio. Este es un error común basado en algunas especificaciones y manuales antiguos que mencionan este valor como la emisividad del revestimiento de aluminio. El uso de este valor incorrectamente alto dará como resultado un espesor de aislamiento inadecuado para prevenir la condensación superficial en las condiciones especificadas. Un valor preciso para utilizar en el revestimiento de aluminio oxidado estándar en servicio, con acabados lisos, estucados y corrugados de 3/16″, es 0,1. Esta emisividad también está contenida en la nueva norma ASTM sobre revestimiento de aluminio, C1729.

Trucos útiles comunes en el diseño de sistemas mecánicos relacionados con la condensación superficial:

Utilizar revestimiento de metal pintado para aumentar significativamente la emisividad. El aluminio desnudo tiene una emisividad de 0,1 mientras que el aluminio pintado tiene una emisividad de 0,8. Este aumento es muy grande, considerando que la escala de emisividad solo va de 0 a 1. Realizar este cambio elevará la temperatura superficial significativamente, lo que reducirá el espesor de aislamiento necesario para prevenir la condensación superficial o permitirá prevenir la condensación superficial a una humedad relativa más alta. Este truco es especialmente útil en aplicaciones exteriores donde el metal es el tipo preferido de revestimiento. Aunque no se practica ampliamente en aplicaciones criogénicas, es un truco que los ingenieros y otros diseñadores de sistemas deberían considerar al diseñar sistemas de aislamiento para prevenir la condensación superficial en tuberías y otros equipos mecánicos que operan a temperaturas criogénicas. El revestimiento de aluminio pintado tiene la ventaja adicional de ser más resistente a la corrosión que el revestimiento de aluminio estándar (desnudo).

Consejos relacionados con la prevención de la condensación superficial en sistemas de aislamiento mecánico.

Los contratistas, propietarios de instalaciones y diseñadores de sistemas de aislamiento deben trabajar con fabricantes que comprendan los complejos problemas de diseño descritos en este documento.
Algunos fabricantes de aislamiento saben tanto o más sobre algunos aspectos del diseño de sistemas de aislamiento que las personas encargadas de diseñar estos sistemas. Los contratistas, propietarios de instalaciones y diseñadores de sistemas de aislamiento deben buscar el soporte de estos fabricantes conocedores al seleccionar condiciones de diseño adecuadas y al diseñar el sistema de aislamiento, pero también deben educarse sobre estos problemas para evaluar adecuadamente las recomendaciones del fabricante.
Al comparar materiales de aislamiento, comparar tablas de espesor de aislamiento o preparar nuevas tablas de espesor de aislamiento, es muy importante utilizar las mismas condiciones para todos los materiales. Incluso un cambio aparentemente pequeño, como un fabricante que utiliza una emisividad de aluminio de 0,4 mientras que otro utiliza el valor correcto de 0,1, puede tener un impacto significativo en el espesor recomendado/calculado del aislamiento.
Si bien este documento se ha centrado únicamente en el control de la condensación, recuerde que este es solo un criterio de diseño. Hay muchos otros criterios de diseño posibles, incluido el cumplimiento de códigos, el control de procesos, la eficiencia energética, la protección personal y la protección contra incendios.
Este documento es simplemente una descripción general del impacto de varios factores en la probabilidad de condensación superficial y no pretende reemplazar el diseño adecuado del sistema por parte de un ingeniero experimentado en aislamiento mecánico en superficies frías. El diseño del sistema de aislamiento tiene muchas sutilezas que no se abordan en esta revisión más simplista.

CONCLUSIONES

La condensación superficial en los sistemas de aislamiento para equipos mecánicos fríos (tuberías, tanques, recipientes, etc.) es un concepto sencillo. La condensación superficial ocurre cuando la temperatura de la superficie del sistema de aislamiento es inferior a la temperatura de punto de rocío del aire circundante. Esta relación sencilla se vuelve complicada debido a que cada una de estas dos temperaturas depende de la interrelación de una multitud de factores, como se muestra en la Figura 5.

Todos estos factores deben ser considerados o seleccionados de manera completa y adecuada para garantizar un control óptimo de la condensación superficial en el sistema de aislamiento, comúnmente conocido como control de condensación.

De todos estos factores, la selección de la humedad relativa adecuada para el diseño del sistema es la más importante y también la más complicada de manejar.

Un último, pero muy importante punto a enfatizar es que, en aplicaciones al aire libre, la condensación superficial no se puede evitar el 100% del tiempo.

REFERENCIAS

J. Young, “Preventing Corrosion on the Interior Surface of Metal Jacketing”, Insulation Outlook, Noviembre, 2011.
ASHRAE 2009 Handbook of Fundamentals, Capítulo 23, p. 3