Diseño de la aislación térmica de un velero oceánico

Introducción

Soy el ingeniero naval Luis Portaluppi y les doy la bienvenida a un nuevo capítulo de esta serie dedicada al diseño de un velero oceánico de construcción amateur. Hoy trataremos el tema de cómo calcular la aislación térmica de un velero oceánico

Hasta ahora hemos diseñado el casco, calculado la estructura, distribuido los espacios interiores, determinado el desplazamiento y la estabilidad. Sin embargo, aún queda un aspecto fundamental para la comodidad y la seguridad de la tripulación: la aislación térmica de un velero oceánico.

Un velero destinado a dar la vuelta al mundo puede navegar desde aguas tropicales, donde la temperatura supera los 40 °C bajo el sol, hasta latitudes cercanas a los polos, donde el aire puede descender por debajo de los -10 °C. En esas condiciones, una aislación mal diseñada puede hacer que el interior sea prácticamente inhabitable.

Pero surge una pregunta muy importante:

¿Cómo se determina el espesor correcto de la aislación térmica?

Muchos constructores simplemente copian el espesor utilizado por otra embarcación. Sin embargo, un ingeniero debe fundamentar esa decisión mediante un cálculo.

Eso es precisamente lo que haremos en este video: calcular la aislación térmica de un velero.

Partiremos de los principios físicos de la transferencia de calor, realizaremos el balance térmico completo del velero y, finalmente, calcularemos el espesor del aislante que necesita nuestra embarcación.

Primera parte: ¿Cómo se transmite el calor?

Antes de comenzar los cálculos de la aislación térmica de un velero, debemos comprender cómo viaja el calor.

Existen tres mecanismos fundamentales.

Conducción

La conducción ocurre cuando el calor atraviesa un material sólido sin que exista movimiento de materia.

Un ejemplo cotidiano es una cuchara metálica colocada dentro de una taza de café caliente. Aunque solamente una parte de la cuchara está en contacto con el café, al cabo de unos minutos el mango también estará caliente. El calor se transmitió a través del metal.

En nuestro velero sucede exactamente lo mismo.

El agua del mar está en contacto con el casco y el aire interior con la cara interna del revestimiento. Si existe una diferencia de temperatura entre ambos lados, el calor atravesará el casco.

La velocidad con la que el calor atraviesa un material depende principalmente de dos factores:

• la diferencia de temperatura entre ambas caras;
• la conductividad térmica del material.

La Ley de Fourier expresa este fenómeno mediante la ecuación:

q_cond = – k * A * ∆T/∆x

donde:

q: Es la tasa de transferencia de calor (en vatios, W)

k: Es la conductividad térmica del material (en W/m * °K)

A: Es el área transversal a través de la cual fluye el calor (en m²)

∆T: Es la diferencia de temperatura entre los dos extremos del material (°C ó °K)

∆x: Es el espesor o longitud del material (en m)

Cuanto mayor sea la conductividad térmica del material, más fácilmente atravesará el calor la estructura.

Aquí veremos una tabla comparativa entre:

Ya podremos observar una de las ventajas del contrachapado: transmite mucho menos calor que un casco metálico, y esto beneficia a la aislación térmica de un velero.

Convección

La segunda forma de transmisión es la convección.

La conducción ocurre únicamente en materiales sólidos. Sin embargo, el aire y el agua también pueden transportar calor cuando se desplazan.

Aquí el calor es transportado por un fluido.

En nuestro caso intervienen dos fluidos:

• el aire exterior;
• el agua de mar.

También existe convección dentro del propio velero, cuando el aire caliente asciende y el frío desciende.

Imaginemos un calefactor dentro del velero.

El aire que se encuentra cerca del calefactor aumenta su temperatura, disminuye su densidad y asciende. Simultáneamente, el aire más frío desciende para ocupar su lugar.

Se genera así una circulación continua que distribuye el calor por todo el camarote.

Algo similar ocurre en el exterior de la embarcación.

El viento renueva constantemente el aire que rodea la cubierta y las amuras, aumentando la velocidad con la que el casco pierde o gana calor.

Lo mismo sucede con el agua del mar al desplazarse alrededor del casco durante la navegación.

La transferencia de calor por convección se calcula mediante la Ley de Newton del enfriamiento:

q_conv = h * A * (T_s – T_f)

donde

h: es el coeficiente de convección (W/m²·K); El coeficiente h depende de numerosos factores, especialmente de la velocidad del fluido.

Por ejemplo:

• aire interior en reposo: entre 5 y 10 W/m²·K;
• aire exterior con viento: entre 20 y 40 W/m²·K;
• agua de mar en movimiento: puede superar ampliamente esos valores debido a su elevada capacidad para transportar calor. Para nuestro caso, a una velocidad promedio de 9 nudos h ≈ 2.000 W/m²⋅K (Colburn o Churchill–Bernstein).

A: es la superficie (m²);

Tₛ es la temperatura de la superficie;

T_f es la temperatura del fluido.

Radiación

La tercera forma es la radiación.

A diferencia de la conducción y la convección, la radiación no necesita un material para propagarse. La energía viaja mediante ondas electromagnéticas.

Es la energía que llega desde el Sol.

Durante el verano tropical, la mayor parte del calentamiento interior proviene precisamente de la radiación solar sobre la cubierta, el techo de la cabina y los portillos. Posteriormente, ese calor es transmitido al interior por conducción y convección.

El calor por radiación térmica se describe mediante:

q_rad = α * G * A * F_s​

donde:

α es el coeficiente de absorción solar de la superficie

G es la radiación solar

A es el área considerada; en metros cuadrados

F_s​ es el factor de orientación

Finalmente incorporaremos las ganancias internas producidas por:

• la tripulación;
• la cocina;
• el motor;
• la iluminación;
• los equipos eléctricos.

Cada persona libera calor de dos formas:

• Calor sensible: aumenta la temperatura del aire.
• Calor latente: debido a la transpiración y la respiración (evaporación de agua).

Segunda parte: Definición de las condiciones de diseño

Todo cálculo necesita condiciones de proyecto para calcular la aislación térmica de un velero.

En nuestro caso adoptaremos temperaturas representativas de un velero capaz de navegar alrededor del mundo.

Tomaremos una temperatura interior de confort de 20 °C para zonas frías; y 24 °C para zonas cálidas.

Luego analizaremos dos escenarios:

• navegación en aguas frías;
• navegación en aguas tropicales.

Tercera parte: Balance térmico del velero

Comienza ahora el verdadero trabajo de ingeniería de calcular la aislación térmica de un velero.

¿cómo ocurre la transferencia de calor a través del casco?

Aire interior

↓↑

Convección interior (h_i)

↓↑

Superficie interior del casco

↓↑

Conducción (madera + aislación + revestimiento)

↓↑

Superficie exterior del casco

↓↑

Convección exterior (he)

↓↑

Agua de mar y aire externo

La ecuación que representa este proceso es:

Q = ​A * (T_i​ − T_e​)/ 1/h_i ​ + ∑e/k ​+ ​1/h_e

Calcularemos todas las entradas y salidas de calor.

Primero determinaremos las pérdidas de calor a través del casco.

Luego las pérdidas por la cubierta.

Después estudiaremos los portillos y escotillas.

A continuación, calcularemos el calor intercambiado por la renovación del aire interior.

Una vez sumados todos estos términos obtendremos la carga térmica del velero.

Este resultado permitirá conocer cuánta potencia deberá suministrar el sistema de calefacción en invierno y el sistema de refrigeración en verano.

Descargue la PLANILLA DE CÁLCULO DEL BALANCE TÉRMICO

En resumen:

Cuarta parte: Cálculo del espesor de la aislación

Ahora ya conocemos cuánto calor entra o sale del velero.

La pregunta es: ¿Qué espesor debe tener la aislación térmica de un velero, para limitar ese intercambio de calor?

Paso 1. El objetivo no es eliminar completamente las pérdidas de calor, porque ello exigiría espesores excesivos y un aumento innecesario del peso y del costo. Se busca un compromiso entre confort, peso, volumen ocupado por la aislación y potencia de los equipos de climatización.

En un velero oceánico de 15 m no resulta práctico instalar un equipo de calefacción o refrigeración de 20 kW.

Se considera adecuado reducir aproximadamente un 70 % de las pérdidas térmicas respecto de una embarcación sin aislamiento, ya que incrementos posteriores del espesor producen mejoras cada vez menores.

Aquí hay que tomar una decisión de diseño para determinar la aislación térmica de un velero.

En un velero oceánico, generalmente resulta más sencillo y económico mantener el confort en climas fríos que en climas tropicales, siempre que se disponga de una fuente de calefacción adecuada. En cambio, la refrigeración exige extraer calor del interior, lo que requiere un equipo de aire acondicionado y un consumo eléctrico continuo.

Por ejemplo, podríamos decir:

«Deseo que las pérdidas de calor en la noche más fría no superen los 6 kW.»

o bien

«Deseo que la ganancia térmica en zonas tropicales no supere los 10 kW.»

Ese será el objetivo de diseño.

Paso 2. Calcular el coeficiente global requerido

Sabemos que Q = A * ΔT/R_T ; despejando, R_t = A * ΔT/Q

Área total A = carena + bandas + cubierta + techo del pilot house – sentina = 160,6 m² – 10,6 m² = 150 m²

Salto térmico ΔT = 303,15 °K

Queremos Q = 10.000 W

Entonces R_T = 150 m² * 303,15 °K/10.000 W = 4,54 m².°K/W

Ésta es la resistencia total que debe tener la envolvente.

Paso 3. Restar las resistencias conocidas

La resistencia total es R_T = R_i + R_madera + R_aislante + R_e

• Convección interior Ri = 1/7,5 W/m²·°K = 0,133 m².°K/W
• Convección exterior con el aire R_e = 1/30 W/m²·°K = 0,033 m².°K/W
• Convección exterior con el agua R_mar = 1/800 W/m²·°K = 0,00125 m².°K/W
• Contrachapado 14 mm R = 0,014 m/0,13 W/m·°K = 0,107 m².°K/W

Entonces R_conocida = 0,133 + 0,107 + 0,033 = 0,273 m².°K/W

Paso 4. Resistencia que debe aportar el aislante

R_PU = R_T – R_conocida = 4,54 − 0,273 = 4,267 m².°K/W

Paso 5. Calcular el espesor

La resistencia es R_PU = e/k

Para el poliuretano k = 0,024 W/m.°K → e = R_PU * k = 4,267 m².°K/W * 0,024 W/m.°K = 0,102 m

Compararemos distintos materiales utilizados habitualmente en aislación térmica de un velero

Para ello analizaremos cinco materiales de uso frecuente en la industria:

• Espuma de poliuretano rígida.
• Poliestireno extruido (XPS).
• Espuma elastomérica.
• Lana mineral.
• Corcho expandido.

El criterio de comparación será la conductividad térmica, ya que cuanto menor sea este valor, mayor será la resistencia térmica que proporciona un mismo espesor.

Espuma de poliuretano rígida

Conductividad térmica: k = 0,024 W/m.°K

Es uno de los mejores aislantes disponibles para aplicaciones navales.

Ventajas:

• Muy baja conductividad térmica.
• Excelente resistencia a la humedad.
• Muy poco peso.
• Elevada resistencia mecánica.
• Puede proyectarse directamente sobre el casco.
• Elimina prácticamente todos los puentes térmicos.

Desventajas:

• Mayor costo que otros materiales.
• Difícil de retirar una vez aplicado.
• Debe protegerse frente a la radiación UV.
• Aplicaciones

Es el material más empleado en embarcaciones oceánicas de aluminio y acero, cámaras frigoríficas y buques pesqueros.

Poliestireno extruido (XPS)

Conductividad térmica: k = 0,030W/m.°K

Muy utilizado en la construcción por su buena resistencia a la humedad.

Ventajas

• Muy buena aislación térmica.
• No absorbe prácticamente agua.
• Fácil mecanizado.
• Precio moderado.
• Buen comportamiento mecánico.

Desventajas

• Menor capacidad aislante que el poliuretano.
• Requiere uniones cuidadosas para evitar puentes térmicos.

Aplicaciones: Cubiertas, mamparos, pisos y cascos de embarcaciones construidas en madera.

Espuma elastomérica

Conductividad térmica: k = 0,034 W/m.°K

Material flexible de células cerradas utilizado principalmente para evitar condensaciones.

Ventajas

• Muy flexible.
• Excelente barrera de vapor.
• Fácil instalación sobre superficies curvas.
• Muy buena resistencia a la humedad.

Desventajas

• Conductividad algo mayor.
• Precio relativamente elevado.

Aplicaciones: Tuberías de refrigeración, compartimientos técnicos, interiores de embarcaciones y climatización.

Lana mineral

Conductividad térmica: k = 0,040 W/m.°K

Se fabrica a partir de fibras minerales.

Ventajas

• Excelente comportamiento frente al fuego.
• Muy buena absorción acústica.
• Bajo costo.

Desventajas

• Absorbe humedad si no se protege adecuadamente.
• Pierde capacidad aislante cuando se moja.
• Requiere barrera de vapor.

Aplicaciones: Superestructuras, compartimientos interiores y embarcaciones donde el aislamiento acústico sea prioritario.

Corcho expandido

Conductividad térmica: k = 0,045 W/m.°K

Material natural empleado desde hace décadas en aplicaciones navales.

Ventajas

• Material renovable.
• Excelente comportamiento frente a la humedad.
• Buen aislamiento acústico.
• Muy estable dimensionalmente.

Desventajas

• Menor capacidad aislante.
• Mayor espesor para una misma resistencia térmica.
• Precio elevado.

Aplicaciones: Construcción naval tradicional y embarcaciones ecológicas.

Comparación de espesores

Si suponemos que el balance térmico determina una resistencia requerida de:

R = 1,50 m²°K/W

los espesores necesarios serían:

Puede observarse que, para una misma resistencia térmica, el poliuretano requiere el menor espesor, mientras que el corcho necesita casi el doble.

Quinta parte: Aspectos constructivos

No todo termina con el cálculo.

Una aislación mal instalada puede perder gran parte de su eficacia.

Veremos también cuáles son los errores más frecuentes durante la construcción amateur, cuando se monta la aislación térmica de un velero.

1. Condensación

La condensación aparece cuando el aire húmedo entra en contacto con una superficie cuya temperatura está por debajo de su temperatura de rocío. En un velero es especialmente importante porque puede producir:

• humedad permanente;
• deterioro de la madera;
• corrosión de elementos metálicos;
• aparición de hongos;
• pérdida de eficacia del aislamiento.

En aguas frías, una superficie interior mal aislada puede alcanzar temperaturas suficientemente bajas como para provocar condensación.

2. Punto de rocío

El punto de rocío es la temperatura a la que el aire debe enfriarse para que el vapor de agua que contiene comience a condensarse.

Por ejemplo, si dentro del velero tenemos:

T_i =20 °C y una humedad relativa del 60 %, el punto de rocío está aproximadamente en:

T_rocío ≈ 12 °C

Por lo tanto, debemos procurar que la superficie interior del casco permanezca por encima de esa temperatura.

Este concepto nos permite comprobar si el espesor de aislación térmica de un velero, que hemos calculado es suficiente no solamente desde el punto de vista energético, sino también para evitar condensaciones.

3. Barrera de vapor

La barrera de vapor tiene como función impedir o limitar el desplazamiento del vapor de agua hacia el interior de la estructura, donde podría encontrarse con una superficie fría y condensarse.

En un velero que navega en aguas frías, esto resulta particularmente importante.

La barrera debe ser:

• continua;
• estanca al vapor;
• correctamente sellada en juntas y penetraciones;
• compatible con el material aislante.

No basta con colocar una capa de aislante: si dejamos pasar vapor de agua hacia una zona fría, podemos tener condensación oculta dentro de la aislación térmica de un velero.

4. Puentes térmicos

Un puente térmico es una zona de la estructura donde la resistencia térmica es considerablemente menor que en las áreas circundantes.

En nuestro velero pueden aparecer en:

• cuadernas;
• baos;
• varengas;
• bulones y pernos;
• marcos metálicos;
• uniones estructurales;
• ventanas;
• soportes y fijaciones.

Por ejemplo, podemos tener una pared perfectamente aislada, pero si una pieza metálica atraviesa el aislamiento y conecta directamente el exterior con el interior, el calor encontrará un camino mucho más fácil.

Por eso, no basta con calcular el espesor teórico del aislante: hay que evitar que la estructura genere caminos alternativos para el flujo térmico.

5. Aislamiento del compartimiento del motor

El compartimiento del motor merece un tratamiento particular.

Aquí tenemos simultáneamente:

• temperaturas elevadas;
• ruido;
• vibraciones;
• riesgo de incendio;
• necesidad de ventilación.

La aislación térmica de un velero debe ser térmico y acústico, pero no debe impedir la ventilación necesaria para el motor.

Además, los materiales empleados deben tener un comportamiento adecuado frente al fuego y estar protegidos contra aceites y combustibles.

En este caso, no debemos simplemente continuar el aislamiento térmico del resto del barco: el compartimiento del motor debe tratarse como una zona especial.

6. Aislamiento acústico

Finalmente, el aislamiento térmico puede complementarse con aislamiento acústico.

En un velero oceánico las principales fuentes de ruido son:

• motor;
• hélice;
• vibraciones de la línea de eje;
• bombas;
• generadores;
• equipos auxiliares;
• ruido producido por el agua y el viento.

Aquí aparecen dos conceptos diferentes:

Absorción acústica: reduce la energía sonora dentro de un espacio.

Aislamiento acústico: dificulta que el sonido pase de un compartimiento a otro.

Por eso, un material excelente como aislante térmico no necesariamente es un buen aislante acústico. La selección del material debe considerar ambos comportamientos.

«Como vemos, diseñar la aislación térmica de un velero no consiste simplemente en calcular cuántos milímetros de poliuretano debemos colocar. Debemos evitar la condensación, controlar el punto de rocío, impedir el ingreso de vapor de agua, reducir los puentes térmicos y resolver de manera particular el compartimiento del motor y el aislamiento acústico. Es decir, el cálculo térmico nos proporciona el espesor, pero es el diseño constructivo el que determina si ese aislamiento realmente funcionará.»

Conclusiones

Después de todo este trabajo podremos responder con fundamento técnico varias preguntas.

¿Cuál es el mejor material para la aislación térmica de un velero?

¿Qué espesor necesita realmente nuestro velero?

¿Cuánto peso agregará?

¿Cuál será su costo aproximado?

¿Y cuánto reducirá el consumo de calefacción y aire acondicionado?

Como pueden ver, el diseño de la aislación térmica de un velero, no consiste simplemente en pegar placas de espuma dentro del casco. Es un problema de ingeniería que puede resolverse mediante cálculos relativamente sencillos, siempre que se comprendan los principios físicos involucrados.

¿Quieres ver el desarrollo completo del cálculo? En el siguiente video analizamos paso a paso el comportamiento de la aislación térmica de un velero, desde los mecanismos de transmisión del calor —conducción, convección y radiación— hasta el balance térmico en condiciones de frío y calor extremo. También calculamos el espesor de aislamiento necesario y analizamos los principales aspectos constructivos. Puedes ver el video completo aquí:

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