Ejemplo: aislamiento de corcho
Una fuente importante de pérdida de calor de una casa es a través de las paredes. Calcule la tasa de flujo de calor a través de una pared de 3 mx 10 m de área (A = 30 m 2 ). La pared tiene 15 cm de espesor (L 1 ) y está hecha de ladrillos con la conductividad térmica de k 1 = 1.0 W / mK (pobre aislante térmico). Suponga que las temperaturas interior y exterior son 22 ° C y -8 ° C, y los coeficientes de transferencia de calor por convección en los lados interior y exterior son h 1 = 10 W / m 2 K y h 2 = 30 W / m 2K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida especialmente de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).
- Calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared no aislada.
- Ahora suponga aislamiento térmico en el lado exterior de esta pared. Utilice corcho de 10 cm de espesor (L 2 ) con la conductividad térmica de k 2 = 0.038 W / mK y calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared compuesta.
Solución:
Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de conducción y convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor en general , conocido como un factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton :
El coeficiente global de transferencia de calor está relacionado con la resistencia térmica total y depende de la geometría del problema.
- pared desnuda
Suponiendo que la transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el coeficiente global de transferencia de calor se puede calcular como:
El coeficiente global de transferencia de calor es entonces:
U = 1 / (1/10 + 0.15 / 1 + 1/30) = 3.53 W / m 2 K
El flujo de calor se puede calcular simplemente como:
q = 3.53 [W / m 2 K] x 30 [K] = 105.9 W / m 2
La pérdida total de calor a través de este muro será:
q pérdida = q. A = 105,9 [W / m 2 ] x 30 [m 2 ] = 3177W
- pared compuesta con aislamiento térmico
Suponiendo que la transferencia de calor unidimensional a través de la pared compuesta plana, sin resistencia de contacto térmico y sin tener en cuenta la radiación, el coeficiente global de transferencia de calor se puede calcular como:
El coeficiente global de transferencia de calor es entonces:
U = 1 / (1/10 + 0.15 / 1 + 0.1 / 0.038 + 1/30) = 0.343 W / m 2 K
El flujo de calor se puede calcular simplemente como:
q = 0.343 [W / m 2 K] x 30 [K] = 10.29 W / m 2
La pérdida total de calor a través de este muro será:
q pérdida = q. A = 10,29 [W / m 2 ] x 30 [m 2 ] = 308 W
Como se puede ver, una adición de aislante térmico causa una disminución significativa en las pérdidas de calor. Debe agregarse, una adición de la siguiente capa de aislante térmico no causa un ahorro tan alto. Esto se puede ver mejor con el método de resistencia térmica, que se puede utilizar para calcular la transferencia de calor a través de paredes compuestas . La tasa de transferencia de calor constante entre dos superficies es igual a la diferencia de temperatura dividida por la resistencia térmica total entre esas dos superficies.
La conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de espesor dado (en metros) debido a una diferencia de temperatura . Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor y, por lo tanto, mayor será la efectividad del aislamiento. Valores de conductividad térmica típicas para espumas de poliisocianurato son entre 0.022 y 0.035W / m ∙ K .
