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O que é trocador de calor de fluxo paralelo e contra-fluxo – Definição

2020-01-222019-11-03 Por Nick Connor

Trocador de calor de fluxo paralelo e contra fluxo. A figura representa as direções do fluxo de fluido nos trocadores paralelos e de contra-fluxo. Engenharia Térmica

Trocador de calor de fluxo paralelo e contra fluxo

Os trocadores de calor são normalmente classificados de acordo com a disposição do fluxo e o tipo de construção. O trocador de calor mais simples é aquele para o qual os fluidos quente e frio se movem na mesma direção ou em direções opostas. Este trocador de calor consiste em dois tubos concêntricos de diâmetros diferentes.

disposição de fluxo paralelo . Na disposição de fluxo paralelo, os fluidos quente e frio entram na mesma extremidade, fluem na mesma direção e saem na mesma extremidade.
arranjo de contra-fluxo . No arranjo de contra-fluxo, os fluidos entram em extremos opostos, fluem em direções opostas e saem em extremos opostos.

A figura representa as direções do fluxo de fluido nos trocadores paralelos e de contra-fluxo. Sob condições comparáveis, mais calor é transferido em um arranjo de contra-fluxo do que em um trocador de calor de fluxo paralelo. Os perfis de temperatura dos dois trocadores de calor indicam duas grandes desvantagens no projeto de fluxo paralelo.

A grande diferença de temperatura nas extremidades causa grandes tensões térmicas.
A temperatura do fluido frio que sai do trocador de calor nunca excede a temperatura mais baixa do fluido quente.

O design de um trocador de calor de fluxo paralelo é vantajoso quando é necessário levar dois fluidos para quase a mesma temperatura.

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O que é o tipo de trocadores de calor – Classificação de trocadores de calor – Definição

2020-01-222019-11-03 Por Nick Connor

Tipos de trocadores de calor – Classificação. Os trocadores de calor são normalmente classificados de acordo com a disposição do fluxo e o tipo de construção. Engenharia Térmica

Trocadores de Calor

Condensador de superfície Fonte: wikipedia.org Licença: CC BY-SA 3.0 — Condensador de superfície

Trocadores de calor são dispositivos usados para transferir energia térmica de um fluido para outro sem misturar os dois fluidos. Os fluidos geralmente são separados por uma parede sólida (com alta condutividade térmica ) para impedir a mistura ou podem estar em contato direto.

O exemplo clássico de um trocador de calor é encontrado em um motor de combustão interna, no qual o líquido de arrefecimento do motor flui através das bobinas do radiador e o ar passa pelas bobinas, que esfria o refrigerante e aquece o ar que entra. Na engenharia de energia, as aplicações comuns dos trocadores de calor incluem geradores de vapor , ventiladores, trocadores de calor com água de resfriamento e condensadores . Por exemplo, o gerador de vapor é usado para converter a água de alimentação em vapor do calor produzido no núcleo de um reator nuclear . O vapor produzido aciona a turbina.

A transferência de calor em um trocador de calor geralmente envolve convecção em cada fluido e condução térmica através da parede que separa os dois fluidos. Na análise de permutadores de calor, muitas vezes é conveniente trabalhar com um coeficiente de transferência total de calor , conhecido como um factor-L . O fator U é definido por uma expressão análoga à lei do resfriamento de Newton .

Além disso, os engenheiros também usam a diferença de temperatura média logarítmica ( LMTD ) para determinar a força motriz da temperatura na transferência de calor nos trocadores de calor.

Referência especial: John R. Thome, livro de dados de engenharia III. Wolverine Tube Inc. 2004.

Tipos de trocadores de calor – Classificação de trocadores de calor

disposição de fluxo paralelo . Na disposição de fluxo paralelo, os fluidos quente e frio entram na mesma extremidade, fluem na mesma direção e saem na mesma extremidade.
arranjo de contra-fluxo . No arranjo de contra-fluxo, os fluidos entram em extremos opostos, fluem em direções opostas e saem em extremos opostos.

A figura representa as direções do fluxo de fluido nos trocadores paralelos e contra-fluxo. Sob condições comparáveis, mais calor é transferido em um arranjo de contra-fluxo do que em um trocador de calor de fluxo paralelo. Os perfis de temperatura dos dois trocadores de calor indicam duas grandes desvantagens no projeto de fluxo paralelo.

A grande diferença de temperatura nas extremidades causa grandes tensões térmicas.
A temperatura do fluido frio que sai do trocador de calor nunca excede a temperatura mais baixa do fluido quente.

O design de um trocador de calor de fluxo paralelo é vantajoso quando é necessário levar dois fluidos quase à mesma temperatura.

A superfície de transferência de calor nos trocadores de calor pode ser disposta de várias formas. Os trocadores de calor são, portanto, também classificados como:

Trocadores de calor com tubo duplo. Os trocadores de calor com tubo duplo são baratos tanto para o projeto quanto para a manutenção, tornando-os uma boa opção para pequenas indústrias. Nestes trocadores, um fluido flui para dentro do tubo e o outro flui para o exterior. Embora sejam simples e baratas, sua baixa eficiência, aliada ao alto espaço ocupado em grandes escalas, levou as indústrias modernas a usar trocadores de calor mais eficientes, como cascas e tubos.
Permutadores de calor de conchas e tubos.Os trocadores de calor de casco e tubo em suas várias modificações de construção são provavelmente a configuração básica de trocador de calor mais difundida e comumente usada na indústria. Os trocadores de calor de casco e tubo são classificados ainda de acordo com o número de passes de casco e tubo envolvidos. Os trocadores de calor de cascas e tubos são normalmente usados para aplicações de alta pressão (com pressões maiores que 30 bar e temperaturas maiores que 260 ° C). Isso ocorre porque os trocadores de calor de casco e tubo podem suportar altas pressões devido à sua forma. Nesse tipo de trocador de calor, vários tubos de pequeno diâmetro são montados entre duas placas de tubo e o fluido primário flui através desses tubos. O feixe de tubos é colocado dentro de uma concha e o fluido secundário flui através da concha e sobre a superfície dos tubos. Na engenharia nuclear,água de alimentação para vapor a partir do calor produzido no núcleo de um reator nuclear . Para aumentar a quantidade de calor transferido e a energia gerada, a superfície de troca de calor deve ser maximizada. Isso é obtido usando tubos . Cada gerador de vapor pode conter entre 3.000 e 16.000 tubos, cada um com aproximadamente 19 mm de diâmetro.
Trocadores de calor a placas. Um trocador de calor de placas é um tipo de trocador de calor que usa placas de metal para transferir calor entre dois fluidos. Esse arranjo é popular entre os trocadores de calor que utilizam ar ou gás, bem como o fluxo de fluido de menor velocidade. O exemplo clássico de um trocador de calor é encontrado em um motor de combustão interna no qual o líquido de arrefecimento do motor flui através das bobinas do radiador e o ar passa pelas bobinas, que esfria o refrigerante e aquece o ar que entra. Quando comparado aos trocadores de casco e tubo, o arranjo de placas empilhadas normalmente apresenta menor volume e custo. Outra diferença entre os dois é que os trocadores de placas normalmente servem fluidos de baixa a média pressão, em comparação com as pressões média e alta da carcaça e do tubo.

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O que é Advection – Heat Transport – Definition

2020-01-222019-11-03 Por Nick Connor

Advecção é o transporte de uma substância por movimento a granel. Às vezes, a orientação é confundida com o processo de convecção mais abrangente. Engenharia Térmica

Advection

Na engenharia, o termo transferência de calor por convecção é usado para descrever os efeitos combinados de condução e fluxo de fluido. Nesse ponto, precisamos adicionar um novo mecanismo, conhecido como advecção (o transporte de uma substância por movimento a granel). As propriedades que são transportadas com a substância recomendada são propriedades conservadas, como energia, que é uma quantidade geralmente recomendada. Advecção é por vezes confundido com o processo mais abrangente de convecção, mas convecção inclui a transferência de energia por tanto o movimento de grandes quantidades de fluido (advection) e o movimento aleatório das moléculas de fluido (de condução ou de difusão).

Do ponto de vista termodinâmico, o calor flui para um fluido por difusão para aumentar sua energia, o fluido transfere ( avisa ) esse aumento da energia interna (não calor) de um local para outro, e isso é seguido por uma segunda interação térmica que transfere calor para um segundo corpo ou sistema, novamente por difusão. A orientação requer correntes no fluido (como em um rio ou tubulação) e, portanto, não pode ocorrer em sólidos rígidos. Não inclui o transporte de substâncias por difusão molecular.

Equação de Advecção

A equação de advecção para uma quantidade conservada descrita por um campo escalar ρ é expressa matematicamente por uma equação de continuidade :

^∂^⍴ / _∂t + ∇. (⍴ ͞v) = σ

Onde

∇ é divergência,
ρ é a densidade da quantidade q,
͞ ͞v é o fluxo da quantidade q,
σ é a geração de q por unidade de volume por unidade de tempo. Os termos que geram (σ> 0) ou removem (σ <0) q são referidos como “fontes” e “sumidouros”, respectivamente. Se q é uma quantidade conservada (como energia), σ é igual a 0.

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O que é catástrofe ultravioleta – catástrofe de Rayleigh-Jeans – definição

2020-01-222019-11-03 Por Nick Connor

A inconsistência entre as observações e as previsões da física clássica é conhecida como catástrofe ultravioleta ou catástrofe Rayleigh-Jeans. Engenharia Térmica

Catástrofe ultravioleta

Antes da hipótese de Planck , os físicos tentavam descrever a radiação espectral da radiação eletromagnética pela física clássica . A aproximação baseada na física clássica é conhecida como lei de Rayleigh-Jeans .

Da mesma forma como para a lei de Planck , a Lei de Rayleigh-Jeans dá o brilho espectral de um corpo em função de ν a frequência à temperatura absoluta T:

Onde

B _ν (v, T) é a densidade daradiaçãoespectral (a potência por unidade de ângulo sólido e por unidade de área normal à propagação) da densidade ν radiação por unidade de frequência no equilíbrio térmico na temperatura T
c é a velocidade da luz no vácuo
k _B é a constante de Boltzmann
ν é a frequência da radiação eletromagnética
T é a temperatura absoluta do corpo

A catástrofe ultravioleta é o erro em comprimentos de onda curtos na lei Rayleigh-Jeans (retratada como “teoria clássica” no gráfico) para a energia emitida por um corpo negro ideal. O erro, muito mais pronunciado para comprimentos de onda curtos, é a diferença entre a curva preta (como prevista pela lei Rayleigh-Jeans) e a curva azul (a curva medida prevista pela lei de Planck).
Fonte: wikipedia.org Licença: Domínio Público

O espectro eletromagnético previsto por esta fórmula concorda com os resultados experimentais em baixas frequências (grandes comprimentos de onda), mas discorda fortemente das altas frequências (comprimentos de onda curtos). Essa inconsistência entre as observações e as previsões da física clássica é comumente conhecida como catástrofe ultravioleta ou catástrofe Rayleigh-Jeans . Ao calcular a quantidade total de energia radiante (ou seja, a soma das emissões em todas as faixas de frequência), pode ser demonstrado que um corpo negro , nesse caso, liberaria uma quantidade infinita de energia, o que está em contradição com a lei da conservação de energia .

O estudo das leis dos corpos negros e o fracasso da física clássica em descrevê-los ajudaram a estabelecer os fundamentos da mecânica quântica. A solução desse problema foi proposta pelo físico teórico alemão Max Planck, que introduziu uma suposição muito estranha (para a época) de que a energia é irradiada e absorvida em “quanta” discretos (ou pacotes de energia). As suposições de Planck levaram à forma correta das funções de distribuição espectral:

Onde

B _ν (v, T) é a densidade daradiaçãoespectral (a potência por unidade de ângulo sólido e por unidade de área normal à propagação) da densidade ν radiação por unidade de frequência no equilíbrio térmico na temperatura T
h é a constante de Planck
c é a velocidade da luz no vácuo
k _B é a constante de Boltzmann
ν é a frequência da radiação eletromagnética
T é a temperatura absoluta do corpo

Albert Einstein resolveu o problema postulando que os quanta de Planck eram partículas físicas reais, o que chamamos agora de fótons, não apenas uma ficção matemática.

Radiação de corpo negro

Sabe-se que a quantidade de energia de radiação emitida a partir de uma superfície em um determinado comprimento de onda depende do material do corpo e das condições de sua superfície , bem como da temperatura da superfície . Portanto, vários materiais emitem quantidades diferentes de energia radiante, mesmo quando estão na mesma temperatura. Um corpo que emite a quantidade máxima de calor para sua temperatura absoluta é chamado de corpo negro .

Um corpo negro é um corpo físico idealizado, com propriedades específicas. Por definição, um corpo negro em equilíbrio térmico tem uma emissividade de ε = 1,0 . Objetos reais não irradiam tanto calor quanto um corpo preto perfeito. Eles irradiam menos calor que um corpo preto e, portanto, são chamados corpos cinzentos.

A superfície de um corpo negro emite radiação térmica a uma taxa de aproximadamente 448 watts por metro quadrado em temperatura ambiente (25 ° C, 298,15 K). Objetos reais com emissividades inferiores a 1,0 (por exemplo, fio de cobre) emitem radiação a taxas correspondentemente mais baixas (por exemplo, 448 x 0,03 = 13,4 W / m ² ). A emissividade desempenha papel importante nos problemas de transferência de calor. Por exemplo, coletores solares de calor incorporam superfícies seletivas com emissividades muito baixas. Esses coletores desperdiçam muito pouco da energia solar através da emissão de radiação térmica.

Como a absorção e a emissividade estão interconectadas pela Lei de Kirchhoff da radiação térmica , um corpo negro também é um absorvedor perfeito da radiação eletromagnética.

Lei de Kirchhoff da radiação térmica :

Para um corpo arbitrário que emite e absorve radiação térmica em equilíbrio termodinâmico, a emissividade é igual à absorção.

emissividade ε = absortividade α

Um corpo negro absorve toda a radiação eletromagnética incidente, independentemente da frequência ou ângulo de incidência. Sua absorção é, portanto, igual à unidade, que também é o valor mais alto possível. Ou seja, um corpo negro é um absorvedor perfeito (e um emissor perfeito ).

Note que a radiação visível ocupa uma faixa muito estreita do espectro de 0,4 a 0,76 nm, não podemos fazer julgamentos sobre a escuridão de uma superfície com base em observações visuais. Por exemplo, considere o papel branco que reflete a luz visível e, portanto, parece branco. Por outro lado, é essencialmente preto para radiação infravermelha (capacidade de absorção α = 0,94 ), pois eles absorvem fortemente a radiação de comprimento de onda longo.

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O que é a lei de deslocamento de Wien – Definição

2020-01-222019-11-03 Por Nick Connor

A lei de deslocamento de Wien (nomeada em homenagem a um físico alemão) descreve a mudança desse pico em termos de temperatura, proporcional à constante de deslocamento de Wien.

Lei de deslocamento de Viena

Como pode ser visto na figura, a curva de radiação do corpo negro para diferentes temperaturas atinge o pico em um comprimento de onda inversamente proporcional à temperatura . A lei de Wien (nomeada após um físico alemão) descreve a mudança desse pico em termos de temperatura. A lei de deslocamento de Wien , e o fato de a frequência ser inversamente proporcional ao comprimento de onda, também indica que o pico de frequência f _max ( cor do objeto ) é proporcional à temperatura absoluta T do corpo negro. Portanto, conforme a temperatura aumenta, a cor do brilho muda de vermelho para amarelo para branco e azul.

De acordo com a lei de deslocamento de Wien , o brilho espectral da radiação do corpo negro por unidade de comprimento de onda, atinge o pico no comprimento de onda λ _max dado por:

onde T é a temperatura absoluta em Kelvins, b é uma constante de proporcionalidade, conhecida como constante de deslocamento de Wien , igual a 2,8978 × 10 ^-3 km . Deve-se notar que, mesmo a uma temperatura branca-quente de 2000 K, cerca de 99% da energia radiante ainda é irradiada no espectro infravermelho (invisível).

Embora a mudança desse pico seja uma conseqüência direta da lei de Planck , ela foi descoberta por Wilhelm Wien vários anos antes de Max Planck desenvolver essa equação mais geral.

Radiação de corpo negro

Lei de Kirchhoff da radiação térmica :

Para um corpo arbitrário que emite e absorve radiação térmica em equilíbrio termodinâmico, a emissividade é igual à absorção.

emissividade ε = absortividade α

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O que é a Lei de Planck – Hipótese de Planck – Definição

2020-01-222019-11-03 Por Nick Connor

A lei de Planck é um resultado pioneiro da física moderna e da teoria quântica. A hipótese de Planck afirma que a energia é irradiada e absorvida em “quanta” discretos

Lei de Planck – Hipótese de Planck

A lei de Stefan-Boltzmann determina a potência emissiva total do corpo negro, E _b , que é a soma da radiação emitida em todos os comprimentos de onda. A lei de Planck descreve o espectro da radiação do corpo negro , que depende apenas da temperatura do objeto e relaciona a potência emissiva do corpo negro espectral, E _bλ . Esta lei recebeu o nome de um físico teórico alemão Max Planck, que a propôs em 1900. A lei de Planck é um resultado pioneiro da física moderna e da teoria quântica. A hipótese de Planck de que a energia é irradiada e absorvida em “quanta” discretos (ou pacotes de energia) correspondiam precisamente aos padrões observados de radiação do corpo negro e resolviam a catástrofe ultravioleta.

Usando esta hipótese, Planck mostrou que a radiação espectral de um corpo para a frequência ν na temperatura absoluta T é dada por:

Onde

B _ν (v, T) é a densidade daradiaçãoespectral (a potência por unidade de ângulo sólido e por unidade de área normal à propagação) da densidade ν radiação por unidade de frequência no equilíbrio térmico na temperatura T
h é a constante de Planck
c é a velocidade da luz no vácuo
k _B é a constante de Boltzmann
ν é a frequência da radiação eletromagnética
T é a temperatura absoluta do corpo

A lei de Planck tem as seguintes características importantes:

A radiação emitida varia continuamente com o comprimento de onda.
Em qualquer comprimento de onda, a magnitude da radiação emitida aumenta com o aumento da temperatura.
A região espectral na qual a radiação está concentrada depende da temperatura, com comparativamente mais radiação aparecendo em comprimentos de onda mais curtos à medida que a temperatura aumenta ( Lei de Deslocamento de Wien ).

Radiação de corpo negro

Lei de Kirchhoff da radiação térmica :

Para um corpo arbitrário que emite e absorve radiação térmica em equilíbrio termodinâmico, a emissividade é igual à absorção.

emissividade ε = absortividade α

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O que é a Lei de Radiação Térmica de Kirchhoff – Definição

2020-01-222019-11-03 Por Nick Connor

A lei da radiação térmica de Kirchhoff, postulada pelo físico alemão Gustav Robert Kirchhoff, afirma que a emissividade e a absorção de uma superfície a uma dada temperatura e comprimento de onda são iguais. Engenharia Térmica

Lei de Kirchhoff da radiação térmica

Em geral, tanto a emissividade , ε quanto a absortividade , α, de uma superfície dependem da temperatura e do comprimento de onda da radiação. A lei da radiação térmica de Kirchhoff , postulada pelo físico alemão Gustav Robert Kirchhoff, afirma que a emissividade e a absorção de uma superfície a uma dada temperatura e comprimento de onda são iguais.

Lei de Kirchhoff da radiação térmica :

Para um corpo arbitrário que emite e absorve radiação térmica em equilíbrio termodinâmico, a emissividade é igual à absorção.

emissividade ε = absortividade α

Esta lei também deve ser válida para satisfazer a Segunda Lei da Termodinâmica . Como foi escrito, todos os corpos acima da temperatura zero absoluta irradiam algum calor. Dois objetos irradiam calor um em direção ao outro. Mas e se um objeto mais frio com alta emissividade irradiar para um objeto mais quente com emissividade muito baixa? Isso parece violar a Segunda Lei da Termodinâmica, que afirma que o calor não pode fluir espontaneamentedo sistema frio ao sistema quente, sem trabalho externo sendo executado no sistema. O paradoxo é resolvido pelo fato de que cada corpo deve estar na linha de visão direta do outro para receber radiação dele. Portanto, sempre que o corpo frio irradia calor para o corpo quente, ele também deve irradiar calor para o corpo frio. Além disso, o corpo quente irradiará mais energia que o corpo frio. O caso de diferentes emissividades é resolvido pela Lei de Kirchhoff da radiação térmica, que afirma que objetos com baixa emissividade também possuem baixa absorção. Como resultado, o calor não pode fluir espontaneamente do sistema frio para o sistema quente e a segunda lei ainda é satisfeita.

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O que é o Blackbody – Definição

2020-01-222019-11-03 Por Nick Connor

Um corpo negro é um corpo físico idealizado, com propriedades específicas. Por definição, um corpo negro em equilíbrio térmico tem uma emissividade de ε = 1,0. Engenharia Térmica

Radiação de corpo negro

Lei de Kirchhoff da radiação térmica :

Para um corpo arbitrário que emite e absorve radiação térmica em equilíbrio termodinâmico, a emissividade é igual à absorção.

emissividade ε = absortividade α

Um corpo negro absorve toda a radiação eletromagnética incidente, independentemente da frequência ou ângulo de incidência. Portanto, sua capacidade de absorção é igual à unidade, que também é o valor mais alto possível. Ou seja, um corpo negro é um absorvedor perfeito (e um emissor perfeito ).

Note que a radiação visível ocupa uma faixa muito estreita do espectro de 0,4 a 0,76 nm, não podemos fazer julgamentos sobre a escuridão de uma superfície com base em observações visuais. Por exemplo, considere o papel branco que reflete a luz visível e, portanto, parece branco. Por outro lado, é essencialmente preto para a radiação infravermelha (capacidade de absorção α = 0,94 ), pois eles absorvem fortemente a radiação de comprimento de onda longo.

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O que é cobertor espacial – manta térmica de emergência – definição

2020-01-222019-11-03 Por Nick Connor

Para isolar a radiação térmica, cobertores espaciais (dependendo da função, também conhecida como cobertor Mylar, cobertor térmico de emergência ou cobertor de segurança) podem ser usados. Engenharia Térmica

Manta Espacial – Manta Térmica de Emergência

Como foi escrito, o isolamento térmico é baseado no uso de substâncias com condutividade térmica muito baixa. Mas, às vezes, a maneira mais eficaz de proteger pessoas ou dispositivos contra vazamentos ou ganho de calor é usar um isolador de radiação térmica. A radiação térmica não requer nenhum meio para transferência de energia. Além disso, a transferência de energia pela radiação é mais rápida (na velocidade da luz) e não sofre atenuação no vácuo.

Ao contrário da transferência de calor por condução ou convecção , que ocorre na direção da diminuição da temperatura, a transferência de calor por radiação térmica pode ocorrer entre dois corpos separados por um meio mais frio que os dois corpos. Por exemplo, a radiação solar atinge a superfície da Terra depois de passar por camadas frias de atmosfera em grandes altitudes.

Para isolar a radiação térmica , cobertores espaciais (dependendo da função, também conhecida como cobertor Mylar , cobertor térmico de emergência ou cobertor de segurança ) podem ser usados. Os cobertores espaciais foram desenvolvidos pela NASA pela primeira vez em 1964. Os isoladores altamente refletivos são frequentemente incluídos em kits de emergência (portanto, cobertores térmicos de emergência) e também são usados por corredores de longa distância após terminar uma corrida para evitar um grande balanço na temperatura corporal. Os cobertores espaciais são projetados para refletir o calor de volta ao corpo ou desviar o calorquando usados como abrigo do sol, eles podem ser usados para isolar tudo, desde os rovers de Marte aos corredores de maratona, de satélites a protetores solares e de foguetes a residências. É uma das derivações mais simples, porém mais versáteis, da Agência. Folhas altamente refletivas em barreiras radiantes e sistemas de isolamento refletivo refletem o calor radiante longe de pessoas e espaços, tornando-os particularmente úteis em climas muito frios.

No caso de cobertores térmicos de emergência, os cobertores são usados para prevenir / combater a hipotermia. Seu tamanho compacto antes do desenrolamento e peso leve os tornam ideais quando o espaço é escasso. Eles podem ser incluídos em kits de primeiros socorros e também em equipamentos de camping. Seu design reduz a perda de calor no corpo de uma pessoa que, de outra forma, ocorreria principalmente devido a:

Radiação térmica. Como foi escrito, a transferência de calor por radiação Isso é alcançado pela minimização da taxa de transferência de calor por radiação, q [W / m ² ], de um corpo para o seu entorno é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta . Nesse caso, a emissividade de um material também desempenha papel muito importante. A emissividade, ε , da superfície de um material é sua eficácia na emissão de energia como radiação térmicae varia entre 0,0 e 1,0. A superfície de um corpo negro emite radiação térmica a uma taxa de aproximadamente 448 watts por metro quadrado em temperatura ambiente (25 ° C, 298,15 K). Objetos reais com emissividades inferiores a 1,0 (por exemplo, papel alumínio) emitem radiação a taxas correspondentemente mais baixas (por exemplo, 448 x 0,07 = 31,4 W / m ² ). Veja também: Lei da radiação térmica de Kirchhoff
Evaporação de água e convecção em larga escala. As mantas térmicas são geralmente feitas de uma película hermética BoPET (tereftalato de polietileno orientado biaxialmente) , causando impermeabilização e proteção contra o vento. Isso evita a convecção em larga escala e as perdas de calor causadas pela evaporação da transpiração.

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O que é Isolamento de Edifícios – Isolamento Doméstico – Definição

2020-01-222019-11-03 Por Nick Connor

Isolamento de edifícios – Isolamento residencial. Para minimizar as perdas de calor na indústria e também na construção de edifícios, o isolamento térmico é amplamente utilizado. Engenharia Térmica

Isolamento de edifícios – Isolamento residencial

A fim de minimizar as perdas de calor na indústria e também na construção de edifícios, o isolamento térmico é amplamente utilizado. O objetivo do isolamento térmico é reduzir o coeficiente geral de transferência de calor adicionando materiais com baixa condutividade térmica. O isolamento térmico em edifícios é um fator importante para obter conforto térmico para seus ocupantes. O isolamento térmico reduz a perda de calor indesejada e também reduz o ganho de calor indesejado. Portanto, o isolamento térmico pode diminuir as demandas de energia dos sistemas de aquecimento e refrigeração. Deve ser adicionado, não há material que possa impedir completamente as perdas de calor, as perdas de calor só podem ser minimizadas.

Da mesma forma que no vestuário, o isolamento térmico é baseado em materiais de baixa condutividade térmica e em sua geometria (por exemplo, janelas de painel duplo). As propriedades isolantes desses materiais são provenientes das propriedades isolantes do ar. Muitos materiais isolantes (por exemplo, lã) funcionam simplesmente com um grande número de bolsas cheias de gás que impedem a convecção em grande escala . A geometria desses materiais também desempenha papel crucial. Por exemplo, aumentar a largura da camada de ar, como usar dois painéis de vidro separados por um espaço de ar, reduzirá a perda de calor mais do que simplesmente aumentar a espessura do vidro, uma vez que a condutividade térmica do ar é muito menor que a do vidro .

Materiais de isolamento

Como foi escrito, o isolamento térmico é baseado no uso de substâncias com condutividade térmica muito baixa . Esses materiais são conhecidos como materiais de isolamento . Os materiais de isolamento comuns são lã, fibra de vidro, lã de rocha, poliestireno, poliuretano e penas de ganso, etc. Esses materiais são condutores de calor muito fracos e, portanto, são bons isolantes térmicos.

É preciso acrescentar que o isolamento térmico se baseia principalmente na condutividade térmica muito baixa dos gases. Os gases possuem más propriedades de condução térmica em comparação com líquidos e sólidos e, portanto, são um bom material para isolamento se puderem ser presos (por exemplo, em uma estrutura semelhante a espuma ). Ar e outros gases geralmente são bons isolantes. Mas o principal benefício é na ausência de convecção . Portanto, muitos materiais de isolamento (por exemplo, poliestireno) funcionam simplesmente com um grande número de bolsas cheias de gás que impedem a convecção em grande escala . Em todos os tipos de isolamento térmico, a evacuação do ar no espaço vazio reduzirá ainda mais a condutividade térmica geral do isolador.

A alternância de bolsa de gás e material sólido faz com que o calor seja transferido através de muitas interfaces, causando uma rápida diminuição no coeficiente de transferência de calor.

Deve-se notar que as perdas de calor de objetos mais quentes ocorrem por três mecanismos (individualmente ou em combinação):

Até agora, não discutimos a radiação térmica como um modo de perda de calor . A transferência de calor por radiação é mediada por radiação eletromagnética e, portanto, não requer nenhum meio para a transferência de calor. De fato, a transferência de energia pela radiação é mais rápida (na velocidade da luz) e não sofre atenuação no vácuo. Qualquer material que tem uma temperatura acima do zero absoluto emite alguma energia radiante . A maior parte dessa energia está na região do infravermelho do espectro eletromagnético, embora parte dele esteja na região visível. Para diminuir esse tipo de transferência de calor, materiais com baixa emissividade (alta refletividade) devem ser utilizados. Os isolamentos refletivos geralmente são compostos de folhas paralelas multicamadas de alta refletividade, espaçadas para refletir a radiação térmica de volta à sua fonte. A emissividade , ε , da superfície de um material é sua eficácia na emissão de energia como radiação térmica e varia entre 0,0 e 1,0. Em geral, os metais polidos têm emissividade muito baixa e, portanto, são amplamente utilizados para refletir a energia radiante de volta à sua fonte, como no caso de mantas de primeiros socorros .

Tipos de isolamento – Categorização de materiais de isolamento

Para materiais de isolamento, três categorias gerais podem ser definidas. Essas categorias são baseadas na composição química do material base a partir do qual o material isolante é produzido.

Em leituras adicionais, há uma breve descrição desses tipos de materiais de isolamento.

Materiais de isolamento inorgânico

Como pode ser visto na figura, os materiais inorgânicos podem ser classificados de acordo:

Materiais fibrosos
- Lã de vidro
- Lã de rocha
Materiais celulares
- Silicato de cálcio
- Vidro celular

Materiais de isolamento orgânico

Os materiais de isolamento orgânico tratados nesta seção são todos derivados de uma matéria-prima petroquímica ou renovável (de base biológica). Quase todos os materiais de isolamento petroquímico estão na forma de polímeros. Como pode ser visto na figura, todos os materiais de isolamento petroquímico são celulares. Um material é celular quando a estrutura do material consiste em poros ou células. Por outro lado, muitas plantas contêm fibras por sua resistência, portanto quase todos os materiais de isolamento de base biológica são fibrosos (exceto cortiça expandida, que é celular).

Os materiais de isolamento orgânico podem ser classificados em conformidade:

Materiais petroquímicos (derivados de petróleo / carvão)
- Poliestireno expandido (EPS)
- Poliestireno extrudido (XPS)
- Poliuretano (PUR)
- Espuma fenólica
- Espuma de poliisocianurato (PIR)
Materiais renováveis (derivados de plantas / animais)
- Celulose
- Cortiça
- Fibra de madeira
- Fibra de cânhamo
- Lã de linho
- Lã de ovelha
- Isolamento de algodão

Exemplo – Perda de calor através de uma parede

Uma das principais fontes de perda de calor de uma casa é através das paredes. Calcule a taxa de fluxo de calor através de uma parede com 3 mx 10 m de área (A = 30 m ² ). A parede tem 15 cm de espessura (L ₁ ) e é feita de tijolos com condutividade térmica de k ₁ = 1,0 W / mK (isolador térmico ruim). Suponha que as temperaturas interna e externa sejam 22 ° C e -8 ° C, e os coeficientes de transferência de calor por convecção nos lados interno e externo sejam h ₁ = 10 W / m ² K e h ₂ = 30 W / m ²K, respectivamente. Observe que esses coeficientes de convecção dependem muito das condições ambientais e interiores (vento, umidade etc.).

Calcule o fluxo de calor ( perda de calor ) através desta parede não isolada.
Agora assuma o isolamento térmico no lado externo desta parede. Use isolamento de poliestireno expandido com 10 cm de espessura (L ₂ ) com a condutividade térmica de k ₂ = 0,03 W / mK e calcule o fluxo de calor ( perda de calor ) através dessa parede composta.

Solução:

Como foi escrito, muitos dos processos de transferência de calor envolvem sistemas compostos e até envolvem uma combinação de condução e convecção . Com estes sistemas compostos, muitas vezes é conveniente trabalhar com um coeficiente de transferência total de calor , conhecido como um factor-L . O fator U é definido por uma expressão análoga à lei do resfriamento de Newton :

O coeficiente geral de transferência de calor está relacionado à resistência térmica total e depende da geometria do problema.

parede nua

Assumindo a transferência de calor unidimensional através da parede plana e desconsiderando a radiação, o coeficiente geral de transferência de calor pode ser calculado como:

O coeficiente geral de transferência de calor é então:

U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 1/30) = 3,53 W / m ² K

O fluxo de calor pode ser calculado simplesmente como:

q = 3,53 [W / m ² K] x 30 [K] = 105,9 W / m ²

A perda total de calor através desta parede será:

q _perda = q. A = 105,9 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 3177W

parede compósita com isolamento térmico

Assumindo a transferência de calor unidimensional através da parede composta plana, sem resistência ao contato térmico e sem considerar a radiação, o coeficiente geral de transferência de calor pode ser calculado como:

O coeficiente geral de transferência de calor é então:

U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 0,1 / 0,03 + 1/30) = 0,276 W / m ² K

O fluxo de calor pode ser calculado simplesmente como:

q = 0,276 [W / m ² K] x 30 [K] = 8,28 W / m ²

A perda total de calor através desta parede será:

q _perda = q. A = 8,28 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 248 W

Como pode ser visto, uma adição de isolador térmico causa uma diminuição significativa nas perdas de calor. Deve ser adicionado, uma adição da próxima camada de isolador térmico não causa economias tão altas. Isso pode ser visto melhor no método de resistência térmica, que pode ser usado para calcular a transferência de calor através de paredes compostas . A taxa de transferência constante de calor entre duas superfícies é igual à diferença de temperatura dividida pela resistência térmica total entre essas duas superfícies.

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