Não categorizado

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

• Condução de calor
• Convecção de calor
• Radiação térmica

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 energia radiante de volta à sua fonte, como no caso de mantas de  primeiros socorros .

Espessura crítica da isolação

Em uma parede plana,  a área perpendicular à direção do fluxo de calor, adicionando mais isolamento a uma parede sempre diminui a transferência de calor. Quanto  mais espessa a isolação ,  menor a  taxa de transferência de calor . Isso se deve ao fato de a  superfície externa ter sempre a mesma área .

Mas nas coordenadas cilíndricas e esféricas, a adição de isolamento também aumenta a superfície externa , o que diminui a resistência de convecção na superfície externa. Além disso, em alguns casos, uma diminuição na resistência à convecção devido ao aumento na área da superfície pode ser mais importante do que um aumento na resistência à condução devido ao isolamento mais espesso. Como resultado, a  resistência total  pode realmente diminuir, resultando em aumento do fluxo de calor.

A  espessura  até a qual o fluxo de calor aumenta e após o qual o fluxo de calor diminui é denominada  espessura crítica . No caso de cilindros e esferas, é chamado  raio crítico . Pode-se derivar que o  raio crítico do isolamento  depende da condutividade térmica do isolamento k e do coeficiente de transferência de calor por convecção externa h.

Veja também:  Raio crítico do isolamento

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.).

1. Calcule o fluxo de calor ( perda de calor ) através desta parede não isolada.
2. 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.

1. 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

2. 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.

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

Outros materiais de isolamento

• Vidro Celular
• Aerogel
• Painéis de vácuo

Exemplo de isolamento – poliestireno

Geralmente, o poliestireno é um polímero aromático sintético produzido a partir do monômero estireno, que é derivado do benzeno e etileno, ambos produtos derivados do petróleo. O poliestireno pode ser sólido ou espumado. O poliestireno é um termoplástico incolor e transparente, que é comumente usado para isolar painéis de espuma ou painéis de pérolas e um tipo de isolamento de preenchimento solto que consiste em pequenas esferas de poliestireno. As espumas de poliestireno são de 95 a 98% de ar. As espumas de poliestireno são bons isolantes térmicos e, portanto, são frequentemente usadas como materiais de isolamento de edifícios, como em formas de concreto isolante e sistemas estruturais de construção de painéis isolados. Poliestireno expandido (EPS) e extrudado (XPS)ambos são feitos de poliestireno, mas o EPS é composto de pequenas esferas de plástico que são fundidas e o XPS começa como um material fundido que é pressionado para fora de um formulário em folhas. O XPS é mais comumente usado como isolamento de placas de espuma.

O poliestireno expandido (EPS) é uma espuma rígida e resistente de células fechadas. Os aplicativos de construção civil representam cerca de dois terços da demanda por poliestireno expandido. É utilizado para o isolamento de paredes (cavidades), telhados e pisos de concreto. Devido às suas propriedades técnicas, como baixo peso, rigidez e formabilidade, o poliestireno expandido pode ser usado em uma ampla gama de aplicações, como bandejas, pratos e caixas de peixes.

Embora o poliestireno expandido e o extrudado tenham uma estrutura de célula fechada, eles são permeáveis ​​pelas moléculas de água e não podem ser considerados uma barreira ao vapor. No poliestireno expandido existem lacunas intersticiais entre os grânulos expandidos de células fechadas que formam uma rede aberta de canais entre os grânulos ligados. Se a água congelar em gelo, ela se expande e pode fazer com que os pellets de poliestireno se soltem da espuma.

Exemplo de isolamento – painéis de isolamento a vácuo

A maior parte dos materiais são limitados pela condutividade térmica do ar (aprisionado em células), o qual é de cerca de cerca de 0,025 W / m K ∙ . Mas uma diminuição na pressão causa uma diminuição na sua condutividade térmica. Um painel de isolamento a vácuo (VIP) reduz esse problema. Este painel é uma forma de isolamento térmico que consiste em um gabinete estanque ao gás em torno de um núcleo rígido. O ar deste painel é evacuado. Deve-se notar que o envelhecimento tem um efeito negativo nos painéis. Isso ocorre porque o envelope dos painéis não é totalmente hermético e, portanto, sua condutividade térmica aumenta levemente. Esses painéis podem ser usados ​​para o isolamento térmico de quase todos os elementos do invólucro do edifício.

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.).

1. Calcule o fluxo de calor ( perda de calor ) através desta parede não isolada.
2. 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.

1. 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

2. 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.

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

• Condução de calor
• Convecção de calor
• Radiação térmica

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 infravermelha do espectro eletromagnético, embora parte dela esteja na região visível. Para diminuir esse tipo de transferência de calor, materiais com baixa emissividade devem ser usados. oA 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 .

Isolante térmico

Como foi escrito, o isolamento térmico é baseado no uso de substâncias com condutividade térmica muito baixa . Estes materiais são conhecidos como isoladores térmicos . Os isoladores térmicos comuns são lã, fibra de vidro, lã de rocha, poliestireno, poliuretano e plumas de ganso etc. Esses materiais são condutores muito fracos de calor 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 isolantes (por exemplo, poliestireno) funcionam simplesmente tendo 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.

No caso de isolamento térmico por radiação , podem ser utilizados isolamentos refletivos. Os isolamentos refletivos geralmente são compostos de folhas paralelas multicamadas de alta refletividade, espaçadas para refletir a radiação térmica de volta à sua fonte.

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.).

1. Calcule o fluxo de calor ( perda de calor ) através desta parede não isolada.
2. 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.

1. 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

2. 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.

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

2. 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.

Perdas de Calor – Isolamento Térmico

Para 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 material 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 de vidro) funcionam simplesmente com um grande número de bolsas cheias de gás que evitam 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 .

Perdas de Calor – Isolamento Térmico

Para 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 material 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 de vidro) funcionam simplesmente com um grande número de bolsas cheias de gás que evitam 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 .

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.).

1. Calcule o fluxo de calor ( perda de calor ) através desta parede não isolada.
2. 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.

1. 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

2. 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.

Exemplo – Perda de calor através de uma janela

Perda de calor através das janelas

Uma das principais fontes de perda de calor de uma casa é através das janelas. Calcule a taxa de fluxo de calor através de uma janela de vidro com 1,5 mx  1,0 m de área e 3,0 mm de espessura, se as temperaturas nas superfícies interna e externa forem de 14,0 ° C e 13,0 ° C, respectivamente. Calcule o fluxo de calor através desta janela.

Solução:

Neste ponto, conhecemos as temperaturas nas superfícies do material. Essas temperaturas são dadas também pelas condições dentro e fora da casa. Nesse caso, o calor flui por condução através do vidro da temperatura interna mais alta para a temperatura externa mais baixa. Usamos a equação de condução de calor:

Assumimos que a condutividade térmica de um vidro comum é k = 0,96 W / mK

O fluxo de calor será então:

q = 0,96 [W / mK] x 1 [K] / 3,0 x 10 ^-3  [m] = 320 W / m ²

A perda total de calor através desta janela será:

q _perda  = q. A = 320 x 1,5 x 1,0 = 480W

Deve ser adicionado, 15 ° C não é muito quente para a sala de uma casa. Mas esta temperatura não corresponde à temperatura interior, mas corresponde à temperatura da superfície. Devido ao coeficiente de transferência de calor por convecção finita, sempre há uma queda considerável de temperatura entre a temperatura interna e a temperatura da superfície da janela. Observe que os dois coeficientes de convecção dependem fortemente, especialmente das condições ambientais e interiores (vento, umidade, etc.).

Vide também: Coeficiente de transferência de calor por convecção

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 .

Material de mudança de fase

Os materiais de mudança de fase (PCM) são materiais de armazenamento de calor latentes. É possível encontrar materiais com um calor latente de fusão e temperatura de fusão dentro da faixa desejada. O PCM a ser usado no projeto de sistemas de armazenamento térmico deve obter propriedades termofísicas, cinéticas e químicas desejáveis.

Propriedades termo-físicas

• Temperatura de transição de fase adequada para a aplicação específica.
• Alto calor latente de transição de fase para ocupar o volume mínimo possível. .
• Temperatura de fusão na faixa de temperatura operacional desejada.
• Calor específico alto para fornecer armazenamento de calor sensível significativo adicional.
• Alta condutividade térmica, a fim de minimizar o gradiente de temperatura e auxiliar no carregamento e descarregamento de energia dos sistemas de armazenamento.
• Pequenas alterações de volume na transformação de fase e pequena pressão de vapor em temperaturas operacionais para reduzir o problema de contenção.

Propriedades cinéticas

• Alta taxa de nucleação para evitar super-resfriamento da fase líquida.
• Alta taxa de crescimento de cristais, para que o sistema possa atender às demandas de recuperação de calor do sistema de armazenamento.

Propriedades quimicas

• Materiais não tóxicos, não inflamáveis ​​e não explosivos por razões de segurança.
• Estabilidade química a longo prazo e ciclo completo de fusão / congelamento reversível.
• Sem degradação após um grande número de ciclos de congelamento / fusão.
• Baixa corrosividade

Finalmente, o material deve ser abundante, disponível e barato para ajudar na viabilidade do uso do sistema de armazenamento.

Há um grande número de PCMs, eles podem ser divididos em três grupos:

• PCMs orgânicos
• PCMs inorgânicos
• PCMs eutéticos

Como exemplo, o armazenamento de energia térmica pode ser usado na concentração de centrais solares (CSP), em que a principal vantagem é a capacidade de armazenar energia com eficiência, permitindo o envio de eletricidade por um período de até 24 horas. Em uma planta de CSP que inclui armazenamento, a energia solar é usada primeiro para aquecer o sal fundido ou o óleo sintético para armazenar energia térmica em alta temperatura em tanques isolados. Mais tarde, o sal fundido a quente é usado na produção de vapor para gerar eletricidade pelo turbo gerador a vapor, conforme a necessidade. O uso de calor latente e calor sensível na concentração de usinas de energia solar é possível com a entrada térmica solar de alta temperatura. Várias misturas eutéticas de metais, como alumínio e silício (AlSi12), oferecem um alto ponto de fusão (577 ° C) adequado para a geração eficiente de vapor,

Armazenamento de energia térmica

Na termodinâmica , energia interna (também chamada de energia térmica ) é definida como a energia associada a formas microscópicas de energia . É uma quantidade extensa , depende do tamanho do sistema ou da quantidade de substância que ele contém. A unidade SI de energia interna é o joule (J) . É a energia contida no sistema, excluindo a energia cinética do movimento do sistema como um todo e a energia potencial do sistema. As formas microscópicas de energia incluem aquelas devidas à rotação , vibração, translação e interaçõesentre as moléculas de uma substância. Nenhuma dessas formas de energia pode ser medida ou avaliada diretamente, mas técnicas foram desenvolvidas para avaliar a mudança na soma total de todas essas formas microscópicas de energia.

Além disso, a energia é armazenada nas ligações químicas entre os átomos que compõem as moléculas. Esse armazenamento de energia no nível atômico inclui energia associada a estados orbitais de elétrons, rotação nuclear e forças de ligação no núcleo.

A energia térmica também pode ser armazenada de maneira muito eficaz. Atualmente, a situação nos mercados de energia é diferente. O aumento dos preços das fontes convencionais de energia e a conscientização ambiental levaram ao aumento do uso de energias renováveis ​​e da eficiência energética. O armazenamento de energia térmica é um componente essencial de uma usina para melhorar sua indisponibilidade, especialmente para concentrar usinas de energia solar (CSP). O armazenamento de energia térmica (TES) é alcançado com tecnologias amplamente diferentes. Existem três métodos utilizados e ainda estão sendo investigados para armazenar energia térmica.

• Armazenamento de calor sensível (SHS)
• Armazenamento de calor latente (LHS)
• Armazenamento termoquímico