Não categorizado

Condutividade térmica de painéis de isolamento a vácuo

Condutividade térmica é definida como a quantidade de calor (em watts) transferida através de uma área quadrada de material de determinada espessura (em metros) devido a uma diferença de temperatura . Quanto menor a condutividade térmica do material, maior a capacidade do material de resistir à transferência de calor e, portanto, maior a eficácia do isolamento. Os valores típicos de condutividade térmica para painéis de isolamento a vácuo são entre 0,004 e 0.020W / m ∙ K . Deve-se notar que os menores valores de condutividade térmica são alcançados logo após a produção. Como o envelope dos painéis não é totalmente hermético, o envelhecimento tem um efeito negativo nos painéis.

Em geral, o isolamento térmico é baseado 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, vidro de espuma ) funcionam simplesmente com um grande número de bolsas cheias de gás que impedem a convecção em grande escala .

A alternância entre 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.

Painéis de isolamento a vácuo (VIP)

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.

Condutividade térmica de painéis de isolamento a vácuo

Condutividade térmica é definida como a quantidade de calor (em watts) transferida através de uma área quadrada de material de determinada espessura (em metros) devido a uma diferença de temperatura . Quanto menor a condutividade térmica do material, maior a capacidade do material de resistir à transferência de calor e, portanto, maior a eficácia do isolamento. Os valores típicos de condutividade térmica para painéis de isolamento a vácuo  são entre 0,004 e 0.020W / m ∙ K . Deve-se notar que os menores valores de condutividade térmica são alcançados logo após a produção. Como o envelope dos painéis não é totalmente hermético, o envelhecimento tem um efeito negativo nos painéis.

Em geral, o isolamento térmico é baseado 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, vidro de espuma ) funcionam simplesmente com um grande número de bolsas cheias de gás que impedem a convecção em grande escala .

A alternância entre 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.

Exemplo – painéis de isolamento a vácuo

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 painéis de isolamento a vácuo com  10 cm de espessura (L ₂ ) com a condutividade térmica de k ₂ = 0,013 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 / 0,013 + 1/30) = 0,125 W / m ² K

O fluxo de calor pode ser calculado simplesmente como:

q = 0,125 [W / m ² K] x 30 [K] = 3,76 W / m ²

A perda total de calor através desta parede será:

q _perda = q. A = 3,76 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 113 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 – aerogel

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 especialmente 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 aerogel 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 / 0,013 + 1/30) = 0,125 W / m ² K

O fluxo de calor pode ser calculado simplesmente como:

q = 0,125 [W / m ² K] x 30 [K] = 3,76 W / m ²

A perda total de calor através desta parede será:

q _perda = q. A = 3,76 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 113 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.

Condutividade térmica de aerogel

Condutividade térmica é definida como a quantidade de calor (em watts) transferida através de uma área quadrada de material de determinada espessura (em metros) devido a uma diferença de temperatura . Quanto menor a condutividade térmica do material, maior a capacidade do material de resistir à transferência de calor e, portanto, maior a eficácia do isolamento. Os valores típicos de condutividade térmica para os aerogéis  são em torno de  0.013W / m ∙ K .

Em geral, o isolamento térmico é baseado 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, aerogel) funcionam simplesmente com um grande número de bolsas cheias de gás que impedem a convecção em grande escala .

A alternância entre 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.

Vantagens e desvantagens dos reatores modulares pequenos

Pequenos reatores modulares são muito específicos. Seu tamanho e modularidade oferecem muitas vantagens. Por outro lado, apresentam algumas desvantagens, que devem ser levadas em consideração durante a tomada de decisão.

Possíveis vantagens

Segurança e proteção aprimoradas

A menor potência térmica do núcleo do reator, a arquitetura compacta e o emprego de conceitos passivos têm o potencial de aumentar a segurança em comparação com projetos anteriores e grandes reatores comerciais. Os sistemas de segurança passiva são um recurso de segurança muito importante no SMR. Portanto, há menos confiança em sistemas de segurança ativos e bombas adicionais, além de energia CA para mitigação de acidentes. Esses sistemas de segurança passiva são capazes de dissipar o calor mesmo após a perda de energia externa. O sistema de segurança incorpora um inventário de água no local que opera com forças naturais (por exemplo, circulação natural ). Na engenharia de reatores , a circulação natural é um fenômeno muito desejado, pois é capaz de fornecerresfriamento do núcleo do reator sem bombas de refrigerante, de modo que nenhuma parte móvel possa se quebrar.

Modularidade

Como foi escrito, o termo “ modular ” no contexto das SMRs refere-se à sua escalabilidade e à capacidade de fabricar os principais componentes do sistema de suprimento de vapor nuclear (NSSS) em um ambiente de fábrica e depois transportá-lo para o local. Isso pode ajudar a limitar a preparação no local e também reduzir o tempo de construção. Isso é muito importante, pois os longos tempos de construção são um dos principais problemas das unidades maiores. Além disso, a fabricação na fábrica e a conclusão de partes principais do sistema de fornecimento de vapor nuclear também podem facilitar a implementação de padrões de qualidade mais altos (por exemplo, inspeções de soldas).

Tempo e financiamento da construção

Tamanho, eficiência de construção e sistemas de segurança passiva (que exigem menos redundância) podem reduzir o investimento de capital de um proprietário de usina nuclear devido ao menor custo de capital da usina. A fabricação na fábrica dos principais componentes do sistema de fornecimento de vapor nuclear pode reduzir significativamente a preparação no local e também o tempo de construção. Por sua vez, isso pode levar a um financiamento mais fácil em comparação com o de fábricas maiores.

Possíveis desvantagens

Produção em larga escala

A maioria dos benefícios econômicos (especialmente o menor custo de capital) declarados é válida para a n-ésima unidade produzida. Para alcançar esses benefícios econômicos, é necessária a produção em larga escala de SMRs e pedidos iniciais para dezenas de unidades.

Licenciamento

Uma das barreiras muito importantes é o licenciamento de novos projetos de reatores. Por exemplo, ao regulamentar o projeto, localização, construção e operação de novas instalações comerciais de energia nuclear, o NRC atualmente emprega uma combinação de requisitos regulamentares, licenciamento e supervisão. Historicamente, o processo de licenciamento foi desenvolvido para grandes reatores comerciais. O processo de licenciamento para novos projetos de reatores é um processo demorado e caro.

Os projetos SMR incluem:

• Reatores de água leve
• Reatores de refrigeração a gás de alta temperatura
• Reatores de refrigeração por metal líquido

De acordo com seus promotores, sua escalabilidade, modularidade, design robusto e recursos de segurança aprimorados do SMR oferecem grandes vantagens sobre os grandes reatores comerciais. Deve-se notar que esse projeto de reator está atualmente (2018) na fase de desenvolvimento, no entanto, sua tecnologia é semelhante a reatores navais comprovados.

As SMRs têm potencial nos países em expansão para melhorar a segurança do fornecimento de energia e nos países embarcadores, que possuem infraestrutura inadequada ou sistema de rede menos estabelecido (não adequado para grandes reatores comerciais). No entanto, as SMRs têm potencial para se tornar uma parte essencial do mix de energia, mesmo em países desenvolvidos que frequentemente enfrentam problemas com a construção de grandes reatores comerciais.

Veja mais: AVANÇOS NOS PEQUENOS DESENVOLVIMENTOS DE TECNOLOGIA DE REATOR MODULAR, um complemento para ARIS, IAEA, 2014.

Vantagens e desvantagens dos reatores modulares pequenos

Pequenos reatores modulares são muito específicos. Seu tamanho e modularidade oferecem muitas vantagens. Por outro lado, apresentam algumas desvantagens, que devem ser levadas em consideração durante a tomada de decisão.

Possíveis vantagens

Segurança e proteção aprimoradas

Menor potência térmica do núcleo do reator, arquitetura compacta e emprego de conceitos passivos têm o potencial de aumentar a segurança em comparação com projetos anteriores e grandes reatores comerciais. Os sistemas de segurança passiva são um recurso de segurança muito importante no SMR. Portanto, há menos confiança em sistemas de segurança ativos e bombas adicionais, além de energia CA para mitigação de acidentes. Esses sistemas de segurança passiva são capazes de dissipar o calor mesmo após a perda de energia externa. O sistema de segurança incorpora um inventário de água no local que opera com forças naturais (por exemplo, circulação natural ). Na engenharia de reatores , a circulação natural é um fenômeno muito desejado, pois é capaz de fornecerresfriamento do núcleo do reator sem bombas de refrigerante, de modo que nenhuma parte móvel possa se quebrar.

Modularidade

Como foi escrito, o termo “ modular ” no contexto de SMRs refere-se à sua escalabilidade e à capacidade de fabricar os principais componentes do sistema de suprimento de vapor nuclear (NSSS) em um ambiente de fábrica e depois transportá-lo para o local. Isso pode ajudar a limitar a preparação no local e também reduzir o tempo de construção. Isso é muito importante, pois os longos tempos de construção são um dos principais problemas das unidades maiores. Além disso, a fabricação na fábrica e a conclusão de partes principais do sistema de fornecimento de vapor nuclear também podem facilitar a implementação de padrões de qualidade mais altos (por exemplo, inspeções de soldas).

Tempo e financiamento da construção

O tamanho, a eficiência da construção e os sistemas de segurança passiva (que exigem menos redundância) podem reduzir o investimento de capital de um proprietário de usina nuclear devido ao menor custo de capital da usina. A fabricação na fábrica dos principais componentes do sistema de fornecimento de vapor nuclear pode reduzir significativamente a preparação no local e também o tempo de construção. Por sua vez, isso pode levar a um financiamento mais fácil em comparação com o de fábricas maiores.

Possíveis desvantagens

Produção em larga escala

A maioria dos benefícios econômicos (especialmente o menor custo de capital) declarados são válidos para a n-ésima unidade produzida. Para alcançar esses benefícios econômicos, é necessária a produção em larga escala de SMRs e pedidos iniciais para dezenas de unidades.

Licenciamento

Uma das barreiras muito importantes é o licenciamento de novos projetos de reatores. Por exemplo, ao regulamentar o projeto, localização, construção e operação de novas instalações comerciais de energia nuclear, o NRC atualmente emprega uma combinação de requisitos regulamentares, licenciamento e supervisão. Historicamente, o processo de licenciamento foi desenvolvido para grandes reatores comerciais. O processo de licenciamento para novos projetos de reatores é um processo demorado e caro.

Aerogel

O aerogel é um material sólido ultraleve poroso sintético derivado de um gel, no qual o componente líquido do gel foi substituído por um gás (durante um processo de secagem supercrítica). Os aerogéis podem ser produzidos a partir de uma variedade de compostos químicos, mas o material base para o aerogel é geralmente o silício. Aerogel tem uma condutividade térmica muito baixa de 0,013 W / m K ∙ . Sua densidade também é muito baixa, cerca de 150 kg / m ³ . Estas são propriedades isolantes térmicas notáveis. Deve-se observar que os aerogéis podem ter uma condutividade térmica mais baixa do que a do gás (o ar tem cerca de 0,025 W / m) K) que eles contêm. Isso é causado pelo efeito Knudsen, uma redução da condutividade térmica dos gases quando o tamanho da cavidade que envolve o gás se torna comparável ao caminho livre médio .

Condutividade térmica de aerogel

Condutividade térmica é definida como a quantidade de calor (em watts) transferida através de uma área quadrada de material de determinada espessura (em metros) devido a uma diferença de temperatura . Quanto menor a condutividade térmica do material, maior a capacidade do material de resistir à transferência de calor e, portanto, maior a eficácia do isolamento. Os valores típicos de condutividade térmica para os aerogéis  são em torno de  0.013W / m ∙ K .

Em geral, o isolamento térmico é baseado 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, aerogel) funcionam simplesmente com um grande número de bolsas cheias de gás que impedem a convecção em grande escala .

A alternância entre 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.

Exemplo – aerogel

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 aerogel 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 / 0,013 + 1/30) = 0,125 W / m ² K

O fluxo de calor pode ser calculado simplesmente como:

q = 0,125 [W / m ² K] x 30 [K] = 3,76 W / m ²

A perda total de calor através desta parede será:

q _perda = q. A = 3,76 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 113 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 – Vidro Espuma

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 especialmente 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 espuma de vidro de  10 cm de espessura (L ₂ ) com a condutividade térmica de k ₂ = 0,04 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 / 0,040 + 1/30) = 0,359 W / m ² K

O fluxo de calor pode ser calculado simplesmente como:

q = 0,359 [W / m ² K] x 30 [K] = 10,78 W / m ²

A perda total de calor através desta parede será:

q _perda = q. A = 10,78 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 323 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.

Condutividade térmica do vidro de espuma

Condutividade térmica é definida como a quantidade de calor (em watts) transferida através de uma área quadrada de material de determinada espessura (em metros) devido a uma diferença de temperatura . Quanto menor a condutividade térmica do material, maior a capacidade do material de resistir à transferência de calor e, portanto, maior a eficácia do isolamento. Os valores típicos de condutividade térmica para espuma de vidro  são entre 0,038 e 0.055W / m ∙ K .

Em geral, o isolamento térmico é baseado 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, vidro de espuma ) funcionam simplesmente com um grande número de bolsas cheias de gás que impedem a convecção em grande escala .

A alternância entre 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.

Vidro da espuma – vidro celular

O vidro celular ( vidro de espuma ) é um material de espuma de vidro, formado a partir de uma reação entre vidro e carbono a altas temperaturas. O vidro de espuma tem uma estrutura celular e é impermeável. Possui boas propriedades térmicas e, portanto, pode ser utilizado um isolamento térmico. Sua alta impermeabilidade o torna ideal como barreira contra a umidade do solo. Como o vidro de espuma é inteiramente feito de materiais inorgânicos, ele não é inflamável. O vidro de espuma também possui alta resistência à compressão, o que torna o material muito adequado para o isolamento de telhados planos, cobertos com betume de outras substâncias pesadas. Por outro lado, o vidro de espuma não é adequado para o isolamento de pisos de madeira, devido à sua alta impermeabilidade.

Condutividade térmica do vidro de espuma

Condutividade térmica é definida como a quantidade de calor (em watts) transferida através de uma área quadrada de material de determinada espessura (em metros) devido a uma diferença de temperatura . Quanto menor a condutividade térmica do material, maior a capacidade do material de resistir à transferência de calor e, portanto, maior a eficácia do isolamento. Os valores típicos de condutividade térmica para espuma de vidro  são entre 0,038 e 0.055W / m ∙ K .

Em geral, o isolamento térmico é baseado 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, vidro de espuma ) funcionam simplesmente com um grande número de bolsas cheias de gás que impedem a convecção em grande escala .

A alternância entre 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.

Exemplo – Vidro Espuma

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 espuma de vidro de  10 cm de espessura (L ₂ ) com a condutividade térmica de k ₂ = 0,04 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 / 0,040 + 1/30) = 0,359 W / m ² K

O fluxo de calor pode ser calculado simplesmente como:

q = 0,359 [W / m ² K] x 30 [K] = 10,78 W / m ²

A perda total de calor através desta parede será:

q _perda = q. A = 10,78 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 323 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.