Propriedades dos materiais de isolamento
O isolamento térmico é baseado no uso de substâncias com baixa condutividade térmica e baixa emissividade superficial. É importante observar que os fatores que influenciam o desempenho podem variar ao longo do tempo, à medida que a idade do material ou as condições ambientais mudam. As principais propriedades dos materiais de isolamento são:
- Condutividade térmica . A condutividade térmica, medida em W / mK, descreve como um material conduz o calor. Observe que a lei de Fourieraplica-se a toda matéria, independentemente de seu estado (sólido, líquido ou gás); portanto, também é definida para líquidos e gases. É 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. Em geral, os gases têm baixa condutividade térmica (por exemplo, o ar tem 0,025 W / mK), enquanto os metais têm valores altos (por exemplo, o cobre tem 400 W / mK). Os isolantes comumente usados tendem a ter uma condutividade térmica entre 0,019 W / mK e 0,046 W / mK.
- Valor R – Resistência térmica . O valor R (fator de isolamento térmico) é uma medida de resistência térmica. Quanto maior o valor R, maior a eficácia do isolamento. A isolação térmica possui as unidades [(m 2 .K) / W] em unidades SI ou [(pés 2 ° F · h) / Btu] em unidades imperiais. É a resistência térmica da área unitária de um material. O valor R depende do tipo de isolamento, sua espessura e densidade. É necessária uma diferença de área e temperatura para resolver o calor transferido. A indústria da construção utiliza unidades como o valor R (resistência), que é expressa como a espessura do material normalizado para a condutividade térmica e, em condições uniformes, é a razão da diferença de temperatura entre um isolador e a densidade do fluxo de calor através dele: R (x) = ∆T / q. Quanto maior o valor R, mais um material impede a transferência de calor. Como pode ser visto, a resistência depende da espessura do produto.
- Valor U – transmitância térmica . A transmitância térmica descreve como o material conduz o calor. A transmitância térmica é o inverso do valor R (ou seja, 1 / R) e quanto menor o valor U, melhor o isolamento. O valor U é definido por uma expressão análoga à lei do resfriamento de Newton.
- Emissividade de superfície . Como foi escrito, a transferência de calor através de qualquer um desses sistemas de isolamento pode incluir vários modos: condução através dos materiais sólidos, condução ou convecção através do ar nos espaços vazios e troca de radiação entre as superfícies da matriz sólida. Portanto, 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 emissividade é simplesmente um fator pelo qual multiplicamos a transferência de calor do corpo negro para levar em conta que o corpo negro é o caso ideal. 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 ).
- Resistência ao fogo . Os materiais de isolamento térmico devem ter uma classificação de resistência ao fogo. Essa classificação é importante porque pode ter influência na aplicação de materiais isolantes. Normalmente, a classificação de resistência ao fogo é seguida como um limite de tempo nos minutos 15, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240 ou 360, que mostra o tempo em que os critérios de desempenho são cumpridos durante um teste de fogo padronizado.
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 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.).
- 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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