O que é espessura crítica de isolamento – raio crítico – definição

Espessura crítica do isolamento – raio crítico

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.

Como pode ser visto, se r ₁ <r _cr , como neste caso, a resistência total diminui e a taxa de calor aumenta com a adição de isolamento. Essa tendência continua até que o raio externo do isolamento corresponda ao raio crítico, onde a taxa de calor atinge o máximo. Essa tendência é desejável para o resfriamento de um fio elétrico, uma vez que a adição de isolamento elétrico ajudaria na transferência de calor dissipado no fio para os arredores. Por outro lado, qualquer adição adicional de material (além de r _cr ) aumentaria a resistência total e, portanto, diminuiria a perda de calor. Esse comportamento seria desejável para o isolamento de tubos, onde o isolamento é adicionado para reduzir a perda de calor no ambiente.

Exemplo – Espessura crítica do isolamento

Suponha um tubo de aço de r ₁ = 10 mm, exposto a convecção natural a h = 50 W / m ² .K. Este tubo é isolado por material de condutividade térmica k = 0,5 W / mK Determine a espessura crítica desta combinação:

Portanto, r _cr > r ₁ e a transferência de calor aumentam com a adição de isolamento até uma espessura de r _cr – r ₁ = (0,010 – 0,005) m = 0,005 m

Espessura crítica do isolamento – coordenadas esféricas

Pode ser demonstrado de maneira semelhante que o raio crítico de isolamento para uma carcaça esférica é: