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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