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Definición de conducción de calor

¿Qué es la conducción de calor ? ¿Para qué se utiliza la conducción de calor ?

Un material sometido a un diferencial de temperatura conducirá calor, es decir, energía, desde el área de alta temperatura al área de baja temperatura. Comprender la conducción a través de un material y poder calcular el flujo de calor a través de una pared o un tubo, por ejemplo, es clave para realizar balances de calor y poder realizar los siguientes cálculos de diseño:

• Diseño de edificios: cálculo del flujo de calor a través de las paredes, cálculo del aislamiento requerido para la eficiencia energética / ahorro de energía del edificio para optimizar la ganancia o pérdida de calor, diseño de una sala de llamadas / calor especial
• Diseño de intercambiador de calor : cálculo del flujo de calor a través de tuberías para dimensionar intercambiadores de calor de carcasa de tubo, intercambiador de calor de placas… para el servicio de proceso

El flujo de calor se puede calcular tanto para aplicaciones de refrigeración como de calefacción.

Cada material se caracteriza por su capacidad de conducir calor. Se traduce en un coeficiente de conductividad térmica comúnmente observado λ . Hay que tener cuidado, ya que λ puede variar mucho de un material a otro y también puede variar con la temperatura. Cuando la conducción de calor es una prioridad, como en el diseño del intercambiador de calor, λ debe ser alta, mientras que cuando el aislamiento es una prioridad, como el diseño de un edificio o tuberías aislantes entre unidades de proceso, λ debe ser baja. También es posible asociar diferentes materiales, especialmente en aplicaciones de aislamiento, para alcanzar un objetivo λ mientras se optimiza el costo y el ancho de las capas de material.

Figura 1 : Flujo de calor a través de una pared plana de un material de conductividad λ

Conducción de calor a través de una pared

¿Cómo calcular la conducción de calor a través de una pared ?

La conducción a través de una pared se puede expresar simplemente. La conducción será mayor si la conductividad térmica del material es mayor y su espesor es bajo. Por el contrario, si se busca aislamiento, la conducción será menor si la conductividad térmica del material es baja y el grosor de la pared es grande.

El calor transferido por conducción a través de la pared se puede expresar de la siguiente manera :

Q = U. A. ΔT

Con:

Q = calor transferido en W
U = coeficiente de transferencia de calor total en W / m2.°c
A = área de transferencia de calor en m2
ΔT = diferencia de temperatura en cada superficie de la pared en °c

El flujo de calor, que es el calor transferido expresado en función del área de intercambio de calor, se puede calcular de la siguiente manera :

Φ = Q/A = U. ΔT

Con :

Φ = flujo de calor en W/m2
Q = calor transferido en W
U = coeficiente de transferencia de calor total en W/m2.°c
A = área de transferencia de calor en m2
ΔT = diferencia de temperatura en cada superficie de la pared en °c

En el caso de una pared simple, monomaterial, la transferencia de calor total se puede expresar mediante :

U = 1/R = 1/(e/λ)

Con :

U = coeficiente de transferencia de calor total en W/m2.°c
R = resistencia a la transferencia de calor en m2.°c / W
e = espesor de pared en m
λ = conductividad térmica del material en W / m.°c

Para una sola pared monomaterial, las expresiones se pueden resumir como :

Φ = Q/A = (Tskin1-Tskin2)/R = (Tskin1-Tskin2)/(e/λ)

Con :

Tskin1 = temperatura en la superficie de la pared 1 in °c
Tskin2 = temperatura en la superficie de la pared 2 in °c

Ejemplo de conducción de calor a través de una pared : en verano, el propietario de una casa hecha solo de paredes de ladrillo quiere saber la calefacción que se transmite a través de la pared de su casa, para que pueda decidir si necesita aislar para ahorrar energía. Los ladrillos tienen una conductividad de 0,8 W / m / K y tienen 15 cm de ancho. La pared mide 6 m de largo por 3 m de alto. Mide 35 grados en la superficie exterior y 22 grados en la superficie de la pared interior.

Φ = Q/A = (Tskin1-Tskin2)/R = (Tskin1-Tskin2)/(e / λ) = (35-22)/(0.15/0.8) = 69.3 Con m2.°c

Q = Φ*A = 69.3*6*3 = 1248 W = 1.2 kW

Conducción de calor a través de una pared compuesta

¿Cómo aislar una pared con una capa de material de baja conductividad térmica ?

En muchos casos, especialmente cuando se busca aislamiento, la pared no está hecha de un solo material, sino de varias capas de materiales que tienen propiedades diferentes. Es una pared compuesta. Entonces es común tener un material que está trayendo la necesidad estructural de la pared, y un material que está proporcionando un aislamiento.

Debido a la geometría simple de las paredes paralelas planas, se conservan las expresiones desarrolladas para la pared simple, solo se debe recalcular la resistencia global de la pared compuesta para tener en cuenta la resistencia de las capas individuales. En el caso de paredes compuestas, esas resistencias son aditivas.

Considerando una pared hecha de n capas de espesor ei y conductividad λi, la resistencia total de la pared compuesta será :