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Definizione di conduzione di calore

Che cos’è la conduzione di calore ? A cosa serve la conduzione del calore ?

Un materiale sottoposto a un differenziale di temperatura condurrà calore, cioè energia, dall’alta temperatura all’area a bassa temperatura. La comprensione di conduzione attraverso un materiale e di essere in grado di calcolare il flusso di calore attraverso una parete o un tubo, per esempio, è la chiave per eseguire equilibri di calore e di essere in grado di eseguire i seguenti calcoli di progettazione :

• la progettazione degli edifici : calcolo del flusso di calore attraverso le pareti, il calcolo della richiesta di isolamento per la costruzione di efficienza energetica / risparmio energetico in modo che il calore guadagno o la perdita di calore è ottimizzato, design speciale caldo / call room
• scambiatore di Calore di progettazione : calcolo del flusso di calore attraverso i tubi per dimensionare scambiatori di calore a guscio di tubo, scambiatore di calore a piastre… per il servizio di processo

Il flusso di calore può essere calcolato sia per le applicazioni di raffreddamento che di riscaldamento.

Ogni materiale è caratterizzato da una capacità di condurre il calore. È tradotto in un coefficiente di conducibilità termica comunemente noto λ . Bisogna stare attenti in quanto λ può variare molto da un materiale all’altro e può anche variare con la temperatura. Quando la conduzione del calore è una priorità, come nella progettazione dello scambiatore di calore, λ deve essere alta, mentre quando l’isolamento è una priorità, come la progettazione di un edificio o di tubi isolanti tra le unità di processo, λ deve essere bassa. È anche possibile associare materiali diversi, soprattutto nelle applicazioni di isolamento, al fine di raggiungere un target λ ottimizzando costi e larghezza degli strati di materiale.

Figura 1 : Flusso di calore attraverso una parete piana di un materiale di conducibilità λ

Conduzione di calore attraverso una parete

Come calcolare la conduzione di calore attraverso una parete ?

La conduzione attraverso un muro può essere espressa semplicemente. La conduzione sarà più alta se la conduttività termica del materiale è più alta e il suo spessore è basso. Al contrario, se si cerca l’isolamento, la conduzione sarà inferiore se la conduttività termica del materiale è bassa e lo spessore della parete è grande.

Il calore trasferito per conduzione attraverso la parete può essere espresso nel modo seguente :

Q = U. A. ΔT

Con:

Q = calore trasferito in W
U = coefficiente di trasferimento termico complessivo in W / m2.°c
A = trasferimento di calore area in m2
∆ T = differenza di temperatura su ogni superficie della parete in °c

Il flusso di calore, che è il calore trasferito espressa in funzione della superficie di scambio, può essere calcolato nel modo seguente :

Φ = Q/A = U. ∆ T

Con :

Φ = flusso di calore in W/m2
Q = calore ceduto in W
U = coefficiente di trasmittanza termica in W/m2.°c
A = trasferimento di calore area in m2
∆ T = differenza di temperatura su ogni superficie della parete in °c

Nel caso di un semplice muro, monomaterial, in generale il trasferimento di calore può essere espressa da :

U = 1/R = 1/(e/λ)

Con :

U = coefficiente di trasmittanza termica in W/m2.°c
R = resistenza al trasferimento di calore in m2.°c / W
e = spessore della parete in m
λ = conducibilità termica del materiale in W / m.°c

Per una singola parete monomateriale, le espressioni possono quindi essere riassunte come :

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

Con :

Tskin1 = temperatura della superficie della parete 1 °c
Tskin2 = temperatura della superficie della parete 2 °c

Esempio di conduzione di calore attraverso una parete : in estate, il proprietario di una casa fatta solo di muri di mattoni vuole conoscere il riscaldamento a trasmettere attraverso il muro della sua casa, in modo che egli può decidere se ha bisogno di isolare termicamente per il risparmio energetico. I mattoni hanno una conduttività di 0,8 W/m / K e sono larghi 15 cm. Il muro è lungo 6 m per 3 m di altezza. Misura 35 gradi sulla superficie esterna e 22 gradi sulla superficie del muro interno.

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

Q = Φ * A = 69.3*6*3 = 1248 W = 1.2 kW

Conduzione del calore attraverso una parete composita

Come isolare una parete con uno strato di materiale a bassa conducibilità termica ?

In molti casi, specialmente quando si cerca l’isolamento, il muro non è fatto di un singolo materiale, ma di diversi strati di materiali con proprietà diverse. È un muro composito. È quindi comune avere un materiale che sta portando il bisogno strutturale del muro e un materiale che fornisce un isolamento.

per il semplice geometria del piano – parallels pareti, le espressioni sviluppato per il semplice muro sono conservate, solo la resistenza globale del composito parete devono essere ricalcolati per tener conto della resistenza dei singoli strati. Nel caso di pareti composite, tali resistenze sono additivi.

Considerando una parete composta da n strati di spessore ei e conducibilità λi, la resistenza totale della parete composita sarà :