Calcolatore per il Coefficiente di Scambio Termico

Questo calcolatore per il coefficiente di scambio termico ti aiuterà a determinare il coefficiente globale di trasferimento del calore o coefficiente della pellicola. Questo parametro è fondamentale per la maggior parte dei calcoli di propagazione del calore e isolamento termico, soprattutto per le pareti degli edifici. Ad esempio, se un progettista desidera ridurre la propagazione del calore attraverso una parete o uno scambiatore di calore, aggiunge diversi strati di isolamento.

Questo strumento utilizza l'equazione del coefficiente di scambio termico e ti dà la possibilità di aggiungere fino a 10 strati alla tua parete e di restituire la resistenza termica e il coefficiente di scambio termico complessivo per la struttura impilata.

Il coefficiente di scambio termico è una funzione dello spessore della parete, della conduttività termica e dell'area di contatto della parete. Lo strumento considera la convezione libera su entrambi i lati della parete durante l'esecuzione dei calcoli. Esistono anche diversi tipi di convezione e geometrie di flusso che utilizzano il numero di Nusselt. Continua a leggere per capire cos'è il coefficiente di scambio termico e come si utilizza la formula del coefficiente di scambio termico.

Cos'è il coefficiente di scambio termico? — È una misura di quanto una parete o una struttura conduca bene il calore. In altre parole, il rapporto tra la propagazione del calore per unità di superficie e la differenza di temperatura. Questo rapporto è il valore combinato di tutti gli strati della struttura. Si misura in $\text{W/m}^2\text{K}$ o $\text{BTU/(h}\cdot^\circ\text{F}\cdot\text{ft}^2)$. La formula del coefficiente di scambio termico considerando n strati in una struttura è:

dove:

• $U_t$ — Coefficiente di propagazione del calore;
• A — Area di contatto;
• L — Spessore dello strato $\text{n}^\text{a}$; e
• k — Conduttività termica del materiale dello strato.

Concetto di resistenza termica — È la resistenza di un materiale al flusso di calore o conduttività. In altre parole, la resistenza termica è il rapporto tra la differenza di temperatura e il calore condotto attraverso un mezzo. È analoga alla legge di Ohm, che è:

dove:

• $I$ — Corrente;
• $V_1 - V_2$ — Differenza di voltaggio; e
• $R_e$ — Resistenza.

In questo caso, la corrente è la velocità di scambio termico, $Q$, mentre il voltaggio è la differenza di temperatura, $T_1 - T_2$. La resistenza elettrica corrisponde alla resistenza termica $R_t$ (controlla legge di Ohm). Pertanto, l'equazione della resistenza termica diventa:

Le unità di misura della resistenza termica sono K/W o °C/W. È inoltre possibile mettere in relazione la resistenza termica con il coefficiente di scambio termico complessivo come:

Per diversi strati impilati uno dopo l'altro, l'equazione della resistenza termica è:

Il caso precedente si applica alla sola conduzione. Tuttavia, quando le superfici interne ed esterne delle pareti sono esposte all'aria o ad altri fluidi, è necessario considerare un altro fattore. In questo caso, il coefficiente di scambio termico convettivo $h$ viene utilizzato per determinare la resistenza convettiva del mezzo. In questo modo:

Per trovare il coefficiente di scambio termico complessivo, aggiungiamo la resistenza convettiva alla resistenza conduttiva, $R_t$:

dove:

• $h_i$ — Coefficiente di scambio termico convettivo del fluido, superficie interna; e
• $h_e$ — Coefficiente di scambio termico convettivo del fluido, superficie esterna.

Le unità di misura del coefficiente di trasferimento termico convettivo sono uguali a quelle del coefficiente di scambio termico, ovvero $\text{W/m}^2\cdot\text{K}$ o $\text{BTU/(h}\cdot^\circ\text{F}\cdot\text{ft}^2)$.

Il calcolatore ha "due modalità":

1. Solo per la conduttività; e
2. Conduzione con conduttività su entrambi i lati.

Inoltre, inizia con un singolo strato di materiale, sul quale puoi impilare o rimuovere strati utilizzando il pulsante aggiungi o rimuovi.

Per trovare il coefficiente di scambio termico e la resistenza termica complessiva:

1. Seleziona la modalità di propagazione del calore, ad esempio solo conduttività;
2. Inserisci l'area di contatto, $A$;
3. Inserisci lo spessore iniziale della parete, $L_0$;
4. Inserisci la conduttività termica del materiale della parete, $k_0$;
5. Aggiungi altri strati utilizzando il pulsante Aggiungi a tuo piacimento;
6. Ripeti i passaggi 3 e 4 per tutti gli strati; e
7. Il calcolatore fornisce la resistenza termica e il coefficiente di scambio termico complessivo in base alla configurazione.

Trova il coefficiente di scambio termico complessivo di una finestra con due strati di vetro di 2 mm di spessore e uno spazio di 5 mm riempito d'aria nel mezzo. Consideriamo l'area di contatto come $1,\!2 \ \text{m}^2$. Utilizza le seguenti proprietà:

• Coefficiente di scambio termico convettivo dell'aria, interno $h_i = 10 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}$;
• Coefficiente di scambio termico dell'aria, esterno $h_o = 40 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}$;
• Conduttività termica dell'aria, $k_{air} = 0,\!026 \text{ W/m}\cdot\text{K}$; e
• Conduttività termica del vetro, $k_{glass} = 0,\!78 \text{ W/m}\cdot\text{K}$.

Per trovare la resistenza termica e il coefficiente di scambio termico complessivo:

1. Seleziona la modalità di scambio termico, conduzione e conduttività (su entrambi i lati);
2. Inserisci l'area di contatto, $A = 1,\!2 \text{ m}^2$;
3. Inserisci il coefficiente di scambio termico convettivo per la superficie interna, $h_i = 10 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}$;
4. Inserisci i dettagli dello strato iniziale come $L_0 = 2 \text{ mm}$ e $k_0 = 0,\!78\text{ W/m}\cdot\text{K}$;
5. Usa il pulsante Aggiungi per inserire un secondo strato;
6. Inserisci le proprietà del secondo livello come $L_1 = 5 \text{ mm}$ e $k_1 = 0,\!026\text{ W/m}\cdot\text{K}$;
7. Usa il pulsante Aggiungi per inserire un terzo livello;
8. Inserisci le proprietà del terzo livello come $L_2 = 2 \text{ mm}$ e $k_2 = 0,\!78\text{ W/m}\cdot\text{K}$;
9. Inserisci il coefficiente di scambio termico convettivo per la superficie esterna, $h_o = 40 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}$; e
10. Utilizza il calcolatore per la resistenza termica:

11. Il coefficiente di scambio termico complessivo è:

È il rapporto tra il flusso di calore attraverso un'unità di superficie e la differenza di temperatura. Il coefficiente di scambio termico misura la capacità di una struttura di condurre il calore. Se il valore di questa costante di proporzionalità è basso, significa che il materiale è un isolante migliore.

Per calcolare il coefficiente di scambio termico:

1. Dividi lo spessore del primo strato con la conduttività termica del mezzo;
2. Ripeti il passaggio precedente per tutti gli strati e aggiungili;
3. Trova il reciproco dello scambio termico convettivo per la superficie interna e aggiungilo alla somma;
4. Trova il reciproco dello scambio termico convettivo per la superficie esterna e aggiungilo alla somma; e
5. Trova il reciproco del risultato per ottenere il coefficiente di scambio termico.

La resistenza termica è la resistenza offerta dal mezzo contro il flusso di calore che lo attraversa. La resistenza termica è anche il reciproco del coefficiente di scambio termico complessivo. È auspicabile per i materiali isolanti come il cotone e la lana, mentre è indesiderabile per i conduttori.

Per calcolare la resistenza termica:

1. Dividi lo spessore del primo strato con la conduttività termica del mezzo;
2. Ripeti il passaggio precedente per tutti gli strati e aggiungili;
3. Trova il reciproco dello scambio termico convettivo per la superficie interna e aggiungilo alla somma; e
4. Trova il reciproco dello scambio termico convettivo per la superficie esterna e aggiungilo alla somma per ottenere la resistenza termica.

In alternativa, puoi trovare il reciproco del coefficiente di scambio termico complessivo per trovare la resistenza termica.