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Calcolatore per il Coefficiente di Scambio Termico

Created by Rahul Dhari
Reviewed by Steven Wooding
Translated by Rangsimatiti Binda Saichompoo and Sara Naouar
Last updated: Apr 30, 2024


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.

Propagazione del calore per conduzione e convezione in una parete.
Propagazione del calore per conduzione e convezione in una parete.

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.

🙋 Se non sai cosa sia la conduttività termica o come calcolarla, puoi consultare il calcolatore per la conduttività termica 🇺🇸 di Omni per saperne di più su questo argomento!

Coefficiente complessivo di scambio termico — Concetto di resistenza termica

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 W/m2K\text{W/m}^2\text{K} o BTU/(hFft2)\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:

1Ut=1Ai=1nLiki\quad \frac{1}{U_t} = \frac{1}{A} \sum_{i=1}^{n} \frac{L_i}{k_i}

dove:

  • UtU_tCoefficiente di propagazione del calore;
  • AArea di contatto;
  • LSpessore dello strato na\text{n}^\text{a}; e
  • kConduttività termica del materiale dello strato.

Lo sapevi?
Più basso è il valore del coefficiente di scambio termico, migliore sarà l'isolamento fornito dalla struttura e viceversa.

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:

I=V1V2Re\quad I = \frac{V_1 - V_2}{R_e}

dove:

  • IICorrente;
  • V1V2V_1 - V_2Differenza di voltaggio; e
  • ReR_eResistenza.

In questo caso, la corrente è la velocità di scambio termico, QQ, mentre il voltaggio è la differenza di temperatura, T1T2T_1 - T_2. La resistenza elettrica corrisponde alla resistenza termica RtR_t (controlla legge di Ohm). Pertanto, l'equazione della resistenza termica diventa:

Q=T1T2Rt\quad Q = \frac{T_1 - T_2}{R_t}

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:

Rt=1Ut=Lk\quad R_t = \frac{1}{U_t} = \frac{L}{k}

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

Rt=1Ai=1nLiki\quad R_t = \frac{1}{A} \sum_{i=1}^{n} \frac{L_i}{k_i}
Concetto di resistenza termica per la trasmissione del calore attraverso le pareti.
Concetto di resistenza termica per la trasmissione del calore attraverso le pareti.

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 hh viene utilizzato per determinare la resistenza convettiva del mezzo. In questo modo:

Rconv=1hA\quad R_\text{conv} = \frac{1}{hA}

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

R=1U=1A[1hi+i=1nLiki+1he]\quad\footnotesize R = \frac{1}{U} = \frac{1}{A} \left [ \frac{1}{h_i} + \sum_{i=1}^{n} \frac{L_i}{k_i} + \frac{1}{h_e}\right ]

dove:

  • hih_iCoefficiente di scambio termico convettivo del fluido, superficie interna; e
  • heh_eCoefficiente 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 W/m2K\text{W/m}^2\cdot\text{K} o BTU/(hFft2)\text{BTU/(h}\cdot^\circ\text{F}\cdot\text{ft}^2).

💡 Se vuoi saperne di più sui calcoli di trasmissione del calore applicati agli scambiatori di calore, visita il calcolatore di DTML 🇺🇸 o il calcolatore per l'efficacia NTU 🇺🇸.

Come calcolare il coefficiente di scambio termico o coefficiente del film

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, AA;
  3. Inserisci lo spessore iniziale della parete, L0L_0;
  4. Inserisci la conduttività termica del materiale della parete, k0k_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.

Strutture impilate
Puoi usare questo strumento per trovare il coefficiente di scambio termico e la resistenza termica di una struttura impilando fino a 11 strati.

Esempio: Utilizzo del calcolatore del coefficiente di scambio termico

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 m21,\!2 \ \text{m}^2. Utilizza le seguenti proprietà:

  • Coefficiente di scambio termico convettivo dell'aria, interno hi=10 W/m2Kh_i = 10 \text{ W/m}^2\cdot\text{K};
  • Coefficiente di scambio termico dell'aria, esterno ho=40 W/m2Kh_o = 40 \text{ W/m}^2\cdot\text{K};
  • Conduttività termica dell'aria, kair=0, ⁣026 W/mKk_{air} = 0,\!026 \text{ W/m}\cdot\text{K}; e
  • Conduttività termica del vetro, kglass=0, ⁣78 W/mKk_{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 m2A = 1,\!2 \text{ m}^2;
  3. Inserisci il coefficiente di scambio termico convettivo per la superficie interna, hi=10 W/m2Kh_i = 10 \text{ W/m}^2\cdot\text{K};
  4. Inserisci i dettagli dello strato iniziale come L0=2 mmL_0 = 2 \text{ mm} e k0=0, ⁣78 W/mKk_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 L1=5 mmL_1 = 5 \text{ mm} e k1=0, ⁣026 W/mKk_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 L2=2 mmL_2 = 2 \text{ mm} e k2=0, ⁣78 W/mKk_2 = 0,\!78\text{ W/m}\cdot\text{K};
  9. Inserisci il coefficiente di scambio termico convettivo per la superficie esterna, ho=40 W/m2Kh_o = 40 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}; e
  10. Utilizza il calcolatore per la resistenza termica:
R=1A[1hi+L0k0+L1k1+L2k2+1ho]R=11,2[110+0,0020,78+0,0050,026+0,0020,78+140]R=0,2687 °C/W\quad \scriptsize \begin{align*} R &= \frac{1}{A} \left [ \frac{1}{h_i} + \frac{L_0}{k_0} + \frac{L_1}{k_1}+ \frac{L_2}{k_2} + \frac{1}{h_o}\right ] \\\\ R &= \frac{1}{1,\!2} \Big [ \frac{1}{10} + \frac{0,\!002}{0,\!78} + \frac{0,\!005}{0,\!026}+ \frac{0,\!002}{0,\!78} \\ &\qquad \quad+ \frac{1}{40}\Big ] \\\\ R &= 0,\!2687 \ \text{°C/W} \end{align*}
  1. Il coefficiente di scambio termico complessivo è:
  U=1R=10,2687=3,722 W/m2K\quad \ \ \scriptsize U = \frac{1}{R} = \frac{1}{0,\!2687} = 3,\!722 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}

FAQ

Che cos'è il coefficiente di scambio termico?

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.

Come si calcola il coefficiente di scambio termico?

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.

Che cos'è la resistenza termica?

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.

Come si calcola la resistenza termica?

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.

Rahul Dhari
Mode
Conduction only
Wall heat conduction only
Area
ft²
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❎ Remove
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Initial thickness
Material
Custom
Thickness (L0)
in
Thermal conductivity (k0)
BTU/(h·ft·°F)
Result
Overall heat transfer coefficient (U)
BTU/(h·ft²·°F)
Thermal resistance (Rt)
°F/W
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