Calculadora de Coeficiente de Transferência de Calor

A calculadora de coeficiente de transferência de calor da Omni ajudará você a determinar o coeficiente geral de transferência de calor ou coeficiente de película. Esse parâmetro é vital para a maioria dos cálculos de transferência de calor e isolamento, especialmente para paredes de edifícios. Por exemplo, se um projetista deseja reduzir a transferência de calor por meio de uma parede de construção ou de um sistema de refrigeração, ele adiciona várias camadas de isolamento. Saiba mais sobre o conceito de isolamento térmico com a calculadora de isolamento da Omni.

Essa ferramenta usa a equação do coeficiente de transferência de calor, dando a você a opção de adicionar até 10 camadas à parede e retornando a resistência térmica e o coeficiente geral de transferência de calor para a estrutura considerada.

O coeficiente de transferência de calor é uma função da espessura, da condutividade térmica e da área de contato da parede. A ferramenta considera a convecção livre em ambos os lados da parede ao realizar os cálculos. Também existem diferentes tipos de convecção e geometrias de fluxo usando o número de Nusselt. Continue lendo para entender o que é o coeficiente de transferência de calor e como usar a fórmula do coeficiente de transferência de calor.

O que é coeficiente de transferência de calor? É uma medida de quão bem uma parede ou estrutura conduz o calor. Em outras palavras, a razão de transferência de calor por unidade de área e diferença de temperatura. Essa proporção é o valor combinado de todas as camadas da estrutura. É medida em $\text{W/m}^2\text{K}$ ou $\text{BTU/(h}\cdot^\circ\text{F}\cdot\text{ft}^2)$. A fórmula do coeficiente de transferência de calor considerando n camadas em uma estrutura é:

onde:

• $U_t$: coeficiente de transferência de calor;
• A: área de contato;
• L: espessura da camada $\text{n}\text{-ésima}$; e
• k: condutividade térmica do material da camada.

Conceito de resistência térmica: a resistência térmica é a resistência de um material contra fluxo de calor ou condutância. Em outras palavras, a resistência térmica é a relação entre a diferença de temperatura e o calor conduzido por um meio. Ela é análoga à lei de Ohm (verifique nossa calculadora da lei de Ohm), que tem a forma:

onde:

• $I$: corrente;
• $V_1 - V_2$: diferença de tensão; e
• $R_e$: resistência.

Aqui, a corrente faz o papel da taxa de transferência de calor, $Q$, sendo a diferença de tensão equivalente à diferença de temperatura, $T_1 - T_2$. Já a resistência elétrica corresponde à resistência térmica $R_t$. Portanto, a equação da resistência térmica se torna:

As unidades de resistência térmica são K/W ou °C/W. Você também pode relacionar a resistência térmica com o coeficiente geral de transferência de calor da seguinte forma:

Para várias camadas empilhadas uma após a outra, a equação da resistência térmica é:

O caso acima se aplica somente à condução. Entretanto, quando as superfícies interna e externa das paredes são expostas ao ar ou a qualquer outro fluido, outro fator precisa ser considerado. Nesse caso, o coeficiente de transferência de calor convectivo $h$ é usado para determinar a resistência convectiva do meio. Dessa forma:

Para descobrir o coeficiente geral de transferência de calor, adicionamos a resistência convectiva à resistência condutiva, $R_t$:

onde:

• $h_i$: coeficiente de transferência de calor por convecção do fluido, superfície interna; e
• $h_o$: coeficiente de transferência de calor por convecção do fluido, superfície externa.

As unidades do coeficiente de transferência de calor por convecção são as mesmas do coeficiente de transferência de calor, ou seja, $\text{W/m}^2\cdot\text{K}$ ou $\text{BTU/(h}\cdot^\circ\text{F}\cdot\text{ft}^2)$.

A calculadora tem dois modos:

1. Somente condução; e
2. Condução com convecção em ambos os lados.

Além disso, ela começa com uma única camada de material, na qual você pode empilhar ou remover camadas usando os botões Adicionar, ou Remover.

Para que você encontre o coeficiente geral de transferência de calor e a resistência térmica:

1. Selecione o modo de transferência de calor, por exemplo, Somente Condução.
2. Digite a área de contato, $A$.
3. Insira a espessura inicial da parede, $L_0$.
4. Preencha a condutividade térmica do material da parede, $k_0$.
5. Adicione mais camadas usando o botão Adicionar quando você quiser.
6. Repita as etapas 3 e 4 para todas as camadas.
7. A calculadora fornece a resistência térmica e o coeficiente geral de transferência de calor de acordo com a configuração.

Encontre o coeficiente geral de transferência de calor de uma janela com duas camadas de vidro de 2 mm de espessura e um espaço de 5 mm preenchido com ar entre elas. Considere a área de contato como $1,\!2 \ \text{m}^2$. Use as seguintes propriedades:

• Coeficiente de transferência de calor por convecção do ar, interior $h_i = 10 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}$;
• Coeficiente de transferência de calor por convecção do ar, externo $h_o = 40 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}$;
• Condutividade térmica do ar, $k_{ar} = 0,\!026 \text{ W/m}\cdot\text{K}$; e
• Condutividade térmica do vidro, $k_{vidro} = 0,\!78 \text{ W/m}\cdot\text{K}$.

Para encontrar a resistência térmica e o coeficiente geral de transferência de calor:

1. Selecione o modo de transferência de calor, Condução e Convecção (em Ambos os Lados).
2. Digite a área de contato, $A = 1,\!2 \text{ m}^2$.
3. Insira o coeficiente de transferência de calor por convecção para a superfície interna, $h_i = 10 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}$.
4. Preencha os detalhes da camada inicial como $L_0 = 2 \text{ mm}$ e $k_0 = 0,\!78\text{ W/m}\cdot\text{K}$.
5. Use o botão Adicionar para inserir uma segunda camada.
6. Insira as propriedades da segunda camada como $L_1 = 5 \text{ mm}$ e $k_1 = 0,\!026\text{ W/m}\cdot\text{K}$.
7. Use o botão Adicionar para inserir uma terceira camada.
8. Insira as propriedades da terceira camada como $L_2 = 2 \text{ mm}$ e $k_2 = 0,\!78\text{ W/m}\cdot\text{K}$.
9. Insira o coeficiente de transferência de calor por convecção para a superfície externa, $h_o = 40 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}$.
10. Usando a calculadora de resistência térmica:

11. O coeficiente geral de transferência de calor é:

É a razão do fluxo de calor por unidade de área e pela diferença de temperatura. O coeficiente de transferência de calor mede a capacidade de uma estrutura conduzir calor. Se o valor dessa constante de proporcionalidade for baixo, isso significa que o material é um bom isolante térmico.

Para calcular o coeficiente de transferência de calor:

1. Divida a espessura da primeira camada pela condutividade térmica do meio.
2. Repita a etapa anterior para todas as camadas e some-as.
3. Encontre o recíproco da transferência de calor por convecção para a superfície interna e adicione-o à soma.
4. Encontre o recíproco da transferência de calor por convecção para a superfície externa e adicione-o à soma.
5. Encontre o recíproco da resultante para obter o coeficiente de transferência de calor.

É a resistência oferecida pelo meio contra o fluxo de calor que o atravessa. A resistência térmica também é a recíproca do coeficiente geral de transferência de calor. É desejável para materiais do tipo isolante, como algodão e lã, enquanto é indesejável para condutores.

Para calcular a resistência térmica:

1. Divida a espessura da primeira camada pela condutividade térmica do meio.
2. Repita a etapa anterior para todas as camadas e some-as.
3. Encontre o recíproco da transferência de calor por convecção para a superfície interna e adicione-o à soma.
4. Encontre o recíproco da transferência de calor por convecção para a superfície externa e adicione-o à soma para obter a resistência térmica.

Como alternativa, você pode encontrar o recíproco do coeficiente geral de transferência de calor para determinar a resistência térmica.