Coefficiente di trasferimento del calore complessivo

Il trasferimento di calore attraverso una superficie come una parete può essere calcolato come

q = U A dT (1)

dove

q = trasferimento di calore (W (J/s), Btu/h)

U = coefficiente di trasferimento di calore complessivo (W/(m2K), Btu/(ft2 h oF))

A = area della parete (m2, ft2)

dT = (t1 – t2)

= differenza di temperatura sulla parete (oC, oF)

Il coefficiente di trasferimento di calore globale per una parete a più strati, tubo o scambiatore di calore – con flusso di fluido su ogni lato della parete – può essere calcolato come

1 / U A = 1 / hci Ai + Σ (sn / kn An) + 1 / hco Ao (2)

dove

U = il coefficiente di trasferimento di calore complessivo (W/(m2 K), Btu/(ft2 h oF))

kn = conduttività termica del materiale nello strato n (W/(m K), Btu/(hr ft °F))

hc i,o = coefficiente di trasferimento di calore per convezione del fluido all’interno o all’esterno della parete individuale (W/(m2 K), Btu/(ft2 h oF))

sn = spessore dello strato n (m, ft)

Un muro piano con area uguale in tutti gli strati – può essere semplificato a

1 / U = 1 / hci + Σ (sn / kn) + 1 / hco (3)

Conducibilità termica – k – per alcuni materiali tipici (non che la conduttività sia una proprietà che può variare con la temperatura)

• Polipropilene PP : 0.1 – 0.22 W/(m K)
• Acciaio inox: 16 – 24 W/(m K)
• Alluminio: 205 – 250 W/(m K)

Convertire tra unità metriche e imperiali

• 1 W/(m K) = 0.5779 Btu/(ft h oF)
• 1 W/(m2 K) = 0.85984 kcal/(h m2 oC) = 0.1761 Btu/(ft2 h oF)

• Trasferimento di calore conduttivo
• Conducibilità termica dei materiali comunemente usati

Il coefficiente di trasferimento di calore per convezione – h – dipende da

• tipo di fluido – se è un gas o un liquido
• proprietà del flusso come la velocità
• altre proprietà dipendenti dal flusso e dalla temperatura

Coefficiente di trasferimento di calore convettivo per alcuni fluidi comuni:

• Aria – da 10 a 100 W/m2K
• Acqua – da 500 a 10 000 W/m2K

Muri a più strati – Calcolatore del trasferimento di calore

Questo calcolatore può essere utilizzato per calcolare il coefficiente di trasferimento di calore complessivo e il trasferimento di calore attraverso una parete multistrato. Il calcolatore è generico e può essere usato per unità metriche o imperiali, purché l’uso delle unità sia coerente.

A – area (m2, ft2)

t1 – temperatura 1 (oC, oF)

t2 – temperatura 2 (oC, oF)

hci – coefficiente di trasferimento di calore convettivo all’interno della parete (W/(m2 K), Btu/(ft2 h oF))

s1 – spessore 1 (m, ft) k1 – conduttività termica 1 (W/(m K), Btu/(hr ft °F))

s2 – spessore 2 (m, ft) k2 – conduttività termica 2 (W/(m K), Btu/(hr ft °F))

s3 – spessore 3 (m, ft) k3 – conduttività termica 3 (W/(m K), Btu/(hr ft °F))

hco – coefficiente di trasferimento di calore convettivo esterno alla parete (W/(m2 K), Btu/(ft2 h oF))

Calcolatore di carico!

Resistenza termica di trasferimento del calore

La resistenza di trasferimento del calore può essere espressa come

R = 1 / U (4)

dove

R = resistenza di trasferimento del calore (m2K/W, ft2 h°F/ Btu)

La parete è divisa in sezioni di resistenza termica dove

• il trasferimento di calore tra il fluido e la parete è una resistenza
• la parete stessa è una resistenza
• il trasferimento tra la parete e il secondo fluido è una resistenza termica

I rivestimenti superficiali o gli strati di prodotto “bruciato” aggiungono ulteriore resistenza termica alla parete diminuendo il coefficiente di trasferimento di calore complessivo.

Alcune resistenze tipiche di trasferimento di calore

• strato statico di aria, 40 mm (1.57 in) : R = 0.18 m2K/W
• resistenza interna di trasferimento di calore, corrente orizzontale : R = 0,13 m2K/W
• resistenza di trasferimento del calore all’esterno, corrente orizzontale: R = 0,04 m2K/W
• resistenza di trasferimento del calore all’interno, corrente di calore dal basso verso l’alto: R = 0,10 m2K/W
• resistenza di trasferimento del calore all’esterno, corrente di calore dall’alto verso il basso: R = 0.17 m2K/W

Esempio – Trasferimento di calore in uno scambiatore di calore aria-aria

Uno scambiatore a piastre aria-aria con area 2 m2 e spessore della parete 0.1 mm può essere fatto in polipropilene PP, alluminio o acciaio inossidabile.

Il coefficiente di convezione del trasferimento di calore per l’aria è 50 W/m2K. La temperatura interna dello scambiatore è di 100 oC e la temperatura esterna è di 20 oC.

Il coefficiente di trasferimento di calore complessivo U per unità di superficie può essere calcolato modificando la (3) in

U = 1 / (1 / hci + s / k + 1 / hco) (3b)

Il coefficiente di trasferimento di calore complessivo per uno scambiatore di calore in

• polipropilene con conducibilità termica 0.1 W/mK è

UPP = 1 / (1 / (50 W/m2K) + (0,1 mm) (10-3 m/mm)/ (0,1 W/mK) + 1 / (50 W/m2K))

= 24,4 W /m2K

Il trasferimento di calore è

q = (24,4 W /m2K) (2 m2) ((100 oC) – (20 oC))

= 3904 W

= 3.9 kW

• acciaio inox con conducibilità termica 16 W/mK:

USS = 1 / (1 / (50 W/m2K) + (0,1 mm) (10-3 m/mm)/ (16 W/mK) + 1 / (50 W/m2K))

= 25 W /m2K

Il trasferimento di calore è

q = (25 W /m2K) (2 m2) ((100 oC) – (20 oC))

= 4000 W

= 4 kW

• alluminio con conducibilità termica 205 W/mK:

UAl = 1 / (1 / (50 W/m2K) + (0.1 mm) (10-3 m/mm)/ (205 W/mK) + 1 / (50 W/m2K))

= 25 W /m2K

Il trasferimento di calore è

q = (25 W /m2K) (2 m2) ((100 oC) – (20 oC))

= 4000 W

= 4 kW

• 1 W/(m2 K) = 0.85984 kcal/(h m2 oC) = 0,1761 Btu/(ft2 h oF)

Coefficienti di trasferimento di calore globale tipici

• Gas a libera convezione – Gas a libera convezione : U = 1 – 2 W/m2K (tipica finestra, dalla stanza all’aria esterna attraverso il vetro)
• Gas a Convezione Libera – Acqua liquida forzata (che scorre) : U = 5 – 15 W/m2K (tipico radiatore di riscaldamento centrale)
• Gas a Convezione Libera – Acqua a Vapore Condensata : U = 5 – 20 W/m2K (tipici radiatori a vapore)
• Gas a Convezione Forzata (che scorre) – Gas a Convezione Libera : U = 3 – 10 W/m2K (surriscaldatori)
• Gas a Convezione Forzata (fluente) – Gas a Convezione Forzata : U = 10 – 30 W/m2K (gas scambiatori di calore)
• Convezione forzata (fluente) Gas – Acqua liquida forzata (fluente) : U = 10 – 50 W/m2K (raffreddatori di gas)
• Convezione forzata (fluente) Gas – Condensazione Acqua Vapore : U = 10 – 50 W/m2K (riscaldatori d’aria)
• Convezione libera liquida – Gas a convezione forzata : U = 10 – 50 W/m2K (caldaia a gas)
• Convezione libera del liquido – Convezione libera del liquido : U = 25 – 500 W/m2K (bagno d’olio per riscaldamento)
• Convezione libera del liquido – Scorrimento forzato del liquido (acqua) : U = 50 – 100 W/m2K (serpentina di riscaldamento nel recipiente acqua, acqua senza sterzo), 500 – 2000 W/m2K (serpentina di riscaldamento nel recipiente acqua, acqua con sterzo)
• Convezione libera liquida – Condensazione vapore acqua : U = 300 – 1000 W/m2K (camicie di vapore intorno ai recipienti con agitatori, acqua), 150 – 500 W/m2K (altri liquidi)
• Liquido forzato (fluente) acqua – Gas a convezione libera : U = 10 – 40 W/m2K (camera di combustione + radiazione)
• Liquido forzato (che scorre) acqua – Liquido a Convezione Libera : U = 500 – 1500 W/m2K (serpentina di raffreddamento – agitata)
• Liquido forzato (che scorre) acqua – Acqua forzata (che scorre) : U = 900 – 2500 W/m2K (scambiatore di calore acqua/acqua)
• Acqua liquida forzata (che scorre) – Acqua di vapore a condensazione : U = 1000 – 4000 W/m2K (condensatori acqua vapore)
• Acqua liquida bollente – Gas a convezione libera : U = 10 – 40 W/m2K (caldaia a vapore + radiazione)
• Acqua liquida in ebollizione – Liquido forzato che scorre (acqua) : U = 300 – 1000 W/m2K (evaporazione di frigoriferi o raffreddatori di salamoia)
• Acqua liquida in ebollizione – Acqua di vapore di condensazione : U = 1500 – 6000 W/m2K (evaporatori vapore/acqua)