Coeficiente Global de Transferência de Calor
Transferência de calor através de uma superfície como uma parede pode ser calculada como
q = U A dT (1)
where
q = transferência de calor (W (J/s), Btu/h)
U = coeficiente global de transferência de calor (W/(m2K), Btu/(ft2 h oF))
A = área da parede (m2 ft2)
dT = (t1 – t2)
= diferença de temperatura sobre parede (oC, oF)
O coeficiente global de transferência de calor para uma parede multicamadas, tubo ou permutador de calor – com fluxo de fluido em cada lado da parede – pode ser calculado como
1 / U A = 1 / hci Ai + Σ (sn / kn An) + 1 / hco Ao (2)
where
U = o coeficiente global de transferência de calor (W/(m2 K), Btu/(ft2 h oF))
kn = condutividade térmica do material em camada n (W/(m K), Btu/(hr ft °F))
hc i,o = coeficiente de transferência de calor por convecção de fluidos individuais dentro ou fora da parede (W/(m2 K), Btu/(ft2 h oF))
sn = espessura da camada n (m, ft)
Uma parede plana com área igual em todas as camadas – pode ser simplificada para
1 / U = 1 / hci + Σ (sn / kn) + 1 / hco (3)
Condutividade térmica – k – para alguns materiais típicos (não que a condutividade seja uma propriedade que pode variar com a temperatura)
- li>Polipropileno PP : 0.1 – 0,22 W/(m K)
- Aço inoxidável : 16 – 24 W/(m K)
- Alumínio : 205 – 250 W/(m K)
Conversão entre Unidades Métricas e Imperiais
- 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)
/li>
- Transferência de calor condutiva
- Condutividade térmica de materiais comummente utilizados
O coeficiente de transferência de calor por convecção – h – depende de
- tipo de fluido – se o seu gás ou líquido
- propriedades de fluxo como velocidade
- outras propriedades dependentes de fluxo e temperatura
Coeficiente de transferência de calor convectivo para alguns fluidos comuns:
- Air – 10 a 100 W/m2K
- Água – 500 a 10 000 W/m2K
Muros multicamadas – Calculadora de transferência de calor
Esta calculadora pode ser utilizada para calcular o coeficiente global de transferência de calor e a transferência de calor através de uma parede multicamadas. A calculadora é genérica e pode ser utilizada para unidades métricas ou imperiais, desde que a utilização de unidades seja consistente.
A – área (m2, ft2)
t1 – temperatura 1 (oC, oF)
t2 – temperatura 2 (oC, oF)
hci – coeficiente de transferência de calor por convecção dentro de uma parede (W/(m2 K), Btu/(ft2 h oF))
s1 – espessura 1 (m, ft) k1 – condutividade térmica 1 (W/(m K), Btu/(hr ft °F))
s2 – espessura 2 (m, ft) k2 – condutividade térmica 2 (W/(m K), Btu/(hr ft °F))
s3 – espessura 3 (m, ft) k3 – condutividade térmica 3 (W/(m K), Btu/(hr ft °F))
hco – coeficiente de transferência de calor por convecção fora da parede (W/(m2 K), Btu/(ft2 h oF))
br> Calculadora de carga!
Resistência térmica de transferência de calor
Resistência térmica de transferência de calor>p>Resistência de transferência de calor pode ser expressa como
R = 1 / U (4)
where
p>R = resistência de transferência de calor (m2K/W, ft2 h°F/ Btu)
A parede é dividida em secções de resistência térmica onde
- a transferência de calor entre o fluido e a parede é uma resistência
- a parede é uma resistência
- a transferência entre a parede e o segundo fluido é uma resistência térmica
Revestimentos de superfície ou camadas de produto “queimado” adiciona resistência térmica extra à parede diminuindo o coeficiente global de transferência de calor.
algumas resistências típicas de transferência de calor
- camada estática de ar, 40 mm (1,57 in) : R = 0,18 m2K/W
- resistência de transferência de calor no interior, corrente horizontal : R = 0,13 m2K/W
- resistência de transferência de calor exterior, corrente horizontal : R = 0.04 m2K/W
- resistência de transferência de calor no interior, corrente de calor de baixo para cima : R = 0.10 m2K/W
- resistência de transferência de calor do lado de fora, corrente de calor de cima para baixo : R = 0.17 m2K/W
Exemplo – Permutador de calor ar para ar
Um permutador de placas ar para ar com área de 2 m2 e espessura de parede de 0,1 mm pode ser feito em polipropileno PP, alumínio ou aço inoxidável.
O coeficiente de convecção de transferência de calor para o ar é de 50 W/m2K. A temperatura interior no permutador é de 100 oC e a temperatura exterior é de 20 oC.
O coeficiente global de transferência de calor U por unidade de área pode ser calculado modificando (3) para
U = 1 / (1 / hci + s / k + 1 / hco) (3b)
O coeficiente global de transferência de calor para permutador de calor em
- polipropileno com condutividade térmica 0.1 W/mK é
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
A transferência de calor é
q = (24,4 W /m2K) (2 m2) ((100 oC) – (20 oC))
= 3904 W
= 3.9 kW
- aço inoxidável com condutividade térmica 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
A transferência de calor é
q = (25 W /m2K) (2 m2) ((100 oC) – (20 oC))
= 4000 W
= 4 kW
- alumínio com condutividade térmica 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
A transferência de calor é
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)
Típico Coeficientes de Transferência de Calor Global
- Gás de Convecção Livre – Gás de Convecção Livre : U = 1 – 2 W/m2K (janela típica, espaço para o ar exterior através do vidro)
- Gás de convecção livre – Água de convecção forçada (fluxo) : U = 5 – 15 W/m2K (aquecimento central típico do radiador)
- Gás de convecção livre – Água de vapor de condensação : U = 5 – 20 W/m2K (radiadores de vapor típicos)
- Gás de convecção forçada (fluxo) Gás – Gás de convecção livre : U = 3 – 10 W/m2K (sobreaquecedores)
- Gás de convecção forçada (a fluir) Gás – Gás de convecção forçada : U = 10 – 30 W/m2K (gases permutadores de calor)
- Gás – Água forçada de convecção forçada (fluxo) : U = 10 – 50 W/m2K (refrigeradores a gás)
- Gás – Água vapor de condensação (fluxo) : U = 10 – 50 W/m2K (aquecedores de ar)
- Gás – Gás de convecção livre de líquidos – Gás de convecção forçada : U = 10 – 50 W/m2K (caldeira a gás)
- Li>Líquido Convecção Livre – Líquido de Convecção Livre : U = 25 – 500 W/m2K (banho de óleo para aquecimento)
- Líquido Livre Convecção – Líquido de Convecção Forçada (Água) : U = 50 – 100 W/m2K (serpentina de aquecimento em água da embarcação, água sem direcção), 500 – 2000 W/m2K (serpentina de aquecimento em água da embarcação, água com direcção)
- Água líquida forçada (corrente) – Gás livre de convecção : U = 10 – 40 W/m2K (câmara de combustão + radiação)
- Água líquida forçada (corrente) – Líquido livre de convecção : U = 500 – 1500 W/m2K (serpentina de arrefecimento – agitada)
- Água líquida forçada (corrente) – Água líquida forçada (corrente) : U = 900 – 2500 W/m2K (água/água de permutador de calor)
- Água líquida forçada (corrente) – Água de vapor de condensação : U = 1000 – 4000 W/m2K (água de vapor de condensador)
- Água líquida de evaporação – Gás livre de convecção : U = 10 – 40 W/m2K (caldeira a vapor + radiação)
- Água líquida de condensação – Fluxo de líquido forçado (Água) : U = 300 – 1000 W/m2K (evaporação de frigoríficos ou refrigeradores de salmoura)
- Água líquida de condensação – Água vapor de condensação : U = 1500 – 6000 W/m2K (evaporadores vapor/água)
Li>Líquido Convecção livre – Água de vapor de condensação : U = 300 – 1000 W/m2K (camisas de vapor em torno de embarcações com agitadores, água), 150 – 500 W/m2K (outros líquidos)