Ejemplo-Pérdida de calor a través de una pared
Una fuente importante de pérdida de calor de una casa es a través de las paredes. Calcular la velocidad de flujo de calor a través de una pared de 3 m x 10 m de superficie (A = 30 m2). La pared tiene un grosor de 15 cm (L1) y está hecha de ladrillos con una conductividad térmica de k1 = 1,0 W/m.K (aislante térmico deficiente). Supongamos que las temperaturas interiores y exteriores son de 22°C y -8°C, y los coeficientes de transferencia de calor por convección en los lados interior y exterior son h1 = 10 W/m2K y h2 = 30 W/m2K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).).
- Calcule el flujo de calor (pérdida de calor) a través de esta pared no aislada.
- Ahora asuma el aislamiento térmico en el lado exterior de esta pared. Utilice aislamiento de lana de vidrio de 10 cm de espesor (L2) con una conductividad térmica de k2 = 0,023 W/m.K y calcular el flujo de calor (pérdida de calor) a través de esta pared compuesta.
Solución:
Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de conducción y convección. Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor general, conocido como factor U. El factor U se define por una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton:
El coeficiente de transferencia de calor total está relacionado con la resistencia térmica total y depende de la geometría del problema.
- pared desnuda
Suponiendo una transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el coeficiente de transferencia de calor total se puede calcular como:
El coeficiente de transferencia de calor total es entonces:
U = 1 / (1/10 + 0.15/1 + 1/30) = 3.53 W / m2K
El flujo de calor se puede calcular simplemente como:
q = 3.53 x 30 = 105.9 W/m2
La pérdida de calor total a través de esta pared será:
qloss = q . A = 105.9 x 30 = 3177W
- pared compuesta con aislamiento térmico
Suponiendo una transferencia de calor unidimensional a través de la pared compuesta plana, sin resistencia de contacto térmico y sin tener en cuenta la radiación, el coeficiente de transferencia de calor general se puede calcular como:
El coeficiente de transferencia de calor total es entonces:
U = 1 / (1/10 + 0.15/1 + 0.1/0.023 + 1/30) = 0.216 W / m2K
El flujo de calor se puede calcular simplemente como:
q = 0.216 x 30 = 6.48 W/m2
La pérdida de calor total a través de esta pared será:
qloss = q . A = 6,48 x 30 = 194 W
Como se puede ver, una adición de aislante térmico causa una disminución significativa en las pérdidas de calor. Se debe agregar, una adición de la siguiente capa de aislante térmico no causa ahorros tan altos. Esto se puede ver mejor en el método de resistencia térmica, que se puede usar para calcular la transferencia de calor a través de paredes compuestas. La velocidad de transferencia de calor constante entre dos superficies es igual a la diferencia de temperatura dividida por la resistencia térmica total entre esas dos superficies.
