Scris de María Cecilia Hernández la 24 octombrie 2011

transfer căldură

de Camilo Botero*

Când un inginer va proiecta un sistem de aer condiționat și ventilație, de exemplu într-o regiune cu climat tropical, el trebuie să stabilească care va fi sarcina termică, adică cantitatea de energie sub formă de căldură, care trebuie îndepărtată.

Inițial, profesionistul definește situația psihrometrică pentru cazul respectiv și se confruntă cu o sarcină care astăzi pare simplă datorită ajutorului și avansurilor computerului, dar în realitate este extrem de complexă.

De exemplu, în ciuda evoluției tehnologiei, nu este deloc ușor să estimați valorile pentru diferitele călduri sensibile (energie care este transmisă de diferențele de temperatură), care participă la acea energie totală care trebuie îndepărtată din mediu, pentru a realiza condiții de confort uman sau pentru un anumit proces industrial.

Cum să calculăm sarcina termică este subiectul care ne ocupă astăzi. Acestea sunt informații tehnice și extinse, prin urmare vor fi completate în edițiile viitoare ale ACR LATINOAMÉRICA.

Pentru a conveni asupra terminologiei pe care o vom folosi de acum înainte, este necesar să se definească câteva concepte care vor fi menționate în această și în următoarele tranșe.

- Termodinamică și transfer de căldură: diferența dintre aceste două concepte este că primul se referă fundamental la stări în echilibru, iar al doilea reprezintă o situație de dezechilibru, deoarece este o consecință a diferenței de temperatură.

- Căldură: este energia care este transferată datorită unui diferențial de temperatură. Toate procesele de flux de căldură respectă prima și a doua lege a termodinamicii.

Forme ale fluxului de căldură
Debitul de căldură, care este generat de o diferență de temperatură, poate fi prezentat în trei forme de bază, deși în aplicațiile de calcul al sarcinii termice pentru aerul condiționat, acestea nu sunt în general văzute izolat; acestea sunt:

Conducție: acest flux de căldură are loc între două corpuri sau între două părți ale aceluiași corp, ca produs al unei interacțiuni moleculare, între cele cu energie mai mare (temperatură mai mare) și cele cu energie mai mică (temperatura mai mică), deoarece energia cinetică a moleculelor este proporțională cu temperatura acestora.

Radiații: acest fenomen are loc sub formă de unde electromagnetice și nu are nevoie de un mediu fizic pentru a transporta energia. Atunci când temperaturile sunt ridicate, este de o mare importanță, deoarece este proporțională cu a patra putere a temperaturii.

Convecție: acesta este un proces combinat de transport de energie, stocare a energiei și transport de materie. Are loc între solide și fluide.

În rezolvarea problemelor de transfer de căldură nu este necesar doar să se cunoască tipul fluxului de căldură, ci și dacă procesul este:

Să mergem la cifre
În anii de experiență, mai mult de câțiva oameni vin la mine să mă consulte cu detalii tehnice, calcule, formule și ecuații care trebuie aplicate, în acest caz special pentru a stabili transferul de căldură. Prin urmare, mai jos voi detalia detaliile ecuațiilor care ar trebui utilizate în acest subiect.

Conducție: ecuația care guvernează conducția se numește ecuația Fourier și are următoarea expresie pentru cel mai simplu caz, care este starea de echilibru, unidimensională pe o placă plană.

Nomenclatura pentru ecuația Fourier.

Apariția semnului minus se datorează convenției conform căreia căldura este pozitivă dacă se efectuează în direcția axei x.

Justificarea semnului minus la q = - kA dT/dx

Măsurați conductivitatea termică
Se poate spune că conductivitatea termică (k) este cantitatea de căldură pe unitate de timp, suprafață și gradient, care este condusă printr-un solid.

Această definiție sugerează o metodă de măsurare a k.

Fie un specimen de zonă secțională A și lungime ∆x: dacă o cantitate de căldură este introdusă pe o față și extrasă pe cealaltă și dacă acest flux de căldură este măsurat în starea de echilibru și diferența de temperatură între cele două fețe, din ecuația de mai sus se calculează valoarea lui k.

O echipă care efectuează operațiunea de mai sus ar fi:

Principiul pe care funcționează un contor k este de a face bilanțurile de energie și masă pentru procesul de conversie a energiei electrice în transfer de căldură prin conducție și, în cele din urmă, la încălzirea unui flux de apă.

Valorile tipice ale conductivității sunt: ​​(B.T.U./hr ft ºF).

Radiație termala
Se poate spune că radiația este energia emisă de corp sub formă de unde electromagnetice în virtutea temperaturii sale.

După cum se știe din fizică, cantitatea de energie emisă în funcție de lungimea de undă este între 0,1μ și 100μ.

Pentru o temperatură dată, energia maximă totală emisă, la toate lungimile de undă este:

Dacă A1 ar fi un corp gri; adică dacă emisia sa de energie este o fracțiune cu energia maximă emisă.

Acum, dacă este vorba de două corpuri gri, care au o anumită poziție una față de cealaltă, schimbul de căldură este dat de:

Uneori se dorește plasarea fluxului de căldură în termeni de diferență liniară de temperatură, pentru aceasta se definește coeficientul mediu de transfer de căldură prin radiație:

Convecție
După cum sa spus, este un proces combinat de transfer molecular de căldură; stocarea energiei și transportul în masă.

Un tabel care arată intervalele celui mai important hc ar fi:

În concluzie
Odată cu apariția software-ului de calcul al sarcinii termice, a fost creat un sofism distractiv care face acest calcul ușor de văzut.

Se spune: "Tot ce trebuie să faceți este să introduceți datele și software-ul îmi dă rezultatul!"

Realitatea este că aceste programe se bazează pe date climatice oră pe oră pe care nu le avem în regiunea noastră și pe coeficienți globali de transfer de căldură care nu corespund materialelor de construcție locale și pentru care nu avem acele valori. În plus, datele privind radiația solară utilizate nu sunt cele ale site-ului.

Prin urmare, îmi invit colegii să revină la cărțile lor despre transferul de căldură, care sunt excelente și își amintesc aceste principii de bază prezentate aici într-un mod simplu.

Își vor aminti, fără îndoială, orele și orele petrecute încercând să rezolve o problemă care presupunea rezolvarea ecuației generale de conducere, care a fost investită în rezolvarea unei ecuații cu ajutorul calculelor diferențiale și integrale cu trei coordonate de poziție și timpul variabil și poate cu intern generarea de căldură.

Poate că soluția unei ecuații Bessel pentru calculul finelor pentru a îmbunătăți performanța schimbătorilor de căldură sau calcularea unui factor de formă, cu multiple integrale, vă va reveni în minte.

Apoi vor ajunge la concluzia că transferul de căldură a fost unul dintre subiectele carierei noastre care au reprezentat cea mai mare dificultate pentru noi.

Din fericire, în viața practică, am rămas cu ecuații liniare, starea de echilibru și unidimensională. Deo Gratias!


* Camilo Botero este actualul secretar al Federației Asociațiilor Ibero-Americane de Climatizare și Refrigerare - FAIAR; A fost președinte ACAIRE și este președinte Camilo Botero Ingenieros Consultores Ltda. A lucrat ca profesor în mai multe universități colombiene, sindicate și în prezent în ACAIRE la cursuri de diplomă pe proiecte de climatizare, eficiență energetică în climatizare și refrigerare, cogenerare și trigenerare, psihometrie aplicată, termodinamică, mecanica fluidelor, transfer de căldură și turbomașini.