Współczynnik przenikania ciepła kalkulator

Omni kalkulator współczynnika przenikania ciepła pomoże ci określić całkowity współczynnik przenikania ciepła lub współczynnik przewodzenia ciepła. Parametr ten ma kluczowe znaczenie dla większości obliczeń przenikania ciepła oraz grubości izolacji, zwłaszcza w przypadku ścian budynków. Na przykład, jeśli projektant chce zmniejszyć przenikanie ciepła przez ścianę budynku lub wymiennik ciepła, dodaje kilka warstw izolacji.

Nasze narzędzie wykorzystuje równanie współczynnika przenikania ciepła, dając jednocześnie możliwość dodania do 10 warstw do ściany i zwracając opór cieplny oraz całkowity współczynnik przenikania ciepła dla ułożonej struktury.

Współczynnik przenikania ciepła zależy od grubości ściany, przewodności cieplnej i powierzchni styku ściany. Podczas wykonywania obliczeń narzędzie uwzględnia konwekcję swobodną po obu stronach ściany. Istnieją również różne rodzaje konwekcji i geometrii przepływu przy użyciu liczby Nusselta. Czytaj dalej, aby zrozumieć, czym jest współczynnik przenikania ciepła i jak korzystać ze wzoru na współczynnik przenikania ciepła.

Czym jest współczynnik przenikania ciepła? — Jest to miara tego, jak dobrze ściana lub struktura przewodzi ciepło. Innymi słowy, jest to stosunek przenikania ciepła przez jednostkę powierzchni i różnicy temperatur. Współczynnik ten jest łączną wartością dla wszystkich warstw w strukturze. Jest on mierzony w $\text{W/m}^2\text{K}$ lub $\text{BTU/(h}\cdot^\circ\text{F}\cdot\text{ft}^2)$. Wzór na współczynnik przenikania ciepła uwzględniający n warstw w strukturze to:

gdzie:

• $U_t$ — współczynnik przenikania ciepła;
• A — powierzchnia kontaktu;
• L — grubość warstwy $\text{n-tej}$; oraz
• k — przewodność cieplna materiału warstwy.

Pojęcie oporu cieplnego — jest to opór materiału wobec przepływu ciepła lub przewodnictwa cieplnego. Innymi słowy, opór cieplny jest stosunkiem różnicy temperatur i ciepła przewodzonego przez medium. Jest to analogiczne do prawa Ohma, które brzmi:

gdzie:

• $I$ — prąd;
• $V_1 — V_2$ - różnica napięć; oraz
• $R_e$ — opór.

W naszym przypadku prąd jest odpowiednikiem szybkości transferu ciepła, $Q$, a różnica napięć jest różnicą temperatur, $T_1 - T_2$. Opór elektryczny odpowiada oporowi cieplnemu $R_t$ (dla potwierdzenia sprawdź nasz kalkulator prawa Ohma). Dlatego równanie rezystancji termicznej przybiera postać:

Jednostkami oporu cieplnego są K/W lub °C/W. Opór cieplny można również powiązać z ogólnym współczynnikiem przenikania ciepła jako:

Dla kilku warstw ułożonych jedna za drugą, równanie oporu cieplnego jest następujące:

Powyższy przypadek dotyczy tylko przypadku „przewodzenia”. Jednakże, gdy wewnętrzne i zewnętrzne powierzchnie ścian są wystawione na działanie powietrza lub innych płynów, należy wziąć pod uwagę inny czynnik. W takim przypadku konwekcyjny współczynnik przenikania ciepła $h$ jest używany do określenia oporu konwekcyjnego medium. Tak więc:

Aby obliczyć całkowity współczynnik przenikania ciepła, dodajemy opór konwekcyjny do oporu przewodzenia, $R_t$:

gdzie:

• $h_i$ — konwekcyjny współczynnik przenikania ciepła płynu, powierzchnia wewnętrzna.
• $h_o$ — konwekcyjny współczynnik przenikania ciepła płynu, powierzchnia zewnętrzna.

Jednostki konwekcyjnego współczynnika przenikania ciepła są identyczne jak współczynnika przenikania ciepła, tj. $\text{W/m}^2\cdot\text{K}$ lub $\text{BTU/(h}\cdot^\circ\text{F}\cdot\text{ft}^2)$.

Nasz kalkulator posiada „dwa tryby”:

1. tylko przewodzenie,
2. przewodzenie z konwekcją po obu stronach.

Ponadto kalkulator zaczyna od pojedynczej warstwy materiału, na której można układać lub usuwać warstwy za pomocą przycisku „dodaj” lub „usuń”.

Aby znaleźć całkowity współczynnik przenikania ciepła i opór cieplny:

1. Wybierz tryb wymiany ciepła, na przykład Tylko przewodzenie.
2. Wprowadź obszar kontaktu, $A$.
3. Wprowadź początkową grubość ściany, $L_0$.
4. Wpisz przewodność cieplną materiału ściany, $k_0$.
5. Dodaj więcej warstw za pomocą przycisku Dodaj.
6. Powtórz kroki 3 i 4 dla wszystkich warstw.
7. Kalkulator oblicza opór cieplny i całkowity współczynnik przenikania ciepła zgodnie z podaną konfiguracją warstw.

Znajdźmy całkowity współczynnik przenikania ciepła okna mającego 2 warstwy szkła o grubości 2 mm z przerwą 5 mm wypełnioną powietrzem. Przyjmij powierzchnię styku jako $1,\!2 \ \text{m}^2$. Wykorzystaj następujące właściwości:

• konwekcyjny współczynnik przenikania ciepła dla powietrza, wewnętrzny $h_i = 10 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}$,
• konwekcyjny współczynnik przenikania ciepła dla powietrza, zewnętrzny $h_o = 40 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}$,
• przewodność cieplna powietrza, $k_{powietrze} = 0,\!026 \text{ W/m}\cdot\text{K}$,
• przewodność cieplna szkła, $k_{szkło} = 0,\!78 \text{ W/m}\cdot\text{K}$.

Aby znaleźć opór cieplny i całkowity współczynnik przenikania ciepła:

1. Wybierz tryb wymiany ciepła, przewodzenie i konwekcja (po obu stronach).
2. Wprowadź obszar kontaktu, $A = 1,\!2 \text{ m}^2$.
3. Wstaw konwekcyjny współczynnik przenikania ciepła dla powierzchni wewnętrznej, $h_i = 10 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}$.
4. Wypełnij szczegóły warstwy początkowej jako $L_0 = 2 \text{ mm}$ i $k_0 = 0,\!78 \text{ W/m}\cdot\text{K}$.
5. Użyj przycisku Dodaj, aby wstawić drugą warstwę.
6. Wstaw właściwości drugiej warstwy jako $L_1 = 5 \text{ mm}$ i $k_1 = 0,\!026\text{ W/m}\cdot\text{K}$.
7. Użyj przycisku Dodaj, aby wstawić 3. warstwę.
8. Wprowadź właściwości trzeciej warstwy jako $L_2 = 2 \text{ mm}$ i $k_2 = 0,\!78\text{ W/m}\cdot\text{K}$.
9. Wstaw konwekcyjny współczynnik przenikania ciepła dla powierzchni zewnętrznej, $h_o = 40 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}$.
10. Korzystając z kalkulatora oporu cieplnego:

11. Całkowity współczynnik przenikania ciepła wynosi:

Jest to stosunek przepływu strumienia ciepła przez jednostkę powierzchni i różnicy temperatur. Współczynnik przenikania ciepła mierzy, jak dobrze struktura przewodzi ciepło. Jeśli wartość tej stałej proporcjonalności jest niska, oznacza to, że materiał jest lepszym izolatorem.

Aby obliczyć współczynnik przenikania ciepła:

1. Podziel przewodność cieplną medium przez grubość pierwszej warstwy.
2. Powtórz poprzedni krok dla wszystkich warstw i zsumuj je.
3. Znajdź konwekcyjny współczynnik przenikania ciepła dla powierzchni wewnętrznej i dodaj go do sumy.
4. Oblicz konwekcyjny współczynnik przenikania ciepła dla powierzchni zewnętrznej i dodaj go do sumy.
5. Pomnóż przez powierzchnię kontaktu, aby otrzymać współczynnik przenikania ciepła.

Jest to opór stawiany przez medium przeciwko przepływowi przez nie ciepła. Opór cieplny jest również odwrotnością całkowitego współczynnika przenikania ciepła. Jest on pożądany w przypadku materiałów izolacyjnych, takich jak bawełna i wełna, podczas gdy jest niepożądany w przypadku przewodników.

Aby obliczyć opór cieplny:

1. Podziel grubość pierwszej warstwy przez przewodność cieplną medium.
2. Powtórz poprzedni krok dla wszystkich warstw i zsumuj je.
3. Znajdź odwrotność konwekcyjnego współczynnika przenikania ciepła dla wewnętrznej powierzchni i dodaj go do sumy.
4. Znajdź odwrotność konwekcyjnego współczynnika przenikania ciepła dla powierzchni zewnętrznej i dodaj go do sumy, aby uzyskać opór cieplny.

Alternatywnie można znaleźć odwrotność całkowitego współczynnika przenikania ciepła, aby znaleźć opór cieplny.