Un coefficiente di scambio termico è un concetto in fisica e termodinamica che descrive in dettaglio come e quanto facilmente l’energia termica passa da un materiale all’altro. In molti casi il calore viene trasferito più facilmente quando i materiali in oggetto si spostano dai solidi ai fluidi ai gas; il calore può anche passare da un fluido a un gas o viceversa, come nel caso dell’aria fresca sopra un lago caldo. Il calore fluirà sempre dal caldo al freddo per i materiali a diretto contatto e il coefficiente di trasferimento è un modo per esprimere questo spostamento in modo tangibile e in termini matematici. È un concetto importante per produttori e costruttori in molti settori. Aiuta gli ingegneri a progettare pentole migliori, ad esempio, e aiuta a rendere più sicuri macchinari e cose come i motori a combustione nelle auto; viene anche utilizzato per rendere più efficiente l’isolamento di case e uffici. Definire le basi del coefficiente di solito è piuttosto semplice, ma le specifiche su come la sua formula di base funziona e si applica ai mutevoli scenari termodinamici possono essere alquanto complicate.
Nozioni di base sul calcolo
Quantitativamente, il coefficiente è funzione dei due materiali a contatto; la temperatura di ciascuno, che determina la forza motrice; e fattori che aumentano o riducono il trasferimento di calore, come la convezione o l’incrostazione superficiale, rispettivamente. La rubrica di calcolo standard è tipicamente espressa come h = q / ∆t, dove “h” è il coefficiente di scambio termico complessivo, “q” è la quantità di calore trasferito per unità di superficie e “∆t” è la differenza di temperatura tra il superfici adiacenti o in questione.
Ci sono anche equazioni per determinare la quantità di calore che viene trasferita per unità di area, per differenza di temperatura per grado tra i due materiali adiacenti e per periodo di tempo che possono aiutare a influenzare la formula più semplice. I calcoli per il dimensionamento delle apparecchiature industriali, come riscaldatori e scambiatori di calore, di solito risolvono il trasferimento di calore all’ora perché la capacità di produzione dell’impianto è solitamente determinata su base oraria.
Comprensione dei coefficienti complessivi
Un coefficiente globale di scambio termico, come quello spesso utilizzato nelle equazioni degli scambiatori di calore, dovrebbe considerare una serie di fattori. Ad esempio, in uno scenario di motore a vapore, il vapore saturo a una data temperatura, l’interfaccia vapore-tubo, la conduttività attraverso la parete del tubo, l’interfaccia con il liquido all’interno dei tubi come l’olio e la temperatura dell’olio in ingresso avrebbero tutti bisogno essere considerato. Le informazioni provenienti da questi fattori potrebbero aiutare a determinare quanto grande sarebbe necessario uno scambiatore di calore e quale strategia di progettazione e materiali funzionerebbe meglio.
Importanza per la produzione
Questi coefficienti sono sempre presi in considerazione quando si progettano apparecchiature specificamente destinate a trasferire calore o a non trasferire calore. Pentole da cucina, alette di raffreddamento su un motore di motocicletta, soffiare su un cucchiaio di zuppa troppo calda o una persona che scalda le mani fredde di un’altra sono tutti esempi di miglioramento del coefficiente di trasferimento del calore. Il più grande contributo singolo a migliori coefficienti di trasferimento, dati i vincoli del materiale, è il rapido movimento della fase fluida dei componenti. Soffiare aria attraverso un radiatore, indurre un flusso turbolento in uno scambiatore di calore o aria che si muove rapidamente in un forno a convezione determinano coefficienti di trasferimento molto più elevati rispetto alle condizioni di quiete. Questo perché più molecole per assorbire il calore vengono presentate alla superficie calda in un lasso di tempo più breve.
Ruolo nell’isolamento e nella costruzione più in generale
D’altra parte, la ricerca di un isolamento altamente efficace considera anche il trasferimento di calore calcolato di ciascuna delle sue interfacce. L’isolamento è importante per tutti i tipi di cose, inclusi frigoriferi e congelatori, refrigeratori da picnic, abbigliamento invernale e case a basso consumo energetico. Spazi d’aria morti, vuoti nella schiuma e materiali a bassa conduttività contribuiscono tutti a fornire isolamento.