Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici...
Embed Size (px)
Transcript of Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici...
![Page 1: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/1.jpg)
Tracce svolte di esercizi sulla Trasmissione del Calore Prof. Mistretta a.a. 2009/2010 Esercizio n. 1 Si consideri una parete di mattoni alta 4 m, larga 6 m e spessa 0,3 m, la cui conducibilità termica è λ λ = 0, 8 [W/(m°C)]. In un certo giorno i valori misurati delle temperature della superficie interna e della superficie esterna della parete sono 14°C e 6°C, rispettivamente. Si determini la potenza termica dissipata attraverso la parete in quel giorno. Dati H = 4 m L = 6 m s = 0,3 m
Q& s
T1
T2
H
L
![Page 2: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/2.jpg)
Soluzione Le due superfici della parete si mantengono a ben determinate temperature costanti. Sono quindi superfici isoterme. Per calcolare la potenza termica si assume l’ipotesi di: - Trasmissione di calore stazionaria perché le temperature superficiali restano costanti - Trasmissione di calore monodimensionale perché il gradiente di temperatura è significativo solo nella direzione dall’interno verso l’esterno. - Conducibilità termica costante. L’area della superficie della parete è: A = HxL = 4x6 = 24 [m2] Nell’ipotesi di regime stazione e configurazione monodimensionale (s<<H,L), la potenza termica dispersa per conduzione attraverso la parete si calcola applicando l’integrale dell’equazione di Fourier:
][5123,0
614248,021 W
s
TTAQ =−⋅=
−= λ&
Il flusso termico è:
]/[3,213,0
6148,0 221 mW
s
TT
A
Qq =−⋅=−== λ
&
![Page 3: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/3.jpg)
Esercizio n. 2 Si consideri una finestra vetrata delle dimensioni 0,8mx1,5m e dello spessore di 8 mm, caratterizzata da una conducibilità termica λ = 0,78 [W/(m°C)]. Si determinino la potenza termica stazionaria trasmessa attraverso la finestra e la superficie interna della finestra in un giorno in cui l’ambiente interno è a temperatura Ti = 20°C e l’ambiente esterno è a temperatura Te = -10°C. Si assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m2°C)] e hi = 10[W/(m2°C)], includendo in essi gli effetti dell’irraggiamento termico. Dati λ = 0,78 [W/(m°C)] hi = 10[W/(m2°C)] he = 40[W/(m2°C)] Area vetrata Av =1,2 [m2]
Te = -10°C Ti = 20°C s = 8 [mm]
s
![Page 4: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/4.jpg)
Ipotesi Le due superfici della finestra si mantengono a ben determinate temperature costanti. Sono quindi superfici isoterme. Per calcolare la potenza termica si assume l’ipotesi di: - Trasmissione di calore stazionaria perché le temperature interna ed esterna si ipotizzano costanti - Trasmissione di calore monodimensionale perché il gradiente di temperatura è significativo solo nella direzione dall’interno verso l’esterno. - Conducibilità termica costante. Soluzione 1. Calcolo della potenza termica attraverso la finestra. Nell’ipotesi di regime stazione e configurazione monodimensionale (s<<H,L), la potenza termica dispersa per conduzione attraverso la finestra si calcola applicando l’integrale dell’equazione di Fourier:
][WR
TTAQ ei
v
−=&
dove R è la resistenza termica globale pari a:
°=++=++=W
Cm
h
s
hR
ev
v
i
2
135,040
1
78,0
008,0
10
111
λ
Rconv,i Rcond Rconv,e La potenza termica risulta:
][266135,0
)10(202,1 W
R
TTAQ ei
v =−−=−
=&
2.Calcolare la temperatura della superficie interna della finestra T1. Nota la potenza termica, si ricava la T1: Essendo
i
iv
eiv
h
TTA
R
TTAQ
11−
=−
=&
Risulta:
ChA
QTT
ivi °−≅−=−= 2,2
10
1
2,1
26620
11
&
Da notare è il valore negativo di temperatura sulla superficie interna sebbene la temperatura dell’ambiente interno è 20°C. Ciò è da evitare perché può causare condensa o brina sulla superficie interna quando l’umidità della stanza è elevata.
![Page 5: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/5.jpg)
Esercizio n. 3 Rifare l’esercizio precedente, ipotizzando che la finestra vetrata alta 0,8 (m) e larga 1,5 (m) sia costituita da due strati di vetro di spessore di 4 mm [λ = 0,78 W/(m°C)], separati da un’intercapedine d’aria ferma spessa 10 mm [λ = 0,026 W/(m°C)]. Si determinino allora la potenza termica stazionaria trasmessa attraverso la finestra e la superficie interna della finestra in un giorno in cui l’ambiente interno è a temperatura Ti = 20°C e l’ambiente esterno è a temperatura Te = -10°C. Si assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m2°C)] e hi = 10[W/(m2°C)], includendo in essi gli effetti dell’irraggiamento termico. Dati λ = 0,78 [W/(m°C)] hi = 10[W/(m2°C)] he = 40[W/(m2°C)] Area trasversale vetrata Av =1,2 [m2]
Te = -10°C Ti = 20°C sv = 4 [mm] sint = 4 [mm]
Te = -10°C
Ti = 20°C
![Page 6: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/6.jpg)
Ipotesi Le due superfici della finestra si mantengono a ben determinate temperature costanti. Sono quindi superfici isoterme. Per calcolare la potenza termica si assume l’ipotesi di: - Trasmissione di calore stazionaria perché le temperature interna ed esterna si ipotizzano costanti - Trasmissione di calore monodimensionale perché il gradiente di temperatura è significativo solo nella direzione dall’interno verso l’esterno. - Conducibilità termica costante. Soluzione Calcolo della potenza termica attraverso la finestra. Nell’ipotesi di regime stazione e configurazione monodimensionale (s<<H,L), la potenza termica dispersa per conduzione attraverso la finestra si calcola applicando l’integrale dell’equazione di Fourier:
][WR
TTAQ ei
v
−=&
dove R è la resistenza termica globale pari a:
°=++⋅+=++=++= ∑= W
Cmss
hh
s
hR
v
v
iej j
j
i
2
int
int3
1
52,040
1
026,0
01,0
78,0
004,02
10
12111
λλλ
Rconv,i Rcond Rconv,e La potenza termica risulta:
][2,6952,0
)10(202,1 W
R
TTAQ ei
v =−−=−
=&
che corrisponde a circa un quarto della potenza termica ottenuta nell’esercizio precedente, grazie alla maggiore resistenza termica della finestra a doppio vetro per effetto dell’intercapedine d’aria. Tuttavia la resistenza dell’intercapedine d’aria calcolata in regime di conduzione è teorica. Essa è in realtà minore di quella calcolata perché ci sono delle correnti d’aria convettive naturali nell’intercapedine che favoriscono lo scambio termico, a danno quindi della resistenza 3.Calcolare la temperatura della superficie interna della finestra T1. Nota la potenza termica, si ricava la T1: Essendo
i
iv
eiv
h
TTA
R
TTAQ
11−
=−
=& [W]
Risulta:
ChA
QTT
ivi °=−=−= 2,14
10
1
2,1
2,6920
11
&
che risulta molto più alta rispetto a quella dell’esercizio precedente (-2,2°C). Il vetro doppio, oltre a evitare i fenomeni di condensa, riduce gli apporti termici dall’esterno, consentendo una riduzione dei costi per il raffrescamento.
![Page 7: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/7.jpg)
Per tracciare il grafico T(x) lungo la finestra occorre determinare la distribuzione della temperatura:
Cs
hA
QTT
v
v
ivi °=
+−=
+−= 9,13
78,0
004,0
10
1
2,1
2,6920
12 λ
&
Css
hA
QTT
v
v
ivi °−=
++−=
++−= 2,8
026,0
01,0
78,0
004,0
10
1
2,1
2,6920
1
int
int3 λλ
&
Csss
hA
QTT
v
v
v
v
ivi °−=
+++−=
+++−= 5,8
78,0
004,0
026,0
01,0
78,0
004,0
10
1
2,1
2,6920
1
int
int4 λλλ
&
![Page 8: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/8.jpg)
Esercizio n. 4 Si consideri una finestra di vetro alta 1,2 m e larga 2 m, il cui spessore è 6 mm e la cui conducibilità termica è λ = 0,78 [W/(m°C)]. Calcolare: (a) la potenza termica trasmessa attraverso questa finestra in regime stazionario e (b) la temperatura della sua superficie interna in un giorno in cui la temperatura della stanza è mantenuta a 24 °C, mentre la temperatura esterna è -5°C. Si supponga che i coefficienti di scambio termico convettivo della superficie interna e della superficie esterna della finestra siano hi = 10 [W/(m2°C)] e he = 25 [W/(m2°C)] rispettivamente, e si trascuri la trasmissione per irraggiamento. Dati H = 1,2 m L = 2 m s = 6 mm λ = 0,78 W/(m°C) Te = -5 °C Ti = 24°C Soluzione Area della superficie della finestra A = H x L =1,2 x 2 = 2,4 m2
Resistenza termica dei singoli strati
1) Resistenza allo scambio termico della superficie interna per convezione (aria interna- superficie interna parete)
°===W
Cm
hR
iiconv
2
, 1,010
11
2) Resistenza allo scambio termico per conduzione attraverso la lastra:
°===W
CmsR
v
v2
1 008,078,0
006,0
λ
3) Resistenza allo scambio termico della superficie esterna per convezione (superficie esterna
parete- aria esterna)
°===W
Cm
hR
ieconv
2
, 04,025
11
Resistenza totale R = Rconv,i + R1 + Rconv,e = 0,1+0,008+0,04 = 0,148 [m2°C/W]
![Page 9: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/9.jpg)
Potenza termica dispersa attraverso la finestra in regime stazionario
][470148,0
5244,2 W
R
TTAQ ei =−⋅=
−=&
Flusso termico
]/[2,1964,2
470 2mWA
Qq ===
&
Temperatura superficiale interna Ts,i
]C[4,41,02,19624
:risultacuida
:ancheèedcostanteèqostazionariregimeil assume si Poichè
Essendo
,,
,
,
°=⋅−=−=
−=
−=
iconviis
iconv
isi
ei
qRTT
R
TTq
R
TTq
![Page 10: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/10.jpg)
Esercizio n.5 Calcolare la potenza termica per unità di superficie che attraversa la seguente parete verticale e la distribuzione di temperatura con relativo grafico: Dati: Coefficiente di scambio termico interno per adduzione hi = 7 [W/m2°C] Coefficiente di scambio termico esterno per adduzione he = 23 [W/m2°C] Temperatura aria interna Ti = 20°C Temperatura aria esterna Te = 0°C Stratigrafia della parete
Materiale Spessore [mm] Densità [kg/m3] Conduttività termica [W/m°C]
Intonaco di cemento e calce
20 1800 0,9
Mattoni pieni 120 1800 0,3 Intonaco di cemento 20 2000 1,4 Soluzione Per calcolare il flusso termico si assume l’ipotesi di: - Trasmissione di calore stazionaria perché le temperature superficiali restano costanti - Trasmissione di calore monodimensionale perché il gradiente di temperatura è significativo solo nella direzione dall’interno verso l’esterno e tutte le superfici verticali sono superfici isoterme. - Conducibilità termica costante. Sotto tali ipotesi:
−=
2m
W
R
TTq ei
R è la resistenza termica allo scambio termico globale tra l’aria a temperatura Ti e l’aria esterna a temperatura Te attraverso la parete: R = Rconv,i + Ra + Rb + Rc + Rconv,e =
][6,023
1
4,1
02,0
3,0
12,0
9,0
02,0
8
111W
h
sss
h ec
c
b
b
a
a
i
=++++=++++=λλλ
=−=−
=2
336,0
020
m
W
R
TTq ei
sa sb sc
![Page 11: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/11.jpg)
Calcolo delle temperature - Temperatura della superficie interna Ts,i. Dall’equazione q = hi (Ti-Ts,i)
][9,158
13320, CRqTT iiis °=⋅−=⋅−=
- Temperatura T1 tra lo strato sa e lo strato sb
T1=Ti - q(Ri +Ra) = ][14,159,0
02,0
8
13320
1C
s
hqT
a
a
ii °=
+−=
+⋅−
λ
- Temperatura T2 tra lo strato sb e lo strato sc
T2=Ti - q(Ri +Ra+ Rb) = ][23,0
12,0
9,0
02,0
8
13320
1C
ss
hqT
b
b
a
a
ii °=
++−=
++⋅−
λλ
- Temperatura della superficie esterna Ts,e.
Ts,e = ][5,14,1
02,0
3,0
12,0
9,0
02,0
8
13320
1C
sss
hqT
c
c
b
b
a
a
ii °=
+++−=
+++⋅−
λλλ
Ovvero si verifica dall’equazione q = he (Ts,e-Te) che
][45,123
1330, CqRTT eeis °=⋅+=+=
![Page 12: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/12.jpg)
2°C Ti=20°C
Ts,i
sa sb sc
Te = 0°C
![Page 13: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/13.jpg)
Esercizio n. 6 Una parete alta 3 m e larga 5 m è costituita da lunghi mattoni orizzontali [λ = 0,78 W/(m°C)] da 16 cm x 22 cm in sezione trasversale, separati da strati di malta [λ = 0,22 W/(m°C)] da 3 cm di spessore. Vi sono anche strati di malta da cm 2 di spessore su ciascuna faccia del mattone e una schiuma rigida [λ = 0,026 W/(m°C)] da 3 cm di spessore sul lato interno della parete. La temperatura interna è Ti = 20°C e l a temperatura esterna è Te = -10°C. Si assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 25 [W/(m2°C)] e hi = 10[W/(m2°C)], escludendo in essi gli effetti dell’irraggiamento termico. Si determini la potenza termica stazionaria trasmessa attraverso la parete.
1,5 cm
22 cm
1,5 cm
3 cm 3 cm 16 cm 2 cm
![Page 14: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/14.jpg)
Soluzione La trasmissione si può approssimativamente considerare monodimensionale dal momento che prevale lungo l’asse x (direzione dello spessore). In questa parete vi è una disposizione che si ripete ogni 25 cm nella direzione verticale, mentre in quella orizzontale non vi sono variazioni. Si considera pertanto una porzione di parete di larghezza 1 m e altezza 0,25 m, dal momento che essa è rappresentativa dell’intera parete. Si assume isoterma ogni sezione trasversale della parete normale all’asse x. Il flusso termico che giunge sulla superficie interna della parete: 1. attraverserà lo strato di schiuma rigida di 3 cm 2. in sequenza, attraverserà lo strato di malta di spessore 2 cm 3. quindi, si ripartirà nei diversi materiali della porzione di parete (malta 1,5 cm + mattone 22 cm + malta 1,5 cm) in funzione della resistenza termica di tali materiali 4. attraverserà in sequenza lo strato più esterno di malta di spessore 2 cm.
q q q
qm
qM
qm
![Page 15: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/15.jpg)
Calcolo della resistenza termica totale della parete La resistenza totale della parete è data dalla somma delle resistenze dei singoli strati della porzione di parete - resistenza convettiva sulla superficie interna (scambio termico aria interna – superficie interna parete)
°===W
Cm
hR
iconviconv
2
,, 1,0
10
11
Tenendo conto della superficie di scambio termico A = hL =0,25x1 = 0,25 [cm] si calcola:
°=⋅
==W
C
AhR
iconviconv 4,0
25,010
11'
,,
- resistenza conduttiva degli strati (serie: schiuma rigida s1 – malta s2– mattoni + malta sopra e
sotto s3 – malta s4)
strato di schiuma rigida
°===W
CmsR
s
21
1 15,1026,0
03,0
λ
°=⋅
==W
C
A
sR
s
62,425,0026,0
03,0' 11 λ
strato di malta
°===W
CmsR
m
22
2 09,022,0
02,0
λ
°=⋅
==W
C
A
sR
m
36,025,022,0
02,0' 22 λ
porzione malta (h =1,5 cm) + mattone (h = 22 cm) + malta (h =1,5 cm) La resistenza R3 del blocco mattoni + malta sopra e sotto di spessore s3 è legata alla resistenza termica RM dell’area AM dei mattoni e alla resistenza termica Rm dell’area Am dello strato di malta sopra e sotto il mattone:
-
°===W
CmsR
MM
23 2,0
72,0
16,0
λ è la resistenza termica specifica dei mattoni
- AM = h xL = 0,22 x 1=0,22 [m2] è l’area della porzione di parete relativa ai mattoni in direzione ortogonale al flusso termico
-
°===W
CmsR
mm
23 72,0
22,0
16,0
λ è la resistenza termica specifica dello strato di malta che
circonda i mattoni
![Page 16: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/16.jpg)
- Am = hL = 0,015 x 1= 0,015 [m2] è l’area relativa alla malta sopra e sotto ogni mattone in direzione ortogonale al flusso termico, quindi deve essere contata due volte
Detta ∆T la differenza di temperatura tra le superfici verticali che delimitano la porzione in esame, la potenza termica che la attraversa è:
][
'
1
'
1
'
1
1
'
1
'
1
'
1111111
2'
333333
333
W
RRR
T
TRRR
T
A
R
A
R
A
RT
A
s
A
s
A
s
A
sT
A
sT
A
sT
sT
AsT
AAqAqAqR
TqAQ
mMm
mMm
m
m
M
M
m
m
mmMMmmmmMMmm
M
M
m
mmmMMmm
++
∆=
∆
++=∆
++=∆
++=∆+∆+∆=
=∆+∆=++=∆==
λλλλλλ
λλ
&
dove R’M e R’m [°C/W] sono le resistenze termiche non specifiche ma che tengono conto dell’area trasversale considerata rispettivamente per i mattoni (AM) e la malta (Am). Si ottengono dividendo le resistenze specifiche per l’area.
°===
°===
W
C
A
RR
W
C
A
RR
m
mm
M
MM
48,48015,0
72,0'
01,122,0
2,0'
Complessivamente la porzione malta sopra+mattone+malta sotto presenta una resistenza pari a:
°=
++=
++
=W
C
RRR
R
mMm
97,0
48,48
1
01,1
1
48,48
1
1
'
1
'
1
'
1
1'3
- strato di malta esterno
°==W
CmRR
2
24 09,0
°==W
CRR 36,0'' 24
- resistenza convettiva sulla superficie esterna
![Page 17: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/17.jpg)
°===W
Cm
hR
econveconv
2
,, 06,0
15
11
°=⋅
==W
C
AhR
econveconv 16,0
25,025
11'
,,
La resistenza totale RT della parete è:
°=+++++=+++++=W
CRRRRRRR econviconvT 87,616,036,097,036,062,440,0''''''' ,4321,
La potenza termica stazionaria trasmessa attraverso una superficie di area 0,25 m2 è:
][37,487,6
)10(20
'W
R
TTQ
T
ei =−−=−=&
Il flusso termico (potenza per m2 di superficie) è:
===2
5,1725,0
37,4
m
W
A
&
Essendo l’area totale della parete è Ap= 3x5 =15 m2, la potenza termica trasmessa attraverso la parete è:
[ ]WAqQ p 263155,17 =⋅=⋅=&
![Page 18: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/18.jpg)
Esercizio n. 7 Si consideri una casa che ha una base di 10m x 20m e pareti alte 4 m. Tutte e quattro le pareti della casa hanno una resistenza termica specifica di 2,31 [m2C°/W]. Le due pareti di 10 m x 4 m sono prive di finestre. La terza parete ha cinque finestre fatte di vetro spesso 0,5 cm [λ = 0,78 W/(m°C)], ciascuna delle quali misura 1,2 m x 1,8 m. La quarta parete ha le stesse dimensioni e lo stesso numero di finestre, ma queste sono a doppio vetro con uno spazio di aria stagnante spesso 1,5 cm [λ = 0,026 W/(m°C)], racchiuso tra due lastre di vetro spesso 0,5 cm. Il termostato della casa è regolato a 22°C e la temperatura media dell’ambiente esterno in quella località è 5°C durante la stagione di riscaldamento della durata di 7 mesi. Trascurando ogni scambio termico per irraggiamento attraverso le finestre e supponendo che i coefficienti si scambio termico sulla superficie interna della casa e sulla sua superficie esterna siano hi = 7 [W/(m2°C)] e he = 15 [W/(m2°C)] rispettivamente, si determini la potenza termica media trasmessa attraverso ciascuna parete.
10
4
20
![Page 19: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/19.jpg)
Pareti senza finestre La potenza termica trasmessa attraverso ciascuna parete di area 10m x 4m si calcola con la seguente espressione:
][WR
TTAQ
tot
ei −=&
con Ti = 22°C Te = 5° A = 40 m2
La resistenza totale di scambio termico è data dalla somma delle seguenti resistenze: - resistenza convettiva sulla superficie interna
°===W
Cm
hR
iconviconv
2
,, 14,0
7
11
- resistenza conduttiva degli strati della parete già nota come dato del problema
°==∑= W
CmsR
n
j j
jcond
2
1
31,2λ
- resistenza convettiva sulla superficie esterna
°===W
Cm
hR
econveconv
2
,, 06,0
15
11
Rtot = Rconv,i + Rcond+Rconv,e = 2,52 W
Cm °2
][27052,2
52240 W
R
TTAQ
tot
ei =−=−
=&
Parete con finestre a vetro singolo L’area della parete (20m x 4m) è composta da una parte opaca e da una parte trasparente L’area complessiva vetrata è: Av = 5 x Af = 5 x 1,2 x 1,8 =10,8 [m2] L’area opaca netta è: Aparete = Atot –Av = 20x4 -10,8 = 69,2 [m2]
![Page 20: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/20.jpg)
La resistenza specifica (per unità di area) della parte opaca è sempre la stessa:
Rparete = Rconv,i + Rcond+Rconv,e = 2,52 W
Cm °2
][46752,2
5222,69 W
R
TTAQ
paret
ei =−=−
=&
Attraverso le superfici vetrate il flusso termico cambia perché è diversa la loro resistenza conduttiva Rcond,v, a parità di salto termico e di resistenze convettive:
°===W
CmsR
v
vvcond
2
, 006,078,0
005,0
λ
Rv = Rconv,i + Rcond,v+Rconv,e = 0,14 + 0,006 + 0,06 = 0,21
°W
Cm2
La potenza termica che complessivamente attraversa la parete è dato dalla somma delle seguenti potenze
][WR
TTAQ
parete
eipareteparete
−=&
][WR
TTAQ
v
eivv =
−=&
Considerando solo la conduzione attraverso gli elementi le temperature da considerare sono: Ts,i e Ts,e delle superfici interna ed esterna rispettivamente:
Qparete
Qparete
Qv
![Page 21: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/21.jpg)
( ) ][11
,,,,
,
,,
,
,,
,
,,
,
,,
W
A
R
A
RTT
A
R
TT
A
R
TT
R
TTA
R
TTAQQQ
v
vcond
parete
paretecondesis
v
vcond
esis
parete
paretecond
esis
vcond
esisv
paretecond
esisparetevparete
+⋅−=
=−
+−
=−
+−
=+= &&&
(+)
Poiché deve essere:
totcond
esis
R
TTQ
,
,, −=& [W] (*)
Uguagliando la (+) e la (*):
( )
condparetecondvtotcond
v
vcond
parete
paretecondtotcond
v
vcond
parete
paretecondesis
totcond
esis
RRR
A
R
A
RR
A
R
A
RTT
R
TT
,,,
,,,
,,,,
,
,,
'
1
'
11
111
11
+=
+=
+⋅−=−
dove
][033,08,12,15420
31,2'
][0006,08,12,15
006,0'
,,
,,
WxxxA
RR
WxxA
RR
parete
condparetecondparete
v
condvcondv
=−
==
===
°=+
==+
=
+=
W
Cx
RR
xRRR
RR
RR
R
condvcondparete
condvcondparetetotcond
condvcondparete
condvcondparete
totcond
00058,00006,0033,0
0006,0033,0
''
''
''
''1
,,
,,,
,,
,,
,
![Page 22: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/22.jpg)
La resistenza totale della parete con le finestre a vetro singolo è: R’tot = R’conv,i + Rcond,tot+R’conv,e =
=
°=++=++W
C
xxxxAhR
Ah econvcondtot
iconv
0032,042015
10005,0
4207
111
,,
,
][3,5][53080032,0
522
'kWW
R
TTQ
tot
ei ==−=−
=&
Parete con finestre a doppio vetro Il procedimento di calcolo è analogo. La potenza termica risultante è diversa perché cambia la tipologia di finestra. Trattandosi di infisso a doppio vetro, la relativa resistenza termica sarà maggiore perché si aggiunge uno strato di aria con conduttività termica di 0,026 W/m°C.
°===
°=+=+=
W
C
xxA
RR
W
CmssR
v
vcondvcond
a
a
v
vvcond
054,08,12,15
59,0'
59,0026,0
015,0
78,0
005,022
,,
2
, λλ
La resistenza totale della parete con le finestre a doppio vetro è: R’tot = R’conv,i + Rcond,tot+R’conv,e =
= Ah
RAh econv
condtoticonv ,
,,
11 ++
dove:
°=+
=+
=
+=
W
Cx
RR
xRRR
RR
RR
R
condvcondparete
condvcondparetetotcond
condvcondparete
condvcondparete
totcond
02,0054,0033,0
054,0033,0
''
''
''
''1
,,
,,,
,,
,,
,
R’tot = R’conv,i + Rcond,tot+R’conv,e =
=
°=++=++W
C
xxxxAhR
Ah econvtotcond
iconv
023,042015
102,0
4207
111
,,
,
][7290233,0
522
'W
R
TTQ
tot
ei =−=−
=&
![Page 23: Esercizi di trasmissione del calore...assumano quali coefficienti di scambio termico sulle superfici esterna ed interna della finestra he = 40[W/(m 2 C)] e hi = 10[W/(m 2 C)], includendo](https://reader035.fdocument.org/reader035/viewer/2022071503/61233ff2c72cb402a907d7e8/html5/thumbnails/23.jpg)