¿Cómo calcular el grosor de la espuma de poliuretano?

¿Cómo calcular el grosor de la espuma de poliuretano?

En la ingeniería de aislamiento térmico, los plásticos de espuma se utilizan en dos tipos de situaciones: uno como material de aislamiento y el otro como material de aislamiento de refrigeración. Debido a las diferentes condiciones de uso, las fórmulas de cálculo también son diferentes.

Para el cálculo del grosor de aislamiento como se usa en objetos cilíndricos como las tuberías, se recomienda la siguiente fórmula:

Si se usa en superficies planas de temperatura constante, la fórmula (11-39) es adecuada para el cálculo de grosor:

Dónde:

N = (1+n) m1/n (1+n) m

d1 — diámetro exterior de la capa de aislamiento, m

d0 — diámetro interno de la capa de aislamiento, m

λ — conductividad térmica de la capa de aislamiento, 1.163 w/(m·K)

a — Coeficiente de transferencia de calor superficial, 1.163 w/(m²·K)

b — Costo de energía, yuan/4187j

α — Costo de construcción del material de aislamiento, 1000 yuanes/m³

H — Tiempo de uso anual, H

T0 — temperatura interna, ℃

TT — temperatura ambiente ambiente, ℃

norte — tasa de interés anual

metro — años de reembolso, un

μ — espesor de la capa de aislamiento, m

La fórmula anterior incluye factores humanos, como el costo de aislamiento y el período de recuperación de la inversión. Por lo tanto, es necesario comprender mejor la situación de disipación de calor. Para aplicaciones de tuberías:

Para aplicaciones de superficie plana:

En la fórmula (11-40), la unidad de Q se refiere a la disipación total de calor por metro por hora, es decir, 1.163 w/m; mientras que en la fórmula (11-41), la unidad de Q es la disipación total de calor por metro cuadrado por hora, es decir, 1.163 J/(m²·h) o 1.163 w/m².

Desde una perspectiva puramente técnica, para los sistemas de tuberías:

Para superficies planas:

μ = λ/A (T0 - TS)/(TS - TT)   (11-43)

Dónde:

d1 — diámetro exterior de la capa de aislamiento, m

d0 — diámetro interno de la capa de aislamiento, m

λ — conductividad térmica del material de aislamiento, 1.163 w/(m·K)

a — Coeficiente de transferencia de calor superficial de la capa de aislamiento, w/(m²·K)

T0 — temperatura interna, ℃

TS — Temperatura de la superficie, ℃

TT — temperatura ambiente, ℃

μ — espesor de la capa de aislamiento, m

Cabe señalar que A, el coeficiente de transferencia de calor, se refiere a la transferencia de calor entre la superficie de aislamiento y la atmósfera, que es una combinación de convección y radiación. Por lo tanto, el coeficiente de transferencia de calor A debe ser:

A = AT + AC    (11-44)

Dónde:

en — coeficiente de transferencia de calor por radiación

C.A — coeficiente de transferencia de calor de convección

El valor de AT se puede calcular a partir de la siguiente fórmula:

Dónde:

ε — emisividad de la capa de aislamiento (0.84 cuando está protegida con pintura plateada)

C0 — coeficiente de radiación de cuerpo negro, tomado como 5.7 J/m²

TT — Temperatura de la superficie, ℃

TR — temperatura atmosférica, ℃

AC es el coeficiente de transferencia de calor convectivo, que está relacionado con la velocidad de flujo de fluido, calor específico, conductividad térmica, etc., es decir, relacionada con el número de Nusselt.

ac = nu (λ / H)   (11-46)

Dónde:

Nu — Número de Nusselt

H — Altura de ingeniería, M

A través de múltiples pruebas y comparaciones en varios países, se ha considerado que el valor A en aplicaciones de refrigeración es de aproximadamente 8.14 w/(m²·K), y en aplicaciones de aislamiento, es aproximadamente 11.63 w/(m²·K), que coinciden estrechamente los valores reales.

【Ejemplo】

Uso de la espuma rígida de poliuretano como material de aislamiento para un almacenamiento en frío, con una conductividad térmica de 0.02326 w/(m·K), una temperatura de almacenamiento de diseño de –20°C, y una temperatura anual promedio externa de 30°C, y humedad relativa del 85%, se calcula el grosor de aislamiento del plástico de espuma.

Según la fórmula (11-43):

Dado: λ = 0.02326 w/(m·K), tn = –20°C, TT = 30°C, a = 8.14 w/(m·K)

En escenarios de refrigeración, la temperatura de la superficie es en realidad la temperatura del punto de rocío. Según la tabla de presión de vapor saturada, la presión de vapor saturada a 30°C es 4.23 kPa. Dada el 85% de la humedad relativa, la presión real de vapor es:

4.23 × 0.85 = 3.6 (kPa)

La temperatura del punto de rocío se refiere a la temperatura saturada a esta presión. De la tabla de presión de vapor saturada, la temperatura saturada a 3.6 kPa es 27.2°C, es decir, TN = 27.2°C.

La conductividad térmica real λ del aislamiento de almacenamiento en frío debe corregirse utilizando la fórmula (11-37):

λ = λ0 + 0.00012T = 0.020 + 0.00012[(–20 + 27.2)/2]

= 0.020432 [kcal/(m·H·℃)]

= 0.02376 [w/(m·℃)]

μ = 0.02376 / 8.14 × [(–20 – 27.2)/(27.2 – 30)] = 0.049 (m)

El grosor de aislamiento es de 49 mm, aproximadamente 50 mm. Por lo tanto, los cálculos posteriores se basan en 50 mm.

Con un espesor de 50 mm, la transferencia de calor Q y la temperatura de la superficie del almacenamiento en frío se calculan de acuerdo con la fórmula (11-41):

Q = (t0 – tt)/(1/a + a/λ) = (–20 – 30)/(1/8.14 + 0.05/0.02326) = –22 (w/m²)

El resultado es negativo, lo que indica la transferencia de calor desde el exterior hacia adentro. Verificación de temperatura de la superficie:

ts = q/a + tt = (–22 w/m²)/(8.14 w/m²·℃) + 30 = 27.3 (℃)

TS = 27.3°C coincide con el valor obtenido de la tabla de presión de vapor saturada. Esto muestra que con el aislamiento de espuma de 50 mm, el requisito de diseño se cumple completamente.