Notiuni fundamentale - transmisia caldurii

Notiuni fundamentale - transmisia caldurii

Rezolvarea problemelor de transfer termic specifice constructiilor se bazeaza pe cunoasterea legilor fizicii referitoare la schimbul de caldura, stabilite in cadrul teoriei propagarii caldurii.

Dintre criteriile de confort, de prima importanta este cel care se refera la valorile temperaturilor in spatiile locuite, denumit confort termic. Datorita diferentelor de temperatura dintre aer si elementele de constructii are loc transferul caldurii prin conductie, convectie si radiatie (Fig. 1).

Fig. 1. Transferul caldurii prin conductie, convectie si radiatie

a. Transferul caldurii prin conductie consta in transmisia caldurii dintr-o regiune cu temperatura mai ridicata catre o regiune cu temperatura mai scazuta, in interiorul unui mediu solid, lichid sau gazos, sau intre medii diferite in contact fizic direct, sub influenta unei diferente de temperatura, fara existenta unei deplasari aparente a particulelor care alcatuiesc mediile respective. In constructii acest tip de transfer este intalnit in special la corpurile solide (pereti, plansee, acoperisuri, tamplarie etc.) si se desfasoara prin vibratia termica a retelei cristaline si, in cazul elementelor metalice cu ajutorul electronilor liberi (de valenta).

b. Transferul termic prin convectie reprezinta procesul de transfer al caldurii prin actiunea combinata a conductiei termice, a acumularii de energie si a miscarii de amestec. Convectia este cel mai important mecanism de schimb de caldura intre o suprafata solida si un fluid, intre care exista contact direct si miscare relativa. In constructii transferul convectiv are loc in special la lichide si gaze si se datoreaza transportului de caldura prin miscarea moleculelor fluidelor. Fenomenul intervine la suprafata de contact a elementelor de constructii cu aerul interior sau exterior.

c. Transferul energiei termice prin radiatie este procesul prin care caldura este transferata de la un corp cu temperatura ridicata la un corp cu temperatura scazuta, corpurile fiind separate in spatiu. Schimbul de caldura prin radiatie se realizeaza de la distanta, fara contact direct intre corpuri. Fenomenul are sens dublu: un corp radiaza energie, dar si absoarbe energia emisa sau reflectata de corpurile inconjuratoare. Radiatia termica are loc sub forma de unde electromagnetice si intervine in mod semnificativ la diferente mari de temperatura intre corpurile solide, sau intre solide si fluide, cum este in cazul elementelor de incalzire din locuinte (radiatoare).

Principalele notiuni cu care se opereaza in cadrul problemelor legate de studiul fenomenelor de transfer termic sunt:

a. Temperatura - reprezinta o marime scalara de stare, care caracterizeaza gradul de incalzire al corpurilor. Temperatura poate varia in timp si spatiu fiind, in cazul cel mai general, o functie de 4 variabile (trei variabile geometrice si variabila timp): .

Ca unitate de masura se utilizeaza gradele, care difera functie de sistemul de masura folosit: Kelvin (K), Celsius (ºC), Fahrenheit (ºF). In sistemul international (SI) unitatea de masura a temperaturii este Kelvinul.

b. Camp termic - reprezinta totalitatea valorilor temperaturii ce caracterizeaza un anumit spatiu (domeniu). Campul termic poate fi constant (stationar sau permanent) sau variabil (nestationar sau tranzitoriu), dupa cum temperatura din fiecare punct este constanta sau variabila in timp.
De asemeni, campul termic este unidirectional (Fig. 2), atunci cand propagarea caldurii are loc in mod preponderent pe o singura directie, bidirectional sau plan (Fig. 3), daca propagarea caldurii are loc pe doua directii si tridirectional sau spatial (Fig. 4), in situatia in care propagarea caldurii are loc pe toate cele trei directii in spatiu.

Fig. 2. Campul termic unidirectional intr-un perete (camp curent)

a. perete exterior omogen; b. harta temperaturilor
(temperatura scade de la nuantele deschise spre cele inchise)

Fig. 3. Campul termic bidirectional (plan) la coltul unui perete exterior

a. perete exterior omogen; b. harta temperaturilor
(temperatura scade de la nuantele deschise spre cele inchise)

Fig. 4. Campul termic spatial pe grosimea unui perete exterior din zidarie

(temperatura scade de la nuantele deschise spre cele inchise)

c. Linie izoterma - este locul geometric al punctelor de egala temperatura, dintr-un camp termic plan (Fig. 5). Deoarece un punct al unui corp nu poate avea simultan doua valori diferite ale temperaturii, rezulta ca liniile izoterme sunt continue si nu se intersecteaza intre ele.

Fig. 5. Linii izoterme la intersectia unui perete

exterior din zidarie cu planseul

d. Suprafata izoterma - este locul geometric al punctelor dintr-un camp termic spatial, ce se caracterizeaza prin aceeasi valoare a temperaturii
(Fig. 6; domeniul analizat este cel din Fig. 4). Suprafetele izoterme sunt continue si nu se intersecteaza intre ele, din acelasi motiv ca in cazul liniilor izoterme. Suprafetele izoterme pot fi plane sau curbe.

e. Gradient de temperatura - este o masura a variatiei temperaturii pe o anumita directie din spatiul (domeniul) analizat. Mai riguros, gradientul de temperatura reprezinta limita raportului intre diferenta de temperatura T si distanta Δx dintre doua puncte, cand Δx 0 (din punct de vedere matematic este derivata temperaturii in raport cu spatiul):

Fig. 6. Suprafata izoterma intr-un perete exterior
din zidarie, la intersectia cu planseul

(curbura spre exterior se datoreaza izolatiei termice suplimentare din dreptul centurii)

f. Cantitatea de caldura (Q) - reprezinta o cantitate de energie si in SI se masoara in Joule (J). Se pot folosi si alte unitati de masura, cum ar fi Wh sau caloria (cal).

g. Fluxul termic sau debitul de caldura (Φ) - este cantitatea de caldura ce strabate o suprafata in unitatea de timp. Din punct de vedere matematic reprezinta derivata cantitatii de caldura Q in raport cu timpul τ, si se masoara in J/h sau, mai uzual, in W:

h. Densitatea fluxului termic sau fluxul termic unitar (q) - reprezinta cantitatea de caldura care strabate unitatea de suprafata in unitatea de timp (Fig. 7). Fluxul unitar este o marime vectoriala, avand directia normala la suprafetele sau liniile izoterme si se masoara in    W/m².

Fig. 7. Harta fluxului termic unitar pe grosimea
unui perete exterior din zidarie

(nuantele inchise corespund valorilor mari ale fluxului)