Transmiterea caldurii - prin conductie si prin convectie

Transmiterea caldurii

1. Generalitati

Caldura produsa de o sursa termica se raspandeste in spatiul inconjurator sau se transmite corpurilor aflate in contact direct cu sursa.

Se deosebesc trei moduri de transmitere a caldurii: prin conductie, convectie si radiatie.

Transmiterea caldurii se face intotdeauna de la sursa calda catre cea rece, acest proces continuand pana la egalizarea temperaturilor. Procesul de propagare a caldurii, al trecerii de la sursa calda catre alte corpuri cu temperatura mai scazuta, poate fi incetinit sau extins in timp, dar in nici un caz nu poate fi impiedicat cu totul.

2. Transmiterea caldurii prin conductie

Cand doua corpuri, avand temperaturi diferite, se afla in contact direct, caldura trece de la corpul cald catre cel rece, treptat, in toata masa corpului, datorita miscarilor moleculare. Fenomenul se petrece intocmai ca atunci cand se incalzeste o parte a unui corp si caldura se transmite in toata masa sa, fara ca materia sa se deplaseze sau sa sufere deformatii. Astfel daca se introduce un capat al unei vergele metalice intr-un focar puternic incalzit, se constanta ca si celalalt capat, tinut la exterior, se incalzeste. S-a observat ca nu toate corpurile transmit in aceeasi masura caldura. Unele, de exemplu metalele, au o capacitate de transmitere a caldurii mai mare, in timp ce altele cum ar fi pluta sau azbestul intarzie considerabil procesul de propagare a caldurii.

In cazul cand conductia caldurii printr-un corp se face in regim permanent, adica atunci cand sursa calda produce in mod continuu caldura, diferenta de temperatura intre doua puncte ale corpului respectiv mentinandu-se constanta, se pot stabili formule de calcul pentru cantitatea de caldura transmisa.

Spre exemplu, a fost stabilita o relatie intre cantitatea de caldura transmisa si caracteristicile fizice ale unui perete facut dintr-un material omogen.

Din practica se cunoaste ca un spatiu incalzit pierde mai multa caldura atunci cand suprafata sa este mai mare, cand timpul este mai indelungat si cand diferenta de temperatura intre interior si exterior este mai mare. Pentru a micsora pierderile de caldura se pot alege grosimi mai mari ale peretilor. In sfarsit cantitatea de caldura cedata este dependenta de natura materialului prin care se transmite.

Sintetizand observatiile de mai sus se poate scrie formula cantitatii de caldura ce trece intr-o perioada de timp t printr-un perete de suprafata S si grosimea d, atunci cand cele doua fete ale sale au temperaturile θ₁ si θ₂ (θ₁ > θ₂).

1 [Joule] = λ ∙ [1 ∙ h ∙ 1 m ∙ 1 grad]

1 m

de unde

λ [ __Joule__ ] sau λ [ ___kcal___ ] .

m ∙ h-grd m ∙ h ∙ grd

Prin urmare, coeficientul λ reprezinta cantitatea de caldura ce trece intr-o ora, prin unitatea de suprafata a unui perete plan, cu grosimea de 1 m cand diferenta intre temperaturile celor doua fete este de 1 grad Celsius.

Dupa valoarea coeficientului de conductibilitate termica λ, care reflecta capacitatea unui material de a transmite mai incet sau mai incet sau mai rapid caldura, deosebim materiale bune conductoare de caldura si materiale izolante din punct de vedere termic.

Valorile coeficientilor de conductibilitate termica a unor corpuri, la 20sC, sunt date in tabela 9.

Coeficientul λ variaza cu temperatura, dar pentru calcule tehnice se poate lua o valoare medie, pentru un anumit interval de temperaturi, fara a se face erori prea mari.

Din analiza datelor prezentate in tabela se desprind cateva concluzii interesante:

- Se observa ca metalele pure au o conductibilitate termica mai buna decat aliajele. Coeficientul de conductibilitate are o valoare mai scazuta cand procentele constituientilor unui aliaj tind sa se egalizeze.

- Substantele al caror coeficient de conductibilitate este inferior de 0,150 kcal/m.h.grd. sunt utilizate ca izolanti termici in industrie si constructii.

- Conductibilitatea termica a lichidelor, exceptand mercurul, este foarte scazuta.

Precizam ca valorile coeficientilor de conductibilitate termica ai lichidelor sunt valabile atata vreme cat nu se produce miscare in masa lichidului, in caz contrar intervenind fenomene de transmitere a caldurii prin convectie.

Gazele au conductibilitatea termica mai mica decat a oricarui izolant termic solid. Singura exceptie o face hidrogenul. Aceeasi remarca, privind valabilitatea valorilor din tabela numai in caz de repaus al lichidelor, trebuie facuta si in cazul gazelor. Prezenta aerului inclus in masa materialelor izolante (pluta, vata de sticla etc.) explica valoarea redusa a coeficientului de conductibilitate termica a acestor materiale. Majoritatea substantelor care au o structura poroasa, cu spatii umplute cu aer, sunt izolanti termici.

Conform teoriei cinetico-moleculare, procesul transmiterii caldurii prin conductie se datoreste miscarilor de oscilatie pe care le au atomii si moleculele corpurilor solide si lichide. Amplitudinea acestor miscari oscilatorii creste odata cu temperatura. In interiorul corpului atomii cu energie mare, situati in preajma sursei calde, cedeaza o parte din energie atomilor a caror amplitudine de oscilatie este mai redusa.

Tabela 9

Valorile coeficientului de conductibilitate termica a unor corpuri,

la 20sC exprimat in kcal/m. h. sC

Cedarea energiei se face din aproape in aproape, de la atom la atom, din regiunea calda catre cea rece.

Lucrurile se petrec in mod asemanator si in cazul gazelor. In jurul sursei de caldura moleculele de gaz au o energie cinetica medie mai mare. O parte din aceasta energie este cedata in urma ciocnirilor cu alte molecule, astfel ca in final toate moleculele vor avea aceeasi energie cinetica medie. In cazul gazelor insa, conductibilitatea termica joaca un rol secundar.

3. Transmiterea caldurii prin convectie

Cand corpurile nu se afla in contact direct cu schimbul de caldura se face prin intermediul fluidului care le desparte (apa, aer, ulei de racire etc.).

Datorita coeziunii mai reduse intre moleculele unui fluid (lichid sau gaz) acestea se pot deplasa mai usor in spatiu, starea lor de miscare - deci energia termica - fiind transmisa rapid in intreaga masa.

Dilatandu-se, din cauza caldurii primite, masele de fluid aflate in imediata apropiere a sursei calde isi micsoreaza densitatea si se ridica lasand locul unor mase de fluid rece. Se realizeaza un circuit de fluid purtator de caldura, care propaga energia termica in spatiu.

Transmiterea caldurii prin intermediul particulelor de fluid care se deplaseaza se numeste transmitere de caldura prin convectie, sau mai simplu convectia caldurii.

Calculul cantitatii de caldura transmisa prin convectie este foarte dificil din cauza numarului mare de parametri care intervin in desfasurarea acestui proces (temperatura masei calde calde si a fluidului purtator, caracteristicile fizico-chimice ale acestuia - viteza, vascozitate, densitate etc. - pozitiile relative ale suprafetelor si multe altele).

Au fost stabilite formule de calcul pentru anumite situatii speciale, analizate in profunzime pentru necesitati de ordin practic (incalzire centrala, schimbatoare de caldura etc.).

La punctul precedent - Transmiterea caldurii prin conductie - s-a mentionat ca pentru a realiza rolul de izolant termic un fluid trebuie sa se afle in repaus. Dimpotriva, atunci cand este necesar sa se activeze schimbul de caldura prin convectie trebuie sa se ia masuri de stimulare a circulatiei fluidului purtator de caldura.

Observatiile calitative privind transmiterea caldurii prin convectie prezinta o mare utilitate practica. Spre exemplu, in constructii se pune intrebarea: care sunt modalitatile cele mai eficiente de reducere a pierderilor de caldura prin ferestrele cladirilor ? La prima vedere s-ar parea ca este suficient sa se realizeze geamuri duble, la o distanta cat mai mare unul de altul, pentru a se obtine un strat de aer care sa impiedice transferul de caldura. Practic insa, s-a constatat ca marirea distantei intre geamuri nu duce la scaderea pierderilor de caldura ci dimpotriva, dar ca exista o distanta optima, relativ scazuta, care asigura cea mai buna izolare termica.

Crearea curentilor de convectie ca urmare a incalzirii fluidelor isi gaseste explicatia in modificarea densitatii acestora sub efectul temperaturii. Fenomenul poate fi urmarit cu usurinta pe baza unui rationament simplu: Densitatea unui corp este definita ca masa unitatii de volum: ρ = m .Sub influenta caldurii primite, fluidul respectiv (lichid sau gaz) se dilata

V

marindu-si volumul; deci o aceeasi masa de fluid care la o anumita temperatura ocupa un volum V, prin incazire va ocupa un volum V₁ mai mare decat V. Este evident ca intr-o asemenea situatie raportul m va fi mai mic decat raportul m , cu alte

V₁ V

cuvinte densitatea unui fluid se micsoreaza prin incalzirea acestuia. Fiind mai usor fluidul cald se deplaseaza in sus, cedand locul unor mase de fluid rece si provocand aparitia curentilor de convectie.

In domeniul combaterii incendiilor, fenomenul transmiterii caldurii prin convectie poate fi intalnit in diverse ipostaze. Functionarea detectoarelor termice de incendiu se bazeaza tocmai pe formarea unor curenti ascendenti de aer cald deasupra focarului de incendiu, care transmite caldura produsa, la partea de sus a incaperii. Acest fapt explica pentru ce detectoarele termice de incendiu se monteaza deasupra locurilor sau utilajelor care trebuie protejate.

Acelasi fenomen justifica masurile intreprinse pentru ventilarea spatiilor mari in caz de incendiu. La partea superioara a halelor industriale, in acoperis, se practica deschideri automate pentru evacuarea caldurii, fumului si gazelor de ardere. Prin tirajul creat datorita deschiderii trapelor de ventilatie, caldura si produsele de ardere sunt elimintate pe drumul cel mai scurt in atmosfera, locul lor fiind luat de aerul rece care patrunde prin deschiderile laterale (usi, ferestre etc.) ale spatiilor respective.

In acest fel pompierii pot actiona in imediata vecinatate a focarului, fara a fi stanjeniti de caldura excesiva si de gazele toxice degajate.

Cunoasterea fenomenelor de transmitere a caldurii prin convectie constituie una din premizele insusirii corespunzatoare a principiilor tactice si metodelor de stingere a incendiilor.

Un exemplu graitor in acest sens il ofera metoda de stingere a marilor incendii de padure prin declansarea intentionata a unui alt incendiu controlat, pe un aliniament paralel cu cel al incendiului care trebuie combatut. Curentii de aer cald antreneaza scanteile si "focurile zburatoare" - deci propagarea celor doua incendii - spre portiunea de padure care le desparte, incendiilor sfarsind prin a se "inghti" reciproc. Metoda este aplicabila la stingerea incendiilor in zone impadurite, cu suprafata mare, sub controlul specialistilor, cu luarea in consideratie a factorilor meteorologici (directia vantului, temperatura atmosferica etc.).

4. Transmiterea caldurii prin radiatie

Daca la primele doua moduri de transmitere a caldurii, prin conductie si convectie, era necesara prezenta unui suport material purtator de caldura - moleculele corpului solid sau mase de fluid in miscare - in cazul radiatiei termice, propagarea caldurii se face independent de existenta materiei in spatiul dintre sursa calda si cea rece.

Caldura se propaga prin radiatie dupa legi similare cu cele ale propagarii luminii.

Daca se asaza un material combustbil in focarul unei lentile convergente, concentrand razele solare asupra lui, materialul se va aprinde. Este evident ca nu exista un proces de transmitere a caldurii prin conductie sau convectie, energia termica fiind transmisa, in acest caz, exclusiv prin radiatie.

Orice corp cald radiaza caldura in spatiul inconjurator. Caldura radiata se propaga in linie dreapta, cu o viteza egala cu cea a luminii, 300.000 km/s, se reflecta si se refracta ca si lumina.

Un corp care primeste un fascicol de raze absoarbe numai o parte din energia de radiatie transportata de aceasta, parte care este transmisa prin conductie sau utilizata la ridicarea temperaturii proprii. Un anumit procent din energia de radiatie este reflectata inapoi, in spatiul inconjurator.

Raportul dintre cantitatea de energie absorbita si cantitatea totala de energie indreptata spre corp se numeste coeficient de absorbtie si se noteaza cu "a". Se cunoaste faptul ca materialele lucioase, deschise la culoare, reflecta o cantitate mai mare de energie radianta, in timp ce corpurile inchise la culoare absorb o cantitate marita de caldura.

Corpurile care absorb intreaga cantitate de energie termica pe care o primesc sub forma de radiatie (a = 1) se numesc corpuri negre. Practic, negrul de fum este un corp care se apropie din cea mai mare masura de corpul negru ipotetic.

Calculul procesului de transformare a caldurii prin radiatie ridica de asemenea o serie de probleme dificil de depasit. Cantitatea de caldura propagata prin radiatie este dependenta de temperaturile corpurilor, de natura si culoarea acestor corpuri, de starea lor de finisare a suprafetelor, pozitia lor relativa etc.

S-a stabilit ca prin radiatie un corp poate absorbi o cantitate de caldura:

Q = c ∙ S ∙ [( _T_c_ )⁴ - ( _T_r_ )⁴]

100 100

unde Q este cantitatea de caldura absorbita, exprimata in kcal/h;

c - constanta de radiatie a corpurilor, care pentru corpul negru este de 4,96 ___kcal___ .Determinarea valorii      

m ∙ h ∙ grd⁴

acestei constante ridica dificultati in cazuri reale, intalnite in practica;

S - suprafata prin care primeste caldura radiata [m];

T_c - temperatura absoluta a corpului care radiaza caldura [K];

T_r - temperatura absoluta a corpului care primeste caldura radiata [K].

Caldura transmisa prin radiatie joaca un rol insemnat atunci cand temperatura corpului care radiaza caldura este mare, depasind valori de 6 - 700sC.

Radiatia calorica poate deveni periculoasa in cazul unui incendiu, existand posibilitatea propagarii incendiului de la un obiect la altul chiar daca acestea nu se afla in contact direct. Pentru acest motiv, normativele de constructii prescriu distante minime de siguranta intre cladiri, in functie de tipul si destinatia lor. Cunoscand rezistenta la foc a doua cladiri se poate stabili distanta minima de siguranta la care pot fi asezate una fata de celalata, sau invers, impunandu-se o anumita distanta intre cladiri se poate determina gradul de rezistenta la foc pe care acestea trebuie sa-l aiba pentru a se evita propagarea unui incendiu, datorita cladirii radiate la aprinderea uneia dintre ele.

5. Cazul general de transmitere a caldurii

In realitate de cele mai multe ori transmiterea caldurii nu se face printr-un singur mod (conductie, convectie sau radiatie) ci prin doua sau toate trei odata. Calculul exact al cantitatii de caldura transmisa sau al altor parametri ai procesului de propagare implica insa o serie de greutati greu de depasit in general. In mod global, cantitatea de caldura propagata este direct proportionala cu:

- timpul;

- diferenta de temperatura intre cele doua surse;

- un coeficient de transmisie generala a caldurii dependent de o multitudine de parametri (starea suprafetelor, culoarea lor, materialul, distanta relativa, caracteristicile fluidului purtator etc.).

De obicei, in caz de incendiu, se pune problema transmiterii unei cantitati de caldura cat mai scazute, de la un obiectiv incendiat la altul. Analizand fiecare din cei patru factori enumerati mai sus si modul cum se poate interveni pentru micsorarea lor rezulta o serie de concluzii utile.

- Timpul cat dureaza schimbul de caldura de la incendiu catre obiectivele invecinate nu poate fi influentat de obieci direct decat prin reducerea timpul de stingere a incendiului. In cazul unor obiecte mobile solutia se simplifica, fiind suficient sa se indeparteze obiectul periclitat de focarul incendiului.

- Suprafetele obiectelor nu pot fi modificate, ele fiind determinate prin constructie. In tehnica pot apare situatii cand exista interes de a asigura evacuarea unei cantitati cat mai mari de caldura prin radiatie termica. In asemenea cazuri, marirea suprafetei de radiatie prezinta o solutie avantajoasa, care se aplica, de exemplu, la radiatoarele de incalzire centrala sau la radiatoarele motoarelor termice unde forma constructiva dispune de o suprafata mare de racire.

- Temperaturile celor doua surse - cea calda si cea rece - pot fi influentate tot prin intensificarea operatiunilor de stingere a incendiului si prin eventualele masuri de racire a obiectivului care risca sa fie incendiat.

In sfarsit coeficientul global de transmisie a caldurii este elementul asupra caruia se poate interveni atat prin masuri de prevenire cat si in cadrul operatiunilor de stingere. In mod preventiv se pot utiliza materiale cu coeficient redus de absorbtie, pentru placarea fatadelor cladirilor sau se pot vopsi acestea in culori deschise. In caz de incendiu se pot lua masuri pentru activarea circulatiei fluidului intre obiective si de racire cu ajutorul apei pulverizate.

Pentru o serie intreaga de utilaje si dispozitive care trebuie ferite de actiunea radiatiei termice se poate adopta masura acoperirii cu substante reflectante . Un exemplu elocvent in acest sens il ofera costumele de protectie aluminizante, al caror strat exterior reflecta o mare parte din cantitatea de caldura incidenta. Pentru acelasi motiv rezervoarele de produse chimice si petroliere, din depozite, rafinarii etc., sunt vopsite in argintiu.

Anumite masini de incendiu, dotate cu puternice mijloace de stingere, care urmeaza a actiona in imediata vecinata a unor focare de radiatie termica intensa sunt vopsite de asemenea in argintiu.