Como o tamanho do entreferro entre uma placa de aquecimento e seu isolamento afeta o desempenho térmico?

Geralmente pensa-se que o isolamento está em contacto com a superfície quente a ser protegida. Na verdade, quase sempre existe um entreferro- intencional ou não- que pode ajudar ou prejudicar o desempenho térmico dependendo de como ele é mantido. Conhecendo a física do transporte de calor através dessa lacuna, os engenheiros podem transformar uma vulnerabilidade potencial numa vantagem de design.

A física do ar parado como isolante.
O ar parado é um isolante muito bom. É melhor do que muitos materiais isolantes típicos com uma condutividade térmica de cerca de 0,026 W/m·K. O espaço de ar entre a placa quente e o isolamento traseiro oferece uma resistência térmica desejável, desde que o ar seja retido e não possa fluir. A transferência de calor convectiva – o aumento do ar aquecido e a sua substituição por ar frio – necessita de espaço. As forças viscosas dominam em uma lacuna estreita, geralmente inferior a cerca de 1 cm (0,4 polegadas), suprimindo a convecção. Neste regime o entreferro contribui favoravelmente para o valor isolante total.

Conseqüentemente, o desempenho térmico dos sistemas de placas de aquecimento com isolamento de entreferro não é-linear com o tamanho do entreferro. Espaços muito estreitos (1-2 mm) proporcionam alguma resistência extra, mas são vulneráveis ​​a pontes ou contacto físico que matam a camada de ar. E se vedadas contra o movimento do ar, as lacunas resultantes na faixa de 5 a 10 mm fornecem muito isolamento extra sem aumentar muito a espessura total.

A desvantagem é o desvio de radiação.
À medida que a temperatura aumenta, um segundo mecanismo de transferência de calor domina no lado quente da lacuna. A transferência de calor radiativo é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta. A radiação através de um entreferro pode ser significativa em temperaturas comuns da placa de prensa (150-400 graus / 300-750 graus F). Se a face traseira da placa estiver exposta a metal com alta emissividade (o aço oxidado é geralmente de 0,8 a 0,9), então a radiação infravermelha irradiará fortemente sobre a lacuna, anulando assim o benefício do isolamento condutivo.

Uma lacuna maior e descontrolada com o movimento convectivo do ar pode ser um caminho para a perda de calor, não porque o ar seja um bom condutor de calor, mas porque a radiação pode escapar e o ar circulante transfere o calor para longe da placa. Quanto maior a distância além do limite de supressão de-convecção (ca. 1-2 cm), mais a radiação é importante e o entreferro se torna menos eficaz como barreira térmica.

Tornando o Air Gap um ativo de desempenho
Um entreferro controlado e uma barreira de baixa{0}emissividade são a solução. Um entreferro intencional e regulado de 5 a 10 mm com uma folha refletiva em um ou ambos os lados pode melhorar muito o desempenho total do isolamento com poucos custos. O uso de uma folha reflexiva com emissividade de 0,05 (típica de alumínio polido ou de uma barreira radiante feita sob medida) pode reduzir o transporte radiativo através da lacuna em 95%; A folha atua como um refletor térmico da radiação de volta para a placa quente e também evita a perda de energia enquanto a camada de ar imóvel fornece a resistência elétrica.

Uma célula de ar construída corretamente com uma barreira radiante é uma tecnologia de isolamento muito eficaz. Aumenta a resistência térmica sem aumentar a espessura do isolamento, pode ser adaptado às placas existentes e é particularmente eficaz em altas temperaturas de operação no regime dominado pela radiação.

Orientação de design prática
Para melhor eficiência térmica do isolamento do entreferro em designs de placas para aquecimento:

Deixe a distância em 5-10 mm - pequena o suficiente para evitar convecção natural, mas grande o suficiente para evitar toque acidental.

Fixe uma película reflexiva na placa quente (ou em ambos os lados da abertura). Idealmente emissividade <0.1 .

Feche a borda da abertura para que o ar não penetre ou cause efeitos de chaminé para impulsionar a convecção.

Certifique-se de que a lacuna esteja seca - a umidade na camada de ar aumenta a condutividade térmica efetiva e pode condensar em superfícies mais frias.

Por outro lado, uma grande lacuna que não é gerenciada e tem movimento de ar convectivo pode ser um caminho para perda de calor. Folgas aleatórias que reduzem o desempenho podem ser produzidas por isolamento torcido, montagem solta ou instalação incorreta. Um exame regular deve garantir que qualquer entreferro necessário seja uniforme e que as superfícies refletoras estejam limpas e intactas.

Conclusão: Grande oportunidade, pequena lacuna
Um espaço aéreo com uma barreira radiante, devidamente construída, é um aspecto desejável do sistema de isolamento e não um problema a ser resolvido. Quando a temperatura da placa é alta, é fundamental minimizar a transferência radiativa, e a folha refletiva em uma lacuna de tamanho adequado pode reduzir a perda de calor em mais de 50% em relação ao uso apenas de isolamento embutido. Medidas simples e passivas de projeto térmico podem resultar em grandes economias de energia. Seja na construção de novas placas ou na modernização de equipamentos antigos, o controle do entreferro e o gerenciamento da radiação transformam um espaço oculto em um contribuinte ativo para a eficiência térmica.