Calculadora de perda de calor em tubulações com e sem isolamento

Como calcular a perda de calor em uma tubulação?

Um tubo que transporta fluido quente transfere calor continuamente para o ambiente. O calor passa primeiro por condução através da parede do tubo e do isolamento, quando existente. Depois, sai da superfície externa por convecção e radiação. Cada etapa oferece uma resistência térmica, e essas resistências se somam:

q_L = (t_fluid − t_ambient) / R

A resistência por unidade de comprimento de uma camada cilíndrica é ln(D_outer / D_inner) / (2π × λ), e a da superfície externa é 1 / (h × π × D_outer). O resultado é expresso em watts por metro. Multiplique pelo comprimento para obter a perda total e pelo tempo de operação para obter a energia anual.

Exemplo

Um tubo de aço sem isolamento, com diâmetro externo de 60,3 mm, transporta água a 80 °C em um ambiente a 20 °C, com coeficiente externo de 10 W/(m²·K). A resistência superficial é 1 / (10 × π × 0,0603) = 0,528 m·K/W, e a perda é 60 / 0,528 = 114 W/m. Dez metros de tubo perdem cerca de 9950 kWh por ano.

Ao envolver o mesmo tubo com 30 mm de isolamento de condutividade 0,04 W/(m·K), o isolamento acrescenta 2,75 m·K/W. A perda cai para cerca de 20 W/m, uma redução de 82 %. A superfície externa passa de cerca de 80 °C para cerca de 25 °C.

Coeficiente externo de transferência de calor

A entrada mais incerta é o coeficiente na superfície externa. Em um tubo sem isolamento, ele determina diretamente o resultado. Em um tubo bem isolado, sua influência é menor. Se você não conhece esse valor, a calculadora determina a convecção natural de um tubo horizontal em ar parado pela correlação de Churchill e Chu e a radiação pela lei de Stefan-Boltzmann. O revestimento de alumínio brilhante emite pouca radiação, por isso a emissividade altera bastante o resultado.

Raio crítico de isolamento

O isolamento produz dois efeitos simultâneos: aumenta a resistência à condução e amplia a superfície externa. Em tubos e cabos muito pequenos, o segundo efeito pode predominar, e um isolamento fino aumenta a perda. O limite é r_cr = λ_insulation / h_outside. Em tubulações de instalações prediais, esse raio costuma ser de poucos milímetros, de modo que, na prática, o isolamento sempre ajuda.

Limites

Este cálculo é preliminar. Não considera perdas em válvulas e flanges, variação da condutividade do isolamento com a temperatura, umidade, vento nem tubulações enterradas. Em linhas frias, verifique também a condensação superficial, além do ganho de calor.

Perguntas frequentes

Como calcular a perda de calor de um tubo com isolamento?

O método das resistências térmicas cilíndricas fornece 120,8 W/m para fluido a 320 °C, ar ambiente a 5 °C e isolamento de 30 mm em um tubo de 55 mm. O exemplo usa condutividade do tubo de 80 W/(m·K), condutividade do isolamento de 0,05 W/(m·K), coeficiente interno de 60 W/(m²·K) e externo de 18 W/(m²·K), sem perdas em válvulas, vento e umidade.

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