L’isolamento termico dagli sbalzi di temperatura

20 gennaio 2013

INTRODUZIONE

Lo studio dei fenomeni di trasmissione del calore è relativo a tutti quei processi fisici nei quali una certa quantità di energia termica è trasferita da un sistema ad un altro a causa di una differenza di temperatura. Questi processi avvengono in accordo con i principi della termodinamica: quindi per il primo principio, l’energia termica ceduta da un sistema deve essere uguale a quella ricevuta dall’altro e il calore, come afferma il secondo principio, passa dal corpo più caldo a quello più freddo. I meccanismi di trasmissione del calore sono sostanzialmente tre : conduzioneconvezioneirraggiamento(FIG. 1).

I meccanismi di trasmissione del calore

Per quanto in tutti e tre i casi il risultato finale è equivalente, cioè si ha un aumento dell’energia totale del corpo che lo riceve calore a scapito di una riduzione dell’energia del corpo che lo rilascia, questi fenomeni sono decisamente differenti tra loro di loro. Nella maggior parte dei casi questi tre medi di trasmissione del calore sono concomitanti . Può comunque accadere che uno dei tre fenomeni sia prevalente sugli altri due.

La conduzione caratterizza principalmente i solidi ed i fluidi. Nel primo caso il passaggio di calore è dovuto in parte alle interazioni tra molecole adiacenti, oscillanti nell’intorno della loro posizione di equilibrio nel reticolo cristallino ed in parte agli scambi radiativi, mentre nei fluidi la conduzione avviene a seguito di spostamenti anche notevoli delle singole molecole che così facendo entrando in collisione tra di loro e si scambiano calore.
La convenzione caratterizza invece principalmente i fluidi ed i gas. In tal caso la trasmissione del calore è dovuta al movimento di alcune parti della massa del fluido rispetto ad altre, con trasporto di materia. La convenzione può essere naturale se il movimento del fluido avviene per differenza di densità dovuta a differenza di temperatura o forzata se tale movimento è generato dall’azione di un agente esterno (ad esempio, un ventilatore o una pompa).
L’irraggiamento infine riguarda la trasmissione del calore sotto forma di radiazione elettromagnetica indipendentemente dalla presenza di molecole, I fenomeni radiativi infatti possono verificarsi anche nel vuoto, poiché si tratta di un trasferimento di energia dello stesso tipo dell’energia luminosa. Lo scambio termico per irraggiamento tra due corpi è funzione della natura delle due superfici e della posizione geometrica rispettiva, mentre nel caso di masse gassose questo dipende dalla composizione del gas, dalla sua pressione e dallo spessore dello strato gassoso.

LA RESISTENZA TERMICA : DEFINIZIONI E UNITA’ DI MISURA

Dal punto di vista dello scambio termico ogni materiale è caratterizzato da un coefficiente di conduttività, rappresentato dalla lettera greca lambda ?. Il coefficiente  ? esprime la capacità del materiale di condurre il calore. I materiali isolanti sono cattivi conduttori e possiedono un coefficiente ? molto basso, quindi per le nostre finalità molto buono, al contrario invece dei materiali cosiddetti buoni conduttori (ad esempio i metalli).
Facendo riferimento alla Norma UNI 7357-54 riportiamo i seguenti valori di nostro interesse per lo studio:

– Cartone ondulato : 0,064 W/mK
– Polistirolo espanso : 0,035 W/mK
– Aria : 0,026 W/mK

Si definisce Resistenza termica R di un corpo il rapporto tra lo spessore del materiale in esame e la sua conduttività termica.

formula-resistenza-termica

Ne consegue che per migliorare la resistenza termica di un divisorio si può quindi intervenire o sullo spessore. Oppure sulla conduttività termica del materiale costituente la parete scegliendo un materiale con un basso valore di ?.

I due imballaggi oggetto dello studio e messi in diretto confronto sono una classica cantinetta in polistirolo espanso aventi pareti esterne di 10mm di spessore e il nostro imballaggio EWSP costituito da una cartone ondulato esterno da 5mm e una struttura protettiva interna in cartone ondulato da 3mm di spessore .

test-polistirolo-ewsp

Per semplificare il ragionamento partiamo effettuando un primo confronto tra la “cantinetta” ed il solo imballaggio esterno EWSP.

resistenza-termica-polistirolo-vs-cartone

Quindi in una prima analisi sembrerebbe che le cantinette in polistirolo siano più efficienti di quasi 4 volte il nostro imballaggio EWSP, ma ora dobbiamo tener conto anche dell’imballaggio interno. Difatti inserendo l’imballaggio interno entra in gioco una’altra formula sullo scambio di calore di Fourier riferita alle pareti piane multistrato che enuncia quanto segue :

rresistenza-termica-polistirolo-vs-cartone-completa

iimg-dettaglio-cartone-doppio* Tra l’imballaggio interno ed esterno risulta esservi  uno strato d’aria che abbiamo stimato essere mediamente di 1,5 mm. (si veda FIG. 2 )

** L’imballaggio interno in stato assemblato,  avvolgendosi su se stesso, risulta essere per un lato più del doppio di spessore  (si veda FIG. 2 ) Per correttezza quindi, abbiamo preso in considerazione una semplice media aritmetica.

A questo punto possiamo metter a raffronto nuovamente i due valori :

resistenza-termica-polistirolo-vs-cartone

Ne risulta quindi che la differenza di Resistenza Termica tra i due imballaggi è MINIMA

LA PROVA EMPIRICA

Partendo da questi dati abbiamo voluto verificare tramite un esperimento la capacità isolante degli imballaggi EWSP mettendoli a confronto con un imballaggio “classico” in polistirolo espanso. Abbiamo quindi esposto entrambi gli imballaggi da 6 bottiglie ad una temperatura di circa 35 ° C per 120 minuti ( ben 2 ore!! ).

Per ogni fase e  per ogni singola bottiglia, tramite un Termometro a raggi infrarossi (FIG. 3), sono state effettuate 3 rilevazioni di temperatura ( precisamente sul fondo, al centro e sul collo). All’inizio del test le bottiglie avevano una temperatura ambiente di 25°C.  Dopo 120 ” le bottiglie contenute nella cantinetta di polistirolo avevano una temperatura media di 26,25 °C contro quelle contenute nell’imballaggio EWSP di 26,87 °C. Il leggero scarto di solo mezzo grado tenderebbe quindi ad avvallare quanto verificato nelle formule preliminari.

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