Теплопроводность чистых металлов

Коэффициент теплопроводности и теплопередачи стали, сплавов

Теплопроводность представляет собой физическую величину, которая определяет способность материалов проводить тепло. Иными словами, теплопроводность представляет собой способность субстанций передавать кинетическую энергию атомов и молекул другим субстанциям, находящиеся в непосредственном контакте с ними. В СИ эта величина измеряется во Вт/(К*м) (Ватт на Кельвин-метр), что эквивалентно Дж/(с*м*К) (Джоуль на секунду-Кельвин-метр).

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

От чего зависит показатель теплопроводности

Рассматривая теплопроводность металлов и сплавов (таблица создана не только для металлов, но и других материалов), следует учитывать, что наиболее важным показателем является коэффициент теплопроводности. Он зависит от нижеприведенных моментов:

  1. Типа материала и его химического состава. Теплопроводность железа будет существенно отличаться от соответствующего показателя алюминия, что связано с особенностями кристаллической решетки материалов и их другими свойствами.
  2. Коэффициент может изменяться при нагреве или охлаждения металла. При этом изменения могут быть существенными, так как у каждого материала есть своя точка плавления, когда молекулы начинают перестраиваться.

В таблицах для некоторых металлов и сплавов коэффициент теплопроводности указывается уже в жидкой фазе.

Сегодня на практике практически не проводят измерение рассматриваемого показателя. Это связано с тем, что коэффициент теплопроводности при несущественном изменении химического состава остается практически неизменным. Табличные данные применяются при проектировании и выполнении других расчетов.

Когда учитывается

При рассмотрении различных свойств материалов часто уделяется внимание и теплопроводности. Этот показатель важен в нижеприведенных случаях:

  1. Когда нужно отвести тепло от объекта. Тепловая энергия может возникать из-за трения. При этом нагрев становится причиной изменения основных свойств металлов и сплавов: прочности и твердости поверхности. Примером назовем конструкцию двигателя внутреннего сгорания. В процессе хода поршня в блоке цилиндров происходит нагрев основных элементов конструкции. Из-за слишком высокого нагрева даже металлы, устойчивые к воздействию высокой температуры, начинают терять прочность и становятся более пластичными. В результате происходит изменение геометрических размеров важных элементов конструкции, и она выходит из строя. Учитывается теплопроводность и при создании режущего инструмента, обшивки самолетов или высокоскоростных поездов.
  2. Когда нужно передать тепловую энергию. Центральная система отопления основана на нагреве рабочей среды, которая после подводится к потребителю и происходит передача энергии окружающей среде. Для того чтобы повысить эффективность создаваемой системы трубы, и отопительные радиаторы изготавливаются из металлов, которые способны быстро передавать тепло.
  3. Когда нужно изолировать поверхность. Встречается ситуация, когда нужно снизить вероятность нагрева поверхности. Для этого применяются специальные материалы, которые обладают высокими изоляционными качествами. Некоторые металлы и сплавы также обладают отражающими свойствами и не нагреваются, а также не передают тепло. Примером назовем фольгу, которая часто применяется в качестве отражающего экрана. Она также изготавливается из тонкого слоя металла, обладающего низким коэффициентом проводимости.

В заключение отметим, что до развития молекулярно-кинетической теории было принято считать передачу тепловой энергии признаком перетекания гипотетического теплорода. Появление современного оборудования позволило изучить строение материалов и изучить поведение частиц при воздействии высокой температуры. Передача энергии происходит за счет быстрого движения молекул, которые начинают сталкиваться, и приводит в движение другие молекулы, находящиеся в спокойном состоянии.

Теплопроводность материалов

Ярко выраженной способностью проводить тепло обладают металлы. Для полимеров свойственна невысокая теплопроводность, а некоторые из них практически не проводят тепло, например, стекловолокно, такие материалы называются теплоизоляторами. Чтобы существовал тот или иной поток тепла через пространство, необходимо наличие некоторой субстанции в этом пространстве, поэтому в открытом космосе (пустое пространство) теплопроводность равна нулю.

Каждый гомогенный (однородный) материал характеризуется коэффициентом теплопроводности (обозначается греческой буквой лямбда), то есть величиной, которая определяет, сколько тепла нужно передать через площадь 1 м², чтобы за одну секунду, пройдя через толщу материала в один метр, температура на его концах изменилась на 1 К. Это свойство присуще каждому материалу и изменяется в зависимости от его температуры, поэтому этот коэффициент измеряют, как правило, при комнатной температуре (300 К) для сравнения характеристики разных веществ.

Если материал является неоднородным, например, железобетон, тогда вводят понятие полезного коэффициента теплопроводности, который измеряется согласно коэффициентам однородных веществ, составляющих этот материал.

В таблице ниже приведены коэффициенты теплопроводности некоторых металлов и сплавов во Вт/(м*К) для температуры 300 К (27 °C):

  • сталь 47—58;
  • алюминий 237;
  • медь 372,1—385,2;
  • бронза 116—186;
  • цинк 106—140;
  • титан 21,9;
  • олово 64,0;
  • свинец 35,0;
  • железо 80,2;
  • латунь 81—116;
  • золото 308,2;
  • серебро 406,1—418,7.

В следующей таблице приведены данные для неметаллических твердых веществ:

  • стекловолокно 0,03—0,07;
  • стекло 0,6—1,0;
  • асбест 0,04;
  • дерево 0,13;
  • парафин 0,21;
  • кирпич 0,80;
  • алмаз 2300.

Из рассматриваемых данных видно, что теплопроводность металлов намного превышает таковую для неметаллов. Исключение составляет алмаз, который обладает коэффициентом теплопередачи в пять раз больше, чем медь. Это свойство алмаза связано с сильными ковалентными связями между атомами углерода, которые образуют его кристаллическую решетку. Именно благодаря этому свойству человек чувствует холод при прикосновении к алмазу губами. Свойство алмаза хорошо переносить тепловую энергию используется в микроэлектронике для отвода тепла из микросхем. А также это свойство используется в специальных приборах, позволяющих отличить настоящий алмаз от подделки.

В некоторых индустриальных процессах стараются увеличить способность передачи тепла, чего достигают либо за счет хороших проводников, либо за счет увеличения площади контакта между составляющими конструкции. Примерами таких конструкций являются теплообменники и рассеиватели тепла. В других же случаях, наоборот, стараются уменьшить теплопроводность, чего достигают за счет использования теплоизоляторов, пустот в конструкциях и снижения площади контакта элементов.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.

Коэффициенты теплопередачи сталей

Способность передавать тепло для сталей зависит от двух главных факторов: состава и температуры.

Простые углеродные стали при увеличении содержания углерода снижают свой удельный вес, в соответствии с которым также уменьшается и их способность переносить тепло от 54 до 36 Вт/(м*К) при изменении процента углерода в стали от 0,5 до 1,5%.

Нержавеющие стали содержат в своем составе хром (10% и больше), которые вместе с углеродом образует сложные карбиды, препятствующие окислению материала, а также повышает электродный потенциал металла. Теплопроводность нержавейки невелика в сравнении с другими сталями и колеблется от 15 до 30 Вт/(м*К) в зависимости от ее состава. Жаропрочные хромоникелевые стали обладают еще более низкими значениями этого коэффициента (11—19 Вт/(м*К).

Другим классом являются оцинкованные стали с удельным весом 7 850 кг/м3, которые получают путем нанесения покрытий на сталь, состоящих из железа и цинка. Так как цинк легче проводит тепло, чем железо, то и теплопроводность оцинкованной стали будет относительно высокой в сравнении с другими классами стали. Она колеблется от 47 до 58 Вт/(м*К).

Теплопроводность стали при различных температурах, как правило, не изменяется сильно. Например, коэффициент теплопроводности стали 20 при увеличении температуры от комнатной до 1200 °C снижается от 86 до 30 Вт/(м*К), а для марки стали 08Х13 увеличение температуры от 100 до 900 °C не изменяет ее коэффициент теплопроводности (27—28 Вт/(м*К).

Факторы, влияющие на физическую величину

Способность проводить тепло зависит от ряда факторов, включая температуру, структуру и электрические свойства вещества.

Температура материала

Влияние температуры на способность проводить тепло различается для металлов и неметаллов. В металлах проводимость главным образом связана со свободными электронами. Согласно закону Видемана—Франца теплопроводность металла пропорциональна произведению абсолютной температуры, выраженной в Кельвинах, на его электропроводность. В чистых металлах с увеличением температуры уменьшается электропроводность, поэтому теплопроводность остается приблизительно постоянной величиной. В случае сплавов электропроводность мало изменяется с ростом температуры, поэтому теплопроводность сплавов растет пропорционально температуре.

С другой стороны, передача тепла в неметаллах главным образом связана с колебаниями решетки и обмене решеточными фононами. За исключением кристаллов высокого качества и низких температур, путь пробега фононов в решетке значительно не уменьшается при высоких температурах, поэтому и теплопроводность остается постоянной величиной во всем температурном диапазоне, то есть является незначительной. При температурах ниже температуры Дебая способность неметаллов проводить тепло, наряду с их теплоемкостью, значительно уменьшается.

Читайте также:  Закалка стали 40Х твердость, режимы, время, температура, технология

Фазовые переходы и структура

Когда материал испытывает фазовый переход первого рода, например, из твердого состояния в жидкое или из жидкого в газ, то его теплопроводность может измениться. Ярким примером такого изменения является разница этой физической величины для льда (2,18 Вт/(м*К) и воды (0,90 Вт/(м*К).

Изменения кристаллической структуры материалов также влияют на теплопроводность, что объясняется анизотропными свойствами различных аллотропных модификаций вещества одного и того же состава. Анизотропия влияет на различную интенсивность рассеивания решеточных фононов, основных переносчиков тепла в неметаллах, и в различных направлениях в кристалле. Здесь ярким примером является сапфир, проводимость которого изменяется от 32 до 35 Вт/(м*К) в зависимости от направления.

Электрическая проводимость

Теплопроводность в металлах изменяется вместе с электропроводностью согласно закону Видемана—Франца. Это связано с тем, что валентные электроны, свободно перемещаясь по кристаллической решетке металла, переносят не только электрическую, но и тепловую энергию. Для других материалов корреляция между этими типами проводимости не является ярко выраженной, ввиду незначительного вклада электронной составляющей в теплопроводность (в неметаллах основную роль в механизме передачи тепла играют решеточные фононы).

Процесс конвекции

Воздух и другие газы являются, как правило, хорошими теплоизоляторами при отсутствии процесса конвекции. На этом принципе основана работа многих теплоизолирующих материалов, содержащих большое количество небольших пустот и пор. Такая структура не позволяет конвекции распространяться на большие расстояния. Примерами таких материалов, полученных человеком, являются полистирен и силицидный аэрогель. В природе на том же принципе работают такие теплоизоляторы, как шкура животных и оперение птиц.

Легкие газы, например, водород и гель, имеют высокие значения теплопроводности, а тяжелые газы, например, аргон, ксенон и радон, являются плохими проводниками тепла. Например, аргон, инертный газ, который тяжелее воздуха, часто используется в качестве теплоизолирующего газового наполнителя в двойных окнах и в электрических лампочках. Исключением является гексафторид серы (элегаз), который является тяжелым газом и обладает относительно высокой теплопроводностью, ввиду его большой теплоемкости.


Применение

Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.

Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий. Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения. Примером использования свойств металлических изделий является:

  • кухонная посуда с различными свойствами;
  • оборудование для пайки труб;
  • утюги;
  • подшипники качения и скольжения;
  • сантехническое оборудование для подогрева воды;
  • приборы отопления.

Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.

При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации. Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.

Теплопроводность металлов

Пояснения сравнительных величин приборов отопления

Из представленных выше данных, видно, что наиболее высоким показателем теплоотдачи обладает биметаллическое отопительное устройство. Конструктивно такой прибор представлен компанией RIFAR в ребристом алюминиевом корпусе. в котором располагаются металлические трубки, вся конструкция крепится сварным каркасом. Этот вид батарей ставится в домах с большой этажностью, а также в коттеджах и частных домах. К недостатку этого вида отопительного устройства относится его дороговизна.

Важно! Когда этот вид батарей ставится в домах с большим количеством этажей, рекомендуется иметь собственную котельную станцию, в которой есть узел водоподготовки. Это условие предварительной подготовки теплоносителя связано со свойствами алюминиевых батарей

они могут подвергаться электрохимической коррозии, когда он поступает в некачественном виде через центральную сеть отопления. По этой причине отопительные приборы из алюминия рекомендуется ставить в отдельных системах отопления.

Чугунные батареи в этой сравнительной системе параметров значительно проигрывают, у них низкая теплоотдача, большой вес отопительного прибора. Но, несмотря на эти показатели, радиаторы МС-140 пользуются спросом населения, причиной которого являются такие факторы:

Длительность безаварийной эксплуатации, что важно в отопительных системах.
Стойкость к негативному воздействию (коррозии) теплового носителя.
Тепловая инерционность чугуна.

Данный вид устройств отопления работает более 50 лет, для него нет разницы в качестве подготовки теплового носителя. Нельзя их ставить в домах, где, возможно, высокое рабочее давление сети отопления, чугун не относится к прочным материалам.

Сравнение по другим характеристикам

Об одной особенности работы батарей – инертности – уже было упомянуто выше. Но для того чтобы сравнение радиаторов отопления было корректным, его надо производить не только по теплоотдаче, но и по другим важным параметрам:

  • рабочему и максимальному давлению;
  • количеству вмещаемой воды;
  • массе.

Ограничение по величине рабочего давления определяет, можно ли устанавливать отопительный прибор в многоэтажных зданиях, где высота столба воды может достичь сотни метров. Кстати сказать, это ограничение не касается частных домов, где давление в сети не бывает высоким по определению. Сравнение по вместительности радиаторов может дать представление об общем количестве воды в системе, которое придется нагревать. Ну а масса изделия важна при определении места и способа его крепления.

В качестве примера ниже показана сравнительная таблица характеристик различных радиаторов отопления одинакового размера:

Примечание. В таблице за 1 единицу принят отопительный прибор из 5 секций, кроме стального, представляющего собой единую панель.

Теплопроводность и плотность алюминия

В таблице представлены теплофизические свойства алюминия Al в зависимости от температуры. Свойства алюминия даны в широком диапазоне температуры — от минус 223 до 1527°С (от 50 до 1800 К).

Как видно из таблицы, теплопроводность алюминия при комнатной температуре равна около 236 Вт/(м·град), что позволяет применять этот материал для изготовления радиаторов и различных теплоотводов.

Кроме алюминия, высокой теплопроводностью обладает также медь. У какого металла теплопроводность больше? Известно, что теплопроводность алюминия при средних и высоких температурах все-таки меньше, чем у меди, однако, при охлаждении до 50К, теплопроводность алюминия существенно возрастает и достигает значения 1350 Вт/(м·град). У меди же при такой низкой температуре значение теплопроводности становится ниже, чем у алюминия и составляет 1250 Вт/(м·град).

Алюминий начинает плавиться при температуре 933,61 К (около 660°С), при этом некоторые его свойства претерпевают значительные изменения. Значения таких свойств, как температуропроводность, плотность алюминия и его теплопроводность значительно уменьшаются.

Плотность алюминия в основном определяется его температурой и имеет зависимость от агрегатного состояния этого металла. Например, при температуре 27°С плотность алюминия равна 2697 кг/м 3 , а при нагревании этого металла до температуры плавления (660°С), его плотность становится равной 2368 кг/м 3 . Снижение плотности алюминия с ростом температуры обусловлено его расширением при нагревании.

отсюда

В таблице представлены значения теплопроводности металлов (цветных), а также химический состав металлов и технических сплавов в интервале температуры от 0 до 600°С.

Цветные металлы и сплавы: никель Ni, монель, нихром; сплавы никеля (по ГОСТ 492-58): мельхиор НМ81, НМ70, константан НММц 58,5-1,54, копель НМ 56,5, монель НМЖМц и К-монель, алюмель, хромель, манганин НММц 85-12, инвар; магниевые сплавы (по ГОСТ 2856-68), электрон, платинородий; мягкие припои (по ГОСТ 1499-70): олово чистое, свинец, ПОС-90, ПОС-40, ПОС-30, сплав Розе, сплав Вуда. Читать далее →

Какой же все таки поставить радиатор? Я думаю каждый из нас задавался таким же вопросом придя на рынок или в магазин запчастей, осматривая огромный выбор радиаторов на любой вкус, удовлетворяющий даже самого извращенного привереды. Хочешь двух рядный, трех рядный, побольше, поменьше, с крупной секцией с мелкой, алюминиевый, медный. Вот именно из какого металла изготовлен радиатор и пойдет речь.

Одни считают, что медь. Это своеобразные староверы, так бы назвали их в XVII веке. Да, если взять не новые автомобили XX века, то тогда повсеместно устанавливались медные радиаторы. Не зависимо от марки и модели, была ли это бюджетная микролитражка или тяжеловесный многотонный грузовик. Но есть и другая армия автовладельцев утверждая что радиаторы изготовленные из алюминия лучше медных. Потому как их устанавливают на новые современные автомобили, на сверхмощные двигатели требующие качественного охлаждения.

И что самое интересное они все правы. И у тех и у других есть свои плюсы и естественно минусы. А теперь небольшой урок физики. Самым отличным показателем, на мой взгляд, являются цифры, а именно коэффициент теплопроводности. Если сказать по простому то это способность вещества передавать тепловую энергию от одного вещества другому. Т.е. у нас имеется ОЖ, радиатор из N-ного металла и окружающая среда. Теоретически чем выше коэффициент тем быстрее радиатор будет забирать тепловую энергию у ОЖ и быстрее отдавать в окружающую среду.

Итак, теплопроводность меди составляет 401 Вт/(м*К), а алюминия — от 202 до 236 Вт/(м*К). Но это в идеальных условиях. Казалось бы медь выиграла в данном споре, да это «+1» за медные радиаторы. Теперь кроме всего необходимо рассмотреть собственно конструкцию самих радиаторов.

Медные трубки в основе радиатора, так же медные ленты воздушного радиатора для передачи полученного тепла в окружающую среду. Крупные ячейки сот радиатора позволяют снизить потери скорости воздушного потока и позволяют прокачать большой объем воздуха за единицу времени. Слишком малая концентрация ленточной части радиатора снижает эффективность теплопередачи и увеличивает концентрацию и силу локального нагрева радиатора.

Я нашел два вида радиаторов в основе которых лежат алюминиевые и стальные трубки. Вот еще не маловажная часть, т.к. коэффициент теплопроводности стали очень мал по сравнению с алюминием, всего лишь 47 Вт/(м*К). И собственно только из-за высокой разности показателей, уже не стоит устанавливать алюминиевые радиаторы со стальными трубками. Хотя они прочнее чистокровных алюмишек и снижают риски протечки от высокого давления, например при заклинившем клапане в крышке расширительного бачка. Высокая концентрация алюминиевых пластин на трубках увеличивает площадь радиатора обдуваемого воздухом тем самым увеличивая его эффективность, но при этом увеличивается сопротивление воздушного потока и снижается объем прокачиваемого воздуха.

Читайте также:  Манометр для воды и воздуха разница

Ценовая политика же на рынке сложилась таким образом что медные радиаторы значительно дороже алюминиевых. Из общей картины можно сделать вывод что и те и другие радиаторы по своему хороши. Какой же все таки выбрать? Этот вопрос остается за вами.

Как правильно сделать расчет тепловой мощности

Грамотное обустройство системы отопления в доме не может обойтись без теплового расчета мощности отопительных устройств необходимых для обогрева помещений. Существуют простые проверенные способы расчета тепловой отдачи отопительного прибора. необходимой для обогрева комнаты. Здесь также учитывается расположение помещения в доме по сторонам света.

  • Южная сторона дома обогревается на метр кубический помещения 35 Вт. тепловой мощности.
  • Северные комнаты дома на метр кубический обогреваются 40 Вт. тепловой мощности.

Для получения общей тепловой мощности необходимой для обогрева помещений дома надо реальный объем комнаты умножить на представленные величины и сложить их по количеству комнат.

Важно! Представленный вид расчета не может быть точным, это укрупненные величины, ими пользуются для общего представления необходимого количества отопительных приборов. Расчет биметаллических устройств отопления, а также алюминиевых батарей проводится исходя из параметров указанных в паспортных данных изделия

По нормативам секция такой батареи равняется 70 единицам мощности (DT)

Расчет биметаллических устройств отопления, а также алюминиевых батарей проводится исходя из параметров указанных в паспортных данных изделия. По нормативам секция такой батареи равняется 70 единицам мощности (DT).

Что это такое, как понимать? Паспортный тепловой поток секции батареи может быть получен при соблюдении условия подачи теплового носителя с температурой 105 градусов. Для получения в обратной системе отопления дома температуры 70 градусов. Начальная температура в комнате принимается за 18 градусов тепла.


теплоноситель нагрет до 105 градусов

DT= (температура носителя подачи + температура носителя обратки)/2, минус комнатная температура. Затем данные в паспорте изделия умножить на коэффициент поправочный, которые для разных значений DT приводятся в специальных справочниках. На практике это выглядит так:

  • Система отопительная работает в прямой подаче 90 градусов в обработке 70 градусов, комнатная температура 20 градусов.
  • По формуле получается (90+70)/2-20=60, DT= 60

По справочнику ищем коэффициент для этой величины, он равен 0,82. В нашем случае тепловой поток 204 умножаем на коэффициент 0,82, получаем реальный поток мощности = 167 Вт.

Сравнение по тепловой мощности

Если вы внимательно изучили предыдущий раздел, то должны понимать, что на теплоотдачу очень влияют температуры воздуха и теплоносителя, а эти характеристики мало зависят от самого радиатора. Но есть и третий фактор — площадь поверхности теплообмена, а тут конструкция и форма изделия играет большую роль. Поэтому идеально сравнить стальной панельный обогреватель с чугунным затруднительно, их поверхности слишком разные.

Четвертый фактор, влияющий на теплоотдачу, — это материал, из коего изготовлен отопительный прибор. Сравните сами: 5 секций алюминиевого радиатора GLOBAL VOX высотой 600 мм отдаст 635 Вт при DT = 50 °С. Чугунная ретро батарея DIANA (GURATEC) такой же высоты и таким же числом секций сможет выдать только 530 Вт при тех же условиях (Δt = 50 °С). Эти данные опубликованы на официальных сайтах производителей.

Примечание. Характеристики алюминиевых и биметаллических продуктов с точки зрения тепловой мощности практически идентичны, сравнивать их нет смысла.

Можно попытаться провести сравнение алюминия со стальным панельным радиатором, взяв ближайший типоразмер, подходящий по габаритам. Упомянутые 5 алюминиевых секций GLOBAL высотой 600 мм имеют общую длину около 400 мм, что соответствует стальной панели KERMI 600х400. Выходит, что даже трехрядный стальной прибор (тип 30) выдаст лишь 572 Вт при Δt = 50 °С. Но надо учитывать, что глубина радиатора GLOBAL VOX составляет всего 95 мм, а панели KERMI – почти 160 мм. То есть, высокая теплоотдача алюминия дает о себе знать, что отражается на габаритах.

В условиях индивидуальной системы отопления частного дома батареи одинаковой мощности, но из различных металлов, работать будут по-разному. Поэтому и сравнение довольно предсказуемо:

  1. Биметаллические и алюминиевые изделия быстро прогреваются и остывают. Отдавая больше теплоты за промежуток времени, они возвращают более холодную воду в систему.
  2. Стальные панельные радиаторы занимают среднюю позицию, так как передают тепло не настолько интенсивно. Зато они дешевле и проще в монтаже.
  3. Самые инертные и дорогие – это обогреватели из чугуна, им присущ долгий разогрев и остывание, из-за чего появляется небольшое запаздывание при автоматическом регулировании расхода теплоносителя термостатическими головками.

Из всего вышесказанного напрашивается простой вывод

Не суть важно, из какого материала изготовлен радиатор, главное, чтобы он был верно подобран по мощности и подходил пользователю во всех отношениях. А вообще, для сравнения не помешает ознакомиться со всеми нюансами работы того или иного прибора, а также где какой можно устанавливать

Расчет тепловой мощности

Для организации обогрева помещений необходимо знать требуемую мощность на каждое из них, после чего произвести расчет теплоотдачи радиатора. Расход тепла на обогрев комнаты определяется достаточно простым способом. В зависимости от расположения принимается величина теплоты на обогрев 1 м3 комнаты, она составляет 35 Вт/ м3 для южной стороны здания и 40 Вт/ м3 – для северной. Реальный объем помещения умножается на эту величину и получаем требуемую мощность.

Внимание! Приведенный метод подсчета необходимой мощности является укрупненным, его результаты учитываются только в качестве ориентира. Для того чтобы рассчитать алюминиевые или биметаллические батареи, надо отталкиваться от характеристик, указанных в документации производителя

В соответствии с нормативами там дается мощность 1 секции радиатора при DT = 70. Это означает, что 1 секция даст указанный тепловой поток при температуре теплоносителя на подаче 105 ºС, а в обратке – 70 ºС. При этом расчетная температура внутренней среды принимается 18 ºС

Для того чтобы рассчитать алюминиевые или биметаллические батареи, надо отталкиваться от характеристик, указанных в документации производителя. В соответствии с нормативами там дается мощность 1 секции радиатора при DT = 70. Это означает, что 1 секция даст указанный тепловой поток при температуре теплоносителя на подаче 105 ºС, а в обратке – 70 ºС. При этом расчетная температура внутренней среды принимается 18 ºС.

Исходя из нашей таблицы, теплоотдача одной секции биметаллического радиатора с межосевым размером 500 мм составляет 204 Вт, но только при температуре в подающем трубопроводе 105 ºС. В современных системах, особенно индивидуальных, настолько высокой температуры не бывает, соответственно, и отдаваемая мощность уменьшится. Чтобы узнать реальный тепловой поток, нужно вначале просчитать параметр DT для существующих условий по формуле:

DT = (tпод + tобр) / 2 – tкомн, где:

  • tпод – температура воды в подающем трубопроводе;
  • tобр – то же, в обратке;
  • tкомн – температура внутри комнаты.

После этого паспортная теплоотдача радиатора отопления умножается на поправочный коэффициент, принимаемый в зависимости от значения DT по таблице:

Например, при графике теплоносителя 80 / 60 ºС и комнатной температуре 21 ºС параметр DT будет равен (80 + 60) / 2 – 21 = 49, а поправочный коэффициент – 0.63. Тогда тепловой поток 1 секции того же биметаллического радиатора составит 204 х 0.63 = 128.5 Вт. Исходя из этого результата и подбирается количество секций.

Примеси в медных сплавах

отсюда

Примеси, содержащиеся в меди (и, естественно, взаимодействующие с ней), подразделяют на три группы.

Образующие с медью твердые растворы

К таким примесям относятся алюминий, сурьма, никель, железо, олово, цинк и др. Данные добавки существенно снижают электро- и теплопроводность. К маркам, которые преимущественно используются для производства токопроводящих элементов, относятся М0 и М1. Если в составе медного сплава содержится сурьма, то значительно затрудняется его горячая обработка давлением.

Не растворяющиеся в меди примеси

Сюда относятся свинец, висмут и др. Не влияющие на электропроводность основного металла, такие примеси затрудняют возможность его обработки давлением.

Примеси, образующие с медью хрупкие химические соединения

К этой группе относятся сера и кислород, который снижает электропроводность и прочность основного металла. Наличие серы в медном сплаве значительно облегчает его обрабатываемость при помощи резания.

Теплопроводность металлов

Среди большого количества параметров, характеризующие металлы существует и такое понятие как теплопроводность. Ее значение сложно переоценить. Этот параметр применяют при расчете деталей и узлов. Например, шестеренчатых передач. Вообще теплопроводностью занимается целый раздел науки под названием термодинамика.

Что такое теплопроводность и термическое сопротивление

Теплопроводность металлов можно охарактеризовать так – это способность материалов (газ, жидкость и пр.) переносить излишнюю тепловую энергию от разогретых участков тела к холодным. Перенос осуществляется свободно движущимися элементарными частицами, в число которых входят атомы электроны и пр.

Сам процесс теплообмена происходит в любых телах, но способ переноса энергии во многом зависит от агрегатного состояния тела.

Кроме этого теплопроводности можно дать еще одно определение – это количественный параметр возможности тела проводить тепловую энергию. Если сравнивать тепловые и электрические сети, то это понятие аналогично электрической проводимости.

Способность физического тела не допускать распространение теплового колебания молекул называют тепловым сопротивлением. Кстати, некоторые, искренне заблуждаются, путая это понятие с теплопроводностью.

Понятие коэффициента теплопроводности

Коэффициентом теплопроводности называют величину, которая равна количеству теплоты, переносимого через единицу поверхности за одну секунду.
Теплопроводность металла была установлена еще в 1863 году. Именно тогда было доказано то, что за передачу теплоты отвечают свободные электроны, которых в металле великое множество. Именно поэтому коэффициент теплопроводности металлов значительно выше, чем у диэлектрических материалов.

От чего зависит показатель теплопроводности

Теплопроводность – это физическая величина и по большей части зависит от параметров температуры, давления и типа вещества. Большая часть коэффициентов определяется опытным путем. Для этого разработано множество методов. Результаты сводятся в справочные таблицы, которые потом используются при проведении различных научных и инженерных расчетов.
Тела обладают разной температурой и при тепловом обмене она (температура) будет распределяться неравномерно. Другими словами необходимо знать, как зависит коэффициент теплопроводности от температуры.

Читайте также:  Коэффициент КБМ ОСАГО - Таблица классов РСА (бонус-малус)

Многочисленные опыты показывают то, что у многих материалов связь между коэффициентом и самой теплопроводностью является линейной.

Теплопроводность металлов обусловлена формой его кристаллической решетки.

Во многом коэффициент теплопроводности зависит от строения материала, размеров его пор и влажности.

Когда учитывается коэффициент теплопроводности

Параметры теплопроводности в обязательном порядке учитывают во время выбора материалов для ограждающих конструкций – стен, перекрытий и пр. В помещениях, где стены выполнены из материалов с высокой теплопроводностью в холодное время года будет довольно прохладно. Не поможет и отделка помещения. Для того, чтобы этого избежать стены необходимо делать довольно толстыми. Это непременно повлечет повышение затрат на материалы и оплату труда.

Схема утепления деревянного дома

Именно поэтому в конструкции стен предусмотрено использование материалов с низкой теплопроводностью (минеральная вата, пенопласт и пр.).

Показатели для стали

  • В справочных материалах по теплопроводности различных материалов особое место занимают данные, представленные о сталях разных марок.
    Так, в справочных материалах собраны экспериментальные и расчетные данные следующих типов стальных сплавов:
    стойких к воздействию коррозии, повышенной температуры;
  • предназначенных для производства пружин, режущего инструмента;
  • насыщенных легирующими добавками.

В таблицах сведены показатели, которые были собраны для сталей в температурном диапазоне от -263 до 1200 градусов.
Усредненные показатели составляют для:

  • углеродистых сталей 50 – 90 Вт/(м×град);
  • коррозионностойких, жаро- и теплостойких сплавов, относящимся к мартенситным — от 30 до 45 Вт/(м×град);
  • сплавов, относящимся к аустенитным от 12 до 22 Вт/(м×град).

В этих справочных материалах размещена информация и свойствах чугунов.

Коэффициенты теплопроводности алюминиевых, медных и никелевых сплавов

Во время проведения расчетов связанных с цветными металлами и сплавами проектировщики применяют справочные материалы, размещенные в специальных таблицах.

Таблица теплопроводности алюминиевых сплавов

В них представлены материалы о теплопроводности цветных металлов и сплавов, кроме этих данных указана информация о химическом составе сплавов. Исследования проводили при температурах от 0 до 600 °С.

По информации собранной в этих табличных материалах видно то, что к цветным металлам, обладающим высокой теплопроводностью сплавы на основе магния и никель. К металлам, у которых низкая теплопроводность относят нихром, инвар и некоторые другие.

У большинства металлов хорошая теплопроводность, у одних она больше, у других меньше. К металлам с хорошей теплопроводностью относят золото, медь и некоторые другие. К материалам с низкой теплопроводностью относят олово, алюминий и пр.

Таблица теплопроводности сплавов никеля

Высокая теплопроводность может быть и достоинством, и недостатком. Все зависит от сферы применения. К, примеру, высокая теплопроводность хороша для кухонной посуды. Материалы с низкой теплопроводностью применяют для создания неразъемных соединений металлических деталей. Существуют целые семейства сплавов, выполненных на основе олова.

Недостатки высокой теплопроводности меди и ее сплавов

Медь имеет гораздо большую стоимость, чем алюминий или латунь. Но между тем этот материал имеет ряд недостатков, которые связаны с его положительными сторонами.
Высокая теплопроводность этого металла вынуждает к созданию специальных условий для его обработки. То есть медные заготовки необходимо нагревать более точно, нежели сталь. Кроме этого часто, перед началом обработки предварительный или сопутствующий нагрев.
Нельзя забывать о том, что трубы, изготовленные из меди, подразумевают то, что будет проведена тщательная теплоизоляция. Особенно это актуально для тех случаев, когда из этих труб собрана система подачи отопления. Это значительно удорожает стоимость выполнения монтажных работ.
Определенные сложности возникают и при использовании газовой сварки. Для выполнения работе требуется более мощный инструмент. Иногда, для обработки меди толщиной в 8 – 10 мм может потребоваться использование двух, а то и трех горелок. При этом одной из них выполняют сварку медной трубы, а остальные заняты ее подогревом. Ко всему прочему работа с медью требует большего количества расходных материалов.

Работа с медью требует использования и специализированного инструмента. Например, при резке деталей, выполненных из бронзы или латуни толщиной в 150 мм потребуется резак, который может работать с сталью с большим количеством хром. Если его использовать для обработки меди, то предельная толщина не будет превышать 50 мм.

Можно ли повысить теплопроводность меди

Не так давно, группа западных ученых провела ряд исследований по повышению теплопроводности меди и ее сплавов. Для работы они применяли пленки, выполненные из меди, с нанесенным на ее поверхность тонким слоем графена. Для его нанесения использовали технологию его осаждения из газа. При проведении исследований применялось множество приборов, которые были призваны подтвердить объективность полученных результатов.
Результаты исследований показали то, что графен обладает одним из самых высоких показателей теплопроводности. После того, как его нанесли на медную подложку, теплопроводность несколько упала. Но, при проведении этого процесса происходит нагревание меди и в ней происходит увеличение зерен, и в результате повышается проходимость электронов.

Графен с медной фольгой

При нагревании меди, но без нанесения этого материала, зерна сохранили свой размер.
Одно из назначений меди это отведение лишнего тепла из электронных и электрических схем. Использование графенового напыления эта задача будет решаться значительно эффективнее.

Влияние концентрации углерода

Стали с малым содержанием углерода обладают высокими показателями теплопроводности. Именно поэтому материалы этого класса применяют для изготовления труб и арматуры для нее. Теплопроводность сталей этого типа лежит в диапазоне 47-54 Вт/(м× К).

Значение в быту и производстве

Применение теплопроводности при строительстве

У каждого материала имеется свой показатель теплопроводности. Чем ее значение ниже, тем, соответственно ниже уровень теплообмена между внешней и внутренней средой. Это означает то, что в здании, сооруженном из материала с низкой теплопроводностью, зимой будет тепло, а летом прохладно.

Тепловые потери по швам панельного дома

При сооружении различных зданий, в том числе и жилые здания, без знаний о теплопроводности стройматериалов не обойтись. При проектировании строительных сооружений необходимо учитывать данные о свойствах таких материалов как – бетон, стекло, минеральная вата и многих других. Среди них предельная теплопроводность принадлежит бетону, между тем, у древесины она в 6 раз меньше.

Системы отопления

Ключевая задача любой отопительной системы – это перенос тепловой энергии от теплоносителя в помещения. Для такого обогрева применяют батареи или радиаторы отопления. Они необходимы для передачи тепловой энергии в помещения.

  • Радиатор отопления – это конструкция внутри, которой перемещается теплоноситель. К основным характеристикам этого изделия относят:
    материал, из которого оно изготовлено;
  • вид конструкции;
  • размеры, в том числе и количество секций;
  • показатели теплоотдачи.

Именно теплоотдача и есть ключевой параметр. Все дело в том, что определяет объем энергии, которое передается от радиатора в помещение. Чем больше этот показатель, тем ниже будут потери тепла.
Существуют справочные таблицы, определяющие материалы, оптимальные для использования в отопительных системах. Из данных, которые в них размещены, становится ясно, что самым эффективным материалом считается медь. Но, вследствие ее высокой цены и определенных технологических сложностей, связанных с обработкой меди их применяемость не так высока.

Именно поэтому все чаще применяют модели, изготовленные из стальных или алюминиевых сплавов. Нередко применяют и сочетание различных материалов, например, стали и алюминия.
Каждый изготовитель радиаторов, при маркировке готовых изделий должен указывать такую характеристику, как мощность тепловой отдачи.
На рынке отопительных систем можно приобрести радиаторы, изготовленные из чугуна, стали, алюминия и биметалла.

Методы изучения параметров теплопроводности

При проведении изучения параметров теплопроводности надо помнить о том, что характеристики конкретного металла или его сплавов от метода его выработки. Например, параметры металла полученного с помощью литья могут существенно отличаться от характеристик материала изготовленного по методам порошковой металлургии. Свойства сырого металла коренным образом отличаются от того, который прошел через термическую обработку.

Термическая нестабильность, то есть преобразование отдельных свойств металла после воздействия высоких температур является общим для практически всех материалов. Как пример можно привести то, что металлы после длительного воздействия разных температур способны достичь разных уровней рекристаллизации, а это отражается на параметрах теплопроводности.

Структура стали после термической обработки

Можно сказать следующее – при проведении исследований параметров теплопроводности необходимо использовать образцы металлов и их сплавов в стандартном и определенном технологическом состоянии, например, после термической обработки.

Например, существуют требования по измельчению металла для проведения его исследований с применением способов термического анализа. Действительно, такое требование существует при проведении ряда исследований. Бывает и такое требование – как изготовление специальных пластин и многие другие.

Нетермостабильность металлов ставит ряд ограничений использование теплофизических способов исследования. Дело в том, что этот способ проведения исследований требует нагревать образцы не менее двух раз, в определенном температурном интервале.

Один из методов называют релакционно-динамическим. Он предназначен для выполнения массовых измерений теплоемкости у металлов. В этом методе фиксируется переходная кривая температуры образца между его двумя стационарными состояниями. Этот процесс является следствием скачка тепловой мощности вводимой в испытуемый образец.

Такой метод можно назвать относительным. В нем используются испытуемый и сравнительный образцы. Главное заключается в том, что бы у образцов была одинаковая излучающая поверхность. При проведении исследований температура, воздействующая на образцы должна изменяться ступенчато, при этом по достижении заданных параметров необходимо выдержать определенное количество времени. Направление изменения температуры и ее шаг должен быть подобран таким образом, что бы образец, предназначенный для испытаний, прогревался равномерно.

В эти моменты тепловые потоки сравняются и отношение теплопередачи будет определяться как разность скоростей колебаний температуры.
Иногда в процессе этих исследований источник косвенного подогрева исследуемого и сравнительного образца.
На один из образцов могут быть созданы дополнительные тепловые нагрузки в сравнении со вторым образцом.

Какой метод измерения теплопроводности лучше всего подходит для вашего материала?

Существуют методы измерения тепловодности, такие как LFA, GHP, HFM и TCT. Они отличаются друг от друга размерами и геометрическими параметрами образцов, применяемых для проверки теплопроводности металлов.

Эти сокращения можно расшифровать как:

  • GHP (метод горячей охранной зоны);
  • HFM (метод теплового потока);
  • TCT (метод горячей проволоки).

Вышеуказанные способы применяют для определения коэффициентов различных металлов и их сплавов. Вместе с тем с использованием этих методов, занимаются исследованием других материалов, например, минералокерамики или огнеупорных материалов.

Образцы металлов, на которых проводят исследования, имеют габаритные размеры 12,7×12,7×2.

Ссылка на основную публикацию
Теплопроводность металлов и сплавов, коэффициент теплопроводности
Графен прозрачный, магнитный и фильтрующий воду Прозрачный светящийся материал на основе графена Один из примеров материала на основе графена Именно...
Текст песни Бояре — А мы к вам пришли на сайте
Бояре; старинная русская народная игра КАРАКУЛИ Старинная русская народная игра «Бояре» имеет глубочайшие корни. Когда-то такие игры имели глубокий сакральный...
Текст песни Веселые ребята — Автомобили на сайте
Песня Автомобили (Веселые ребята) Кофе Блог - Кофе-блог всегда в гуще событий Войти Сентябрь 2008 Пн Вт Ср Чт Пт...
Теплопроводность чистых металлов
Коэффициент теплопроводности и теплопередачи стали, сплавов Теплопроводность представляет собой физическую величину, которая определяет способность материалов проводить тепло. Иными словами, теплопроводность...
Adblock detector