Теплопроводность стали и других сплавов: меди, латуни и алюминия, теплопередача

Что такое теплопроводность

Данный термин означает способность различных материалов к обмену энергией, которая в этом случае представлена теплом. При этом передача энергии проходит от более нагретой части к холодной и происходит за счет:

Молекул.
Атомов.
Электронов и других частиц структуры металла.

Теплопроводность нержавеющей стали будет существенно отличаться от аналогичного показателя другого металла — например, коэффициент теплопроводности меди будет иным, нежели у стали.

Для обозначения этого показателя используется специальная величина, именуемая коэффициентом теплопроводности. Она характеризуется количеством теплоты, которое может пройти через материал за определенную единицу времени.

Показатели для стали

Теплопроводность может существенно отличаться в зависимости от химического состава металла. Коэффициент данной величины у стали и меди будет разным. Кроме этого, при повышении или уменьшении концентрации углерода изменяется и рассматриваемый показатель.

Существуют и другие особенности теплопроводности:

Для стали, которая не имеет примесей, значение составляет 70 Вт/(м* К).
У углеродистых и высоколегированных сталей проводимость намного ниже. За счет увеличения концентрации примесей она существенно снижается.
Само термическое воздействие также может оказывать воздействие на структуру металла. Как правило, после нагрева структура меняет значение проводимости, что связано с изменением кристаллической решетки.

Коэффициент теплопроводности алюминия значительно выше, что связано с более низкой плотностью этого материала. Теплопроводность латуни также отличается от соответствующего показателя стали.

Теплопроводность — алюминий

Теплопроводность алюминия выше теплопроводности железа более чем в 3 раза, что приводит к сильному теплоотводу и широкой зоне разогрева металла, прилегающего к шву.
Теплопроводность алюминия в пять раз больше теплопроводности чугуна, и поэтому алюминиевые сплавы часто заменяют чугун при изготовлении поршней двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, поршень из алюминиевого сплава, будучи легче чугунного примерно в три раза, облегчает вес конструкции. Металлы с большой теплопроводностью в то же время являются лучшими проводниками электричества.

Схема аргонового хроматографа фирмы Пай.

Большая теплоемкость и теплопроводность алюминия обеспечивают равномерную температуру по всей длине трубки.

В виду того что теплопроводность алюминия почти в пять раз выше теплопроводности стали, время нагрева, а следовательно и время вулканизации резиновых смесей в прессформах из этого материала сокращается. Однако следует отметить, что пресс-формы из алюминия быстро изнашиваются, что является их существенным недостатком.

Влияние легирующих добавок на коэффициент линейного теплового расширения алюминия в присутствии второго.

Примеси оказывают существенное влияние на теплопроводность алюминия в области низких температур.

Теплопроводность оксидной пленки намного хуже теплопроводности алюминия, но вследствие незначительной толщины пленки это не оказывает заметного влияния на общую теплопроводность изделия.

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза меньше теплопроводности железа. С повышением температуры теплопроводность титана несколько понижается и при 700 С составляет 0 0309 кал / см сек СС.

Поэтому, например, теплопроводность титана в 8 — 10 раз меньше теплопроводности алюминия.

Коэффициент теплопроводности меди, серебра и стали изменяется с температурой незначительно, теплопроводность алюминия возрастает в интервале 0 — 400 С приблизительно в 1 6 раза. При высоких температурах серебро испаряется интенсивнее меди, а медь окисляется и взаимодействует с парами теллуридов. Поэтому для медных шин целесообразно использовать защиту слоем железа. Контакт шин с термоэлементами осуществляется через промежуточные слои, исключающие диффузию материала шины в термоэлектрический материал.

Поэтому, например, теплопроводность титана в 8 — 10 раз меньше теплопроводности алюминия.

Из сопоставления приведенных данных для алюминия с теплофизи-ческими характеристиками щелочных металлов следует, что температура кипения и теплопроводность алюминия значительно больше, а сечение захвата тепловых нейтронов значительно меньше соответствующих величин — для щелочных металлов. Имея в виду, что остальные теплофи-зические характеристики сравниваемых металлов приближенно одинаковы, и учитывая также малую упругость паров алюминия при высоких температурах, можно сделать заключение, что с точки зрения теплофи-зических характеристик алюминий, как теплоноситель, имеет определенные преимущества по сравнению со щелочными металлами при решении задач, связанных с высокой температурой теплоносителя.

Следует подчеркнуть, что так как собственно переходное электрическое сопротивление сварных точек ( RK) очень мало ( оно измеряется долями мком), а теплопроводность алюминия и меди велика, то никогда не происходит перегрева в месте сварки при прохождении тока даже и в тех случаях, когда суммарное сечение сварных точек значительно меньше рабочего сечения самой шины. Это тщательно проверено длительными лабораторными и эксплуатационными испытаниями.

Влияние концентрации углерода

Концентрация углерода в стали влияет на величину теплопередачи:

Низкоуглеродистые стали имеют высокий показатель проводимости. Именно поэтому они используются при изготовлении труб, которые затем применяются при создании трубопровода системы отопления. Значение коэффициента варьирует в пределе от 54 до 47 Вт/(м* К).
Средним коэффициентом для распространенных углеродистых сталей является значение от 50 до 90 Вт/(м* К). Именно поэтому подобный материал используется при изготовлении деталей различных механизмов.
У металлов, которые не содержат различных примесей, коэффициент составляет 64 Вт/(м* К). Это значение несущественно изменяется при термическом воздействии.

Таким образом, рассматриваемый показатель у легированных сплавов может меняться в зависимости от температуры эксплуатации.

Методика расчета

Формула определения теплоотдачи достаточно проста, но стоит учитывать то, что она дает приблизительные результаты. Существует множество нюансов, оказывающих свое влияние. Поэтому, если вам необходимы точные данные, какая теплоотдача именно при ваших условиях, лучше обратиться к специалисту.

Q=K x F x ∆t,

где: Q – теплоотдача, Ккал/ч

K – коэффициент теплопроводности стальной трубы, Ккал/(кв м х ч х 0 С)

F – площадь нагреваемой поверхности труб, кв м

∆t – тепловой напор, 0 С

Коэффициент теплопроводности зависит не только от материала, из которого изготовлены трубы.

Большую роль играют и следующие данные:

Диаметр
Количество ниток (линий) обогревательного устройства
Тепловой напор изделия

Он, в свою очередь, определяется по целому ряду сложных формул, поэтому проще пользоваться специальными таблицами, в которых имеются средние данные.

Так для стальных труб он может варьироваться от 8 до 12,5.

Площадь поверхности определяется по простейшим формулам из школьного курса геометрии, так для трубы круглого сечения она равняется площади цилиндра:

F = П х d x l,

d – диаметр трубы

Тепловой напор определяется по следующей формуле:

где: tп – температура теплоносителя на входе, градусов

tо – температура теплоносителя на выходе, градусов

tв – температура в помещении, градусов

Если вас интересует теоретическая теплоотдача стальной трубы, то согласно СНиП применяются следующие значения теплового напора:

Следовательно, тепловой напор ∆t = 55 градусов.

Если вы будете выполнять расчет для трубы, которая имеет теплоизоляцию, то полученный результат необходимо будет умножить коэффициент полезного действия утеплителя.

Пример расчета

В качестве примера рассчитаем, сколько тепла отдает стальная труба с такими параметрами – диаметр 25 мм, длина 1 метр. Расчет делаем теоретический, следовательно, тепловой напор 55 градусов, труба не утеплена.

Определяем площадь поверхности:

F = 3,14 х 0,025 х 1 = 0,0785 кв м

Из таблицы выбираем значение коэффициента теплопроводности. Для регистра в одну нитку, с диаметром меньшим 40 мм, при тепловом напоре 55 градусов, имеем К = 11,5.

Q = 11,5 х 0,0785 х 55 = 49,65 Ккал/ч

Как видите, в теории все достаточно просто, но практика значительно отличается от теории. Поэтому самостоятельно выполнять подобные расчеты можно только в самых простых случаях.

Значение в быту и производстве

Почему важно учитывать коэффициент теплопроводности? Подобное значение указывается в различных таблицах для каждого металла и учитывается в нижеприведенных случаях:

При изготовлении различных теплообменников. Тепло является одним из важных носителей энергии. Его используют для обеспечения комфортных условий проживания в жилых и иных помещениях. При создании отопительных радиаторов и бойлеров важно обеспечить быструю и полную передачу тепла от теплоносителя к конечному потребителю.
При изготовлении отводящих элементов. Часто можно встретить ситуацию, когда нужно провести не подачу тепла, а отвод. Примером назовем случай отвода тепла от режущей кромки инструмента или зубьев шестерни. Для того чтобы металл не терял свои основные эксплуатационные качества, обеспечивается быстрый отвод тепловой энергии.
При создании изоляционных прослоек. В некоторых случаях материал не должен проводить передачу тепловой энергии. Для подобных условий эксплуатации выбирается металл, который обладает низким коэффициентом проводимости тепла.

Определяется рассматриваемый показатель при проведении испытаний в различных условиях. Как ранее было отмечено, коэффициент проводимости тепла может зависеть от температуры эксплуатации. Поэтому в таблицах указывается несколько его значений.

Производим расчёт

Формула, по которой считается теплоотдача следующая:

К – коэффициент теплопроводности стали;
Q – коэффициент теплоотдачи, Вт;
F – площадь участка трубы, для которого производится расчёт, м 2 dT – величина напора температуры (сумма первичной и конечной температур с учётом комнатной температуры), ° C.

Коэффициент теплопроводности K выбирается с учётом площади изделия. Зависит его величина и от количества ниток, проложенных в помещениях. В среднем величина коэффициента лежит в пределах 8-12,5.

Насколько выгоден биметаллический радиатор

Нередко для подтверждения высокой теплоотдачи биметаллических радиаторов приводят табличные сведения, приведенные ниже.

Такого рода сведения нередко используются магазинами и рекламой в качестве достоверных данных о теплоотдаче различных систем водяного отопления. О том, что теплоотдача биметаллической секции выше стальной или чугунной конструкции, хорошо известно и без справочных данных, остается только проверить, насколько радиатор из биметалла лучше алюминия. Неужели разница может достигать почти 40%?

Ниже в таблице приведены данные о теплоотдаче на основании практических измерений приборов конкретных моделей радиаторов, в том числе биметаллических, алюминиевых и чугунных систем.

Как видно из таблицы, теплоотдача между самыми крайними позициями радиаторов одного производителя, например, алюминиевого Rifar Alum -183 Вт/м∙К и биметаллического Rifar Base — 204 Вт/м∙К, составляет не более 10%, в остальных случаях разница еще меньше.

От чего зависит теплоотдача радиатора

Прежде чем попытаться оценить и сравнить реальную эффективность биметаллических радиаторов, стоит напомнить, от чего зависит тепловая мощность конкретной отопительной системы:

Тепловой напор радиатора. Чем выше разница между средней температурой поверхности радиатора и температурой воздуха, тем интенсивнее тепловой поток, передающийся в воздух помещения;
Теплопроводностью материала радиатора. Чем выше теплопроводность, тем меньше разница между температурой теплоносителя и наружной стенкой радиатора;
Размерами корпуса;
Температурой и давлением теплоносителя.

Первый критерий – тепловой напор, рассчитывается, как разность между полусуммой (Твх+Твых)/2 и температурой воздуха в помещении, Твх и Твых – температуры воды на входе и выходе из радиатора. Существует даже поправочный коэффициент, уточняющий теплоотдачу радиатора при расчете мощности системы отопления для комнаты.