У какого металла меньше теплопроводность

Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс.

Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции.

Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача.

В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики.

Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве.

Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов.

Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

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.

Таблица 1

Металл Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С
— 100 0 100 300 700
Алюминий 2,45 2,38 2,30 2,26 0,9
Бериллий 4,1 2,3 1,7 1,25 0,9
Ванадий 0,31 0,34
Висмут 0,11 0,08 0,07 0,11 0,15
Вольфрам 2,05 1,90 1,65 1,45 1,2
Гафний  — 0,22 0,21
Железо 0,94 0,76 0,69 0,55 0,34
Золото 3,3 3,1 3,1
Индий 0,25
Иридий 1,51 1,48 1,43
Кадмий 0,96 0,92 0,90 0,95 0,44 (400°)
Калий 0,99 0,42 0,34
Кальций 0,98
Кобальт 0,69
Литий 0,71 0,73
Магний 1,6 1,5 1,5 1,45
 Медь 4,05 3,85 3,82 3,76 3,50
Молибден 1,4 1,43  — 1,04 (1000°)
Натрий 1,35 1,35 0,85 0,76 0,60
Никель 0,97 0,91 0,83 0,64 0,66
Ниобий 0,49 0,49 0,51 0,56
Олово 0,74 0,64 0,60 0,33
Палладий 0,69 0,67 0,74
Платина 0,68 0,69 0,72 0,76 0,84
Рений 0,71
Родий 1,54 1,52 1,47
Ртуть 0,33 0,09 0.1 0,115
Свинец 0,37 0,35 0,335 0,315 0,19
Серебро 4,22 4,18 4,17 3,62
Сурьма 0,23 0,18 0,17 0,17 0,21
Таллий 0,41 0,43 0,49 0,25 (400 0)
Тантал 0,54 0,54
Титан 0,16 0,15
Торий 0,41 0,39 0,40 0,45
Уран 0,24 0,26 0,31 0,40
Хром 0,86 0,85 0,80 0,63
Цинк 1,14 1,13 1,09 1,00 0,56
Цирконий 0,21 0,20 0,19

От чего зависит показатель теплопроводности

Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:

  • вида металла;
  • химического состава;
  • пористости;
  • размеров.

Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.

Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.

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.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.

Таблица 2

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град.

Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры.

Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.

Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.

Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град.

Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град.

А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.

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.

Читайте также:  Лестница пожарная нержавеющая сталь

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

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.

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.
Читайте также:  Легкие металлы сплавы меди

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.

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.

https://youtube.com/watch?v=nSewFwPhHhM

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.

Adblockdetector

Теплопроводность металлов: показатели нормы для стали, меди, никеля и алюминия

Под теплопроводностью в физике понимают перемещение энергии в объекте от более нагретых мельчайших частиц к менее нагретым. Благодаря этому процессу выравнивается температура рассматриваемого предмета в целом.

Читайте также:  Добыча цветных металлов азия

Величина способности проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности.

Данный параметр равен количеству тепла, которое пропускает через себя материал толщиной 1 метр через площадь поверхности 1 м2 в течение одной секунды при единичной разнице температур.

Материал Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К)
Серебро 428
Медь 394
Алюминий 220
Железо 74
Сталь 45
Свинец 35
Кирпич 0,77

Медь обладает коэффициентом теплопроводности 394 Вт/(м*К) при температуре от 20 до 100 °С. Соперничать с ней может только серебро. А у стали и железа этот показатель ниже в 9 и 6 раз соответственно (см. таблицу).

Стоит отметить, что теплопроводность изделий, изготовленных из меди, в значительной мере зависит от примесей (впрочем, это касается и других металлов).

Например, скорость проводимости тепла снижается, если в медь попадают такие вещества, как:

  • железо;
  • мышьяк;
  • кислород;
  • селен;
  • алюминий;
  • сурьма;
  • фосфор;
  • сера.

Медная проволока

Если добавить к меди цинк, то получится латунь, у которой коэффициент теплопроводности намного ниже. В то же время добавление других веществ в медь позволяет существенно снизить стоимость готовых изделий и придать им такие характеристики, как прочность и износостойкость. К примеру, для латуни характерны более высокие технологические, механические и антифрикционные свойства.

Поскольку для высокой теплопроводности характерно быстрым распространение энергии нагрева по всему предмету, медь получила широкое применение в системах теплообмена. На данный момент из нее изготавливают радиаторы и трубки для холодильников, вакуумных установок и автомашин для быстрого отвода тепла. Также медные элементы применяют в отопительных установках, но уже для обогрева.

Медный радиатор отопления

Чтобы поддерживать теплопроводность металла на высоком уровне (а значит, делать работу устройств из меди максимально эффективной), во всех системах теплообмена используют принудительный обдув вентиляторами. Такое решение вызвано тем, что при повышении температуры среды теплопроводность любого материала существенно понижается, ведь теплоотдача замедляется.

Теплопроводность цветных металлов и технических сплавов

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.

По данным таблицы видно, что высокую теплопроводность (при комнатной температуре) имеют магниевые сплавы и никель. Низкая же теплопроводность свойственна нихрому, инвару и сплаву Вуда.

Алюминий и медь – что лучше?

У алюминия есть один минус по сравнению с медью: его теплопроводность в 1,5 раза меньше, а именно 201–235 Вт/(м*К). Однако по сравнению с другими металлами это достаточно высокие значения. Алюминий так же, как и медь, обладает высокими антикоррозийными свойствами. Кроме того, он имеет такие преимущества, как:

  • малая плотность (удельный вес в 3 раза меньше, чем у меди);
  • низкая стоимость (в 3,5 раза меньше, чем у меди).

Алюминиевый радиатор отопления

Благодаря простым расчетам получается, что алюминиевая деталь может оказаться дешевле медной практически в 10 раз, ведь она весит намного меньше и изготовлена из более дешевого материала.

Этот факт наряду с высокой теплопроводностью позволяет использовать алюминий в качестве материала для посуды и пищевой фольги для духовых шкафов.

Главный недостаток алюминия состоит в том, что он является более мягким, поэтому его можно использовать только в составе сплавов (например, дюралюминия).

Для эффективного теплообмена важную роль играет скорость отдачи тепла в окружающую среду, и этому активно способствует обдув радиаторов. В результате меньшая теплопроводность алюминия (относительно меди) нивелируется, а вес и стоимость оборудования снижаются. Эти важные плюсы позволяют алюминию постепенно вытеснять медь из использования в системах кондиционирования.

Использование меди в электронике

В некоторых отраслях, к примеру, в радиопромышленности и электронике, медь является незаменимой.

Дело в том, что этот металл по природе своей очень пластичен: его можно вытянуть крайне тонкую проволоку (0,005 мм), а также создать другие специфические токопроводящие элементы для электронных приборов.

А высокая теплопроводность позволяет меди крайне эффективно отводить неизбежно возникающее при работе электроприборов тепло, что очень важно для современной высокоточной, но в то же время компактной техники.

Актуально использование меди в тех случаях, когда требуется сделать наплавку определенной формы на стальную деталь. При этом применяется шаблон из меди, который не соединяется с привариваемым элементом. Использование алюминия для этих целей невозможно, так как он будет расплавлен или прожжен. Стоит также упомянуть, что медь способна выполнить роль катода при сварке угольной дугой.

1 — шестерня, 2 — крепления шаблонов, 3 — наплавляемый зуб шестерни, 4 — медные шаблоны

Коэффициенты теплопроводности алюминиевых, медных и никелевых сплавов

Теплопроводность металлов, алюминиевых, медных и никелевых сплавов в таблице дана в интервале температуры от 0 до 600°С в размерности Вт/(м·град). Металлы и сплавы: алюминий, алюминиевые сплавы, дюралюминий, латунь, медь, монель, нейзильбер, нихром, нихром железистый, сталь мягкая. Алюминиевые сплавы имеют большую теплопроводность, чем латунь и сплавы никеля.

Недостатки высокой теплопроводности меди и ее сплавов

Медь обладает куда более высокой стоимостью, чем латунь или алюминий. При этом у данного металла есть свои недостатки, напрямую связанные с его достоинствами.

Высокая теплопроводность приводит к необходимости создавать специальные условия во время резки, сварки и пайки медных элементов. Так как нагревать медные элементы нужно намного более концентрировано по сравнению со сталью.

Также часто требуется предварительный и сопутствующий подогрев детали.

Не стоит забывать и о том, что медные трубы требуют тщательной изоляции в том случае, если из них состоит магистраль или разводка системы отопления. Что приводит к увеличению стоимости монтажа сети в сравнении с вариантами, когда применяются другие материалы.

Пример теплоизоляции медных труб

Сложности возникают и с газовой сваркой меди: для этого процесса потребуются более мощные горелки. При сварке металла толщиной 8–10 мм потребуются две-три горелки. Пока одна горелка используется для сварки, другими ведется подогрев детали. В целом сварочные работы с медью требуют повышенных расходов на расходные материалы.

Следует сказать и о необходимости использования специальных инструментов. Так, для резки латуни и бронзы толщиной до 15 см понадобится резак, способный работать с высокохромистой сталью толщиной в 30 см. Причем этого же инструмента хватит для работы с чистой медью толщиной всего лишь в 5 см.

Плазменная резка меди

Удельная теплоемкость цветных сплавов

В таблице приведены величины удельной (массовой) теплоемкости двухкомпонентных и многокомпонентных цветных сплавов, не содержащих железа, при температуре от 123 до 1000К. Теплоемкость указана в размерности кДж/(кг·град).

Дана теплоемкость следующих сплавов: сплавы, содержащие алюминий, медь, магний, ванадий, цинк, висмут, золото, свинец, олово, кадмий, никель, иридий, платина, калий, натрий, марганец, титан, сплав висмут — свинец — олово, сплав висмут-свинец, висмут — свинец — кадмий, алюмель, сплав липовица, нихром, сплав розе.

Также существует отдельная таблица, где представлена удельная теплоемкость металлов при различных температурах.

Удельная теплоемкость многокомпонентных специальных сплавов

Удельная (массовая) теплоемкость многокомпонентных специальных сплавов приведена в таблице при температуре от 0 до 1300ºС. Размерность теплоемкости кал/(г·град).

Теплоемкость специальных сплавов: алюмель, белл-металл, сплав Вуда, инвар, липовица сплав, манганин, монель, сплав Розе, фосфористая бронза, хромель, сплав Na-K, сплав Pb — Bi, Pb — Bi — Sn, Zn — Sn — Ni — Fe — Mn.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector