Коэффициент теплопроводности нержавеющей стали

Теплопроводность нержавеющей стали

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 теплопроводности

Она является интенсивной физической величиной, то есть величиной, которая описывает свойство материи, не зависящей от количества последней.

Интенсивными величинами также являются температура, давление, электропроводность, то есть эти характеристики одинаковы в любой точке одного и того же вещества.

Другой группой физических величин являются экстенсивные, которые определяются количеством вещества, например, масса, объем, энергия и другие.

Для изотропного материала, то есть материала, свойства которого одинаковы во всех пространственных направлениях, теплопроводность является скалярной величиной и определяется, как отношение потока тепла через единичную площадь за единицу времени к градиенту температуры.

Так, теплопроводность, равная одному ватту на метр-Кельвин, означает, что тепловая энергия в один Джоуль переносится через материал:

• за одну секунду;
• через площадь один метр квадратный;
• на расстояние один метр;
• когда разница температур на поверхностях, находящихся на расстоянии один метр друг от друга в материале, равна один Кельвин.

Понятно, что чем больше значение теплопроводности, тем лучше материал проводит тепло, и наоборот.

Например, значение этой величины для меди равно 380 Вт/(м*К), и этот металл в 10 000 раз лучше переносит тепло, чем полиуретан, теплопроводность которого составляет 0,035 Вт/(м*К).

Перенос тепла на молекулярном уровне

Когда материя нагревается, увеличивается средняя кинетическая энергия составляющих ее частиц, то есть увеличивается уровень беспорядка, атомы и молекулы начинают более интенсивно и с большей амплитудой колебаться около своих равновесных положений в материале. Перенос тепла, который на макроскопическом уровне можно описать законом Фурье, на молекулярном уровне представляет собой обмен кинетической энергией между частицами (атомами и молекулами) вещества, без переноса последнего.

Это объяснение механизма теплопроводности на молекулярном уровне отличает его от механизма термической конвекции, при котором имеет место перенос тепла за счет переноса вещества.

Все твердые тела обладают способностью к теплопроводности, в то время как тепловая конвекция возможна только в жидкостях и газах.

Действительно, твердые вещества переносят тепло в основном за счет теплопроводности, а жидкости и газы, если есть температурные градиенты в них, переносят тепло в основном за счет процессов конвекции.

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.

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.

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.

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.

Продукция — Техмашхолдинг — группа компаний, официальный сайт

Выбор кастрюль и сковородок может быть довольно сложной задачей. Форма посуды и рукоятки, используемые материалы, дизайн и назначение – все это факторы, влияющие на выбор. Понимание разницы в материалах, используемых для изготовления посуды, – первый шаг к ясности в вопросе, как работает посуда и что важно при ее выборе. 

Базовые принципы

Назначение посуды – это передача энергии от ее источника к продукту. Существует два основных источника: газ и электричество. В обоих случаях тепло передается не равномерно: газ распределен на отдельные маленькие язычки пламени, а электричество, как правило, поступает по спирали, оставляя места, куда тепло не поступает. Так как тепло поступает неравномерно, задача повара – компенсировать это путем кулинарных приемов или с помощью посуды.Высококачественная посуда должна быть не только износостойкой, но и эффективной в процессе передачи энергии от источника к продукту. Существует несколько факторов, влияющих на эту способность. Два основных – это теплопроводность и теплоемкость. Все дискуссии о материалах для посуды фокусируются на этих факторах.

Теплопроводность

Теплопроводность – это способность материала абсорбировать и передавать энергию. Когда нагревательный элемент контактирует с кастрюлей, тепло передается кастрюле. Это увеличивает внутреннюю кинетическую энергию кастрюли (происходит нагревание). Нагретый предмет передает энергию соседним материалам, которые имеют более низкую температуру. Чем выше теплопроводность, тем быстрее нагревается данный предмет и тем быстрее нагретые части данного предмета передают тепло еще не затронутым частям. Например, если мы разместим на нагревательном элементе большой лист нержавеющей стали (обладающей довольно низкой теплопроводностью, если говорить о материалах для посуды), то картина будет такой: та часть, которая расположена рядом с нагревательным элементом, нагреется, тогда как остальные области будут прогреваться довольно медленно. Когда тепло дойдет до отдаленных зон листа, его центральная часть, расположенная на источнике тепла, будет просто раскалена.Одно из решений проблемы – сделать лист толще. Нижняя часть листа будет прогреваться неодинаково с верхней частью, так как она расположена на меньшем расстоянии от нагревательного элемента. Таким образом, энергия должна передаваться от нижних слоев к верхним, чтобы верхняя часть прогревалась более равномерно. На картинке мы видим срез стального листа и зоны нагрева. Центральная точка нагрева (белая) со временем остыла, так тепло было передано более высоким слоям стали. В итоге мы видим уже более равномерное нагревание, однако и оно не идеально. Чем толще сталь, тем равномернее нагрев поверхности. К сожалению, низкая теплопроводность приводит к тому, что общий процесс нагревания замедляется, а также замедляется ответная реакция материала (кастрюли) на повышение или понижение температуры.Для большинства кулинарных процессов желательно, чтобы посуда быстро нагревалась, имела равномерную температуру и реагировала на ее изменения. Материалы с высокой теплопроводностью отвечают этим запросам, так как быстро передают тепло, стремительно распространяют его по всей поверхности материала и быстро реагируют на изменения температуры. Приводим таблицу материалов и уровень их теплопроводности:

Материал	Теплопроводность
Медь	401 W/m*K
Алюминий	237 W/m*K
Чугун	80 W/m*K
Углеродистая сталь	51 W/m*K
Нержавеющая сталь	16 W/m*K

Теплоемкость

Количество кинетической энергии, сохраняемой в материале, называется теплоемкостью. Это не то же самое, что температура, которая является средней молекулярной кинетической энергией внутри материала. Так, например, 1 кг воды при температуре 100 градусов содержит больше энергии, чем 1 кг стали при той же температуре.В то время как теплопроводность отвечает за способность материала вбирать в себя энергию, теплоемкость – это объем энергии, способной нагреть или охладить материал. Теплоемкость пропорциональна массе материала, так, 2 кг металла имеют теплоемкость, вдвое превышающую такую же, как у 1 кг металла.Это означает, что та посуда, которая имеет высокую теплоемкость, медленно нагревается, но долго будет держать тепло. Когда энергия выпускается, материал остывает, но значительно медленнее по сравнению с материалами с низкой теплоемкостью. Чугун – тот образчик, который часто упоминают как материал с высокой теплоемкостью. Теплоемкость1 кг чугуна меньше в несколько раз, чем у алюминия, но из-за его большого веса общая теплоемкость выше.  Толщина материала в посуде часто обозначается производителем (например, 3 мм-ый алюминий), но так как теплоемкость напрямую зависит от веса изделия, необходимо знать еще и плотность материала.

Материал	Теплоемкость на 1 кг	плотность
Алюминий	910 J/kg*K	2600 kg/m3
Нержав.сталь	500 J/kg*K	7500 — 8000 kg/m3
Углерод. Сталь	500 J/kg*K	7500 — 8000 kg/m3
Чугун	460 J/kg*K	7900 kg/m3
Медь	390 J/kg*K	8900 kg/m3

Умножая теплоемкость на плотность материала, вы обнаружите, что теплоемкость единицы из нержавеющей стали, чугуна или меди в полтора раза выше, чем у алюминия.Таким образом, потребуется алюминиевая кастрюля в полтора раза толще, чтобы получить такую же теплоемкость.

Термальная диффузия

Возможно, вы обратили внимание, что я слегка ввел ввас в заблуждение, объясняя про теплопроводность. Дело в том, что теплопроводность самостоятельно не определяет, насколько быстро нагреется кастрюля и как быстро тепло распространится на все ее части. По большому счету, теплоемкость также имеет значение в данном вопросе. Было бы здорово иметь только одну единицу измерения этого параметра, не правда ли? И такая единица есть – это термальная диффузия. Итак, посмотрим таблицу.

Материал	Термальная диффузия
Медь	120 * 10-6 m2/s
Алюминий	100 * 10-6 m2/s
Чугун	22 * 10-6 m2/s
Углерод. сталь	14 * 10-6 m2/s
Нерж. сталь	4.3 * 10-6 m2/s

По данной таблице лучшими в параметре являются медь и алюминий. А теперь мы подходим к финальному понятию – реактивности.

Реактивность

Мало того, что мы должны интересоваться тепловыми свойствами материалов, но еще нужно удостовериться, что материалы, которые мы используем в нашей кухонной посуде, не вредят нам и не оказывают негативное влияние на вкус нашей еды.Получается, нам нужен еще и нереактивный материал.К сожалению, медь и алюминий быстро вступают в химический контакт с пищей. Попадание частиц меди в организм может привести к заболеваниям печени, желудка, почек. Каждая поваренная книга упоминает, что желток, взбитый время от времени в медной посуде не может Вам навредить, но с другой стороны, готовите Вы каждый день… А алюминий и вовсе может вызвать болезнь Альцгеймера.Поэтому в дополнение к высокой тепловой диффузивности, мы также хотели бы нереактивный материал.С другой стороны, у нержавеющей стали, наименее реактивного из всех популярных материалов, используемых в кухонной посуде, также худшая тепловая диффузивность.Получается, что сегодня физика не является нам другом. Но магией продающих посуду компаний находятся решения по производству посуды с высокой термальной диффузией и при этом не реактивной. Существует несколько вариантов решения данной задачи: комбинирование меди с нереактивной поверхностью (луженая медь), стальная посуда с медным и алюминиевым диском, сплавы алюминия и стали. Таблица ниже показывает эффективность этих решений от самых успешных до наименее продуктивных.

Rank

Состав

Нюансы работы с медными трубами

Для выполнения монтажа внутренних трубопроводов в доме можно выбрать трубу из пластика, металлопластика либо нержавеющей стали. Но только аналог из меди способен прослужить без проблем и капремонта больше полувека.

Правильно смонтированные медные трубопроводные системы на практике исправно работают на протяжении всего срока эксплуатации, что отведен коттеджу или многоквартирному дому.

Используемые при монтаже фитинги и места соединений пайкой по статистике аварий оказываются более надежными, нежели сами медные трубы – если прорыв в системе и происходит, то лишь на стенке трубного изделия

Трубам из меди не страшны длительные тепловые нагрузки, хлор и ультрафиолет. При промерзании они не трескаются, а при изменении температуры внутренней среды (воды, стоков, газа) не меняют своей геометрии. В отличие от пластиковых аналогов, медные трубопроводы не провисают.

Это пластик подвержен расширению при высоких температурах, с медью подобного не происходит по определению.

У трубных медных изделий есть два недостатка – высокая цена и мягкость металла. Однако дороговизна материала окупается долгим сроком эксплуатации. А чтобы стенки труб не оказались повреждены изнутри эрозией, в системе обязательно должны устанавливаться фильтры.

Если в воде не будет загрязнений в виде твердых частиц, то и проблем с разрушением трубопроводов не возникнет.

Требования к обработке и сварке труб

При работе с медными трубами необходимо соблюдать следующие правила:

1. Монтируя пайкой водопровод ХВС или ГВС, следует исключить использование свинцового припоя – свинец слишком токсичен.
2. Скорость потока воды должна быть не выше 2 м/с, иначе мельчайшие частицы песка или иного твердого вещества постепенно начнут разрушать стенки трубы.
3. При использовании флюсов после завершения монтажа трубопроводная система в обязательном порядке подлежит промывке – флюс является агрессивным веществом и будет способствовать коррозии трубных стенок из меди.
4. При пайке нельзя допускать перегрева места соединения – это может привести не только к формированию негерметичного стыка, но и потере прочности медного изделия.
5. Переходы труб с меди на другие металлы (сталь и алюминий) рекомендуется выполнять посредством латунных либо бронзовых фитингов-переходников – в противном случае стальные и алюминиевые трубы быстро начнут коррозировать.
6. Грат (наплывы металла) и заусенцы в местах резки подлежат обязательному удалению – их наличие приводит к образованию в водяном потоке турбулентных завихрений, что способствует эрозии и уменьшению эксплуатационного срока трубопровода из меди.
7. При подготовке медных труб к соединению категорически запрещается применять абразивы – их оставшиеся после монтажа внутри частицы приведут к повреждению металла и образованию свища.

Если в системе водопровода либо отопления в доме помимо медных есть также трубы или элементы из иных металлов, то водяной поток должен идти от них к меди, а не наоборот. Ток воды от меди к стали, цинку либо алюминию приведет быстрой электрохимической коррозии участков трубопровода из последних.

Трубы из меди режутся и гнутся без проблем, с соединением их в единую трубопроводную систему в состоянии справиться даже начинающий мастер. Нужно лишь подобрать соответствующие инструменты и следовать инструкциям

Благодаря пластичности и прочности металла медные трубы без проблем подвергаются резке и сгибанию. Поворот трубопровода можно выполнить как путем использования трубогиба, так и с помощью фитингов. А для устройства разветвлений и соединений с различными приборами существует множество деталей из термостойких пластмасс, латуни, нержавейки и бронзы.

О взаимодействии меди с другими металлами

В большинстве частных домов бытовые водопроводы собраны из стальных и алюминиевых труб. В отопительных системах также присутствуют радиаторы из стали или алюминия. Неправильная врезка в подобную разводку труб из меди чревата немалыми проблемами.

По строительным нормам, чтобы исключить коррозионные процессы в трубопроводе из разных по металлу труб, поток воды должен быть направлен к меди

Самый оптимальный вариант монтажа – это применение труб и приборов исключительно из меди и ее сплавов. Сейчас без проблем можно найти биметаллические алюминиево-медные радиаторы, а также соответствующие фитинги и запорную арматуру. Совмещать разные металлы стоит только в крайних случаях.

Если совмещение неизбежно, то медь должна быть замыкающей в цепочке элементов трубопровода. Избавить ее от способности проводить электроток невозможно. А при наличии даже слабого тока этот металл создает со сталью, алюминием и цинком гальванические пары, что неизбежно ведет к преждевременной их коррозии. При монтаже водопровода между ними обязательно нужно вставлять переходники из бронзы.

Еще она потенциальная проблема – кислород в воде. Чем больше его содержание, тем быстрее коррозируют трубы. Это касается трубопроводов как из одного металла, так и сделанных из разных.

Нередко владельцы коттеджей допускают серьезную ошибку, часто меняя теплоноситель в отопительной системе. Это только приводит к добавлению совершенно ненужных порций кислорода. Лучше всего воду не менять полностью, а доливать ее, когда возникает необходимость.

Выбор монтажа: разъемный vs неразъемный

Чтобы соединить медные трубы в единую трубопроводную систему, можно воспользоваться несколькими способами их сочленения. Разные сантехники применяют обжимные и пресс фитинги, сварку либо пайку. Но прежде чем самому начинать работы, нужно определиться – неразъемным быть трубопроводу или разъемным.

Существует три монтажных технологии соединения труб из меди:

• электрическая сварка;
• пайка с помощью горелки или электропаяльника;
• прессование.

Все эти технологии могут быть применены при формировании как разъемной, так и неразъемной системы. Здесь больше вопрос использования разнообразных фитингов и переходников либо отказ от них.

Если конструкцию нельзя разобрать без разрушения отдельных ее частей, то она считается неразъемной – выходит она дешевле, но ремонтировать ее сложнее

Если трубопроводная система нужна разъемная, а также более простая в плане ремонта и добавления новых элементов, то соединения необходимо делать разъемными. Для этого используют фитинги:

• компрессионные;
• резьбовые;
• самофиксирующиеся.

Разъемные соединения проще выполнить самостоятельно, можно обойтись даже без пайки. Они не требуют от мастера излишне высокой квалификации. Однако подобные узлы нуждаются в постоянном осмотре и подтягивании гаек, чтобы исключить протечки. Перепады давления и температуры в системе ведут к ослаблению креплений. И время от времени их рекомендуется подтягивать.

Если доступ к медным трубам планируется закрыть наглухо отделкой или бетонной стяжкой, то соединять их лучше всего в неразъемную конструкцию пайкой либо сваркой. Такая система более надежна, долговечна и устойчива к порывам.

На изделия из меди запрещается наносить резьбу. Этот металл слишком мягок по своей структуре. При устройстве разъемного трубопровода все резьбовые подсоединения должны делаться посредством фитингов. Последние соединять с медной трубой можно прессованием либо пайкой.

Коэффициент теплопроводности нержавеющей стали — Справочник металлиста



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).

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.


Теплопроводность нержавейки таблица — Металлы, оборудование, инструкции



13 Июня 2016

Выбор кастрюль и сковородок может быть довольно сложной задачей. Форма посуды и рукоятки, используемые материалы, дизайн и назначение – все это факторы, влияющие на выбор. Понимание разницы в материалах, используемых для изготовления посуды, – первый шаг к ясности в вопросе, как работает посуда и что важно при ее выборе. 

Теплопроводность: понятие и коэффициент для некоторых сталей и сплавов

Для того чтобы проводить какую-либо работу с различными материалами, перед их обработкой обязательно нужно узнать все данные, касающиеся характеристик материала, его физические свойства.

Ниже будет рассмотрен такой материал, как сталь. Внимание будет заострено на такой способности материалов, как теплопроводность. Это показатель, который обязательно надо знать, если предполагается работа с любым материалом.