ما هي تدابير الموصلية الحرارية
توضح الموصلية الحرارية، التي يتم التعبير عنها بالواط لكل متر كلفن، W/(m·K)، مقدار الحرارة التي تعبر وحدة سمك المادة لفرق معين في درجة الحرارة. إنها خاصية المادة الأكثر أهمية في -مصطلح سمك الجدار لأي حساب لنقل الحرارة-، لأنها تحدد مقدار المقاومة الإجمالية لتدفق الحرارة التي تأتي من المعدن نفسه وليس من الغشاءين السائلين.
بالنسبة للنحاس المطاوع، تقع الخاصية في نطاق يتراوح من 109 إلى 170 واط/(م·ك) تقريبًا عند درجة حرارة الغرفة. وهذا يضع العائلة أعلى بكثير من الفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ وتحت النحاس غير المخلوط. إن الانتشار داخل النطاق ليس عشوائيًا: فهو مدفوع بالكامل تقريبًا بكمية الزنك وعدد العناصر الأخرى التي تمت إضافتها إلى الشبكة النحاسية.
قيم التوصيل الحراري النموذجية حسب الدرجة
| درجة | التكوين الاسمي | الموصلية الحرارية عند 20 درجة، W/(m·K) |
|---|---|---|
| C11000 ETP النحاس | 99.90% نحاس | 388 |
| C23000 النحاس الأحمر | 85% نحاس، 15% زنك | 159 |
| خرطوشة النحاس C26000 | 70% نحاس، 30% زنك | 121 |
| C36000-قطع النحاس مجانًا | 61.5% نحاس، 35.5% زنك، 3% رصاص | 115 |
| C44300 الأميرالية النحاس | 71% نحاس، 28% زنك، 1% قصدير | 109 |
| C70600 نحاس-نيكل 90/10 | النحاس، 10% ني، 1.3% حديد | 45 |
تنطبق القيم على المواد المطاوع في حالة التلدين عند حوالي 20 درجة. وهي الأرقام المستخدمة عادة للتصميم الأولي؛ عندما يكون الواجب حرجًا، يجب استخدام شهادة المطحنة للحرارة الفعلية مع تصحيح درجة الحرارة المناسب لنطاق الخدمة.
ما يتحكم في القيمة
محتوى الزنك.يؤدي وجود الزنك في المحلول الصلب إلى تشتيت الإلكترونات التي تحمل الحرارة في النحاس. كل نسبة إضافية من الزنك تقلل التوصيل الحراري، وهذا هو السبب في أن النحاس الأحمر 85/15 أكثر توصيلًا بنسبة 30% تقريبًا من النحاس الأصفر 70/30.
القصدير والزرنيخ والألومنيوم.تتم إضافة هذه العناصر لمقاومة التآكل والقوة، وكل منها يقلل من الموصلية بشكل أكبر. يقع النحاس الأميرالي، الذي يحتوي على 1% من القصدير وقليل من الزرنيخ، في الجزء السفلي من شريط النحاس المطاوع.
يقود.تتم إضافة الرصاص إلى قطع النحاس الحرة-لتسهيل التصنيع. تأثيره على الموصلية متواضع عند مستويات 2-3% المستخدمة في الممارسة العملية.
العمل البارد.يغير الاختزال البارد الخواص الميكانيكية والمقاومة الكهربائية بشكل ملحوظ، لكن التأثير على التوصيل الحراري يكون صغيرًا مقارنة بمستويات الإجهاد التي تواجهها المزاجات التجارية.
درجة حرارة.خلال نطاق الخدمة العادي لسبائك النحاس، تقريبًا -50 إلى 200 درجة، يكون لدرجة الحرارة تأثير متواضع وتكون قيمة درجة حرارة الغرفة كافية لمعظم التقديرات الهندسية.
الموصلية الكهربائية كفحص سريع-.
يتم حمل كل من الحرارة والشحنة الكهربائية بشكل رئيسي عن طريق الإلكترونات الحرة، وبالتالي فإن الخاصيتين تتحركان معًا في نفس عائلة السبائك. النحاس المطاوع مثل C26000 مع حوالي 28% من الموصلية الكهربائية IACS له موصلية حرارية قريبة من 121 واط/(م·ك). C44300، بنسبة 26% تقريبًا من IACS، تنخفض إلى حوالي 109 واط/(م·ك). تفقد المواد غير النقية أو المؤكسدة أو المشغولة بكثافة كلا الخاصيتين معًا.
هذه العلاقة مفيدة في الشراء. عندما تقتبس ورقة البيانات موصلية حرارية غير متوافقة مع الموصلية الكهربائية الواردة في نفس الصفحة، فقد تم نسخ أحد الشكلين بشكل غير صحيح ويجب عدم قبول المادة للتطبيق الحراري الحرج حتى تتم إعادة فحص شهادة المطحنة-وفقًا للمعايير الحاكمة.
حيث يقرر العقار التصميم
أنابيب المبادل الحراري والمكثف.يتم استخدام سبائك النحاس على وجه التحديد لأن موصليتها تحافظ على مقاومة الجدار صغيرة بالنسبة للطبقة الجانبية للماء-، مما يسمح بأغلفة مدمجة وعدد أقل من الأنابيب.
مشعات وموزعات الحرارة.هنا تعمل الموصلية العالية على توزيع الحرارة بشكل جانبي بحيث يمكن استخدام مساحة صغيرة من الزعانف؛ يعد النحاس الأحمر ونحاس الخرطوشة من الخيارات الشائعة.
التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والتبريد.تستفيد أجسام الأنابيب والصمامات المصنوعة من النحاس من النقل السريع والموحد للحرارة ومن القوة التي يضيفها الزنك.
موصلات كهربائية وقضيب.ويجب موازنة الموصلية الكهربائية وسعة الحمل-التيارية مع القوة ومقاومة التآكل التي يوفرها النحاس.
ملاحظات الاختيار العملي
يجب التعامل مع الموصلية كخاصية واحدة في مجموعة، وليس كهدف في حد ذاته. قد تكون الدرجة التي تم اختيارها فقط لشكل الموصلية الخاصة بها ناعمة جدًا بالنسبة للأحمال المعنية أو معرضة جدًا لإزالة الزنك في مياه الخدمة. تتمثل الممارسة النموذجية في اختيار السبيكة أولاً على أساس التآكل والقوة وقابلية التشكيل، ثم التحقق من أن التوصيل الحراري لا يزال يفي بواجب نقل الحرارة- بمساحة سطح مقبولة.
هناك نقطتان أخريان تستحقان التذكر. أولاً، عادةً ما يهيمن تلوث السطح وحجمه على انتقال الحرارة بمجرد تشغيل المبادل، لذلك نادرًا ما يبرر الاختلاف البسيط في الموصلية المعدنية بين سبيكة مرشحة تغييرًا في التصميم. ثانيًا، نظرًا لأن النحاس الأصفر يختلف عن النحاس بعامل ثلاثة في الموصلية، فإن استبدال النحاس بالنحاس الأصفر لمكون حرج حرارياً هو قرار هندسي حقيقي وليس مجرد استبدال مادة بسيطة.
التعليمات
س: ما هي الموصلية الحرارية للنحاس؟
بالنسبة للنحاس المطاوع، تتراوح القيمة عادةً بين حوالي 109 و170 واط/(م·ك) في درجة حرارة الغرفة. يعتمد الشكل الدقيق على التركيب: -النحاس الأحمر العالي يوجد في الطرف العلوي والقصدير-يحمل النحاس الأميرالي في الطرف السفلي.
س: ما هو النحاس الذي يتمتع بأعلى الموصلية الحرارية؟
ضمن عائلة النحاس، فإن درجات النحاس العالية-والزنك المنخفض-توصل الحرارة بشكل أفضل. تبلغ نسبة النحاس الأحمر C23000 بنسبة 85% من النحاس حوالي 159 وات/(م·ك)، وهي أفضل بشكل ملحوظ من خرطوشة النحاس 70/30 عند حوالي 121 وات/(م·ك).
س: هل يقلل الزنك من التوصيل الحراري في النحاس؟
نعم. يؤدي الزنك المذاب في الشبكة النحاسية إلى تشتيت إلكترونات التوصيل، لذا فإن كل نسبة مئوية مضافة من الزنك تقلل من التوصيل الحراري وكذلك التوصيل الكهربائي.
س: كيف يقارن النحاس مع النحاس لنقل الحرارة؟
يعتبر النحاس ETP الذي تبلغ قوته حوالي 388 وات/(م·ك) أكثر موصلية بمقدار ثلاثة أضعاف من نحاس الخرطوشة. ومع ذلك، يُفضل استخدام النحاس في العديد من المكونات لأنه أقوى، وآلات أفضل، وتكلفة أقل، وهو ما يهم غالبًا أكثر من فرق التوصيل.
س: كيف يمكنني تحويل وحدات الموصلية الإمبراطورية إلى W/(m·K)؟
اضرب القيمة بوحدة Btu·ft/(ft²·h·degree F) في 1.7307 للحصول على W/(m·K). الفحص بسيط: 121 وات/(م·ك) هو نفس حوالي 70 وحدة حرارية بريطانية · قدم/(قدم²·ح· درجة فهرنهايت)، وهو الرقم المقتبس عادةً لخرطوشة نحاسية 70/30.
س: هل تتأثر الموصلية الحرارية للنحاس بالعمل البارد؟
قليلا فقط. يؤدي الاختزال البارد إلى زيادة القوة والمقاومة الكهربائية ولكنه يغير التوصيل الحراري بمقدار صغير عند مستويات المزاج التجاري، لذلك يتم استخدام القيمة الملدنة عادةً في حسابات التصميم.
