Коэффициент теплопроводимости и теплопередачи стали, сплавов

Теплопроводность представляет собой физическую величину, которая описывает способность материалов проводить тепло. Другими словами, теплопроводимость представляет собой способность субстанций передавать кинетическую энергию атомов и молекул иным веществам, находящиеся в конкретном 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 теплопроводимости

Она является интенсивной физической величиной, другими словами величиной, которая обрисовывает свойство материи, не зависящей от количества крайней. Интенсивными величинами также являются температура, давление, электропроводность, другими словами эти свойства схожи в хоть какой точке 1-го и такого же вещества. Иной группой физических величин являются экстенсивные, которые определяются количеством вещества, к примеру, масса, размер, энергия и остальные.

Обратной величиной для теплопроводимости является теплосопротивляемость, которая отражает способность материала препятствовать переносу проходящего через него тепла. Для изотропного материала, другими словами материала, характеристики которого схожи во всех пространственных направлениях, теплопроводимость является скалярной величиной и определяется, как отношение потока тепла через единичную площадь за единицу времени к градиенту температуры. Так, теплопроводимость, равная одному ватту на метр-Кельвин, значит, что термическая энергия в один Джоуль переносится через материал:

• за 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 теплопроводимости, тем лучше материал проводит тепло, и напротив. К примеру, значение данной величины для меди равно 380 Вт/(м*К), и этот сплав в 10 000 раз лучше переносит тепло, чем полиуретан, теплопроводимость которого составляет 0,035 Вт/(м*К).

Перенос тепла на молекулярном уровне

Когда материя греется, возрастает средняя кинетическая энергия составляющих ее частиц, другими словами возрастает уровень кавардака, атомы и молекулы начинают наиболее активно и с большей амплитудой колебаться около собственных сбалансированных положений в материале. Перенос тепла, который на макроскопическом уровне можно обрисовать законом Фурье, на молекулярном уровне представляет собой обмен кинетической энергией меж частичками (атомами и молекулами) вещества, без переноса крайнего.

Это разъяснение механизма теплопроводимости на молекулярном уровне различает его от механизма тепловой конвекции, при котором имеет пространство перенос тепла за счет переноса вещества. Все твердые тела владеют способностью к теплопроводимости, в то время как термическая конвекция вероятна лишь в жидкостях и газах. Вправду, твердые вещества переносят тепло в главном за счет теплопроводимости, а воды и газы, если есть температурные градиенты в их, переносят тепло в главном за счет действий конвекции.

Теплопроводность материалов

Ярко выраженной способностью проводить тепло владеют сплавы. Для полимеров характерна низкая теплопроводимость, а некие из их фактически не проводят тепло, к примеру, стекловолокно, такие материалы именуются теплоизоляторами. Чтоб существовал тот либо другой поток тепла через место, нужно наличие некой субстанции в этом пространстве, потому в открытом мироздании (пустое место) теплопроводимость равна нулю.

Любой гомогенный (однородный) материал характеризуется коэффициентом теплопроводимости (обозначается греческой буковкой лямбда), другими словами величиной, которая описывает, сколько тепла необходимо передать через площадь 1 м², чтоб за секунду, пройдя через толщу материала в один метр, температура на его концах поменялась на 1 К. Это свойство присуще любому материалу и меняется зависимо от его температуры, потому этот коэффициент определяют, обычно, при комнатной температуре (300 К) для сопоставления свойства различных веществ.

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

В таблице ниже приведены коэффициенты теплопроводимости неких 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 последующей таблице приведены данные для неметаллических жестких 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 теплопроводимость металлов намного превосходит таковую для неметаллов. Исключение составляет алмаз, который владеет коэффициентом теплопередачи в 5 раз больше, чем медь. Это свойство алмаза соединено с сильными ковалентными связями меж атомами углерода, которые образуют его кристаллическую сетку. Конкретно благодаря этому свойству человек ощущает холод при прикосновении к алмазу губками. Свойство алмаза отлично переносить термическую энергию употребляется в микроэлектронике для отвода тепла из микросхем. Также это свойство употребляется в особых устройствах, позволяющих отличить реальный алмаз от подделки.

В неких промышленных действиях стараются прирастить способность передачи тепла, чего же добиваются или за счет добротных проводников, или за счет роста площади контакта меж составляющими конструкции. Примерами таковых конструкций являются теплообменники и рассеиватели тепла. В остальных же вариантах, напротив, стараются уменьшить теплопроводимость, чего же добиваются за счет использования теплоизоляторов, пустот в системах и понижения площади контакта частей.

Коэффициенты теплопередачи сталей

Способность передавать тепло для сталей зависит от 2-ух основных причин: состава и температуры.

Обыкновенные углеродные стали при увеличении содержания углерода понижают собственный удельный вес, в согласовании с которым также миниатюризируется 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 собственном составе хром (10% и больше), которые вкупе с углеродом образует сложные карбиды, препятствующие окислению материала, также увеличивает электродный потенциал сплава. Теплопроводность нержавейки невелика в сопоставлении с иными сталями и колеблется от 15 до 30 Вт/(м*К) зависимо от ее состава. Жаропрочные хромоникелевые стали владеют еще наиболее низкими значениями этого коэффициента (11—19 Вт/(м*К).

Иным классом являются покрытые цинком стали с удельным весом 7 850 кг/м3, которые получают методом нанесения покрытий на сталь, состоящих из железа и цинка. Потому что цинк легче проводит тепло, чем железо, то и теплопроводимость покрытой цинком стали будет относительно высочайшей в сопоставлении с иными классами стали. Она колеблется от 47 до 58 Вт/(м*К).

Теплопроводность стали при разных температурах, обычно, не меняется очень. К примеру, коэффициент теплопроводимости стали 20 при увеличении температуры от комнатной до 1200 °C понижается от 86 до 30 Вт/(м*К), а для марки стали 08Х13 повышение температуры от 100 до 900 °C не изменяет ее коэффициент теплопроводимости (27—28 Вт/(м*К).

Причины, действующие на физическую величину

Способность проводить тепло зависит от ряда причин, включая температуру, структуру и электронные характеристики вещества.

Температура материала

Воздействие температуры на способность проводить тепло различается для металлов и неметаллов. В сплавах проводимость основным образом связана со вольными электронами. Согласно закону Видемана—Франца теплопроводимость сплава пропорциональна произведению абсолютной температуры, выраженной в Кельвинах, на его электропроводность. В незапятнанных сплавах с повышением температуры миниатюризируется электропроводность, потому теплопроводимость остается примерно неизменной величиной. В случае сплавов электропроводность не много меняется с ростом температуры, потому теплопроводимость сплавов вырастает пропорционально температуре.

С иной стороны, передача тепла в неметаллах основным образом связана с колебаниями сетки и обмене сеточными фононами. Кроме кристаллов высочайшего свойства и низких температур, путь пробега фононов в сетке существенно не миниатюризируется при больших температурах, потому и теплопроводимость остается неизменной величиной во всем температурном спектре, другими словами является незначимой. При температурах ниже температуры Дебая способность неметаллов проводить тепло, вместе с их теплоемкостью, существенно миниатюризируется.

Фазовые переходы и структура

Когда материал испытывает фазовый переход первого рода, к примеру, из твердого состояния в жидкое либо из водянистого в газ, то его теплопроводимость может поменяться. Броским примером такового конфигурации является разница данной физической величины для льда (2,18 Вт/(м*К) и воды (0,90 Вт/(м*К).

Конфигурации кристаллической структуры материалов также влияют на теплопроводимость, что разъясняется анизотропными качествами разных аллотропных модификаций вещества 1-го и такого же состава. Анизотропия влияет на различную интенсивность рассеивания сеточных фононов, главных переносчиков тепла в неметаллах, и в разных направлениях в кристалле. Тут броским примером является сапфир, проводимость которого меняется от 32 до 35 Вт/(м*К) зависимо от направления.

Электронная проводимость

Теплопроводность в сплавах меняется вкупе с электропроводностью согласно закону Видемана—Франца. Это соединено с тем, что валентные электроны, свободно перемещаясь по кристаллической сетке сплава, переносят не только лишь электронную, да и термическую энергию. Для остальных материалов корреляция меж этими типами проводимости не является ярко выраженной, ввиду незначимого вклада электрической составляющей в теплопроводимость (в неметаллах главную роль в механизме передачи тепла играют решеточные фононы).

Процесс конвекции

Воздух и остальные газы являются, обычно, неплохими теплоизоляторами при отсутствии процесса конвекции. На этом принципе базирована работа почти всех теплоизолирующих материалов, содержащих огромное количество маленьких пустот и пор. Таковая структура не дозволяет конвекции распространяться на огромные расстояния. Примерами таковых материалов, приобретенных человеком, являются полистирен и силицидный аэрогель. В природе на том же принципе работают такие теплоизоляторы, как шкура звериных и оперение птиц.

Легкие газы, к примеру, водород и гель, имеют высочайшие значения теплопроводимости, а томные газы, к примеру, аргон, ксенон и радон, являются нехорошими проводниками тепла. К примеру, аргон, инертный газ, который тяжелее воздуха, нередко употребляется в качестве теплоизолирующего газового наполнителя в двойных окнах и в электронных лампочках. Исключением является гексафторид серы (элегаз), который является томным газом и владеет относительно высочайшей теплопроводимостью, ввиду его большенный теплоемкости.

Пищевая нержавеющая сталь: марка и индивидуальности внедрения

Пищевая нержавейка, как сокращенно именуют нержавеющую сталь, применяемую для производства изделий, которые в процессе собственной эксплуатации контактируют с пищевыми продуктами и жидкостями, является материалом с особенным хим составом. Характеристики этого сплава, представленного разными марками, определяют довольно широкую сферу его внедрения.

Лист нержавеющий марки 08Х18Н10(AISI 304) шлифованный в пленке

Сферы внедрения

К материалам производства разных изделий, тары, емкостей, трубопроводов и оборудования, которые употребляются в пищевой индустрии, предъявляются в особенности высочайшие требования. Разъясняется это тем, что такие материалы в процессе использования не только лишь повсевременно контактируют с водянистыми и мокроватыми средами, да и подвергаются действию больших температур, также химически брутальных веществ.

Условия, в каких хранятся, транспортируются и перерабатываются пищевые продукты, не постоянно способна выдержать рядовая нержавейка, невзирая на то, что различается высочайшей устойчивостью к коррозии. Конкретно потому спецы разработали особые нержавеющие стали, относящиеся к группы пищевых.

Производители товаров питания употребляют нержавеющие трубы, которые соединяются соответственной арматурой, отвечающей требованиям эталона DIN 11850

Пищевую нержавейку различает целый ряд плюсов, посреди которых стоит выделить последующие:

• соответствие серьезным гигиеническим и токсикологическим требованиям;
• эстетически симпатичный наружный вид;
• легкость в обслуживании;
• экологическая сохранность;
• крепкость и износостойкость;
• исключительная устойчивость к действию брутальных сред различного типа;
• соответствие требованиям по нормам растворения томных металлов в рабочей среде.

Не только лишь спец, да и неважно какая хозяйка понимает, что более комфортными в уходе и прекрасными являются те кастрюли и столовые приборы, которые сделаны из нержавейки. Не считая того, из листов данного сплава делают противни для духовых шифанеров, корпуса кухонных плит, холодильников и иной бытовой техники. В крайнее время сфера внедрения пищевой нержавеющей стали повсевременно расширяется.

На хоть какой кухне пищевая нержавейка находится в обилии: от столовых устройств до отделки фасадов мебели

Нержавейка является фактически неподменным материалом, применяемым для производства различного оборудования и частей оснащения компаний, имеющих дело с созданием, переработкой и хранением пищевых товаров и жидкостей. А именно, из данного сплава создают емкости различного размера, трубы, лотки, элементы технических устройств, на которых делают измельчение пищевых товаров, их смешивание, сортировку и термическую обработку.

Отличия от обыкновенной нержавеющей стали

К сталям нержавеющей группы относятся сплавы, в хим составе которых содержится существенное количество (до 27%) хрома. Этот элемент содействует формированию окисной пленки, которая обеспечивает нержавейке высшую коррозионную устойчивость.

Разновидности нержавеющих сталей относительно содержания в их хрома

Чтоб наделить нержавеющую сталь требуемыми эксплуатационными чертами, в ее состав, не считая хрома, вводят и остальные хим элементы – никель, молибден, титан и др. Так, если изделия из нержавейки, в составе которой содержится 13–17% хрома, могут удачно эксплуатироваться лишь в слабоагрессивных средах, то железные сплавы с завышенным содержанием данного элемента (выше 17%), также с никелем и молибденом уже способны противостоять действию смесей солей и даже наиболее брутальных сред.

На теоретическом уровне любые марки нержавеющих сталей можно применять для производства изделий, контактирующих с пищевыми продуктами либо жидкостями. Коррозионная устойчивость таковых изделий, из каких бы марок нержавейки они ни были произведены, зависит не только лишь от хим состава материала производства, да и от критерий эксплуатации.

Как создание, так и процесс хранения и транспортировки пищевых товаров соединены с критериями, при которых материалы, контактирующие с таковыми продуктами, подвергаются неизменному действию брутальных сред. Зависимо от типа и продолжительности действия крайних к группы пищевых относят разные марки нержавейки. Так, если емкость, трубопровод либо элементы оборудования находятся в контакте с пищевыми продуктами весьма недолговременное время, то для их производства можно применять и техно нержавейку. Совершенно по другому обстоит вопросец с выбором стали для производства изделий различного предназначения, которые будут находиться в неизменном контакте с пищевыми продуктами и жидкостями. Для таковых целей следует применять совсем остальные марки нержавейки. Разумеется, что к группы пищевых могут относиться различные марки нержавеющих железных сплавов.

Более пользующиеся популярностью марки

Выбирая марку нержавейки для производства определенного изделия, спецы сначала оценивают, как длительно его поверхность будет находиться в контакте с пищевыми продуктами либо жидкостями. Таковым образом, для производства применяемых в пищевой индустрии изделий, которые в процессе собственной эксплуатации будут повсевременно контактировать с жесткими продуктами либо жидкостями, нужно выбирать марки железных сплавов с наибольшей устойчивостью к коррозии. В то же время предметы, которые контактируют с пищевыми продуктами достаточно недолговременное время (к примеру, столовые приборы), можно создавать из нержавейки, наименее устойчивой к действию брутальных сред.

Международные эталоны пищевых сталей

Одним из более всераспространенных нержавеющих железных сплавов, применяемых в современной пищевой индустрии, является сталь 08Х18Н10 (по шифровке AISI-304). Этот материал различается низкой стоимостью и может удачно употребляться для производства изделий, которые в процессе собственной эксплуатации не будут контактировать с смесями, содержащими каустическую соду и сульфаминовые кислоты. Высшую популярность железного сплава данной марки, интенсивно используемого в пищевой индустрии, обеспечивают такие свойства, как:

• высочайшая крепкость, демонстрируемая при незначимой температуре нагрева;
• возможность выполнения таковой технологической операции, как электронная полировка;
• не плохая свариваемость;
• высочайшая устойчивость к такому явлению, как межкристаллитная коррозия.

Технические характеристики стали 08Х18Н10

Очередной пользующейся популярностью маркой нержавейки, которая интенсивно применяется, а именно, для производства столовых устройств и кухонной посуды, является сталь 08Х13 (в интернациональной систематизации – AISI 409). Изделия конкретно из данной стали, отличающейся высочайшей степенью адаптации к условиям эксплуатации, окружают нас на наших кухнях.

Для производства как бытовых, так и производственных моек, также посуды и особых емкостей для термический и гигиенической обработки пищевых товаров употребляется нержавейка марок 20Х13–40Х13 (AISI 420). Вместе с высочайшими показателями износостойкости и пластичности, стали данных марок непревзойденно противостоят даже высокотемпературной коррозии.

Отраслью пищевой индустрии, для обслуживания которой нужны материалы с особенными качествами и в особенности высочайшей коррозионной устойчивостью, является виноделие, спиртовое создание, также сфера, сплетенная с переработкой отходов таковых производств. Маркой нержавеющей стали, изделия из которой непревзойденно показывают себя в схожих критериях, является 12Х13 (AISI 410).

Технические характеристики стали 12Х13

Из таковой стали, которую различают исключительная коррозионная устойчивость, высочайшая жаропрочность в критериях действия слабоагрессивных сред, также завышенная ударная вязкость, изготавливают различную арматуру и элементы коммуникаций пищевых производств, баки и емкости другого типа, где долгое время хранятся водянистые брутальные среды.

Для производства посуды и производственных емкостей, в каких пищевые продукты и воды должны подвергаться тепловой обработке, используют нержавеющий металлической сплав марки 08Х17 (AISI 430). К отличительным особенностям такового сплава следует отнести:

• высшую коррозионную устойчивость при содействии со средами, содержащими в собственном хим составе серу;
• среднее сочетание высочайшей прочности и пластичности;
• высшую теплопроводимость;
• достойные механические свойства.

Из нержавеющего сплава 08Х17 изготавливают различные ёмкости для хранения и переработки пищевых жидкостей

К числу всепригодных железных сплавов нержавеющей группы, из которых создают разные сантехнические устройства, стиральные машинки, холодильники и остальные изделия, относится сталь марки 08Х17Т (AISI 439). Благодаря своим чертам нержавейка данной марки быть может удачно применена для производства изделий различного предназначения, эксплуатируемых в критериях завышенной влажности и неизменного действия брутальных сред.

Все нержавеющие железные сплавы, о которых говорилось выше, интенсивно употребляются для производства изделий, созданных для:

Физические свойства нержавеющей стали

Технические и физические характеристики нержавеющей стали

К самым нужным материалам XXI века относится нержавеющая сталь. Высочайший спрос на эту разновидность железного сплава объясним её высочайшей прочностью, обширностью сфер внедрения и сравнимо низкой ценой. Значительную роль сыграла низкая теплопроводимость и маленькой удельный вес. Нержавеющей стали не жутка коррозия, отмечено её хорошее сопротивление неблагоприятным наружным факторам. Сварка сплава не занимает много времени, швы получаются надёжными и крепкими. Но нержавейка бывает разной, потому при оценке плюсов и выделении параметров необходимо учесть категорию материала.

Разновидности сплавов

Нержавеющую сталь по микроструктуре систематизируют на 5 групп. Согласно этому разделению, выделяют последующие сплавы:

• • дуплексные;
  • ферритные;
  • жаропрочные;
  • аустенитные;
  • мартенситные.

  Более нередко употребляют аустенитные нержавеющие сплавы. Устойчивость к окислению, показательные эксплуатационные и технические свойства – разъяснение их популярности. Отмечают также:

  • неплохую пластичность и вязкость;
  • устойчивость к действию брутальных хим соединений;
  • маленькой коэффициент текучести, относительно невысокую электронную проводимость.

  В аустенитных сплавах содержится около 23% хрома, от 10 до 20% никеля.

  Жаропрочные и дуплексные сплавы – пригодная база для производства продукции пищевой и хим индустрии. Малая проницаемость, высокая крепкость и устойчивость к коррозии, химреактивам, температурным перепадам – их главные достоинства.

  Ферритной нержавейке присущи последующие свойства:

  • малый предел текучести;
  • относительно высочайшая магнитная проницаемость;
  • устойчивость к коррозии даже при стойком действии больших температур.

  Она содержит не наиболее 17% хрома, отлично выдерживает брутальные действия. Магнитная проницаемость мартенситной стали ниже, её употребляют пореже прошлых разновидностей.

  Технические характеристики сплавов

  Удельный вес и остальные свойства зависят от типа нержавеющей стали. У жаропрочных и аустенитных сплавов он равен 7,95 г/см 3 , у остальных – 7,7. Предел прочности нержавейки зависит от марки. Во время покупки эту информацию лучше уточнять у торговца. Крепкость сплавов аустенитной группы равна 500–690 Н/мм кв., ферритной – иногда добивается 900. Коэффициент электросопротивления стали варьируется в границах 0,72–0,9. Кроме ферритной группы (0,6).

  Коэффициент твёрдости определяют по шкале Роквелла либо Бринелля. Согласно первой из их характеристики аустенитных и жаростойких сплавов равны 70–88 единицам, а ферритных – 75–88. Коэффициент твёрдости нержавейки по шкале Бринелля представлен в таблице.

  Аустенитные

  Жаропрочные

  Остальные свойства нержавейки:

  1. Ударная вязкость – 120–160 Дж/см кв. (ферритные – до 50).
  2. Предел текучести большинства разновидностей стали – 205 МПа.
  3. Температурные характеристики, при которых возникают окалины – 840–1120 °С.
  4. Предел упругости – 195–400 Н/мм кв.

  Относительная магнитная проницаемость ферритных нержавеющих сплавов равна 1000–1800 единицам.

  Во время покупки сплава также недозволено оставлять без внимания характеристики теплопроводимости. В свойстве пропускания термический энергии часто нет необходимости. Теплопроводность стали низкая по сопоставлению с иными сплавами. Она варьируется в границах 16–20 Вт/(м·К). А вот теплопроводимость меди выше на 380 Вт/(м·К), алюминия – на 180.

  Свойства свариваемости

  Соединительные швы меж элементами из нержавеющей стали получаются надёжными и крепкими, если изготовлены согласно последующим методикам сварки:

  • дуговой ручной;
  • автоматической;
  • аргонодуговой, средством ТИГ-электродов.

  К сиим техникам прибегают бывалые мастера во время сварки листов нержавеющей стали. Более беспроблемны в работе сплавы аустенитных марок, швы получаются высококачественными. А соединения деталей из ферритной стали не различаются надёжностью.

  Принципиально! При работе с материалом принципиально учесть все тонкости его обработки. Для всякого сплава они свои. Постоянно необходимо за ранее подогревать нержавейку, а опосля этого – соединять.