الوصل الحراري يصف مدى قدرة المادة على نقل الحرارة عن طريق التوصيل. رمزه المعتاد هو k, ووحدته في النظام الدولي هي W/(م·ك). قيمة أعلى تعني مرور المزيد من الحرارة عبر نفس هندسة المادة تحت نفس فرق درجة الحرارة. لا يخبرك، بمفرده، عن خرج الحرارة أو قدرة التبريد لملف نهائي.
عند مقارنة أنابيب النحاس، زعانف الألمنيوم أو تركيبات الملفات البديلة، انظر أبعد من ورقة بيانات المادة. قد لا يحدث فرق كبير إذا كانت تدفق الهواء أو اتصال ضعيف يحد من التجميع. تبدأ هذه الدليل بالخاصية ووحداتها، ثم يتبع مسار الحرارة لاتخاذ القرارات التي يحتاجها المشتري من الشركات المصنعة الأصلية.
انتقل إلى الجزء الذي تحتاجه:
ماذا يقيس التوصيل الحراري؟
يربط التوصيل تدرج درجة الحرارة داخل المادة بانتقال الحرارة عبرها. فكر في جدار أنبوب يفصل بين سائل دافئ وسطح أبرد: المعدن لديه توصيل، والجدار له أبعاد، والتجميع له ظروف تشغيل. كل واحد يصف جزءًا مختلفًا من المشكلة.
يمكن أن يحدث التوصيل في المواد الصلبة، السوائل والغازات. في ملف، يمر أيضًا الحرارة عبر طبقات حدود السوائل المتحركة، لذلك لا يمكن لمزية المعدن أن تصف التبادل بأكمله. يوضح OpenStax علاقة التوصيل باستخدام توصيل المادة، والهندسة، وفارق درجة الحرارة عبر الطبقة الموصلة.
التوصيل العالي مفيد عندما تريد انتشار الحرارة عبر جدار الأنبوب أو على طول الزعنفة. التوصيل المنخفض مفيد عندما تريد العزل لمقاومة تلك الحركة. لا يعتبر أي منهما مقياسًا عالميًا لجودة المنتج. اختر وفقًا لمسار الحرارة المقصود والمتطلبات الأخرى التي يجب أن تلبيها القطعة.
تصور مفهوم التوصيل. تشرح الصور الفنية في هذا الدليل مسارات الحرارة وأسئلة المواصفات؛ فهي ليست صورًا لمرافق شركة Domi أو سجلات اختبار المختبر.
ما هي وحدات التوصيل الحراري التي يجب أن يستخدمها الرسم؟
استخدم W/(م·ك) واحتفظ بالمقام مجمّعًا. الوات يصف معدل انتقال الحرارة، والمتر يأخذ في الاعتبار علاقة مسار المادة والمساحة، والكلفن يصف فرق درجة الحرارة. التوصيل يختلف عن معامل انتقال الحرارة في W/(م²·ك).
لفارق درجة الحرارة، الكلفن الواحد له نفس الحجم كدرجة مئوية واحدة. لذلك، فإن التوصيل المقتبس بوحدة W/(م·°م) له نفس القيمة الرقمية كما هو في W/(م·ك). هذا لا يجعل درجات الحرارة المطلقة بالكلفن ودرجة مئوية قابلة للتبادل. ال دليل SI من NIST يوفر تعريفات الوحدات ذات الصلة واتفاقية فاصل درجات الحرارة.
البيانات الإمبراطورية تحتاج إلى نظرة أقرب. باستخدام اتفاقية وحدة الحرارة الدولية Btu:
- 1 وحدة حرارية بريطانية/(ساعة·قدم·°ف) تقريبًا تساوي 1.7307 واط/(م·ك).
- 1 وحدة حرارية بريطانية·بوصة/(ساعة·قدم²·°ف) تقريبًا تساوي 0.14423 واط/(م·ك).
تختلف تلك العوامل بمقدار 12. التعبير المستند إلى البوصة يتضمن السماكة في البسط؛ وهو ليس نفس التدوين كما هو في التعبير المستند إلى القدم. قبل استيراد رقم المورد، انسخ الوحدة الكاملة، حدد اتفاقية Btu إذا كانت الدقة مهمة، وحول مرة واحدة في حساب مضبوط. رقم بسيط مثل “200” ليس مواصفة كافية للخصائص.
كيف تحسب التوصيل عبر جدار؟
للتدفق الحراري الثابت، الأحادي الأبعاد عبر طبقة مسطحة ذات توصيل ثابت، يكون المقدار:
Q̇ = k × A × ΔT / t
هنا، Q̇ هو معدل الحرارة بوحدة واط، A هو المساحة العمودية على التدفق بالمتر المربع، ΔT هو فرق درجة الحرارة عبر الطبقة بالكلفن، و t هو السماكة بالمتر. تدفق الحرارة، Q̇/A، له وحدات واط/م². العلامة السالبة في الشكل الاتجاهي لقانون فورير تشير إلى أن الحرارة تتجه نحو درجات حرارة أدنى؛ التعبير أعلاه يستخدم المقادير الموجبة.
كمحاكاة بسيطة، افترض أن k = 200 واط/(م·ك)، A = 0.01 م²، t = 0.002 م وفارق درجة حرارة 1 كلفن عبر الصلب. النتيجة هي 1000 واط. هذه حساب طبقة افتراضية، وليست تصنيف سعة ملف: تفترض أن درجات الحرارة المذكورة موجودة بالفعل على وجهي الصلب.
أنبوب دائري يتطلب شكله الأسطواني عندما يكون مقاومة الجدار مهمة. لمقاومة أسطوانية موحدة، المقاومة هي ln(rₒ/rᵢ)/(2πkL)، باستخدام نصف القطر الخارجي، والنصف الداخلي وطول الأنبوب. يحتاج تقريب الجدار المسطح إلى تبرير للهندسة. كما أن الزعنفة لها تباين في درجة الحرارة على طولها. لا ينبغي تقليل أي منهما إلى “التوصيل مضروبًا في مساحة الملف الكلية”.”
التوصيل الحراري مقابل معامل انتقال الحرارة
k هو خاصية المادة؛ h يصف سطحًا يتبادل الحرارة مع سائل؛ U يصف مسار انتقال حرارة مشترك على أساس مساحة محددة. مقارنة القيم الرقمية لها لا معنى لها لأن تعريفاتها ووحداتها تختلف.
الموصلية الحرارية، G، هي كمية أخرى. للطبقة المسطحة أعلاه، G = kA/t بوحدة واط/كلفن. مقاومته هي 1/G بالكلفن/واط. يمكن لنفس المعدن أن يشكل جزأين بمقاومات مختلفة جدًا ببساطة لأن سمكها أو مساحتها تختلف.
تحقق من التدوين في كل وثيقة. يستخدم بعض المصنعين λ للموصلية و k لمعامل شامل. طريقة حساب ألفا لافال تستخدم هذا الاتفاق وتفصل بين مواد، وطبقة السطح، وعوامل التلوث. من السهل قراءة رمز بدون تعريفه ووحداته.
للحساب الأوسع للمجموعة، راجع دليلنا إلى معامل انتقال الحرارة، U و UA. حافظ على سؤال التصنيف هذا منفصلًا عن سؤال خصائص المادة المعالج هنا.
النحاس مقابل الألمنيوم: قارن الدرجات، وليس فقط أسماء المعادن
عادةً ما يوفر النحاس موصلية أعلى من سبائك الألمنيوم الشائعة، لكن “النحاس” ليس مواصفة واحدة. كيمياء السبيكة وحالتها مهمة. يجب ألا يصبح قيمة النحاس الكهربائي عالي الموصلية قيمة تصميمية لأنابيب التبريد المعقمة بشكل تلقائي.
المراجع الموردة التالية منشورة من قبل الموردين. فهي مفيدة لفهم المقاييس والاختلافات، وليس لشهادة دفعة مادة دومي أو ضمان أداء ملف النهائي.
مرجع المادة
الموصلية المنشورة، واط/(م·ك):
الأساس المنشور
كيفية استخدام القيمة
مرجع المادة: Cu-ETP / C11000، كيمبر
الموصلية المنشورة، واط/(م·ك): 385
الأساس المنشور: قيمة تقريبية، في الحالة اللينة، درجة حرارة الجو
كيفية استخدام القيمة: مرجع لهذا الدرجة والشرط المسماة؛ البيئة ليست درجة حرارة اختبار دقيقة
مرجع المادة: الفسفور المُزيل للأكسدة C12200، أسترال رايت
الموصلية المنشورة، واط/(م·ك): 293 إلى 364
الأساس المنشور: نطاق ورقة البيانات عند 20 درجة مئوية
كيفية استخدام القيمة: احتفظ بالنطاق حتى يتم الاتفاق على المادة المُوردة الفعلية والأساس التصميمي
مرجع المادة: الألمنيوم 3003، أسترال رايت
الموصلية المنشورة، واط/(م·ك): 193
الأساس المنشور: قيمة الخاصية الفيزيائية عند 25 درجة مئوية
كيفية استخدام القيمة: مرجع لـ 3003؛ لا تطبقه على جميع سبائك الألمنيوم أو التمريرات
المصادر هي بيانات KEMPER Cu-ETP, ورقة C12200 أسترال رايت و ورقة 3003 أسترال رايت. مؤهلاتهم جزء من المعلومات. على سبيل المثال، يوفر مرجع C12200 نطاقًا بدلاً من موصلية مضمونة واحدة.
للمشتريات، اختر سبيكة وشكل يمكنه تلبية متطلبات الضغط والصدأ والانضمام والتصنيع. ثم تحقق من موصليته على الأساس المتفق عليه. اختيار أكبر رقم خاصية فقط قد يترك القيود الأهم في التصنيع أو الخدمة بدون إجابة.
لماذا يهم درجة الحرارة والشرط المرجعي
قيمة درجة حرارة الغرفة هي نقطة مرجعية، وليست نموذجًا كاملًا لخاصية تعتمد على درجة الحرارة. إذا كان التصميم يمتد عبر نطاق كبير من درجات الحرارة، اسأل عما إذا كانت الموصلية المختارة تُقيم عند درجة حرارة جدار تمثيلية أو مأخوذة من منحنى خاصية مناسب. لا تُعطِ درجة حرارة مدخل الهواء للمعادن تلقائيًا.
سجل تسمية السبيكة، شكل المنتج والحالة المُوردة بجانب الرقم. إذا أعطت مصدر قيمة تقريبية للحالة اللينة، احتفظ بتلك الصفة. إذا كانت جدول يدرج عدة تمريرات في مكان آخر ولكنه لا يخصص موصليته لواحدة معينة، تجنب اختراع ذلك الاتصال.
ثلاثة تسميات تساعد أثناء المراجعة: المرجع المنشور, نتيجة العينة المقاسة و مدخلات التصميم. قد يكون لديهم قيم مختلفة لأسباب صحيحة. اطلب من المهندس توثيق كيف يدعم الأولان الثالث. يجب أن يكون لمدخلات التصميم الحذرة أساس محدد، بدلاً من الظهور كتعديل غير مفسر في جدول البيانات.
هل مضاعفة الموصلية تعني مضاعفة سعة الملف؟
لا. إنه ي halves مقاومة التوصيل لجدار غير متغير تحت فرضية الثابت-ك. يعتمد التغير في انتقال الحرارة الكلي على مدى مقاومة الجدار الأصلي.
اعتبر نموذج جدار مسطح توضيحي, باستخدام مساحة متساوية على كلا الجانبين، بدون تلوث أو مقاومة اتصال، جدار سمكه 0.5 مم، وفرض معاملات الفيلم h₁ = 1000 و h₂ = 50 واط/(م²·ك). حافظ على تلك المدخلات وفارق درجة حرارة السائل السائب ثابتًا. قارن بين الموصلية المفترضة 200 و 400 واط/(م·ك)؛ هذه مدخلات النموذج، وليست قياسات للدرجات أعلاه.
على أساس المساحة المتساوية:
1/م = 1/h₁ + t/k + 1/h₂
كمية النموذج
k = 200 واط/(م·ك)
k = 400 واط/(م·ك)
كمية النموذج: مقاومة الفيلم الأولى، م²·ك/واط
k = 200 واط/(م·ك): 0.001
k = 400 واط/(م·ك): 0.001
كمية النموذج: مقاومة الجدار، م²·ك/واط
k = 200 واط/(م·ك): 0.00000250
k = 400 واط/(م·ك): 0.00000125
كمية النموذج: مقاومة الفيلم الثانية، م²·ك/واط
k = 200 واط/(م·ك): 0.020
k = 400 واط/(م·ك): 0.020
كمية النموذج: معدل التوصيل الكلي U، واط/(م²·ك)، مقربًا
k = 200 واط/(م·ك): 47.613
k = 400 واط/(م·ك): 47.616
مضاعفة k تغير U فقط بحوالي 0.006% في هذا المثال الذي يركز على الفيلم عمدًا. عند تدفق حراري قدره 1000 واط/م²، يمثل الفيلم الثاني المفترض انخفاض درجة الحرارة بمقدار 20 ك، بينما يمثل الجدران الاثنين انخفاضًا بمقدار 0.0025 ك و 0.00125 ك على التوالي.
هذه ليست توقعًا لملف لولبي مزود بزعنفة حقيقية. مثل هذا الملف لديه مناطق داخلية وخارجية مختلفة، كفاءة الزعنفة، الاتصالات، الدوائر وحالات التشغيل. يضع المثال سؤال مراجعة: ما الحصة التي ستزيلها فعليًا المادة المقترحة من المقاومة الكلية؟ المورد الذي يدعي زيادة في السعة يجب أن يجيب على هذا السؤال باستخدام نموذج أو اختبار تحت ظروف مطابقة.
حيث تؤثر الموصلية في الأنابيب والزعانف
في أنبوب، تساهم الموصلية في انتقال الحرارة عبر الجدار. سمك الجدار يخدم أيضًا متطلبات الضغط والتصنيع، لذا تقليله لتحسين التوصيل ليس قرارًا حراريًا مستقلًا. تحقق من متطلبات تصميم الضغط وقيود التصنيع قبل تغيير الرسم.
في الزعنفة، يجب أن تنتشر الحرارة بعيدًا عن تماس الأنبوب إلى سطح أكبر. تؤثر الموصلية، سمك الزعنفة، المسافة من الأنبوب، وتبادل الهواء على جميعها توزيع درجة الحرارة. يمكن أن تكون الموصلية الأعلى مفيدة هنا حتى عندما يكون مصطلح عبر الجدار صغيرًا بالفعل. دليلنا ل كيفية عمل زعانف المبردات يغطي تلك الوظيفة السطحية بمزيد من التفصيل.
لا يمكن لقيمة المعدن الكلي الجيد أن تزيل المقاومة عند واجهة أنابيب الزعنفة السيئة. قم بتضمين فجوات الاتصال، والطلاءات، والترسيبات في المراجعة. تعتمد أهميتها على البناء وبيئة الخدمة؛ لا يمكن لمفهوم توضيحي أن يQuantifyها.
عند مقارنة المقترحات، اسأل عن المكان الذي يتوقع فيه كل تصميم أكبر انخفاض في درجة الحرارة. إذا كانت الإجابة هي تبادل الهواء، فابحث في تدفق الهواء وتصميم السطح قبل دفع ثمن سبيكة أنابيب مختلفة. إذا كانت الإجابة هي انتشار الزعنفة أو الواجهة، فافحص تلك الميزات مباشرة.
ما الأدلة التي يجب أن تدعم قيمة الموصلية؟
اسأل أولاً عما إذا كانت القيمة تأتي من كتيب أو ورقة بيانات المورد أو قياس المنتج المقدم. كل منها يمكن أن يكون مفيدًا، لكنها تدعم مطالب مختلفة. لا ينبغي تقديم قيمة ورقة البيانات العامة كنتيجة اختبار دفعة.
بالنسبة للقياس، اطلب الطريقة، تحديد العينة، ظروف درجة الحرارة، اتجاه تدفق الحرارة حيثما كان ذلك ذا صلة، ومعلومات عدم اليقين أو التكرار المبلغ عنها. يجب أن تكون أبعاد العينة وتحضيرها واضحة بما يكفي للحكم على ما إذا كانت النتيجة تمثل الجزء الذي يتم شراؤه. اسم طريقة الاختبار وحده لا يشرح كل ذلك.
احتفظ بأدلة الخصائص وأدلة التجميع في ملفات منفصلة. يصف تقرير الموصلية مادة أو عينة تحت ظروف اختبارها. يصف تقييم الملف أو اختبار النموذج الأولي تجميعًا تحت ظروف سائلة، هوائية وتركيبية محددة. لا يحل أحدهما محل الآخر. إذا كان قرار الشراء يعتمد على تحسين السعة المزعوم، فاطلب مقارنة التجميع المطابق بالإضافة إلى بيانات المادة.
مواصفة مادة يمكن أن تصمد أمام مراجعة المورد
طلب عرض السعر الذي يقول فقط “ملف نحاسي عالي الموصلية” يترك العديد من القرارات مفتوحة. أرسل رسمًا وورقة متطلبات قصيرة تحدد:
- المادة: تعيين السبيكة، مواصفة المنتج المعمول بها والبدائل المسموح بها.
- الحالة: التموج المطلوب أو الحالة الموردة، بما في ذلك أي قيود على التشكيل أو اللحام.
- الهندسة: أبعاد الأنبوب، سمك الجدار، أبعاد الزعانف والواجهات ذات الصلة بتدفق الحرارة.
- أساس الخاصية: مصدر التوصيل، الوحدة، درجة الحرارة المرجعية، وما إذا كانت القيمة نموذجية أو مقاسة أو إدخال تصميمي.
- الواجب: السوائل، ظروف التدفق، درجات الحرارة، الحمل الحراري المطلوب والانخفاض المسموح في الضغط.
- البيئة: المتكثف، الملوثات، التعرض للتنظيف ومسألة التآكل التي يجب حلها.
- البناء: طريقة الربط، اتصال الزعانف ومتطلبات الطلاء التي تؤثر على مسار الحرارة الكامل.
- دليل القبول: توثيق المادة وأي نموذج أولي متفق عليه أو مقارنة أداء التجميع أو التركيب.
إذا اقترح مورد استبدالًا، اطلب مراجعة رسم التغيير وأساس الخاصية معًا. ثم قم بمراجعة الأداء الحراري، والتوصيل، والضغط، وتداعيات التآكل قبل قبوله. الاحتفاظ بالرسم القديم مع اسم مادة جديد في بريد إلكتروني يصعب تدقيقه لاحقًا.
بالنسبة للمجمعات المعدنية المختلطة، استخدم مراجعة التآكل الجلفاني. التوصيل لا يثبت التوافق مع السوائل أو البيئة، ولا يمكن لقيمة k الأعلى أن تعوض عن مادة تفشل في الخدمة.
الأسئلة الشائعة
ما هو التوصيل الحراري للنحاس؟
استخدم الدرجة الدقيقة ودرجة الحرارة. تشير المراجع أعلاه إلى حوالي 385 واط/متر·ك عند درجة حرارة الغرفة للنحاس اللين Cu-ETP ونطاق من 293 إلى 364 واط/متر·ك لـ C12200 عند 20 درجة مئوية. هذه المراجع من الموردين ليست قيمة نحاس عالمية أو نتيجة دفعة مضمونة.
هل النحاس أكثر توصيلًا حراريًا من الألمنيوم؟
بالنسبة للمراجع المسماة أعلاه، تتجاوز قيم النحاس قيمة الألمنيوم 3003. هذا المقارنة تتعلق بخصائص المادة. لا يتفوق تجميع النحاس تلقائيًا على تجميع الألمنيوم بأبعاد مختلفة، وواجهات، وتدفق هواء، وظروف تشغيل.
ما الفرق بين التوصيل والتوصيلية؟
التوصيل هو عملية نقل الحرارة. التوصيلية هي خاصية مادة تُستخدم لحساب تلك العملية. السمك، المساحة، واختلاف درجة الحرارة ضرورية أيضًا لحساب معدل حرارة لطبقة موصلة بسيطة.
ما هي الموصلية الحرارية للفولاذ المقاوم للصدأ؟
لا توجد قيمة واحدة تغطي جميع أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ ودرجات الحرارة. حدد الدرجة، الحالة ونطاق درجة الحرارة التشغيلية، ثم احصل على مصدر خاصية مناسب. تسمية الفولاذ المقاوم للصدأ العامة غير كافية للمقارنة التصميمية مع سبيكة نحاس أو ألومنيوم معينة.
هل W/(م·ك) هي نفس W/(م²·ك)؟
لا. الأولى وحدة موصلية حرارية. الثانية تُستخدم عادةً لمعامل انتقال الحرارة السطحي أو الكلي. فهي تصف كميات مختلفة ولا يمكن مقارنتها بقيمها الرقمية فقط.
هل الموصلية الحرارية هي نفسها الانتشارية الحرارية؟
لا. الانتشارية الحرارية، α = k/(ρcₚ)، تشمل أيضًا الكثافة والسعة الحرارية النوعية. تساعد في وصف كيف تنتشر تغييرات درجة الحرارة عبر مادة مع مرور الوقت. الموصلية وحدها لا تصف استجابتها العابرة.
هل يمكن لطلاء أن يؤثر على جزء معدني عالي الموصلية؟
نعم. يضيف الطلاء طبقة أخرى بسمكها وخصائصها الخاصة، وقد يؤثر على سلوك السطح. قيّم دوره في مسار الحرارة الفعلي بجانب هدفه الوقائي. لا تُعطِ موصلية المعدن الأساسي للهيكل المطلي بالكامل.
هل يمكنني حساب سعة الملف من الموصلية فقط؟
لا. الموصلية توفر مدخل مادة واحد. كما يحتاج تقييم التجميع إلى الهندسة، سلوك الجانب السائل، تأثيرات الزعنفة والاتصال، ظروف التشغيل، وأساس حساب أو اختبار مناسب. اطلب سعة عند ظروفك المحددة بدلاً من استنتاجها من k.
راجع المادة ومسار الحرارة قبل اختيار الملف
استخدم الموصلية للتحقق من ادعاء المادة، ثم قيّم الهيكل الكامل. راجع الرسم مع السبيكة، السمك، الواجهات، والواجب التشغيلي معًا. إذا كانت أدلة الأداء لا تزال مفقودة، حدد ظروف المقارنة قبل مناقشة المكاسب المدعاة.
دومي القدرات الهندسية و تصنيع الملفات المخصصة الصفحات تصف خدمات التصميم والتصنيع ذات الصلة. أرسل رسمك الحالي، المادة البديلة المقترحة، درجات الحرارة التشغيلية، ومتطلبات الحمل الحراري. اطلب من الفريق تأكيد الجدوى، الافتراضات التي تتطلب مراجعة، والأدلة اللازمة لاتخاذ القرار التالي. يجب تأكيد توفر المادة، التحملات، ونطاق التحقق للمشروع المحدد.
