La conductividad térmica describe qué tan fácilmente un material transporta calor por conducción. Su símbolo habitual es k, y su unidad del SI es W/(m·K). Un valor más alto significa que pasa más calor a través de la misma geometría del material bajo la misma diferencia de temperatura. No indica, por sí mismo, la salida de calor o la capacidad de enfriamiento de una bobina terminada.
Al comparar tubo de cobre, aletas de aluminio o construcciones alternativas de bobinas, mira más allá de la hoja de datos del material. Una conductividad más alta puede hacer poca diferencia si el flujo de aire o una unión deficiente limitan el ensamblaje. Esta guía comienza con la propiedad y sus unidades, luego sigue el camino del calor hasta las decisiones que un comprador OEM necesita verificar.
Ve a la parte que necesitas:
¿Qué mide la conductividad térmica?
La conductividad conecta un gradiente de temperatura dentro de un material con el calor que fluye a través de él. Piensa en una pared de tubo que separa un fluido caliente de una superficie más fría: el metal tiene una conductividad, la pared tiene dimensiones y el conjunto tiene condiciones de operación. Cada uno describe una parte diferente del problema.
La conducción puede ocurrir en sólidos, líquidos y gases. En una bobina, el calor también atraviesa capas límite de fluidos en movimiento, por lo que una propiedad del metal no puede describir todo el intercambio. OpenStax explica la relación de conducción utilizando la conductividad del material, la geometría y la diferencia de temperatura a través de la capa conductora.
Una conductividad alta es útil cuando quieres que el calor se propague a través de una pared de tubo o a lo largo de una aleta. Una conductividad baja es útil cuando quieres que el aislamiento resista ese movimiento. Ninguna es una medida universal de la calidad del producto. Elige según el camino de calor previsto y los otros requisitos que la pieza debe cumplir.
Ilustración conceptual de la conducción. Los visuales técnicos en esta guía explican los caminos del calor y las cuestiones de especificación; no son fotografías de instalaciones o registros de pruebas de laboratorio.
¿Qué unidades de conductividad térmica debería usar un dibujo?
Utilice W/(m·K) y mantenga agrupado el denominador. El vatio describe la tasa de transferencia de calor, el metro tiene en cuenta la relación del camino y área del material, y el kelvin describe una diferencia de temperatura. La conductividad es diferente de un coeficiente de transferencia de calor en W/(m²·K).
Para una diferencia de temperatura, un kelvin tiene el mismo tamaño que un grado Celsius. Una conductividad citada en W/(m·°C) por lo tanto tiene el mismo valor numérico que una en W/(m·K). Esto no hace que las temperaturas absolutas en kelvin y Celsius sean intercambiables. La guía SI del NIST proporciona las definiciones de unidades relevantes y la convención de intervalos de temperatura.
Los datos imperiales necesitan una revisión más detallada. Usando la convención de la Tabla Internacional Btu:
- 1 Btu/(h·ft·°F) es aproximadamente 1.7307 W/(m·K).
- 1 Btu·pulg/(h·ft²·°F) es aproximadamente 0.14423 W/(m·K).
Esos factores difieren en 12. La expresión basada en pulgadas incluye el grosor en el numerador; no es la misma notación que la expresión basada en pies. Antes de importar un número de proveedor, copie la unidad completa, identifique la convención Btu si la precisión importa y convierta una vez en un cálculo controlado. Un número simple como “200” no es una especificación de propiedad adecuada.
¿Cómo se calcula la conducción a través de una pared?
Para un flujo de calor unidimensional y estable a través de una capa plana con conductividad constante, la magnitud es:
Q̇ = k × A × ΔT / t
Aquí, Q̇ es la tasa de calor en W, A es el área perpendicular al flujo en m², ΔT es la diferencia de temperatura a través de la capa en K, y t es el grosor en m. El flujo de calor, Q̇/A, tiene unidades W/m². El signo negativo en la forma direccional de la ley de Fourier indica que el calor viaja hacia temperaturas más bajas; la expresión anterior usa magnitudes positivas.
Como cálculo simple, suponga k = 200 W/(m·K), A = 0.01 m², t = 0.002 m y una diferencia de temperatura de 1 K a través del sólido. El resultado es 1,000 W. Esto es un cálculo hipotético de capa, no una clasificación de capacidad de bobina: asume que las temperaturas indicadas ya existen en las dos caras sólidas.
Un tubo redondo requiere su geometría cilíndrica cuando la resistencia de la pared es importante. Para una pared cilíndrica uniforme, la resistencia es ln(rₒ/rᵢ)/(2πkL), usando radio exterior, radio interior y longitud del tubo. Una aproximación de pared plana necesita justificación para la geometría. Una aleta también tiene variación de temperatura a lo largo de su longitud. Ninguna debe reducirse a “conductividad multiplicada por el área total de la bobina”.”
Conductividad térmica vs coeficiente de transferencia de calor
k es una propiedad del material; h describe una superficie que intercambia calor con un fluido; U describe una trayectoria combinada de transferencia de calor en base a un área especificada. Comparar sus valores numéricos carece de sentido porque sus definiciones y unidades difieren.
La conductancia térmica, G, es otra cantidad. Para la capa plana anterior, G = kA/t en W/K. Su resistencia es 1/G en K/W. El mismo metal puede formar dos partes con conductancias muy diferentes simplemente porque sus grosores o áreas difieren.
Verifique la notación en cada documento. Algunos fabricantes usan λ para conductividad y k para un coeficiente general. Método de cálculo de Alfa Laval utiliza esa convención y separa los términos de material, película superficial y ensuciamiento. Un símbolo sin su definición y unidades es fácil de malinterpretar.
Para el cálculo del ensamblaje más amplio, consulte nuestra guía sobre coeficiente de transferencia de calor, U y UA. Separe esa cuestión de la calificación de la resistencia, de la cuestión de las propiedades del material abordada aquí.
Cobre vs aluminio: compare grados, no solo nombres de metales
El cobre generalmente ofrece una conductividad más alta que las aleaciones comunes de bobinas de aluminio, pero “cobre” no es una especificación. La química y el estado de la aleación importan. Un valor para cobre eléctrico de alta conductividad no debe convertirse automáticamente en el valor de diseño para tubo de refrigeración desoxidado.
Las siguientes son referencias de proveedores publicadas. Son útiles para entender escalas y diferencias, no para certificar un lote de material Domi ni garantizar el rendimiento de una bobina terminada.
Referencia de material
Conductividad publicada, W/(m·K)
Base publicada
Cómo usar el valor
Referencia de material: Cu-ETP / C11000, KEMPER
Conductividad publicada, W/(m·K): 385
Base publicada: Valor aproximado, estado blando, temperatura ambiente
Cómo usar el valor: Referencia para este grado y condición nombrados; el ambiente no es una temperatura de prueba precisa
Referencia de material: C12200 de fósforo-desoxidado, Austral Wright
Conductividad publicada, W/(m·K): 293 a 364
Base publicada: Rango de la hoja de datos a 20°C
Cómo usar el valor: Mantenga el rango hasta que el material suministrado y la base de diseño sean acordados
Referencia de material: Aluminio 3003, Austral Wright
Conductividad publicada, W/(m·K): 193
Base publicada: Valor de propiedad física a 25°C
Cómo usar el valor: Referencia para 3003; no aplicarla a todas las aleaciones de aluminio o temple
Las fuentes son las Datos de KEMPER Cu-ETP, Hoja C12200 de Austral Wright y Hoja 3003 de Austral Wright. Sus calificaciones son parte de la información. La referencia C12200, por ejemplo, proporciona un rango en lugar de una conductividad garantizada única.
Para la adquisición, elija una aleación y forma que puedan cumplir con los requisitos de presión, corrosión, unión y fabricación. Luego verifique su conductividad en la base acordada. Elegir solo el número de propiedad más grande puede dejar sin responder las restricciones más importantes de fabricación o servicio.
Por qué importan la temperatura y condición de referencia
Un valor a temperatura ambiente es un punto de referencia, no un modelo completo de propiedades dependientes de la temperatura. Si el diseño abarca un rango sustancial de temperaturas, pregunte si la conductividad seleccionada se evalúa a una temperatura de pared representativa o se toma de una curva de propiedades adecuada. No asigne automáticamente la temperatura de entrada de aire al metal.
Registre la designación de la aleación, la forma del producto y la condición suministrada junto al número. Si una fuente da un valor aproximado en estado blando, mantenga esa calificación. Si una tabla lista varios temple en otro lugar pero no asigna su conductividad a uno en particular, evite inventar esa conexión.
Tres etiquetas ayudan durante la revisión: referencia publicada, resultado de la muestra medida y entrada de diseño. Pueden tener valores diferentes por razones válidas. Pida al ingeniero que documente cómo los dos primeros respaldan al tercero. Una entrada de diseño conservadora debe tener una base declarada, en lugar de aparecer como un ajuste sin explicación en una hoja de cálculo.
¿Doblar la conductividad duplica la capacidad de la bobina?
No. Reduce a la mitad la resistencia de conducción de una pared sin cambios bajo la suposición de k constante. El cambio en la transferencia total de calor depende de cuánto de la resistencia original pertenecía a esa pared.
Considera un modelo ilustrativo de pared plana, usando área igual en ambos lados, sin incrustaciones ni resistencia de contacto, una pared de 0.5 mm, y coeficientes de película asumidos h₁ = 1,000 y h₂ = 50 W/(m²·K). Mantén esas entradas y la diferencia de temperatura del fluido en masa fija. Compara conductividades asumidas de 200 y 400 W/(m·K); estos son datos del modelo, no mediciones de los grados anteriores.
Sobre esta base de área igual:
1/U = 1/h₁ + t/k + 1/h₂
Cantidad del modelo
k = 200 W/(m·K)
k = 400 W/(m·K)
Cantidad del modelo: Primera resistencia de película, m²·K/W
k = 200 W/(m·K): 0.001
k = 400 W/(m·K): 0.001
Cantidad del modelo: Resistencia de la pared, m²·K/W
k = 200 W/(m·K): 0.00000250
k = 400 W/(m·K): 0.00000125
Cantidad del modelo: Segunda resistencia de película, m²·K/W
k = 200 W/(m·K): 0.020
k = 400 W/(m·K): 0.020
Cantidad del modelo: U global, W/(m²·K), redondeado
k = 200 W/(m·K): 47.613
k = 400 W/(m·K): 47.616
Duplicar k cambia U solo en aproximadamente 0.006% en este ejemplo deliberadamente dominado por la película. A un flujo de calor de 1,000 W/m², la segunda película asumida representa 20 K de caída de temperatura, mientras que las dos paredes representan 0.0025 K y 0.00125 K respectivamente.
Esto no es una predicción para una bobina con aletas real. Tal bobina tiene áreas internas y externas diferentes, eficiencia de aletas, contactos, circuitos y estados de operación. El ejemplo establece una pregunta de revisión: ¿Qué porcentaje de la resistencia total eliminará realmente el cambio de material propuesto? Un proveedor que afirme una ganancia de capacidad debería responder esa pregunta con un modelo o prueba bajo condiciones similares.
Donde la conductividad importa en tubos y aletas
En un tubo, la conductividad contribuye al movimiento del calor a través de la pared. El grosor de la pared también cumple con requisitos de presión y fabricación, por lo que reducirlo para mejorar la conducción no es una decisión térmica independiente. Verifique las restricciones de presión de diseño y fabricación antes de modificar el dibujo.
En una aleta, el calor debe difundirse desde el contacto con el tubo hacia una superficie mayor. La conductividad, el grosor de la aleta, la distancia desde el tubo y el intercambio en el lado del aire afectan la distribución de temperatura. Una mayor conductividad puede ser útil incluso cuando el término a través de la pared ya es pequeño. Nuestra guía sobre cómo funcionan las aletas de radiador profundiza en esa función de área superficial.
Un buen valor de metal en masa tampoco puede eliminar la resistencia en una interfaz pobre entre la aleta y el tubo. Incluya en la revisión los espacios de contacto, recubrimientos y depósitos. Su importancia depende de la construcción y el entorno de servicio; una ilustración conceptual no puede cuantificarlos.
Al comparar propuestas, pregunte dónde espera cada diseño la mayor caída de temperatura. Si la respuesta es el intercambio en el lado del aire, investigue el flujo de aire y el diseño de la superficie antes de pagar por una aleación de tubo diferente. Si la respuesta es la dispersión de la aleta o una interfaz, inspeccione directamente esas características.
¿Qué evidencia debería respaldar un valor de conductividad?
Pregunte primero si el valor proviene de un manual, una hoja de datos del proveedor o una medición del producto suministrado. Cada uno puede ser útil, pero respaldan diferentes afirmaciones. Un valor general de una hoja de datos no debe presentarse como un resultado de prueba por lote.
Para una medición, solicite el método, identificación de la muestra, condiciones de temperatura, dirección del flujo de calor cuando sea relevante, y la incertidumbre o información de repetibilidad reportada. Las dimensiones y preparación de la muestra deben ser lo suficientemente claras para juzgar si el resultado representa la pieza que se compra. Solo el nombre del método de prueba no explica todo eso.
Mantenga la evidencia de propiedades y la evidencia de ensamblaje en archivos separados. Un informe de conductividad describe un material o muestra bajo sus condiciones de prueba. Una calificación de bobina o prueba de prototipo describe un ensamblaje bajo condiciones específicas de fluido, aire e instalación. Ninguno sustituye al otro. Si la decisión de compra depende de una mejora de capacidad afirmada, solicite la comparación del ensamblaje coincidente además de los datos del material.
Una especificación de material que pueda sobrevivir a la revisión del proveedor
Una solicitud de cotización que diga solo “bobina de cobre de alta conductividad” deja muchas decisiones abiertas. Envíe un dibujo y una hoja de requisitos breve que identifique:
- Material: designación de aleación, especificación del producto aplicable y alternativas permitidas.
- Condición: temple requerido o condición entregada, incluyendo cualquier restricción de conformado o unión.
- Geometría: dimensiones del tubo, grosor de la pared, dimensiones de las aletas y las interfaces relevantes para el flujo de calor.
- Base de propiedad: fuente de conductividad, unidad, temperatura de referencia y si el valor es típico, medido o una entrada de diseño.
- Deber: líquidos, condiciones de flujo, temperaturas, carga térmica requerida y caída de presión permitida.
- Entorno: condensado, contaminantes, exposición a limpieza y la cuestión de corrosión a resolver.
- Construcción: método de unión, contacto de las aletas y requisitos de recubrimiento que afectan toda la trayectoria de calor.
- Evidencia de aceptación: documentación del material y cualquier prototipo acordado o comparación de rendimiento de ensamblaje.
Si un proveedor propone una sustitución, solicite la revisión del dibujo modificado y la base de propiedad juntos. Luego revise las implicaciones térmicas, de unión, presión y corrosión antes de aceptarlo. Mantener el dibujo antiguo con un nuevo nombre de material en un correo electrónico es difícil de auditar posteriormente.
Para ensamblajes de metales mezclados, utilice una revisión separada de corrosión galvánica. La conductividad no establece compatibilidad con los líquidos o el entorno, y un valor más alto de k no puede compensar un material que falla en servicio.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la conductividad térmica del cobre?
Utilice la graduación y temperatura exactas. Las referencias anteriores dan aproximadamente 385 W/(m·K) para cobre suave Cu-ETP a temperatura ambiente y un rango de 293 a 364 W/(m·K) para C12200 a 20°C. Estas referencias del proveedor no son un valor universal del cobre ni un resultado garantizado por lote.
¿Es el cobre más conductivo térmicamente que el aluminio?
Para las referencias nombradas anteriormente, los valores de cobre superan el valor del aluminio 3003. Esa comparación concierne a la propiedad del material. Un ensamblaje de cobre no supera automáticamente a un ensamblaje de aluminio con diferentes dimensiones, interfaces, flujo de aire o condiciones de operación.
¿Cuál es la diferencia entre conducción y conductividad?
La conducción es el proceso de transferencia de calor. La conductividad es una propiedad del material utilizada para calcular ese proceso. También se necesitan grosor, área y diferencia de temperatura para calcular una tasa de calor para una capa conductora simple.
¿Cuál es la conductividad térmica del acero inoxidable?
No existe un valor único que cubra todos los aceros inoxidables y temperaturas. Especifique la aleación, condición y rango de temperatura de operación, luego obtenga una fuente de propiedades adecuada. Una etiqueta genérica de acero inoxidable no es suficiente para una comparación de diseño con una aleación de cobre o aluminio en particular.
¿W/(m·K) es lo mismo que W/(m²·K)?
No. La primera es una unidad de conductividad. La segunda se usa comúnmente para un coeficiente de transferencia de calor superficial o global. Describen cantidades diferentes y no se pueden comparar solo por sus valores numéricos.
¿La conductividad térmica es lo mismo que la difusividad térmica?
No. La difusividad térmica, α = k/(ρcₚ), también incluye densidad y capacidad calorífica específica. Ayuda a describir cómo las variaciones de temperatura se propagan a través de un material con el tiempo. La conductividad por sí sola no describe su respuesta transitoria.
¿Puede un recubrimiento afectar una pieza metálica altamente conductora?
Sí. Un recubrimiento añade otra capa con su propia espesor y propiedades, y puede afectar el comportamiento superficial. Evalúe su papel en la ruta de transferencia de calor real junto con su propósito protector. No asigne la conductividad del metal subyacente a toda la construcción recubierta.
¿Puedo calcular la capacidad de la bobina solo con la conductividad?
No. La conductividad proporciona una entrada de material. También se necesita la geometría, el comportamiento del lado del fluido, efectos de aletas y contacto, condiciones de operación y una base de cálculo o prueba adecuada. Solicite una capacidad en sus condiciones especificadas en lugar de inferirla solo por k.
Revise el material y la ruta de calor antes de elegir una bobina
Utilice la conductividad para verificar una afirmación de material, luego evalúe la construcción completa. Revise el dibujo con la aleación, el espesor, las interfaces y el uso operativo juntos. Si aún falta evidencia de rendimiento, defina las condiciones de comparación antes de discutir una ganancia reclamada.
La capacidades de ingeniería y servicio de fabricación de serpentines personalizados las páginas describen los servicios relevantes de diseño y fabricación. Envíe su dibujo actual, alternativa de material propuesta, temperaturas de operación y carga térmica requerida. Pida al equipo que confirme la viabilidad, las suposiciones que requieren revisión y la evidencia necesaria para la próxima decisión. La disponibilidad del material, las tolerancias y el alcance de validación deben confirmarse para el proyecto en particular.
