La conductivité thermique décrit la facilité avec laquelle un matériau conduit la chaleur par conduction. Son symbole habituel est k, et son unité SI est W/(m·K). Une valeur plus élevée signifie qu'une plus grande quantité de chaleur passe à travers la même géométrie de matériau sous la même différence de température. Elle ne vous indique pas, en soi, la puissance thermique ou la capacité de refroidissement d'une bobine finie.
Lors de la comparaison entre un tube en cuivre, des ailettes en aluminium ou d'autres constructions de bobines, regardez au-delà de la fiche technique du matériau. Une conductivité plus élevée peut avoir peu d'effet si le flux d'air ou une mauvaise jonction limite l'assemblage. Ce guide commence par la propriété et ses unités, puis suit le chemin de la chaleur jusqu'aux décisions qu'un acheteur OEM doit vérifier.
Passez à la partie dont vous avez besoin :
Que mesure la conductivité thermique ?
La conductivité relie un gradient de température à l'intérieur d'un matériau au flux de chaleur qui le traverse. Pensez à une paroi de tube séparant un fluide chaud d'une surface plus froide : le métal a une conductivité, la paroi a des dimensions, et l'ensemble a des conditions de fonctionnement. Chacun décrit une partie différente du problème.
La conduction peut se produire dans les solides, les liquides et les gaz. Dans une bobine, la chaleur traverse également des couches limites de fluides en mouvement, donc une propriété du métal ne peut pas décrire l'ensemble de l'échange. OpenStax explique la relation de conduction en utilisant la conductivité du matériau, la géométrie et la différence de température à travers la couche conductrice.
Une conductivité élevée est utile lorsque vous souhaitez que la chaleur se propage à travers une paroi de tube ou le long d'une aile. Une conductivité faible est utile lorsque vous souhaitez que l'isolation résiste à ce mouvement. Aucun des deux n'est une mesure universelle de la qualité du produit. Choisissez en fonction du chemin de chaleur prévu et des autres exigences que la pièce doit remplir.
Illustration du concept de conduction. Les visuels techniques de ce guide expliquent les chemins de chaleur et les questions de spécification ; ils ne sont pas des photographies des installations Domi ou des enregistrements de tests en laboratoire.
Quelles unités de conductivité thermique une esquisse doit-elle utiliser ?
Utilisez W/(m·K) et gardez le dénominateur groupé. Le watt décrit le taux de transfert de chaleur, le mètre prend en compte la relation entre le chemin du matériau et la surface, et le kelvin décrit une différence de température. La conductivité est différente d’un coefficient de transfert de chaleur en W/(m²·K).
Pour une différence de température, un kelvin a la même taille qu’un degré Celsius. Une conductivité indiquée en W/(m·°C) a donc la même valeur numérique que celle en W/(m·K). Cela ne rend pas interchangeables les températures absolues en kelvin et en Celsius. La guide SI du NIST fournit les définitions d’unités pertinentes et la convention d’intervalle de température.
Les données impériales nécessitent une analyse plus approfondie. En utilisant la convention du Tableau International Btu :
- 1 Btu/(h·ft·°F) est approximativement égal à 1,7307 W/(m·K).
- 1 Btu·in/(h·ft²·°F) est approximativement égal à 0,14423 W/(m·K).
Ces facteurs diffèrent de 12. L’expression basée sur le pouce inclut l’épaisseur au numérateur ; ce n’est pas la même notation que l’expression basée sur le pied. Avant d’importer un numéro fournisseur, copiez l’unité complète, identifiez la convention Btu si la précision est importante, et convertissez une seule fois dans un calcul contrôlé. Un nombre brut tel que “ 200 ” n’est pas une spécification de propriété adéquate.
Comment calcule-t-on la conduction à travers un mur ?
Pour un flux de chaleur stationnaire, unidimensionnel, à travers une couche plate avec une conductivité constante, la magnitude est :
Q̇ = k × A × ΔT / t
Ici, Q̇ est le taux de chaleur en W, A est la surface perpendiculaire au flux en m², ΔT est la différence de température à travers la couche en K, et t est l’épaisseur en m. Le flux de chaleur, Q̇/A, a pour unité W/m². Le signe négatif dans la forme directionnelle de la loi de Fourier indique que la chaleur se déplace vers une température plus basse ; l’expression ci-dessus utilise des magnitudes positives.
En calcul simple, supposez k = 200 W/(m·K), A = 0,01 m², t = 0,002 m et une différence de température de 1 K à travers le solide. Le résultat est de 1 000 W. Il s’agit d’un calcul hypothétique de couche, non d’une capacité de bobine : il suppose que les températures indiquées existent déjà aux deux faces solides.
Un tube rond nécessite sa géométrie cylindrique lorsque la résistance de la paroi est importante. Pour une paroi cylindrique uniforme, la résistance est ln(rₒ/rᵢ)/(2πkL), en utilisant le rayon extérieur, le rayon intérieur et la longueur du tube. Une approximation de paroi plate nécessite une justification pour la géométrie. Un aileron présente également une variation de température le long de sa longueur. Aucun ne doit être réduit à “ conductivité multipliée par la surface totale de la bobine ”.”
Conductivité thermique vs coefficient de transfert de chaleur
k est une propriété du matériau ; h décrit une surface échangeant de la chaleur avec un fluide ; U décrit un chemin de transfert de chaleur combiné sur une base de surface déclarée. Comparer leurs valeurs numériques n’a pas de sens car leurs définitions et unités diffèrent.
La conductance thermique, G, est une autre grandeur. Pour la couche plate ci-dessus, G = kA/t en W/K. Sa résistance est 1/G en K/W. Le même métal peut donc former deux parties avec des conductances très différentes simplement parce que leurs épaisseurs ou surfaces diffèrent.
Vérifiez la notation dans chaque document. Certains fabricants utilisent λ pour la conductivité et k pour un coefficient global. Méthode de calcul d'Alfa Laval utilise cette convention et sépare les termes de matériau, de film de surface et de dépôts. Un symbole sans sa définition et ses unités est facile à mal interpréter.
Pour le calcul de l'assemblage plus large, consultez notre guide sur le coefficient de transfert de chaleur, U et UA. Séparez cette question de la notation de performance de celle relative aux propriétés du matériau abordée ici.
Cuivre vs aluminium : comparez les grades, pas seulement les noms de métaux
Le cuivre offre généralement une conductivité plus élevée que les alliages courants de bobines en aluminium, mais “ cuivre ” n'est pas une spécification unique. La chimie de l'alliage et son état comptent. Une valeur pour le cuivre électrique à haute conductivité ne doit pas automatiquement devenir la valeur de conception pour le tube de réfrigération désoxydé.
Les références fournisseurs suivantes sont publiées. Elles sont utiles pour comprendre l'échelle et les différences, mais pas pour certifier un lot de matériau Domi ou garantir la performance d'une bobine finie.
Référence du matériau
Conductivité publiée, W/(m·K)
Base publiée
Comment utiliser la valeur
Référence du matériau : Cu-ETP / C11000, KEMPER
Conductivité publiée, W/(m·K) : 385
Base publiée : Valeur approximative, état mou, température ambiante
Comment utiliser la valeur : Référence pour cette nuance nommée et cette condition ; l'ambiance n'est pas une température de test précise
Référence du matériau : Phosphore-désoxidé C12200, Austral Wright
Conductivité publiée, W/(m·K) : 293 à 364
Base publiée : Gamme de la fiche technique à 20°C
Comment utiliser la valeur : Conserver la gamme jusqu'à ce que le matériau réellement fourni et la base de conception soient convenus
Référence du matériau : Aluminium 3003, Austral Wright
Conductivité publiée, W/(m·K) : 193
Base publiée : Valeur de propriété physique à 25°C
Comment utiliser la valeur : Référence pour 3003 ; ne pas l'appliquer à toutes les alliages ou tempéraments d'aluminium
Les sources sont les Données KEMPER Cu-ETP, Feuille C12200 Austral Wright et Feuille 3003 Austral Wright. Leurs qualifications font partie de l'information. La référence C12200, par exemple, fournit une plage plutôt qu'une conductivité garantie unique.
Pour l'approvisionnement, choisissez une alliage et une forme capables de répondre aux exigences de pression, de corrosion, de jonction et de fabrication. Vérifiez ensuite sa conductivité sur la base convenue. Ne choisir que le plus grand numéro de propriété peut laisser sans réponse la contrainte de fabrication ou de service la plus importante.
Pourquoi la température de référence et la condition comptent
Une valeur à température ambiante est un point de référence, pas un modèle complet de propriété dépendante de la température. Si la conception couvre une plage de températures importante, demandez si la conductivité sélectionnée est évaluée à une température de paroi représentative ou tirée d'une courbe de propriété appropriée. Ne pas attribuer automatiquement la température d'entrée d'air au métal.
Enregistrer la désignation de l'alliage, la forme du produit et la condition fournie à côté du numéro. Si une source donne une valeur approximative en état doux, conserver cette qualification. Si un tableau liste plusieurs tempéraments ailleurs mais ne lui attribue pas sa conductivité à un tempérament particulier, éviter d'inventer cette connexion.
Trois étiquettes aident lors de la revue : référence publiée, résultat de l'échantillon mesuré et entrée de conception. Ils peuvent avoir des valeurs différentes pour des raisons valides. Demandez à l'ingénieur de documenter comment les deux premiers soutiennent le troisième. Une entrée de conception conservatrice doit avoir une base déclarée, plutôt que d'apparaître comme un ajustement inexpliqué dans une feuille de calcul.
Le doublement de la conductivité double-t-il la capacité de la bobine ?
Non. Il divise par deux la résistance de conduction d'un mur inchangé sous l'hypothèse de constante-k. La variation du transfert de chaleur total dépend de la proportion de la résistance d'origine qui appartenait à ce mur.
Considérez un modèle illustratif de mur plat, utilisant une surface égale des deux côtés, sans encrassement ni résistance de contact, un mur de 0,5 mm, et des coefficients de film supposés h₁ = 1 000 et h₂ = 50 W/(m²·K). Maintenez ces entrées et la différence de température du fluide en vrac fixes. Comparez des conductivités supposées de 200 et 400 W/(m·K) ; ce sont des entrées de modèle, non des mesures des grades ci-dessus.
Sur cette base de surface égale :
1/U = 1/h₁ + t/k + 1/h₂
Quantité modélisée
k = 200 W/(m·K)
k = 400 W/(m·K)
Quantité modélisée : Résistance du premier film, m²·K/W
k = 200 W/(m·K) : 0.001
k = 400 W/(m·K) : 0.001
Quantité modélisée : Résistance du mur, m²·K/W
k = 200 W/(m·K) : 0.00000250
k = 400 W/(m·K) : 0.00000125
Quantité modélisée : Résistance du second film, m²·K/W
k = 200 W/(m·K) : 0.020
k = 400 W/(m·K) : 0.020
Quantité modélisée : U global, W/(m²·K), arrondi
k = 200 W/(m·K) : 47.613
k = 400 W/(m·K) : 47.616
Doubler k ne modifie U que d'environ 0.006% dans cet exemple délibérément dominé par le film. À un flux de chaleur de 1 000 W/m², le second film supposé représente une chute de température de 20 K, tandis que les deux murs représentent respectivement 0,0025 K et 0,00125 K.
Ce n'est pas une prédiction pour une bobine à ailettes réelle. Une telle bobine a des surfaces intérieures et extérieures différentes, une efficacité des ailettes, des contacts, un circuit et des états de fonctionnement différents. L'exemple établit une question de revue : quelle part de la résistance totale la modification du matériau proposée éliminera-t-elle réellement ? Un fournisseur affirmant un gain de capacité devrait répondre à cette question avec un modèle ou un test dans des conditions comparables.
Là où la conductivité est importante dans les tubes et les ailettes
Dans un tube, la conductivité contribue au transfert de chaleur à travers la paroi. L'épaisseur de la paroi sert également aux exigences de pression et de fabrication, donc la réduire pour améliorer la conduction n'est pas une décision thermique indépendante. Vérifiez les contraintes de conception de pression requises et de fabrication avant de modifier le dessin.
Dans une aile, la chaleur doit se diffuser loin du contact avec le tube vers une surface plus grande. La conductivité, l'épaisseur de l'aile, la distance par rapport au tube et l'échange côté air influencent tous la distribution de la température. Une conductivité plus élevée peut être utile ici même lorsque le terme de conduction à travers la paroi est déjà faible. Notre guide sur le fonctionnement des ailettes de radiateur aborde cette fonction de surface en détail.
Une bonne valeur de métal en vrac ne peut pas non plus éliminer la résistance à une mauvaise interface aile-tube. Incluez les écarts de contact, les revêtements et les dépôts dans l'examen. Leur importance dépend de la construction et de l'environnement de service ; une illustration conceptuelle ne peut pas les quantifier.
Lors de la comparaison des propositions, demandez où chaque conception prévoit la plus grande chute de température. Si la réponse concerne l'échange côté air, étudiez le flux d'air et la conception de la surface avant de payer pour un alliage de tube différent. Si la réponse concerne la diffusion de l'aile ou une interface, inspectez directement ces caractéristiques.
Quelle preuve doit soutenir une valeur de conductivité ?
Demandez d'abord si la valeur provient d'un manuel, d'une fiche technique du fournisseur ou d'une mesure du produit fourni. Chacun peut être utile, mais ils soutiennent des affirmations différentes. Une valeur issue d'une fiche technique générale ne doit pas être présentée comme un résultat de test en lot.
Pour une mesure, demandez la méthode, l'identification de l'échantillon, les conditions de température, la direction du flux de chaleur si pertinent, et l'incertitude ou la répétabilité rapportée. Les dimensions et la préparation de l'échantillon doivent être suffisamment claires pour juger si le résultat représente la pièce achetée. Un nom de méthode de test seul ne suffit pas à expliquer tout cela.
Conservez les preuves de propriété et les preuves d'assemblage dans des dossiers séparés. Un rapport de conductivité décrit un matériau ou un échantillon dans ses conditions de test. Une évaluation de bobine ou un test de prototype décrit un assemblage dans des conditions fluides, d'air et d'installation spécifiées. Aucun ne remplace l'autre. Si la décision d'achat dépend d'une amélioration de capacité revendiquée, demandez la comparaison d'assemblage correspondante ainsi que les données du matériau.
Une spécification de matériau pouvant survivre à la revue du fournisseur
Une demande de devis (RFQ) qui indique uniquement “ bobine en cuivre à haute conductivité ” laisse trop de décisions ouvertes. Envoyez un dessin et une fiche de exigences courte qui identifie :
- Matériau : désignation de l'alliage, spécification du produit applicable et alternatives autorisées.
- Condition : température requise ou condition livrée, y compris toute contrainte de formage ou de jointure.
- Géométrie : dimensions du tube, épaisseur de la paroi, dimensions des ailettes et interfaces pertinentes pour le flux de chaleur.
- Base de propriété : source de conductivité, unité, température de référence, et si le chiffre est typique, mesuré ou une donnée de conception.
- Devoir : fluides, conditions d'écoulement, températures, charge thermique requise et chute de pression admissible.
- Environnement : condensat, contaminants, exposition au nettoyage et la question de corrosion à résoudre.
- Construction : méthode de jonction, contact des ailettes et exigences de revêtement qui affectent le parcours thermique complet.
- Preuve d'acceptation : documentation sur le matériau et toute comparaison de prototype ou de performance d'assemblage convenus.
Si un fournisseur propose une substitution, demandez la révision du dessin modifié et la base de propriété ensemble. Ensuite, examinez les implications en termes de performance thermique, de jonction, de pression et de corrosion avant de l'accepter. Conserver l'ancien dessin avec un nouveau nom de matériau dans un e-mail est difficile à auditer ultérieurement.
Pour les assemblages en métaux mixtes, utilisez un examen de corrosion galvanique. La conductivité n'établit pas la compatibilité avec les fluides ou l'environnement, et un k plus élevé ne peut pas compenser un matériau qui échoue en service.
Questions fréquemment posées
Quelle est la conductivité thermique du cuivre ?
Utilisez la nuance et la température exactes. Les références ci-dessus donnent environ 385 W/(m·K) pour le cuivre doux Cu-ETP à température ambiante et une plage de 293 à 364 W/(m·K) pour C12200 à 20°C. Ces références fournisseur ne constituent pas une valeur universelle du cuivre ni un résultat garanti par lot.
Le cuivre est-il plus conducteur thermiquement que l'aluminium ?
Pour les références nommées ci-dessus, les valeurs du cuivre dépassent la valeur de l'aluminium 3003. Cette comparaison concerne la propriété du matériau. Un assemblage en cuivre ne surpasse pas automatiquement un assemblage en aluminium avec des dimensions, interfaces, flux d'air ou conditions d'exploitation différentes.
Quelle est la différence entre conduction et conductivité ?
La conduction est le processus de transfert de chaleur. La conductivité est une propriété du matériau utilisée pour calculer ce processus. L'épaisseur, la surface et la différence de température sont également nécessaires pour calculer un débit thermique pour une couche conductrice simple.
Quelle est la conductivité thermique de l'acier inoxydable ?
Il n'existe pas de valeur unique couvrant tous les aciers inoxydables et températures. Spécifiez la nuance, l'état et la plage de température de fonctionnement, puis obtenez une source de propriétés appropriée. Une étiquette générique d'acier inoxydable est insuffisante pour une comparaison de conception avec un alliage de cuivre ou d'aluminium particulier.
W/(m·K) est-il identique à W/(m²·K) ?
Non. Le premier est une unité de conductivité. Le second est couramment utilisé pour un coefficient de transfert de chaleur de surface ou global. Ils décrivent des quantités différentes et ne peuvent pas être comparés uniquement par leurs valeurs numériques.
La conductivité thermique est-elle la même que la diffusivité thermique ?
Non. La diffusivité thermique, α = k/(ρcₚ), inclut également la densité et la capacité thermique spécifique. Elle aide à décrire comment les variations de température se propagent à travers un matériau au fil du temps. La conductivité seule ne décrit pas sa réponse transitoire.
Une couche peut-elle affecter une pièce en métal très conducteur ?
Oui. Une couche ajoute une autre couche avec sa propre épaisseur et ses propriétés, et peut influencer le comportement de surface. Évaluez son rôle dans le chemin de chaleur réel en plus de sa fonction protectrice. N'attribuez pas la conductivité du métal sous-jacent à l'ensemble de la construction revêtue.
Puis-je calculer la capacité de la bobine uniquement à partir de la conductivité ?
Non. La conductivité fournit une donnée sur le matériau. Une évaluation de l'assemblage nécessite également la géométrie, le comportement côté fluide, les effets de ailettes et de contact, les conditions de fonctionnement et une base de calcul ou de test appropriée. Demandez une capacité selon vos conditions spécifiées plutôt que de l'inférer à partir de k.
Vérifiez le matériau et le chemin de chaleur avant de choisir une bobine
Utilisez la conductivité pour vérifier une affirmation sur un matériau, puis évaluez la construction complète. Examinez le dessin avec l'alliage, l'épaisseur, les interfaces et la charge de fonctionnement ensemble. Si des preuves de performance manquent encore, définissez les conditions de comparaison avant de discuter d'un gain revendiqué.
La page des capacités d’ingénierie et fabrication de batteries sur mesure Les pages décrivent les services de conception et de fabrication pertinents. Envoyez votre dessin actuel, l'alternative de matériau proposée, les températures de fonctionnement et la charge thermique requise. Demandez à l'équipe de confirmer la faisabilité, les hypothèses nécessitant une révision et les preuves nécessaires pour la prochaine décision. La disponibilité des matériaux, les tolérances et le périmètre de validation doivent être confirmés pour le projet particulier.
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