Теплопроводность стали и чугуна. Теплофизические свойства стали

Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Таблица 1

Какой металл быстро нагревается?

Если теплопроводность серебра условно принять за 100, то теплопроводность меди будет 90, алюминия 27, железа 15, свинца 12, ртути 2, а теплопроводность дерева всего 0,05. Чем больше теплопроводность металла, тем быстрее и равномернее он нагревается.

Интересные материалы:

Сколько энергии расходует электрический духовой шкаф? Сколько эпизодов в Life Is Strange 2? Сколько этапов насчитывает решение задачи на компьютере? Сколько этажей самый высокий небоскрёб? Сколько евро в обороте в мире? Сколько фаз бывает в электричестве? Сколько фильмов снято про Перси Джексона? Сколько форм инфинитива у латинского глагола? Сколько фото можно загрузить в Инстаграм в один пост? Сколько фото в день можно загружать в ВК?

От чего зависит показатель теплопроводности

Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:

• вида металла;
• химического состава;
• пористости;
• размеров.

Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.

Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.

Закон теплопроводности Фурье

В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:

где q→ >> — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, ϰ — коэффициент теплопроводности

(удельная теплопроводность), T — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad(T) (T)> (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как
закон теплопроводности Фурье
.

В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):

где P — полная мощность тепловых потерь, S — площадь сечения параллелепипеда, ΔT — перепад температур граней, l — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Связь с электропроводностью

Связь коэффициента теплопроводности ϰ с удельной электрической проводимостью σ в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

Коэффициент теплопроводности газов

В газах коэффициент теплопроводности может быть найден по приближённой формуле

где ρ — плотность газа, cv > — удельная теплоёмкость при постоянном объёме, λ — средняя длина свободного пробега молекул газа, v¯ >> — средняя тепловая скорость. Эта же формула может быть записана как

где i — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа i=5 , для одноатомного i=3 ), k — постоянная Больцмана, μ — молярная масса, T — абсолютная температура, d — эффективный (газокинетический) диаметр молекул, R — универсальная газовая постоянная. Из формулы видно, что наименьшей теплопроводностью обладают тяжелые одноатомные (инертные) газы, наибольшей — легкие многоатомные (что подтверждается практикой, максимальная теплопроводность из всех газов — у водорода, минимальная — у радона, из нерадиоактивных газов — у ксенона).

Теплопроводность в сильно разреженных газах

Приведённое выше выражение для коэффициента теплопроводности в газах не зависит от давления. Однако если газ сильно разрежен, то длина свободного пробега определяется не столкновениями молекул друг с другом, а их столкновениями со стенками сосуда. Состояние газа, при котором длина свободного пробега молекул ограничивается размерами сосуда называют высоким вакуумом

. При высоком вакууме теплопроводность убывает пропорционально плотности вещества (то есть пропорциональна давлению в системе): ϰ∼13ρcvlv¯∝P >rho c_ l >propto P>, где l — размер сосуда, P — давление.

Таким образом коэффициент теплопроводности вакуума тем ближе к нулю, чем глубже вакуум. Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тем не менее, энергия в вакууме передаётся с помощью излучения. Поэтому, например, для уменьшения теплопотерь стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность лучше отражает излучение), а воздух между ними откачивают.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.

Таблица 2

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град. Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры. Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.

Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.

Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град. Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град. А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.

Обобщения закона Фурье

Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье неприменим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т. п. Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл, а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:

Если время релаксации τ пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.

Применение

Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.

Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий. Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения. Примером использования свойств металлических изделий является:

• кухонная посуда с различными свойствами;
• оборудование для пайки труб;
• утюги;
• подшипники качения и скольжения;
• сантехническое оборудование для подогрева воды;
• приборы отопления.

Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.

При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации. Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.

Оцените статью:

Рейтинг: 5/5 — 1 голосов

Стальная печь для бани лучше чугуна

Сложилось мнение, что чугун самый лучший материал для изготовления печей, стальные печи считаются низкопробным заменителем и не достойными внимания. Из многих признаков в преимущества чугуна и печей, изготовленных из него, выделяют безопасность и долговечность.

Огромный перечень хвалебных од чугуну и чугунным печам, которые звучат со всех сторон. Главный аргумент: Чугун используется много веков и проверен временем.

И с этим заявлением трудно было бы спорить если не разбирать каждый вопрос преимуществ чугуна в отдельности. Не маловажно, что хвалят чугунные печи те, кто их производит и продает.

Производители стальных печей о чугунных печах отзываются несколько сдержано или даже негативно. Потребители чаще всего отмалчиваются, да и понятно, если стоит у кого чугунная печь, так чего ее хулить – это значит ругать себя и свою подготовленность в этом вопросе.

Если нет чугунной печи, так человек и не знает тех проблем, с которыми сталкиваются их владельцы.

Путаницу в этот вопрос еще вносят производители стальных печей, которые в последнее время начали выпуск и чугунные печи.

Приверженцы чугунных печей в этом увидели знак, что чугунные печи победили в соперничестве со стальными печами. Однако, это просто коммерческий ход — подмять под себя рынок.

Данные производители не имеют ни каких идей и концепций – главное для них прибыль. Функциональность и качество не всегда на 1 месте у таких производителей.

И все же, давайте разберемся с данным вопросом: «Какая печь лучше, стальная или чугунная?»

Но, сразу оговорюсь, для сравнения с чугунной печью мы будем брать не какую там буржуйку из листового черного металла или из куска трубы, а современную печь, созданную по новейшим технологиям – Казачка Твердыня ПРО+. И это правильно, если заявляется о том, что лучшая печь чугунная, так значит ее и нужно стравнивать с лучшей печью стальной.

И так. Чугунная печь

Чугунная печь

Против стальной печи https://www.pech-pobelomu.ru/catalog/kazachka_pro_plus_tverdynya

Стальная печь «Казачка»

Разберем каждое заявление (которые находятся в открытом доступе у производителей чугунных печей) по порядку:

Хорошая теплоотдача от чугунного корпуса печи

Коэффициент теплопроводности серого чугуна 46 – 54 Вт/(м*°С)

Теплопроводность чугуна в большей мере, чем другие физические свойства, зависит от структуры, ее дисперсности и мельчайших загрязнений, т. е. является структурно-чувствительным свойством.

Графитизация повышает теплопроводность; следовательно, элементы, увеличивающие степень графитизации и размер графита, повышают, а элементы, препятствующие графитизации и увеличивающие дисперсность структурных составляющих, понижают. Указанное влияние графитизация меньше для шаровидного графита (см. табл. 4).

Форма графита, его выделение и распределение также влияют на теплопроводность. Например, высокопрочный чугун имеет более низкую теплопроводность, чем серый чугун. Теплопроводность чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) выше, чем у ЧШГ, и близка к λ

серого чугуна с пластинчатым графитом.

Высоколегированные чугуны характеризуются, как правило, более низкой теплопроводностью, чем обычные.

Коэффициент теплопроводности стали 46,5 Вт/(м*°С)

И в чем разница?

Разница в толщине используемого материала. Чугунная печь делается с толщиной стенок 10 – 12 мм. Печь Казачка Твердыня ПРО+ сталь 4 мм, что 2.5 – 3 раза меньше. А значит и теплопроводность у стальной печи выше чем у чугунной. Что опровергает заявление любителей чугуна.

Гарантированная долговечность при правильной эксплуатации (35 – 40лет)

Долговечность печи гарантируется при «правильной эксплуатации». Шикарная оговорка, позволяющая обвинить потребителя в умышленном создании неприемлемых условий эксплуатации, или может нужно просто поставить печь в кладовку, чтобы она отстояла там 40 лет?

На такие заявления у меня есть яркий пример: баня Капитан в Анапе на берегу моря.

Море является агрессивной средой, поэтому в коммерческой бане даже чугунные печи не выдерживали более полугода. И вот после установки печи Казачка ПРО+ прошло 2.5 года и печь не думает сдаваться, а работает и работает по 15 часов каждый день без выходных.

Стальная печь в коммерческой бане

Длительная инерционная теплоотдача, обусловленная физико-химическими свойствами чугуна и толщиной стенок печи.

Обратите внимание, если до этого говорили о великолепной теплопередаче, то сейчас вдруг заговорили о длительной теплопередаче, не понимая, что эти процессы обратно пропорциональны. Т.е. мы должны говорить или о хорошей теплопроводности или о длительной теплопередаче, но не обо всем сразу.

Устойчивость против коррозии – основа долговечности

Не оспоримое заявление, но оно одинаково относится не только к чугуну, но и к стали. Если посмотреть состав чугуна:

Железо 90 – 93%, углерод 2,5-4,5%, кремний 1.85%, марганец 1.50%, фосфор 0.07%, сера 0.04%

Состав стали AISI 430 из которой изготавливается печь Казачка Твердыня ПРО+:

Железо 81%, хром 16 -18%, углерод 0,12%, кремний 0,8%, марганец 0,8%, фосфор 0,035%, сера 0.025%

Такая сталь, с таким количеством легирующих составляющих говорит о том, что перед нами нержавеющая сталь со свойствами жаростойкости. А значит, сталь AISI 430 по свойствам не только не уступает чугуну, но и превосходит его.

Прочный конструкционный материал и в то же время металл, хорошо подающийся металлообработке

Данное преимущественно условно, поскольку металлообработка не влияет на потребительские свойства продукта. Нужно этот пункт вообще опустить из преимуществ, за неимением этих преимуществ как таковых.

Чугун сохраняет прочность при нагреве и перепадах температуры

Очередное выдуманное свойство, которое еще и противоречит само себе. Что такое перепады температур? Это когда мы нагреваем изделие, а потом его охлаждаем. Если мы так будем поступать с чугуном – он долго не протянет и обязательно когда-нибудь лопнет.

Кстати, а сталь к перепадам температур более устойчива.

Яркий пример, накаливание печи Казачка в муфельной печи, после которой она совершенно не имеет ни каких поводок.

Чугунная печь легко транспортируется в разобранном виде, на месте собирается и устанавливается, не требуя больших затрат и особой квалификации

Интересно, кто согласится, чтобы ему машину привезли в разобранном виде? А кто после этого будет выполнять гарантийные обязательства? Нет, не правильный подход. Гарантийные обязательства должен нести завод изготовитель, а не потребитель.

Для чугунной печи не требуется готовить установочный фундамент – печь устанавливается согласно техническим условиям, подключается дымоход, и печь готова к эксплуатации

Это преимущество? Перед чем, кирпичной печью? А при чем здесь стальная печь, ведь для нее тоже не требуется никакого фундамента.

Компактные печи из чугуна не занимают много места, что немаловажно для малогабаритных помещений

Не всегда чугунную печь можно назвать компактной, ведь по габаритам она часто превосходит стальные печи.

Чугунная печь быстро нагревается. Уже через 15 минут после розжига начинается обогрев помещения

Как быстро нагревается чугунная печь мы уже разбирали и понимаем, что стальная печь нагревается в 3 раза быстрее, здесь главное куда мы будем девать тепловые потоки, сколько дров пойдет на нагрев.

А вопрос о дровах не праздный.

Если учесть, что прогрев камней у чугунной печи будет идти в 3 раза медленнее, чем у стальной печи, тогда понятное дело, что для нагрева камней потребуется больше дров, а это затраты!

Чугунная печь работает на твёрдом топливе: это дрова, уголь, торф, различные брикеты, отходы деревообработки, остатки от переработки сельскохозяйственной продукции, строительный мусор и многое другое. Это даже, можно сказать, своеобразный утилизатор, приносящий двойную пользу

Тоже самое кроме угля я могу сказать и о стальной печи Казачка. Ведь она сделана из жаростойкой стали. Мало того, печь Казачка имеет колпак, где организован дожиг дымовых газов, поэтому она обеспечит чистое горение, тогда как чугунная печь огромную часть недогоревших газов выбрасывает в дымоход, чем наносит вред окружающей среде и в добавок пожароопасна.

Еще в качестве справки, я бы не советовал в чугунной печи сжигать каменный уголь. Сразу он ее не прожжет, но со временем значительно сократит срок ее службы.

Такие печи не прогорают, так как не окисляются. Изделие из чугуна не ржавеет, а потому не нуждается в особом уходе – антикоррозийных покрытиях, термостойкой покраске, облицовке плиткой, кирпичом. Хотя, по желанию потребителя, все это и делается, но больше с дизайнерской целью.

Такое заявление является условным, поскольку ржавеет все. Чугун будет ржаветь долго, но вид у него будет не хороший и поэтому его красят.

Кстати, печь Казачка Твердыня ПРО+ делается полностью из нержавеющей стали и поэтому мы ее не красим вообще.

Внешний вид чугунной печи может отличаться особой изысканностью, что также привлекает покупателей. Резные или стеклянные дверцы, разнообразные формы – все это доступно обладателям оборудования.

Навязанное мнение, как и любые моды. Изысканность — дело вкуса. Кому-то нравится готические формы, кому-то барокко.

Поэтому, здесь можно только предлагать оригинальные решения, а не навязывать системный взгляд.

Мы печь Казачка разрабатывали удобной к эксплуатации и надежной в плане длительности работы, функциональности по назначению, поэтому дизайнерские решения привязаны именно к этим задачам.

Пожаробезопасность печи из чугуна более высокая, чем у стальной.

Не может быть печь пожаробезопасной если у нее дымоход раскаляется более 500°С – а это для чугунной печи норма. О чем тогда разговор?

Для сравнения дымоход печи Казачка нагревается только до 170°С.

Так вот где реально решен вопрос безопасности!

Печное сооружение легко переносит высокие температуры без образования мелких трещин, через которые искры могут вылететь в помещение

За высокие температуры мы уже говорили и понимаем, что чугун и качественная сталь выдержат одинаковый нагрев. А вот трещины быстрее образуются на чугуне при контрастных температурах. И если мы сравниваем качественно сваренную стальную печь с чугунной печью, я бы не стал так уверено поручаться за чугун.

Но это еще не все. Для любого оборудования технологичность – один из главных показателей. А что главное для банной печи? Ну конечно — парогенератор.

У печи Казачка Твердыня ПРО+ их 3, и она великолепно справляется с функцией парогенерации в любое время и в любом количестве с одинаковым качеством. А вот этим чугунные печи как раз и похвастаться не могут.

Вот такой краткий обзор преимуществ.

Теперь вам решать, что для вас важнее.