Теплоотдача алюминия и стали

Шаг пятый.
Предыдущие шажки можно увидеть здесь.
Достался мне тут недавно бракованный кулер Titan D5TB/Cu35. Все было нормально, но основание не отшлифовано совсем, медный пятак имел частые борозды видимо от отрезного станка глубиной примерно 0,5 мм.
Решено было – отполировать и поставить.
Эффект превзошел все ожидания. Температура, под нагрузкой, упала до 47 градусов.
Как это возможно? Алюминий эффективней меди?

Теплопроводность:
Алюминий 180-200 Вт/м*К
Медь обычная 300-320 Вт/м*К

Плотность:
Рал=2700 кг/м3
Рмед=8940 кг/м3, где Р-плотность

Удельная теплоёмкость:
Алюминий – 880 Дж / кг*К
Медь – 385 Дж / кг*К

видим, что:
· плотность меди выше, чем у алюминия примерно в 3,31 раза
· теплопроводность меди выше, чем у алюминия примерно в 1,66-1,75 раза
· теплоёмкость медного радиатора меньше, чем у алюминиевого примерно в 2,28 раза, при равной массе.

Таким образом, если радиаторы одинаковые по размерам и форме, то выполненный из меди будет в 3,31 раза тяжелее, его теплоемкость будет примерно в 1.44 раз больше чем у алюминиевого. Следовательно, при одинаковой нагрузке медный радиатор нагреется в 1.44 раза меньше. При большей разнице температур между процессорным ядром и радиатором теплообмен проходит эффективнее, следовательно, медный радиатор лучше.
Но на практике, я заменил медный радиатор на алюминиевый и выиграл. Почему?
В данном случае я заменил небольшой, но тяжелый радиатор от Thermaltake Volcano 10, с частыми тонкими ребрами, на вдвое больший радиатор от Titan D5TB/Cu35 с достаточно редкими и толстыми ребрами. Масса радиаторов примерно равна, поэтому теплоемкость алюминиевого радиатора будет больше. Следовательно, нагреваться он будет дольше. Кроме того, сопротивление воздушному потоку меньше из-за большей ширины каналов. Следовательно, через алюминиевый радиатор проходит большее количество воздуха, и он (воздух) забирает больше тепла. Тепловой баланс устанавливается на низшей отметке температуры, так как, во-первых, за единицу времени больше тепла отдается в атмосферу вследствие большего количества проходящего воздуха, а площадь теплообмена у обоих радиаторов примерно равна. А во-вторых, сам радиатор нагревается медленнее вследствие большей теплоемкости, поэтому для достижения равной с медным радиатором температуры алюминиевому требуется больше времени, что усугубляет первое положение. Кроме того, возможно в радиаторе от Thermaltake Volcano 10 образовывались не продуваемые зоны, в которых застаивался теплый воздух.
Основное преимущество меди, большая теплопроводность, в данном случае существенного влияния не оказывает, ввиду слабого воздушного потока вследствие чего и алюминиевый и медный радиаторы успевают равномерно распределить тепло по поверхности своих ребер и, следовательно, единица площади ребер обоих радиаторов отдает воздуху примерно равное количество тепла.
Все, что здесь написано, отражает мою личную точку зрения и не более. Я не старался придерживаться классической терминологии и возможно применил неверные определения, за что прошу строго меня не судить.

Конструктивная критика принимается здесь.

отсюда

Теплопроводность и плотность алюминия

В таблице представлены теплофизические свойства алюминия Al в зависимости от температуры. Свойства алюминия даны в широком диапазоне температуры — от минус 223 до 1527°С (от 50 до 1800 К).

Как видно из таблицы, теплопроводность алюминия при комнатной температуре равна около 236 Вт/(м·град), что позволяет применять этот материал для изготовления радиаторов и различных теплоотводов.

Кроме алюминия, высокой теплопроводностью обладает также медь. У какого металла теплопроводность больше? Известно, что теплопроводность алюминия при средних и высоких температурах все-таки меньше, чем у меди, однако, при охлаждении до 50К, теплопроводность алюминия существенно возрастает и достигает значения 1350 Вт/(м·град). У меди же при такой низкой температуре значение теплопроводности становится ниже, чем у алюминия и составляет 1250 Вт/(м·град).

Алюминий начинает плавиться при температуре 933,61 К (около 660°С), при этом некоторые его свойства претерпевают значительные изменения.
Значения таких свойств, как температуропроводность, плотность алюминия и его теплопроводность значительно уменьшаются.

Плотность алюминия в основном определяется его температурой и имеет зависимость от агрегатного состояния этого металла. Например, при температуре 27°С плотность алюминия равна 2697 кг/м 3 , а при нагревании этого металла до температуры плавления (660°С), его плотность становится равной 2368 кг/м 3 . Снижение плотности алюминия с ростом температуры обусловлено его расширением при нагревании.

В таблице приведены следующие теплофизические свойства алюминия:

• плотность алюминия, г/см 3 ;
• удельная (массовая) теплоемкость, Дж/(кг·град);
• коэффициент температуропроводности, м 2 /с;
• теплопроводность алюминия, Вт/(м·град);
• удельное электрическое сопротивление, Ом·м;
• функция Лоренца.

Удельная теплоемкость алюминия

Удельная теплоемкость алюминия существенно зависит от температуры и при комнатной температуре составляет величину около 904 Дж/(кг·град), что значительно выше удельной (массовой) теплоемкости других распространенных металлов, например таких, как медь и железо.

Ниже приведена сравнительная таблица значений удельной теплоемкости этих металлов. Значения теплоемкости в таблице находятся в интервале температуры от -223 до 927°С.

По данным таблицы видно, что величина удельной теплоемкости алюминия значительно выше значения этого свойства у меди и железа, поэтому такое свойство алюминия, как возможность хорошо накапливать тепло, широко применяется в промышленности и теплотехнике, делая этот металл незаменимым.

Сравнительная таблица теплоемкости алюминия, меди и железа

Теплоемкость металла, Дж/(кг·град)
t, °С	Алюминий Al	Медь Cu	Железо Fe
-173	483,6	—	216,1
-73	800,2	—	385
27	903,7	385	450
127	951,3	397,7	491,1
227	991,8	408	530,7
327	1036,7	416,9	573,1
427	1090,2	425,1	619,9
527	1153,8	432,9	679,1
627	1228,2	441,7	772,8
727	1176,7	451,4	975,1
827	1176,7	464,3	794,1
927	1176,7	480,8	607,1

Теплофизические свойства алюминиевых сплавов АМц, АМг, Д16, АК и др.

В таблице представлены состав и теплофизические свойства алюминиевых сплавов для нагартованного, закаленного и отожженого состояний сплава:

• плотность сплавов, кг/м 3 ;
• коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град);
• коэффициент линейного теплового расширения, 1/град;
• удельное электрическое сопротивление, Ом·м.

Теплофизические свойства представлены для следующих сплавов алюминия: А, АМц, АМг, Амг1, АМг5, АВ, Д18, Д1, Д16, АК8, АК4, 32S, В95. Свойства сплавов даны при комнатной температуре, за исключением коэффициента теплового расширения (КТР), который указан для интервалов температуры 20-100, 20-200 и 20-300°С.

Теплопроводность алюминиевых сплавов

Представлена сводная таблица теплопроводности алюминиевых сплавов. В ней приведены значения теплопроводности распространенных алюминиевых сплавов (сплавы алюминия с кремнием, медью, магнием и цинком, литейные сплавы, дюралюминий) при различной температуре в диапазоне от 4 до 700К.

По данным таблицы видно, что теплопроводность алюминиевых сплавов в основном увеличивается с ростом температуры. Наибольшей теплопроводностью при комнатной температуре обладает такой сплав, как АД1 — его теплопроводность при этой температуре равна 210 Вт/(м·град). Более низкая теплопроводность свойственна в основном литейным алюминиевым сплавам, например АК4, АЛ1, АЛ8 и другим.

Температура в таблице в градусах Кельвина !

Таблица теплопроводности сплавов алюминия

Алюминиевый сплав	Температура, K	Теплопроводность алюминиевого сплава, Вт/(м·град)
АВ	298…373…473…573	176…180…184…189
АД1 нагартованный	4…10…20…40…80…150…300	50…130…260…400…250…220…210
АД31 закаленный, состаренный	4…10…20…40…80…200…300…600	35…87…170…270…230…200…190…190
АД33	300…373…473…573	140…151…163…172
АД35	298…373…473…573	170…174…178…182
АК4	300…500…600…700	145…160…170…170
АК6 закаленный, состаренный	20…77…223…293…373…473…573…673	35…90…192…176…180…184…184…189
АК8 закаленный, состаренный	20…40…80…150…300…573…673	50…72…100…125…160…180…180
АЛ1	300…400…600	130…140…150
АЛ2	20…77…293	10…18…160
АЛ4	300…473…673	150…160…155
АЛ5	300…473…573	160…170…180
АЛ8	300…473…673	92…100…110
АМг1	298…373…473…573…673	184…188…192…188…188
АМг2	4…10…20…40…80…150…300…373…473…573…673	4,6…12…25…49…77…100…155…159…163…164…167
АМг3	20…77…90…203…293	41…86…89…123…132
АМг5 отожженный	10…20…40…80…150…300…473…673	10…20…40…66…92…130…130…150
АМг6	20…77…173…293	13…43…75…92
АМц нагартованный	4…10…20…40…80…150…300…473…573…673	11…28…58…110…140…150…180…180…184…188
В93	300…473…673	160…170…160
В95	300…473…673	155…160…160
ВАД1	20…80…300	30…61…160
ВАЛ1	300…473…673	130…150…160
ВАЛ5	300…573…673	150…160…160
ВД17	300…673	130…170
Д1	298…373…473…573…673	117…130…150…172…176
Д16 закаленный, состаренный	10…20…40…80…150…300…373…473…573	9…19…37…61…90…120…130…146…163
Д20 закаленный, состаренный	20…40…80…150…300…373…473…573…673	27…38…61…85…140…142…147…155…160
Д21	298…373…473…573	130…138…151…168

Свойства сплавов алюминия с кремнием, медью, магнием и цинком

В таблице представлены состав и следующие теплофизические свойства алюминиевых сплавов:

• плотность сплавов, кг/м 3 ;
• коэффициент теплопроводности, Вт/(м·°С);
• коэффициент линейного теплового расширения, 1/град;
• коррозионная устойчивость в воде и на воздухе;
• температура изменения прочности.

Плотность, теплопроводность и коэффициент линейного теплового расширения сплавов представлены в зависимости от температуры в интервале от 500 до 660°С. Плотность алюминиевых сплавов с кремнием и цинком наиболее высока. Из легких сплавов можно отметить сплавы, содержащие магний.

Следует отметить, что наибольшей коррозионной устойчивостью в воде и на воздухе обладают алюминиевые сплавы с высоким содержанием меди — они устойчивы к коррозии до температуры 200…250°С. Такие сплавы также обладают высокими прочностными характеристиками.

Теплопроводность алюминиевых сплавов в зависимости от температуры

В таблице представлены состав алюминиевых сплавов и коэффициент их теплопроводности в диапазоне температуры от 173 (-100°С) до 773К (500°С). По данным таблицы видно, что чем больше содержится алюминия в сплаве, тем выше его теплопроводность. При нагревании алюминиевых сплавов, их теплопроводность, как правило, увеличивается.

Теплопроводность сплава алюминия с литием

Даны значения коэффициента теплопроводности сплава алюминия с литием при комнатной температуре. Теплопроводность указана в зависимости от содержания лития в сплаве по массе (от 0 до 11%). Необходимо отметить, что увеличение процентного содержания лития приводит к уменьшению теплопроводности сплава.

Плотность, теплопроводность, теплоемкость алюминиевых сплавов Амц, Амг1, Амг2, Д1, Д16

Представлены значения плотности (при температуре 293К), коэффициента теплопроводности, Вт/(м·°С), и удельной (массовой) теплоемкости, кДж/(кг·°С) некоторых алюминиевых сплавов в зависимости от температуры (свойства даны при температурах 25, 100 , 200, 300, 400 °С).

В таблице указана плотность, теплопроводность, теплоемкость следующих сплавов алюминия: Амц, Амг1, Амг2, Д1, Д16. Следует отметить, что плотность алюминиевых сплавов примерно одинаковая, но немного выделяется такой сплав алюминия, как Д-1 — его плотность равна 2800 кг/м 3 .

Теплопроводность, теплоемкость и удельное сопротивление сплава 1151Т

В таблице представлены значения коэффициента теплопроводности, Вт/(м·град), удельной (массовой) теплоемкости, кДж/(г·град)
и удельного сопротивления алюминиевого сплава 1151Т.

Свойства алюминиевого сплава 1151Т даны в зависимости от температуры (в интервале от 0 до 400 °С). По данным таблицы видно, что теплопроводность этого сплава увеличивается при нагревании, однако в районе температуры 200°С имеет место некоторое ее снижение с последующим ростом. Такой же характер изменения свойственен и удельной теплоемкости сплава 1151Т. Удельное электрическое сопротивление рассматриваемого сплава увеличивается по мере роста его температуры.

Температурные коэффициенты линейного расширения (КТР) сплава 1151Т

В таблице представлены значения температурных коэффициентов линейного расширения (КТР) алюминиевого сплава 1151Т.
Коэффициенты линейного расширения алюминиевого сплава 1151Т даны в зависимости от температуры (в интервале от 0 до 500 °С). При высоких температурах КТР сплава 1151Т увеличивается.

Теплофизические свойства алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mn

В таблице представлены теплофизические свойства алюминиевых сплавов, содержащих медь и марганец. рассмотрены такие сплавы, как сплав 01205, 1201, Д21, Д20. Свойства сплавов представлены в зависимости от температуры в диапазоне от 25 до 400°С. Из рассмотренных сплавов наиболее теплопроводным является сплав Д20, с теплопроводностью 138 Вт/(м·град) при температуре 25°С.

Даны следующие теплофизические свойства сплавов:

• коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град);
• удельная (массовая) теплоемкость, кДж/(кг·град);
• коэффициент линейного теплового расширения, 1/град.

Теплофизические свойства алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Si

В таблице представлены следующие теплофизические свойства сплавов алюминия с магнием и кремнием:

• плотность, кг/м 3 ;
• коэффициент теплопроводности, Вт/(м·°С);
• удельная теплоемкость, кДж/(кг·°С).

Свойства представлены в зависимости от температуры в интервале от 25 до 400°С. Даны свойства следующих сплавов: АД31, АД33, АД35, АВ. Следует отметить, что удельная теплоемкость сплавов увеличивается при нагревании.

Удельная теплоемкость высокопрочных сплавов алюминия В93, сплав 1933, В95, сплав 1973, В96 и др.

Указана массовая теплоемкость кДж/(кг·°С) при температуре от 20 до 400°С следующих сплавов: В93, В93пч, сплав 1933, В95, В95пч, В95оч, сплав 1973, В96Ц, В96Ц-3. С ростом температуры сплава его теплоемкость увеличивается.

Теплопроводность высокопрочных сплавов алюминия В93, сплав 1933, В95, сплав 1973, В96 и др.

В таблице приведены значения теплопроводности в размерности Вт/(м·град) в зависимости от температуры (интервал от 25 до 400°С) следующих алюминиевых сплавов: В93, В93пч, сплав 1933, В95, В95пч, В95оч, сплав 1973, В96Ц, В96Ц-3. Наиболее теплопроводными, по данным таблицы, являются сплавы В93, В93пч, сплав 1933, имеющие значение теплопроводности 163 Вт/(м·град) при температуре 25°С.

Источники:
1. Физические величины. Справочник. А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. — М.:Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.
2. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники.
3. В.М. Белецкий, Г.А. Кривов. Алюминиевые сплавы (состав, свойства, технология, применение). Справочник. Под общей ред. академика РАН И.Н. Фридляндера — К.: «Коминтех», 2005. — 365 с.
4. Богданов С.Н., Бурцев С.И., Иванов О.П., Куприянова А.В. Холодильная теника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ: Справ./ Под ред. С.Н. Богданова. 4-е изд., перераб. и доп. — СПб.: СПбГАХПТ, 1999.- 320 с.

Перед тем как работать с различными металлами и сплавами, следует изучить всю информацию, касающуюся их основных характеристик. Сталь является самым распространенным металлом и применяется в различных отраслях промышленности. Важным ее показателем можно назвать теплопроводность, которая варьируется в широком диапазоне, зависит от химического состава материала и многих других показателей.

Что такое теплопроводность

Данный термин означает способность различных материалов к обмену энергией, которая в этом случае представлена теплом. При этом передача энергии проходит от более нагретой части к холодной и происходит за счет:

1. Молекул.
2. Атомов.
3. Электронов и других частиц структуры металла.

Теплопроводность нержавеющей стали будет существенно отличаться от аналогичного показателя другого металла — например, коэффициент теплопроводности меди будет иным, нежели у стали.

Для обозначения этого показателя используется специальная величина, именуемая коэффициентом теплопроводности. Она характеризуется количеством теплоты, которое может пройти через материал за определенную единицу времени.

Показатели для стали

Теплопроводность может существенно отличаться в зависимости от химического состава металла. Коэффициент данной величины у стали и меди будет разным. Кроме этого, при повышении или уменьшении концентрации углерода изменяется и рассматриваемый показатель.

Существуют и другие особенности теплопроводности:

1. Для стали, которая не имеет примесей, значение составляет 70 Вт/(м* К).
2. У углеродистых и высоколегированных сталей проводимость намного ниже. За счет увеличения концентрации примесей она существенно снижается.
3. Само термическое воздействие также может оказывать воздействие на структуру металла. Как правило, после нагрева структура меняет значение проводимости, что связано с изменением кристаллической решетки.

Коэффициент теплопроводности алюминия значительно выше, что связано с более низкой плотностью этого материала. Теплопроводность латуни также отличается от соответствующего показателя стали.

Влияние концентрации углерода

Концентрация углерода в стали влияет на величину теплопередачи:

1. Низкоуглеродистые стали имеют высокий показатель проводимости. Именно поэтому они используются при изготовлении труб, которые затем применяются при создании трубопровода системы отопления. Значение коэффициента варьирует в пределе от 54 до 47 Вт/(м* К).
2. Средним коэффициентом для распространенных углеродистых сталей является значение от 50 до 90 Вт/(м* К). Именно поэтому подобный материал используется при изготовлении деталей различных механизмов.
3. У металлов, которые не содержат различных примесей, коэффициент составляет 64 Вт/(м* К). Это значение несущественно изменяется при термическом воздействии.

Таким образом, рассматриваемый показатель у легированных сплавов может меняться в зависимости от температуры эксплуатации.

Значение в быту и производстве

Почему важно учитывать коэффициент теплопроводности? Подобное значение указывается в различных таблицах для каждого металла и учитывается в нижеприведенных случаях:

1. При изготовлении различных теплообменников. Тепло является одним из важных носителей энергии. Его используют для обеспечения комфортных условий проживания в жилых и иных помещениях. При создании отопительных радиаторов и бойлеров важно обеспечить быструю и полную передачу тепла от теплоносителя к конечному потребителю.
2. При изготовлении отводящих элементов. Часто можно встретить ситуацию, когда нужно провести не подачу тепла, а отвод. Примером назовем случай отвода тепла от режущей кромки инструмента или зубьев шестерни. Для того чтобы металл не терял свои основные эксплуатационные качества, обеспечивается быстрый отвод тепловой энергии.
3. При создании изоляционных прослоек. В некоторых случаях материал не должен проводить передачу тепловой энергии. Для подобных условий эксплуатации выбирается металл, который обладает низким коэффициентом проводимости тепла.

Определяется рассматриваемый показатель при проведении испытаний в различных условиях. Как ранее было отмечено, коэффициент проводимости тепла может зависеть от температуры эксплуатации. Поэтому в таблицах указывается несколько его значений.