ضریب انتقال حرارتی فلزات

در دنیایی که توسط فناوری و نوآوری هدایت می‌شود، نقش فلزات، به‌ویژه فلزات رنگین، در زندگی روزمره ما به طور فزاینده‌ای مهم می‌شود. فلزات رنگین مانند مس، آلومینیوم، برنج و برنز، به دلیل ویژگی‌های خاصشان در هدایت گرما، در صنایع مختلف بسیار پرکاربرد هستند. این فلزات از مدار داخلی گوشی هوشمند شما گرفته تا خودرویی که رانندگی می‌کنید، حضوری پررنگ دارند. یکی از ویژگی‌های مهمی که مهندسان، معماران و دانشمندان مواد در انتخاب یک فلز برای یک کاربرد خاص در نظر می‌گیرند، هدایت حرارتی آن است. اما این به چه معناست و کدام فلزات در هدایت گرما برتری دارند؟

ضریب انتقال حرارتی چیست؟

ضریب انتقال حرارتی، توانایی یک فلز برای هدایت گرما را اندازه‌گیری می‌کند. این ضریب یک روش کمی برای مشخص کردن این است که چگونه گرادیان دما در یک ماده جریان انرژی حرارتی را هدایت می‌کند. این ویژگی در انواع مختلف فلز، به ویژه فلزات رنگین ، متفاوت است و در کاربردهایی با دمای عملیاتی بالا بسیار اهمیت دارد.

هنگامی که یک ماده دارای ضریب انتقال حرارتی بالایی است، به این معنی است که گرما به سرعت از آن عبور می‌کند. در مقابل، فلزات با هدایت حرارتی پایین عایق حرارتی محسوب می‌شوند. در فلزات خالص، ضریب انتقال حرارتی تقریباً با افزایش دما ثابت می‌ماند. با این حال، در آلیاژها، هدایت حرارتی با دما افزایش می‌یابد. فلزات رنگین به دلیل ساختار و ترکیبات خاص خود، غالباً از ضریب انتقال حرارتی بالاتری برخوردارند و در صنایع الکترونیکی و حرارتی به‌عنوان گزینه‌های مطلوب مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کدام فلزات گرما را بهتر هدایت می کنند

وقتی صحبت از هدایت حرارتی می شود، همه فلزات یکسان ایجاد نمی شوند. برخی رسانای استثنایی گرما هستند، در حالی که برخی دیگر بهتر به عنوان عایق استفاده می شوند. بیایید نگاهی دقیق‌تر به رتبه‌بندی فلزات مختلف برای هدایت حرارتی بیندازیم.

فلزات رایج بر اساس رسانایی حرارتی رتبه بندی شده اند

ردیف	فلز	ضزیب انتقال حرارتی BTU/(hr·ft⋅°F)
1	مس	223
2	آلومینیوم	118
3	برنج	64
4	فولاد	17
5	برنز	15

همانطور که می بینید، مس و آلومینیوم دارای بالاترین ضریب انتقال حرارتی در بین فلزات رایج تر هستند، در حالی که فولاد و برنز کمترین رسانایی حرارتی را دارند. رسانایی گرما هنگام تصمیم گیری برای استفاده از کدام فلز برای یک کاربرد خاص، اساسی است. از آنجایی که مس یک ضریب انتقال حرارتی عالی گرما است، برای مبدل های حرارتی، سینک های حرارتی و حتی کف قابلمه مناسب است. از آنجایی که فولاد رسانای ضعیفی برای گرما است، برای محیط‌های با دمای بالا مانند موتورهای هواپیما ایده‌آل است.

انواع مبدل های حرارتی

مبدل های حرارتی

مبدل حرارتی یک کاربرد رایج است که در آن هدایت حرارتی خوب ضروری است. یک مبدل حرارتی برای انتقال موثر گرما از یک رسانه به رسانه دیگر طراحی شده است. یک دیوار جامد معمولاً دو محیط را از هم جدا می کند تا از اختلاط جلوگیری کند، اگرچه برخی از مبدل های حرارتی تخصصی اجازه تماس مستقیم بین رسانه ها را می دهند.

راندمان یک مبدل حرارتی اغلب با «اثربخشی» آن اندازه‌گیری می‌شود، که نسبت مقدار واقعی گرمای انتقال‌یافته به حداکثر مقدار ممکن گرمایی است که می‌تواند با مساحت سطح و زمان بی‌نهایت منتقل شود.

مس یک انتخاب محبوب برای مبدل های حرارتی در تاسیسات صنعتی، تهویه مطبوع، تبرید، مخازن آب گرم و سیستم های گرمایش از کف است. ضریب انتقال حرارتی بالای آن باعث می شود گرما به سرعت از آن عبور کند. مس دارای خواص اضافی مطلوب در مبدل های حرارتی است، از جمله مقاومت در برابر خوردگی، رسوب زیستی، تنش و انبساط حرارتی. آلومینیوم همچنین می تواند به عنوان یک جایگزین مقرون به صرفه تر در برخی از برنامه های مبدل حرارتی استفاده شود.

انواع مختلفی از مبدل های حرارتی وجود دارد که هر کدام برای کاربردهای خاصی مناسب هستند:

مبدل های حرارتی پوسته و لوله

شامل یک پوسته (یک ظرف بزرگ) با بسته ای از لوله ها در داخل است. یکی از سیال ها در لوله ها جریان دارد و سیال دیگر در خارج از لوله ها اما در داخل پوسته جریان دارد.

مبدل های حرارتی صفحه ای

از صفحات موجدار که روی هم قرار گرفته اند تشکیل شده است. سیالات بین صفحات جریان دارند و الگوی موجدار انتقال حرارت را افزایش می دهد.

مبدل‌های حرارتی لوله پره‌دار

از لوله‌هایی با سطوح کشیده (پره‌ها) برای افزایش ناحیه انتقال حرارت استفاده می‌کند و فرآیند را کارآمدتر می‌کند.

مبدل های حرارتی Plate-Fin

صفحات و باله ها را ترکیب می کند و اغلب در برنامه هایی استفاده می شود که اندازه فشرده و کارایی آن بسیار مهم است، مانند موتورهای هواپیما.

مبدل های حرارتی احیا کننده

از یک سیال منفرد استفاده می کند که به طور متناوب از یک مبدل گرم و سرد برای صرفه جویی در انرژی و بهبود کارایی عبور می کند.

مبدل های حرارتی تماس مستقیم

به دو سیال اجازه می دهد تا مستقیماً در تماس باشند، که می تواند کارآمدتر باشد اما تنها زمانی مناسب است که مخلوط کردن سیالات قابل قبول باشد.

کاربرد مبدل های حرارتی

• تاسیسات صنعتی

مبدل های حرارتی در تاسیسات صنعتی شامل نیروگاه های فسیلی و هسته ای، نیروگاه های شیمیایی، نیروگاه های نمک زدایی و خدمات دریایی می باشد.

در تاسیسات صنعتی از آلیاژ مس نیکل برای ساخت لوله مبدل حرارتی استفاده می شود. این آلیاژ مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارد که از خوردگی در محیط های آب شور محافظت می کند. همچنین مقاومت در برابر رسوب زیستی خوبی برای جلوگیری از تشکیل جلبک ها و خزه های دریایی دارد. آلیاژ آلومینیوم برنج دارای خواص مشابهی است و می تواند به عنوان جایگزین استفاده شود.

مبدل‌های حرارتی می‌توانند با فعال کردن بازیابی گرما از فرآیندهای صنعتی به ابتکارات پایداری کمک کنند. گرمای بازیافتی را می توان برای نیازهای گرمایشی یا پیش گرمایشی به قسمت های دیگر تأسیسات هدایت کرد و مصرف انرژی را به میزان قابل توجهی کاهش داد و انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش داد.

• سیستم های آب حرارتی خورشیدی

آبگرمکن های خورشیدی روشی مقرون به صرفه برای گرم کردن آب هستند که در آن یک لوله مسی انرژی حرارتی خورشیدی را برای مصارف خانگی یا صنعتی به آب منتقل می کند. در این سیستم‌ها، کلکتورهای خورشیدی تشعشعات خورشیدی را جذب می‌کنند، معمولاً به شکل طرح‌های صفحه تخت یا لوله‌ای تخلیه‌شده، که در آنجا به گرما تبدیل می‌شود. سپس چالش در انتقال این گرما به آب به شیوه ای کنترل شده و موثر است، جایی که مبدل های حرارتی وارد عمل می شوند.

در یک سیستم معمولی آب حرارتی خورشیدی، یک سیال انتقال حرارت – اغلب مخلوطی از آب و ضد یخ – از طریق کلکتورهای خورشیدی به گردش در می آید تا انرژی خورشیدی را جذب کند. این سیال گرم شده سپس از یک مبدل حرارتی عبور می کند و انرژی حرارتی خود را بدون اختلاط دو سیال به منبع آب خانگی منتقل می کند. این جداسازی حیاتی است، به خصوص زمانی که سیال انتقال حرارت شامل مواد غیر قابل شرب مانند ضد یخ باشد. مس به دلیل هدایت حرارتی بالای مس، مقاومت در برابر خوردگی هوا و آب و استحکام مکانیکی مس استفاده می شود.

• آبگرمکن های گازی

مبدل های حرارتی نقش اساسی در عملکرد آبگرمکن های گازی، به ویژه در سیستم های بدون مخزن یا “در صورت تقاضا” در بویلرهای مسکونی و تجاری ایفا می کنند. بر خلاف آبگرمکن‌های سنتی مخزنی که همیشه حجم زیادی از آب را گرم نگه می‌دارند، بخاری‌های گازی بدون مخزن از مبدل‌های حرارتی برای گرم کردن سریع آب در صورت نیاز استفاده می‌کنند که هم کارایی و هم در دسترس بودن آنی را ارائه می‌دهند.

در بخاری گازی بدون مخزن، با باز شدن شیر آب گرم، آب سرد به داخل واحد جریان می یابد. این کار مشعل گاز را فعال می کند که یک مبدل حرارتی فلزی را گرم می کند. هنگامی که آب بر روی مبدل حرارتی جریان می یابد، انرژی حرارتی از سطح فلز داغ به آب منتقل می شود و دمای آن را به سطح مورد نظر افزایش می دهد. طراحی مبدل حرارتی اجازه می دهد تا سطح بزرگی را در یک فضای فشرده ایجاد کند، سرعت انتقال حرارت را به حداکثر می رساند و آب گرم را به سرعت تحویل می دهد. برای آبگرمکن های گازی، مس به دلیل رسانایی حرارتی بالا و سهولت ساخت آن ترجیح داده می شود.

• گرمایش و سرمایش هوا

پمپ های حرارتی با استفاده از هوا از دیرباز برای گرمایش مسکونی و تجاری استفاده می شده است. آنها از طریق تبادل حرارت هوا به هوا از طریق واحدهای اواپراتور کار می کنند. آنها را می توان در کوره های چوبی، دیگ ها و اجاق ها استفاده کرد. مجدداً، مس معمولاً برای هدایت حرارتی بالای آن استفاده می شود.

• سینک های حرارتی

سینک های حرارتی نوعی مبدل حرارتی هستند که گرمای تولید شده توسط یک وسیله الکترونیکی یا مکانیکی را به سیال خنک کننده متحرک منتقل می کنند. سیال گرما را از دستگاه دور می کند و اجازه می دهد تا دمای مورد نظر خنک شود. از فلزات با هدایت حرارتی بالا استفاده می شود.

هیت سینک ها برای به حداکثر رساندن سطح در تماس با مایع خنک کننده طراحی شده اند و بسته به کاربرد آن می توانند از نظر طراحی متفاوت باشند. ممکن است از یک صفحه فلزی مسطح یا مجموعه ای پیچیده از باله ها، پین ها یا کانال هایی تشکیل شده باشد که برای افزایش سطح در دسترس برای دفع گرما طراحی شده اند.

رایانه ها از هیت سینک برای خنک کردن واحدهای پردازش مرکزی یا پردازنده های گرافیکی استفاده می کنند. در دستگاه‌های الکترونیکی مانند CPU و GPU، هیت سینک اغلب با یک فن جفت می‌شود تا به طور فعال هوا را از طریق پره‌ها به گردش درآورد و فرآیند خنک‌سازی را بهبود بخشد. سینک های حرارتی همچنین در دستگاه های پرقدرت مانند ترانزیستورهای قدرت، لیزرها و دیودهای ساطع کننده نور (LED) استفاده می شوند.

آلیاژهای آلومینیوم متداول ترین ماده هیت سینک هستند. این به این دلیل است که ضریب انتقال حرارتی آلومینیوم بالا است، سبک وزن و تولید آن آسان است و قیمت آن کمتر از مس است. با این حال، هدایت حرارتی مس بالا است و ممکن است در صورت نیاز مورد استفاده قرار گیرد. برخی از هیت سینک ها از ترکیب پره های آلومینیومی با پایه مسی استفاده می کنند.

• ظروف آشپزی

استفاده خانگی بیشتر از فلز با ضریب انتقال حرارتی خوب در ظروف پخت و پز است. شما نمی خواهید تمام روز منتظر بمانید تا غذایتان گرم شود. فلزاتی مانند آلومینیوم و مس به دلیل خواص حرارتی عالی معمولاً در ساخت قابلمه ها، تابه ها و سایر ظروف پخت و پز استفاده می شوند.

یکی از مزایای استفاده از فلز با رسانایی بالا، توزیع یکنواخت حرارت است. توزیع ضعیف گرما می تواند منجر به ایجاد نقاط داغ شود که غذا را به طور ناهموار طبخ می کند و خطر سوختن را افزایش می دهد. فلزات با ضریب انتقال حرارتی بالا گرما را به طور یکنواخت در سراسر سطح پخت پخش می کنند و از پخت یکنواخت و کامل غذا اطمینان حاصل می کنند و در نتیجه طعم و بافت آن را بهبود می بخشند.

ظروف پخت و پز ساخته شده از فلزات با ضریب انتقال حرارتی بالا سریعتر به تغییرات گرما پاسخ می دهند و امکان کنترل بهتر در طول پخت و پز را فراهم می کنند. این امر به ویژه برای دستور العمل هایی که نیاز به کنترل دقیق دما دارند، مانند آب کردن شکلات یا سس های در حال جوشیدن، بسیار مهم است. زمان‌های گرم‌کردن و خنک‌کردن سریع‌تر نیز به معنای هدر رفتن انرژی کمتری است که به کارایی کلی انرژی در آشپزخانه کمک می‌کند.

مس اغلب در کف ظروف با کیفیت بالا استفاده می شود زیرا فلز به سرعت گرما را هدایت می کند و آن را به طور یکنواخت در سطح خود پخش می کند. با این حال، اگر بودجه کمی دارید، می توانید از ظروف آلومینیومی به عنوان جایگزین استفاده کنید.

برای تعیین ضریب انتقال حرارتی فلزات، استانداردهای کلیدی شامل ASTM E1952 و ISO 22007 هستند. ASTM E1952 روش‌هایی برای اندازه‌گیری این ویژگی ارائه می‌دهد، در حالی که ISO 22007 به دقت بالای اندازه‌گیری ضریب انتقال حرارتی و خواص حرارتی دیگر مواد پرداخته است. این استانداردها به تضمین دقت و سازگاری نتایج آزمایش کمک می‌کنند.

فولاد حامیران؛ همراه شما در انتخاب فلزات با ضریب انتقال حرارتی مناسب

در پایان، بررسی ضریب انتقال حرارتی فلزات در انتخاب مواد برای پروژه‌های صنعتی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. ضریب انتقال حرارتی هر فلز، نقش تعیین‌کننده‌ای در کارایی و ایمنی سیستم‌های حرارتی و صنعتی دارد. فولاد حامیران با ارائه‌ی انواع فلزات و فولادهای باکیفیت، مشاوره تخصصی در زمینه انتخاب بهترین فلزات را برای پروژه‌های متنوع فراهم می‌کند. تیم متخصص فولاد حامیران می‌تواند شما را در انتخاب فلزی با ضریب انتقال حرارتی مطلوب و مناسب برای نیازهای خاص خود یاری دهد. برای دریافت اطلاعات بیشتر و مشاوره، با فولاد حامیران در تماس باشید.