ضریب انتقال حرارتی فلزات

در دنیایی که توسط فناوری و نوآوری هدایت می‌شود، نقش فلزات، به‌ویژه فلزات رنگین، در زندگی روزمرۀ 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 و معماران و دانشمندان مواد در انتخاب فلز برای کاربرد خاص در نظر می‌گیرند، هدایت حرارتی آن است.

این به چه معناست و کدام فلزات در هدایت گرما برتری دارند؟

ضریب انتقال حرارتی چیست؟

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

هنگامی که ماده دارای ضریب انتقال حرارتی بالایی است، به این معنی است که گرما به‌سرعت 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 به‌ عنوان گزینه‌های مطلوب مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کدام فلزات گرما را بهتر هدایت می کنند

وقتی صحبت از هدایت حرارتی می‌شود، همۀ فلزات یکسان نیستند. برخی رسانای استثنایی گرما هستند، در حالی که برخی دیگر بهتر به عنوان عایق استفاده می‌شوند. بیایید نگاهی دقیق‌تر به رتبه‌بندی فلزات مختلف برای هدایت حرارتی بیندازیم.

فلزات رایج بر اساس رسانایی حرارتی رتبه بندی شده‌اند

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

همان طور که می‌بینید، مس و آلومینیوم دارای بالاترین ضریب انتقال حرارتی در بین فلزات رایج‌تر هستند، در حالی که فولاد و برنز کمترین رسانایی حرارتی را دارند. رسانایی گرما هنگام تصمیم‌گیری برای استفاده از کدام فلز برای کاربرد خاص، اساسی است. از آن جایی که مس دارای ضریب انتقال حرارتی عالی گرما است، برای مبدل‌های حرارتی، سینک‌های حرارتی، و حتی کف قابلمه مناسب است. از آن جایی 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 برای انتقال مؤثر گرما از یک رسانه به رسانۀ دیگر طراحی شده است. دیوار جامد معمولاً دو محیط را از هم جدا می‌کند تا از اختلاط جلوگیری شود، اگرچه برخی از مبدل‌های حرارتی تخصصی اجازۀ تماس مستقیم بین رسانه‌ها را می‌دهند.

راندمان 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 انتخاب محبوب برای مبدل‌های حرارتی در تأسیسات صنعتی، تهویه مطبوع، تبرید، مخازن آب گرم، و سیستم‌های گرمایش از کف است. ضریب انتقال حرارتی بالای آن باعث می‌شود گرما به‌سرعت از آن عبور کند. مس دارای خواص اضافی مطلوب در مبدل‌های حرارتی است، از جمله مقاومت در برابر خوردگی، رسوب زیستی، تنش و انبساط حرارتی.

آلومینیوم نیز می‌تواند به عنوان جایگزین مقرون به صرفه‌تر در برخی از برنامه‌های مبدل حرارتی استفاده شود.

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

مبدل های حرارتی پوسته و لوله

شامل یک پوسته (یک ظرف بزرگ) با بسته‌ای از لوله‌ها در داخل است. یکی از سیال‌ها در لوله‌ها جریان دارد و سیال دیگر در خارج از لوله‌ها اما در داخل پوسته جریان دارد.

مبدل های حرارتی صفحه ای

از صفحات موجدار که روی هم قرار گرفته‌اند تشکیل شده است. سیالات بین صفحات جریان دارند و الگوی موجدار انتقال حرارت را افزایش می‌دهد.

مبدل‌های حرارتی لوله پره‌دار

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

مبدل های حرارتی Plate-Fin

صفحات و باله‌ها را ترکیب می کند و اغلب در برنامه‌هایی استفاده می شود که اندازۀ فشرده و کارایی آن بسیار مهم است، مانند موتورهای هواپیما.

مبدل های حرارتی احیا کننده

از یک سیال منفرد استفاده می‌کند که به طور متناوب از یک مبدل گرم و سرد برای صرفه‌جویی در انرژی و بهبود کارایی عبور می‌کند

مبدل های حرارتی تماس مستقیم

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

کاربرد مبدل های حرارتی

• تاسیسات صنعتی

کاربرد مبدل‌های حرارتی در تأسیسات صنعتی شامل نیروگاه‌های فسیلی و هسته‌ای، نیروگاه‌های شیمیایی، نیروگاه‌های نمک‌زدایی، و خدمات دریایی می‌باشد.

در تأسیسات صنعتی از آلیاژ مس نیکل برای ساخت لولۀ مبدل حرارتی استفاده می‌شود. این آلیاژ مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارد که از خوردگی در محیط‌های آب شور محافظت می‌کند. همچنین مقاومت در برابر رسوب زیستی خوب برای جلوگیری از تشکیل جلبک‌ها و خزه‌های دریایی دارد. آلیاژ آلومینیوم برنج دارای خواص مشابهی است و می‌تواند به عنوان جایگزین استفاده شود.

• سیستم های آب حرارتی خورشیدی

آبگرمکن‌های خورشیدی روشی مقرون به صرفه برای گرم کردن آب هستند که در آن لولۀ مسی انرژی حرارتی خورشیدی را برای مصارف خانگی یا صنعتی به آب منتقل می‌کند. در این سیستم‌ها، کلکتورهای خورشیدی تشعشعات خورشیدی را جذب می‌کنند، معمولاً به شکل طرح‌های صفحه تخت یا لوله‌ای تخلیه‌شده، که در آن جا به گرما تبدیل می‌شود. در انتقال گرما به آب به شیوه‌ای کنترل‌شده و مؤثر، مبدل‌های حرارتی وارد عمل می‌شوند.

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

• آبگرمکن های گازی

مبدل‌های حرارتی در عملکرد آبگرمکن‌های گازی، به‌ویژه در سیستم‌های بدون مخزن یا “در صورت تقاضا” در بویلرهای مسکونی و تجاری، نقش اساسی ایفا می‌کنند. 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 می‌یابد. این کار مشعل گاز را فعال می‌کند که مبدل حرارتی فلزی را گرم می‌کند. هنگامی که آب بر روی مبدل حرارتی جریان می‌یابد، انرژی حرارتی از سطح فلز داغ به آب منتقل می‌شود و دمای آن را به میزان مورد نظر افزایش می‌دهد. طراحی مبدل حرارتی اجازه می‌دهد تا سطح بزرگی را در فضای فشرده ایجاد کند، سرعت انتقال حرارت را به حداکثر می‌رساند، و آب گرم را به‌سرعت تحویل می‌دهد. برای آبگرمکن‌های گازی، مس به دلیل رسانایی حرارتی بالا و سهولت ساخت آن ترجیح داده می‌شود.

• گرمایش و سرمایش هوا

پمپ‌های حرارتی با استفاده از هوا از دیرباز برای گرمایش محیط مسکونی و تجاری استفاده می‌شده است. آنها از طریق تبادل حرارت هوا به هوا از طریق واحدهای اواپراتور کار می‌کنند. آنها را می‌توان در کوره‌های چوبی و دیگ‌ها و اجاق‌ها استفاده کرد. این جا نیز، مس معمولاً برای هدایت حرارتی بالای آن استفاده می‌شود.

• سینک های حرارتی

هیت سینک (heat sink) برای به حداکثر رساندن سطح در تماس با مایع خنک‌کننده طراحی می‌شود و بسته به کاربرد آن ممکن است از نظر طراحی متفاوت باشد. ممکن است از صفحۀ فلزی مسطح یا مجموعه‌ای پیچیده از باله‌ها یا پین‌ها یا کانال‌هایی تشکیل شده باشد که برای افزایش سطح در دسترس برای دفع گرما طراحی شده‌اند.

رایانه‌ها از هیت سینک برای خنک کردن واحدهای پردازش مرکزی یا پردازنده‌های 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. سینک‌های حرارتی همچنین در دستگاه‌های پرقدرت مانند ترانزیستورهای قدرت و لیزرها و دیودهای ساطع‌کنندۀ نور (LED) استفاده می‌شوند.

آلیاژهای آلومینیوم متداول‌ترین مادۀ هیت سینک هستند. این به این دلیل است که ضریب انتقال حرارتی آلومینیوم بالا است، سبک‌وزن 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 سینک‌ها از ترکیب پره‌های آلومینیومی با پایۀ مسی استفاده می‌کنند.

• ظروف آشپزی

در استفادۀ خانگی و ظروف پخت و پز، فلزات با ضریب انتقال حرارتی خوب به کار می‌روند. شما نمی‌خواهید تمام روز منتظر بمانید تا غذایتان گرم شود. فلزاتی مانند آلومینیوم و مس به دلیل خواص حرارتی عالی معمولاً در ساخت قابلمه و تابه و سایر ظروف پخت و پز استفاده می‌شوند.

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

ظروف پخت و پز ساخته‌شده از فلزات با ضریب انتقال حرارتی بالا، سریع‌تر به تغییرات گرما واکنش می‌دهند و امکان کنترل بهتر در طول پخت و پز را فراهم می‌کنند. این امر به‌ویژه برای دستور العمل‌هایی که نیاز به کنترل دقیق دما دارند، مانند آب کردن شکلات یا سس‌های در حال جوشیدن، بسیار مهم است. زمان‌های گرم‌ کردن و خنک‌ کردن 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 می‌شود زیرا این فلز به‌سرعت گرما را هدایت می‌کند و آن را به طور یکنواخت در سطح ظرف پخش می‌کند. با این حال، اگر بودجۀ کمی دارید، می‌توانید 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 ارائۀ انواع فلزات و فولادهای باکیفیت، مشاورۀ تخصصی در زمینۀ 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.