Что такое теплоотдача металла


Теплопроводность металлов и сплавов: таблица

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

Металл

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

- 100

0

100

300

700

Алюминий

2,45

2,38

2,30

2,26

0,9

Бериллий

4,1

2,3

1,7

1,25

0,9

Ванадий

0,31

0,34

Висмут

0,11

0,08

0,07

0,11

0,15

Вольфрам

2,05

1,90

1,65

1,45

1,2

Гафний

 —

0,22

0,21

Железо

0,94

0,76

0,69

0,55

0,34

Золото

3,3

3,1

3,1

Индий

0,25

Иридий

1,51

1,48

1,43

Кадмий

0,96

0,92

0,90

0,95

0,44 (400°)

Калий

0,99

0,42

0,34

Кальций

0,98

Кобальт

0,69

Литий

0,71

0,73

Магний

1,6

1,5

1,5

1,45

 Медь

4,05

3,85

3,82

3,76

3,50

Молибден

1,4

1,43

 —

1,04 (1000°)

Натрий

1,35

1,35

0,85

0,76

0,60

Никель

0,97

0,91

0,83

0,64

0,66

Ниобий

0,49

0,49

0,51

0,56

Олово

0,74

0,64

0,60

0,33

Палладий

0,69

0,67

0,74

Платина

0,68

0,69

0,72

0,76

0,84

Рений

0,71

Родий

1,54

1,52

1,47

Ртуть

0,33

0,09

0.1

0,115

Свинец

0,37

0,35

0,335

0,315

0,19

Серебро

4,22

4,18

4,17

3,62

Сурьма

0,23

0,18

0,17

0,17

0,21

Таллий

 

0,41

0,43

0,49

0,25 (400 0)

Тантал

0,54

0,54

Титан

0,16

0,15

Торий

0,41

0,39

0,40

0,45

Уран

0,24

0,26

0,31

0,40

Хром

0,86

0,85

0,80

0,63

Цинк

1,14

1,13

1,09

1,00

0,56

Цирконий

0,21

0,20

0,19

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.

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.

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

Как передается тепло? Проводимость - Конвекция - Излучение

Что такое тепло?

Вся материя состоит из молекул и атомов. Эти атомы всегда находятся в разных типах движения (поступательное, вращательное, колебательное). Движение атомов и молекул создает тепло или тепловую энергию. Вся материя обладает этой тепловой энергией. Чем больше движения имеют атомы или молекулы, тем больше тепла или тепловой энергии они будут иметь.

Это анимация, сделанная из короткого молекулярного динамического моделирование воды.Зеленые линии представляют водородные связи между кислородом и водород. Обратите внимание на плотную структуру воды

Водородные связи намного слабее ковалентных связей. Однако при большом количестве водорода облигации действуют в унисон, они окажут сильное влияние. В этом случае в воде показано здесь.

Жидкая вода имеет частично заказанный структура, в которой постоянно образуются и разрываются водородные связи. Из-за небольшой шкалы времени (порядка нескольких пикосекунд) мало связей

Что такое температура?

Из видео выше, где показано движение атомов и молекул, видно, что некоторые движутся быстрее, чем другие.Температура - это среднее значение энергии для всех атомов и молекул в данной системе. Температура не зависит от количества вещества в системе. Это просто среднее значение энергии в системе.

Как передается тепло?

Тепло может передаваться из одного места в другое тремя способами: проводимостью, конвекцией и излучением. И теплопроводность, и конвекция требуют вещества для передачи тепла.

Если существует разница температур между двумя системами, тепло всегда найдет способ перейти от более высокой системы к более низкой.

ПРОВОДИМОСТЬ - -

Проводимость - это передача тепла между веществами, находящимися в непосредственном контакте друг с другом. Чем лучше проводник, тем быстрее будет передаваться тепло. Металл хорошо проводит тепло. Проводимость возникает, когда вещество нагревается, частицы получают больше энергии и больше вибрируют. Затем эти молекулы сталкиваются с соседними частицами и передают им часть своей энергии.Затем это продолжается и передает энергию от горячего конца к более холодному концу вещества.

КОНВЕКЦИЯ -

Тепловая энергия передается из жарких мест в холодные посредством конвекции. Конвекция возникает, когда более теплые области жидкости или газа поднимаются к более холодным областям жидкости или газа. Более холодная жидкость или газ тогда заменяют более теплые области, которые поднялись выше. Это приводит к непрерывной схеме циркуляции.Кипящая вода в кастрюле - хороший пример таких конвекционных потоков. Еще один хороший пример конвекции - это атмосфера. Поверхность земли нагревается солнцем, теплый воздух поднимается вверх, а прохладный входит внутрь.

ИЗЛУЧЕНИЕ- -

Излучение - это метод передачи тепла, который не зависит от какого-либо контакта между источником тепла и нагретым объектом, как в случае с теплопроводностью и конвекцией. Тепло может передаваться через пустое пространство с помощью теплового излучения, которое часто называют инфракрасным излучением.Это разновидность электромагнитного излучения. В процессе излучения не происходит обмена масс и среды. Примеры излучения - это тепло солнца или тепло, выделяемое нитью лампочки.

ВЫБОР ИСТОЧНИКОВ И ЧИТАТЕЛЕЙ -

Тепло и температура от Cool Cosmo - НАСА

Вот хороший апплет для демонстрации движения молекул - вы можете контролировать температуру и видеть в этом апплете, как меняются движения молекул.

Важные температуры в кулинарии и кулинарных навыках

.

Что такое теплопередача? (с иллюстрациями)

Теплопередача - это процесс перемещения тепла из места, где существует много тепла, в другое место. В физике учат, что это в основном достигается одним из трех способов: проводимостью, конвекцией или излучением. В некотором смысле использование этих знаний помогает людям управлять тепловой энергией наиболее выгодными способами.

Кастрюля на конфорке печи передает тепло за счет теплопроводности.

Понимание принципов теплопередачи помогает людям выполнять ряд видов деятельности более эффективно. Теплопередача играет жизненно важную роль в жизни каждого человека - от обеспечения достаточного тепла в доме до предоставления возможностей для приготовления различных блюд. Использование теплопередачи практически безгранично.

Пар передает тепло воздуху, поэтому его часто используют для обогрева зданий.

Электропроводность - один из наиболее распространенных способов передачи тепла. Это достигается путем передачи тепла через материю от одного атома к другому. Чаще всего это происходит, когда кусок металла, такой как кухонная ложка, слишком долго остается в горячей жидкости. Тепло поднимется по ложке. Некоторые материалы обладают большей проводимостью, чем другие, поэтому металлические кастрюли часто имеют резиновые ручки, а кухонная утварь также бывает деревянной и пластиковой.

Электропроводность - это тип теплопередачи, который можно легко испытать и другими способами, например, при удерживании куска металла. Часто металл будет холодным на ощупь, даже если на самом деле его температура такая же, как и у всего остального в комнате или помещении.На самом деле происходит теплообмен между вашим телом и металлом. Металл фактически отводит тепло от вашей кожи.

Конвекция - это фактическое физическое перемещение тепла из одного места в другое в форме жидкости или газа.Обычно горячий воздух и тепло в целом поднимается вверх, поэтому пар из кипящего котла поднимается вверх. Эта концепция может быть наглядно продемонстрирована в жаркий день и отвечает за умеренные температуры около океанов и заметные бризы. По мере того, как теплый воздух поднимается с суши днем ​​и ранним вечером, более прохладный воздух над водой входит и занимает свое место, вызывая ветер к берегу.

Утром все наоборот.Поскольку воздух над водой не остывает так быстро, утром он поднимается вверх и заменяется воздухом над сушей. Таким образом, морской бриз в это время действительно дует в сторону моря.

Другой тип теплопередачи - излучение. Хотя многие забеспокоились, услышав о вредных последствиях излучения и его способности вызывать рак, этот тип теплопередачи отвечает за большую часть тепла, получаемого нашей планетой.Излучение возникает, когда тепло распространяется через электромагнитные волны через кажущиеся пустыми пустоты, такие как солнечное тепло, перемещающееся в космосе. Радиация отвечает за традиционную выпечку, а также за приготовление пищи в микроволновой печи.

.

Что такое теплопередача? | SimScale CAE SimWiki Learning

В общем, теплопередача описывает поток тепла (тепловой энергии) из-за разницы температур и последующего распределения и изменений температуры.

Изучение явлений переноса касается обмена импульсом, энергией и массой в форме проводимости, конвекции и излучения. Эти процессы можно описать математическими формулами.

Основы этих формул находятся в законах сохранения импульса, энергии и массы в сочетании с основными законами, соотношениями, которые описывают не только сохранение, но и поток величин, участвующих в этих явлениях. Для этого используются дифференциальные уравнения, чтобы наилучшим образом описать упомянутые законы и определяющие соотношения. Решение этих уравнений - эффективный способ исследования систем и прогнозирования их поведения.

Рисунок 1: Охлаждение радиатора с помощью SimScale, показывающее распределение температуры

История и терминология

Без внешней помощи тепло всегда будет течь от горячих объектов к холодным, что является прямым следствием второго закона термодинамики .

Мы называем это тепловым потоком . В начале девятнадцатого века ученые считали, что все тела содержат невидимую жидкость, называемую калорической (безмассовая жидкость, которая, как считается, течет от горячих объектов к холодным).Калорийности были присвоены свойства, некоторые из которых оказались несовместимыми с природой (например, она имела вес, и ее нельзя было создать или уничтожить). Но самой важной его особенностью было то, что она могла перетекать из горячих тел в холодные. Это был очень полезный способ думать о тепле.

Томпсон и Джоуль показали, что эта теория калорий неверна. Тепло - это не вещество, как предполагалось, а движение на молекулярном уровне (так называемая кинетическая теория , ).5 \).

Поток тепла происходит постоянно от любого физического объекта к окружающим его объектам. Тепло постоянно течет от вашего тела в окружающий вас воздух. Небольшое плавучее (или конвективное) движение воздуха будет продолжаться в комнате, потому что стены никогда не могут быть идеально изотермическими, как в теории. Единственная область, свободная от теплового потока, должна быть изотермической и полностью изолированной от любой другой системы, допускающей передачу тепла. Такую систему создать практически невозможно.1 \).

Феноменология

Теплопередача - это передача тепловой энергии за счет градиента температуры.


Методы теплопередачи

Рис. 2: Проводимость, конвекция и излучение происходят одновременно.

Проводимость

Закон Фурье : Жозеф Фурье (см. Рисунок 3) опубликовал свою книгу «Аналитическая теория Шалёра» в 1822 году.

Рисунок 3: Жозеф Фурье - французский математик и физик

В этой книге он сформулировал полную теорию теплопроводности.Он заявил эмпирический закон, а именно. закон Фурье, который гласит, что тепловой поток (\ (q \), возникающий в результате теплопроводности, прямо пропорционален величине температурного градиента. Если мы назовем константу пропорциональности \ (k \), это означает

$$ q = -k \ frac {dT} {dx} \ tag {1} $$

Константа \ (k \) называется теплопроводностью с размерами \ (\ frac {W} {m * K} \) или \ (\ frac {J} {m * s * K} \).

Учтите, что тепловой поток - величина векторная! Уравнение (1) говорит нам, что если температура уменьшается с \ (x \), \ (q \) будет положительным i.е. он будет течь в положительном \ (x \) - направлении. Если \ (T \) увеличивается с \ (x \), \ (q \) будет отрицательным; он будет течь в отрицательном \ (x \) - направлении. В любом случае \ (q \) будет течь от более высоких температур к более низким температурам, как уже упоминалось. Уравнение (1) представляет собой одномерную формулировку закона Фурье. Трехмерный эквивалент формы:

$$ \ overrightarrow {q} = -k \ nabla T $$

, где \ (\ nabla \) обозначает градиент.

В одномерных задачах теплопроводности нет проблемы с определением направления теплового потока.1 \).

Теплопроводность газов можно понять с помощью воображения молекул. Эти молекулы перемещаются из одного положения в другое посредством теплового движения, как показано на рисунке ниже:

Рисунок 4: Теплопроводность газа

Внутренняя энергия молекул передается посредством удара с другими молекулами. Области с низкими температурами будут заняты молекулами с высокими температурами, и наоборот. Теплопроводность можно объяснить с помощью этого воображения и вывести с помощью кинетической теории газов :

$$ T = \ frac {2} {3} \ frac {K} {N k_B} $$

, в котором говорится, что «средняя кинетическая энергия молекул прямо пропорциональна абсолютной температуре идеального газа» \ (^ 6 \).Теплопроводность не зависит от давления и увеличивается корнем от температуры.

Эту теорию довольно сложно понять для других объектов, кроме металлов. А для жидкостей это еще сложнее, потому что не существует простой теории. В неметаллических компонентах теплопередача осуществляется посредством колебаний решетки (Фонон). Теплопроводность , передаваемая фононами, также существует в металлах, но ее превосходит проводимость электронов.

Низкая теплопроводность изоляционных материалов, таких как полистирол или стекловата, основана на принципе низкой теплопроводности воздуха (или любого другого газа).В следующей таблице перечислены некоторые из часто используемых элементов / материалов и их теплопроводность:

Материал Теплопроводность \ (Вт / (мК) \)
Кислород 0,023
Пар 0,0248
0,0248
Вода 0,5562
Стекло 0,76
Бетон 2.1
Сталь высоколегированная 15
Сталь нелегированная 48-58
Железо 80,2
Медь чистая 9010
Таблица 1: Теплопроводность различных материалов

Аналогичные определения

Теплопередача: Плотность теплового потока \ (\ propto \) grad T (Теплопроводность)

Диффузия: Частичная плотность тока \ (\ propto \) grad x (Коэффициент диффузии)

Электропровод: Плотность тока \ (\ propto \) grad \ (U_ {el} \) (Электропроводность)

Радиация

Радиация описывает явление передачи энергии от одного тела к другому путем распространения через среду.Все тела постоянно излучают энергию электромагнитным излучением. Интенсивность такого потока энергии зависит не только от температуры тела, но и от характеристик поверхности. Если вы сидите перед костром, большая часть тепла, которое достигает вас, - это лучистая энергия. Очень часто излучением энергии или лучистой теплопередачей от более холодных тел можно пренебречь по сравнению с конвекцией и теплопроводностью. Процессы теплопередачи, происходящие при высокой температуре, или когда проводимость или конвекция подавляются вакуумной изоляцией, обычно включают значительную долю излучения \ (^ 1 \).7 \).

Электромагнитное излучение можно рассматривать как поток фотонов, каждый из которых движется по волнообразной схеме, движется со скоростью света и несет энергию. Различные электромагнитные излучения классифицируются по энергии фотонов в них. Важно помнить, что если мы говорим об энергии фотона, поведение может быть либо волной, либо частицей, называемой светом «дуальность волна-частица ».

Каждый квант лучистой энергии имеет длину волны \ (\ lambda \) и частоту \ (\ nu \), связанную с ним.{-34} Js) \).

В приведенной ниже таблице показаны различные формы в диапазоне длин волн. Тепловое излучение от 0,1 до 1000 \ (\ мкм м \).

3-400 \ (нм \)
Характеристика Длина волны
Гамма-лучи 0,3 100 \ (пм \)
Рентгеновские лучи 0,01-30 \ (нм \)
Видимый свет 0,4-0,7 \ (мкм \)
Ближнее инфракрасное излучение 0.7-30 \ (\ мкм \)
Дальнее инфракрасное излучение 30-1000 \ (\ мкм \)
Микроволны 10-300 \ (мм \)
Коротковолновое радио TV 300 \ (мм \) - 100 \ (м \)
Таблица 2: Спектр электромагнитных волн

Тело, которое может излучать излучение \ ((\ dot {Q_E}) \), также может отражать \ (( \ dot {Q_R}) \), пропускают \ ((\ dot {Q_T}) \) и поглощают \ ((\ dot {Q_A}) \) падающее излучение.

Рисунок 5: Излучение в теле с испусканием, пропусканием, поглощением и отражением

$$ \ dot {Q} = \ dot {Q_A} + \ dot {Q_T} + \ dot {Q_R} $$

$$ 1 = \ frac {\ dot {Q_A}} {\ dot {Q}} + \ frac {\ dot {Q_T}} {\ dot {Q}} + \ frac {\ dot {Q_R}} {\ точка {Q}} $$

$$ 1 = \ alpha ^ S + \ tau ^ S + \ rho ^ S $$

где

$$ \ alpha ^ S: \ text {Поглощение} $$

$$ \ tau ^ S: \ text {Transmittance} $$

$$ \ rho ^ S: \ text {Отражение} $$

Различные материалы обычно классифицируются в соответствии с их радиационными характеристиками как:


Черное тело: \ (\ quad \) \ (\ alpha ^ S = 1 \) \ (\ quad \) \ (\ rho ^ S = 0 \) \ (\ quad \) \ (\ tau ^ S = 0 \)

Серое тело: \ (\ quad \) \ (\ alpha ^ S, \ rho ^ S \) и \ (\ tau ^ S \), однородные для всех длин волн.2 \).

Конвекция

Рассмотрим ситуацию конвективного охлаждения. Холодный газ проходит мимо теплого тела, как показано на рисунке ниже:

Рисунок 6: Конвективное охлаждение нагретого тела происходит в результате теплообмена между двумя телами аналогично теплопроводности.

Жидкость образует тонкую замедленную область, называемую пограничным слоем, непосредственно прилегающую к телу. В этот слой передается тепло, который исчезает и смешивается с потоком. Мы называем этот процесс отвода тепла от тела движущейся жидкостью конвекцией .1 \).

Стационарная форма закона Ньютона охлаждения, определяющая свободную конвекцию, описывается следующей формулой:

$$ Q = h (T_ {body} - T_ \ infty) $$

, где \ (h \) - коэффициент теплопередачи . Этот коэффициент можно обозначить полосой \ (\ overline {h} \), которая указывает среднее значение по поверхности тела. \ (h \) без черты обозначает «локальные» значения коэффициента.

В зависимости от того, как инициируется движение жидкости, мы можем классифицировать конвекцию как естественная (свободная) или принудительная конвекция . Естественная конвекция вызвана, например, эффектами плавучести (теплая жидкость поднимается, а холодная опускается из-за разницы в плотности). В другом случае принудительная конвекция заставляет жидкость перемещаться внешними средствами, такими как вентилятор, ветер, охлаждающая жидкость, насос, всасывающие устройства и т. Д.

Перемещение твердого компонента в жидкость также можно рассматривать как принудительную конвекцию. Естественная конвекция может создать заметную разницу температур в доме или квартире. Мы осознаем это, потому что одни части дома теплее других.3 \).

Анализ тепла методом CFD - структурная теплопередача

Рисунок 8: Структурный анализ теплопередачи по сравнению с анализом жидкость-твердое тело

Анализ структурной теплопередачи используется, когда:

  • Можно предположить, что температура жидкости однородна вокруг твердой части
  • Исследование поведения конструктивных элементов только при нагревании
  • Исследование напряжения и деформации детали, вызванной тепловой нагрузкой (анализ термического напряжения)

Связано Анализ теплопередачи (жидкость-твердое тело) используется, когда:

  • Необходимо изучить распределение жидкости вокруг твердого тела
  • Исследование влияния объекта на жидкость
  • Исследование естественного охлаждения

Анализ теплопередачи - линейный статический анализ

Проведите быстрое сравнение двух анализов в таблице ниже:

90 ( k )
Категория Структурный анализ (линейный статический) Анализ теплопередачи (установившееся состояние)
Свойства материала
Модуль Юнга ( E 134) Теплопроводность
Законы Закон Хука \ (\ sigma = E \ cdot \ frac {du} {dx} \) Закон Фурье \ (q = -k \ cdot \ frac {dT} { dx} \)
Степень свободы
(DOF)
Смещение ( u ) Температура ( T )
Градиент DOF Деформация \ (\ epsilon \) Напряжение \ (\ epsilon \) \ sigma \) Температурный градиент \ ((\ nabla T) \)
Сходства Осевая сила на единицу длины: Q Площадь поперечного сечения: A Модуль Юнга: E Внутренний тепловыделение на единицу длины: Q Площадь поперечного сечения: A Теплопроводность: k
Таблица 3: Анализ теплопередачи в сравнении со структурным анализом

Применение термического анализа

Термический - структурный анализ

Heat Transfer учитывает энергетический баланс исследуемых систем.При исследовании термомеханических компонентов также могут учитываться деформации конструкции, вызванные воздействием тепловых нагрузок на твердые тела. Моделирование реакции напряжения на тепловые нагрузки и отказы важно для многих промышленных приложений. Примером приложения является анализ теплового напряжения печатной платы.

Рисунок 9: Печатная плата - смоделирована с помощью SimScale. Области, отмеченные красным цветом, являются «горячими» точками и могут деформировать материал.

Сопряженная теплопередача

Моделирование сопряженной теплопередачи (CHT) анализирует сопряженную теплопередачу в жидкостях и твердых телах.Прогнозирование потока жидкости с одновременным анализом теплопередачи, которая имеет место на границе жидкость / твердое тело, является важной особенностью моделирования CHT. Одна из областей, в которой он может использоваться, - охлаждение электроники (см. Рисунок 1).

Проводимость

Теоретически тепло передается от горячего объекта к холодному. Электропроводность - это передача тепла от горячего к холодному объекту, находящемуся в непосредственном контакте друг с другом. Теплопроводность различных объектов определяет, сколько тепла передается в данный момент времени.Примеры включают лампочки CFL.

Конвекция

Конвективная теплопередача - это передача тепла между двумя зонами без физического контакта. Конвективные токи возникают, когда молекулы поглощают тепло и начинают двигаться. Как вы понимаете, эти эффекты трудно предсказать, поэтому для получения надежных результатов моделирования требуется высокая вычислительная мощность. Одним из таких приложений является охлаждение материнской платы Raspberry pi.

Радиация

Электромагнитные волны являются источником передачи тепла посредством излучения.Обычно они играют роль при высоких температурах. Количество тепла, излучаемого излучением, зависит от типа поверхности материала. Общее правило состоит в том, что чем больше поверхность, тем выше излучение. Применение, в котором используется моделирование излучения, - это лазерная сварка.

Термический анализ SimScale

Многие материалы и продукты обладают температурно-зависимыми характеристиками, что делает анализ нагрева и управление температурным режимом критически важным процессом при разработке продукта.Модуль теплопередачи платформы онлайн-моделирования SimScale позволяет прогнозировать воздушный поток, распределение температуры и теплопередачу. Это включает в себя конвекцию, проводимость и излучение, чтобы обеспечить производительность, долговечность и энергоэффективность ваших конструкций.

Анимация 1: тепловое моделирование с использованием SimScale, показывающее движущуюся горячую лазерную точку на зубе.

Последнее обновление: 12 октября 2020 г.

Считаете ли вы эту статью полезной?
Как мы можем добиться большего?

Мы ценим и ценим ваши отзывы.

Отправьте свой отзыв