標籤:傳熱熱物理

導熱係數是指在穩定傳熱條件下,1m厚的材料,兩側表面的溫差為1度(K,°C),在1小時內,通過1平方米面積傳遞的熱量,用λ表示,單位為瓦/(米·度),w/(m·k)(W/m·K,此處的K可用℃代替)。

1傅立葉定律

根據傅立葉定律,熱導率的定義式為
k_x=-\frac{q''_x}{\left(\frac{\partial T}{\partial x}\right)}
其中,x為熱流方向。
q^{''}_x
為該方向上的熱流密度,W/m^2
\frac{\partial T}{\partial x}
為該方向上的溫度梯度,單位是 W/(m.K)
對於各向同性的材料來說,各個方向上的熱導率是相同的。

2影響因素

導熱係數與材料的組成、結構、密度、含水率、溫度等因素有關。非晶體結構、密度較低的材料,導熱係數較小。材料的含水率低、溫度較低時,導熱係數較小。一般來說,固體的熱導率比液體的大,而液體的又要比氣體的大。這種差異很大程度上是由於這兩種狀態分子間距不同所導致的。

3保溫材料

通常把導熱係數較低的材料稱為保溫材料(中國國家標準規定,凡平均溫度不高於350℃時導熱係數不大於0.12W/(m·K)的材料稱為保溫材料),而把導熱係數在0.05 W/(m.K)以下的材料稱為高效保溫材料。
導熱係數高的物質有優良的導熱性能。在熱流密度和厚度相同時,物質高溫側壁面與低溫側壁面間的溫度差,隨導熱係數增大而減小。鍋爐爐管在未結水垢時,由於鋼的導熱係數高,鋼管的內外壁溫差不大。而鋼管內壁溫度又與管中水溫接近,因此,管壁溫差(內外壁溫度平均值)不會很高。但當爐管內壁結水垢時,由於水垢的導熱係數很小,水垢內外側溫差隨水垢厚度增大而迅速增大,從而把管壁金屬溫度迅速抬高。當水垢厚度達到相當大(一般為1~3毫米)后,會使爐管管壁溫度超過允許值,造成爐管過熱損壞。對鍋爐爐牆及管道的保溫材料來講,則要求導熱係數越低越好。一般常把導熱係數小於0.2W/(m·K)。的材料稱為保溫材料。例如石棉、珍珠岩等。

4材料熱導率

液體
液體分成金屬液體和非金屬液體兩類,前者導熱係數較高,後者較低。在非金屬液體中,水的導熱係數最大,除去水和甘油外,絕大多數液體的導熱係數隨溫度升高而略有減小。一般來說,溶液的導熱係數低於純液體的導熱係數。表2列出了幾種液體的導熱係數值。
表 2 液體的導熱係數
液體

溫度,℃
導熱係數λ,W/m·K
醋酸
50%
20
0.35
丙酮

30
0.17
苯胺

0~20
0.17

30
0.16
氯化鈣鹽水
30%
30
0.55
乙醇
80%
20
0.24
甘油
60%
20
0.38
甘油
40%
20
0.45
正庚烷

30
0.14
水銀

28
8.36
硫酸
90%
30
0.36
硫酸
60%
30
0.43

30
0.62

氣體

氣體的導熱係數隨溫度升高而增大。在通常的壓力範圍內,其導熱係數隨壓力變化很小,只有在壓力大於196200kN/m^2 ,或壓力小於2.67 kN/m 2 (20mmHg) 時,導熱係數才隨壓力的增加而加大。故工程計算中常可忽略壓力對氣體導熱係數的影響。
氣體的導熱係數很小,故對導熱不利,但對保溫有利。常見的幾種氣體的導熱係數值見表3 。
表 3 氣體的導熱係數
氣體
溫度,℃
導熱係數λ,W/m·K
0
0.17
二氧化碳
0
0.015
空氣
0
0.024
空氣
100
0.031
甲烷
0
0.029
水蒸汽
100
0.025
0
0.024
乙烯
0
0.017
0
0.024
乙烷
0
0.018
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