РУЛОН · ТОНКИЙ ЛИСТ · ТОЛСТЫЙ ЛИСТ

ФИЗИЧЕСКОЕ СВОЙСТВО

Теплопроводность стали

Сравните теплопроводность сталей при заданной температуре и рассчитайте поток через пластину с учётом границ модели, контактов и конвекции.

Теплопроводность стали показывает, насколько легко тепло проходит через металл при наличии градиента температуры. Её обозначают k или λ и обычно выражают в Вт/(м·К). Значение зависит от марки, температуры и состояния материала. В опубликованных справочных данных при 20°C приведены 52 Вт/(м·К) для углеродистой стали UNS G10200, 15 для сталей 304 и 316 и 25 для ферритной стали 430. Это значения для сравнения в указанных условиях, а не гарантированные характеристики любой поставки.

Расчёт теплопередачи также требует геометрии и граничных условий. Тонкий нержавеющий лист может создавать небольшое сопротивление потоку тепла через толщину, хотя его теплопроводность ниже, чем у многих углеродистых сталей.

Что характеризует теплопроводность

Коэффициент теплопроводности связывает локальную плотность теплового потока с градиентом температуры. Для одномерной теплопроводности закон Фурье имеет вид q″ = −k(dT/dx), где q″ — мощность теплового потока на единицу площади, Вт/м², а dT/dx — температурный градиент, К/м. Знак минус показывает направление переноса к более низкой температуре.

Для однородной плоской пластины при постоянном k стационарный тепловой поток равен Q̇ = kA(T₁ − T₂)/L. Здесь A — площадь, перпендикулярная потоку; L — длина пути теплопроводности; T₁ и T₂ — температуры горячей и холодной поверхностей. Упрощённая формула предполагает одномерность, отсутствие внутренних источников тепла и пренебрежимо малые краевые потери. Результат в ваттах выражает скорость передачи энергии, а не запасённую энергию.

Перенос тепла через стальную пластину от горячей поверхности к холодной с указанием длины пути и перпендикулярной потоку площади.
Длину выбирают вдоль пути тепла. При переносе через толщину и вдоль полосы используются разные длины и площади.

Сравнивайте значения при одной температуре

Справочная теплопроводность некоторых сталей при 20°C
Материалk, Вт/(м·К)ТемператураИсточник
Углеродистая сталь UNS G102005220°CТаблица физических свойств SSINA
304 / EN 1.4301, аустенитная1520°CТехнические таблицы worldstainless
316 / EN 1.4401, аустенитная1520°CТехнические таблицы worldstainless
430 / EN 1.4016, ферритная2520°CТехнические таблицы worldstainless

Прокрутите таблицу, чтобы увидеть все столбцы →

Таблица позволяет сопоставить перечисленные материалы. Она не заменяет сертификат партии и не даёт единого расчётного значения для всех марок. В приведённых данных не полностью указаны история обработки поставляемого изделия и направление измерения; если они существенны для расчёта, запросите подробности. Пары обозначений следуют сопоставлениям источников и не подтверждают безусловную взаимозаменяемость по стандартам закупки.

Для сталей 304 и 316 здесь указано одинаковое округлённое значение, хотя их состав и коррозионные свойства различаются. Одной теплопроводности недостаточно для выбора. Ферритный пример также показывает, почему общего названия «нержавеющая сталь» мало для назначения одного коэффициента.

Почему значение меняется

В переносе тепла в металлах участвуют электроны и колебания кристаллической решётки. Легирование и изменения структуры влияют на рассеяние этих носителей. Поэтому состав, термообработка, холодная деформация и дефекты могут менять теплопроводность. Класс прочности или блестящая поверхность сами по себе не определяют k.

Температурная зависимость различается у разных материалов. SSINA приводит для UNS G10200 52 Вт/(м·К) при 20°C и 43 при 400°C; для 304 значение в том же источнике увеличивается с 16,2 при 100°C до 21,4 при 500°C. Эти примеры не задают общую поправку для всех сталей. Используйте кривую для конкретной марки и состояния материала в пределах заявленного диапазона.

Корреляция NIST для теплопроводности 304 использует кельвины: данные охватывают 4–300 К, а формула указана для 1–300 К. Низкотемпературную зависимость нельзя экстраполировать на работу в печи. Если k заметно меняется между поверхностями пластины, проинтегрируйте проверенную зависимость k(T) по этому температурному интервалу или примените подходящую численную модель. Арифметическое усреднение двух крайних значений тоже нуждается в обосновании.

Пример расчёта для пластины

Рассмотрим условную пластину из 304 площадью A = 0,10 м² и толщиной L = 10 мм = 0,010 м. Одна поверхность поддерживается при 30°C, другая при 20°C. В учебном примере примем k = 15 Вт/(м·К) постоянным на этом интервале. Само табличное значение при 20°C не подтверждает такое среднее по интервалу.

  • Разность температур: ΔT = 10 К.
  • Тепловой поток: Q̇ = 15 × 0,10 × 10 / 0,010 = 1 500 Вт.
  • Плотность теплового потока: q″ = Q̇/A = 15 000 Вт/м².
  • Тепловое сопротивление пластины: R = L/(kA) = 0,00667 К/Вт.

При остальных неизменных предпосылках удвоение толщины уменьшает Q̇ вдвое, а удвоение площади увеличивает его вдвое. Большое значение возможно при постоянном поддержании обеих поверхностных температур. Если подставить вместо них температуру окружающего воздуха, будет упущено сопротивление теплообмену между воздухом и металлом.

Разность температур в кельвинах и градусах Цельсия численно одинакова. Если k выражено в Вт/(м·К), вводите длину в метрах: толщина 10 вместо 0,010 в этом примере даст ошибку в тысячу раз. Различайте плотность потока в Вт/м² и полный тепловой поток в ваттах.

Теплопроводность, проводимость и температуропроводность

Тепловая проводимость этой пластины G = kA/L = 150 Вт/К уже учитывает геометрию. Коэффициент k характеризует материал, а G — конкретный путь тепла. Термическое сопротивление на единицу площади равно R″ = L/k = 0,000667 м²·К/Вт. Перед сложением сопротивлений проверяйте, включена ли площадь в определение каждого значения.

Температуропроводность a = k/(ρcₚ), м²/с, связывает теплопроводность с плотностью ρ и удельной теплоёмкостью cₚ. Она помогает описать распространение изменений температуры внутри материала. Время нагрева также зависит от размера, поверхностного теплообмена и начальных условий. Тепловое расширение описывает изменение размеров; его коэффициент не заменяет k. Для расчёта перемещений см. тепловое расширение стали .

Учитывайте слои, контакты и окружающую среду

При стационарной одномерной теплопроводности через плоские слои с одинаковой площадью A, без внутренних источников тепла и при постоянной теплопроводности каждого слоя, последовательные сопротивления складываются: R_total = 1/(h₁A) + Σ[Lᵢ/(kᵢA)] + ΣR_contact + 1/(h₂A). Тогда Q̇ = (T∞,₁ − T∞,₂)/R_total. T∞,₁ и T∞,₂ — температуры сред по обе стороны вне поверхностного теплового слоя. Коэффициенты h описывают конвекцию между поверхностью и жидкостью или газом, Вт/(м²·К). Все слагаемые сопротивления здесь выражаются в К/Вт.

Если удельное контактное сопротивление задано в м²·К/Вт, перед подстановкой разделите его на A. Важны давление контакта, зазоры и состояние поверхностей. Теплоизоляция или плохо проводящий контакт могут определять большую часть общего сопротивления, поэтому замена марки стали окажется менее значимой, чем предполагает сравнение одних коэффициентов k.

Плоские слои и их тепловые сопротивления с конвекцией на внешних поверхностях и контактным сопротивлением между слоями.
Перепад температуры между средами распределяется между поверхностными плёнками, твёрдыми слоями и контактами. При сложении сопротивлений нужна единая база площади.

Крепёж и каркасы могут создавать параллельные пути тепла. Излучение, криволинейные стенки, растекание потока, переменная площадь контакта и нестационарное накопление энергии могут потребовать иной модели. Общий коэффициент теплопередачи U стальной панели с покрытием также зависит от конструкции и среды; теплопроводности основного металла недостаточно для его определения.

Какие исходные данные нужно записать

  1. Укажите марку, вид продукции, состояние материала и направление теплового потока.
  2. Зафиксируйте источник, единицы, температурный диапазон и тип данных: типичные, измеренные или заданные требованиями.
  3. Определите фактические температуры поверхностей либо сред и соответствующую геометрию.
  4. Учтите контакты, покрытия, изоляцию и внешний теплообмен.
  5. Проверьте применимость стационарной одномерной модели с постоянными свойствами.
  6. Для ответственных расчётов подтвердите данные и метод согласно требованиям проекта, включая неопределённость.

Запросите у лаборатории состояние образца, метод измерения, температурный диапазон и неопределённость. Если теплопроводность рассчитана из температуропроводности, плотности и теплоёмкости, все исходные величины должны соответствовать совместимым состояниям материала и температурам. Одно справочное число не заменяет такой прослеживаемый набор данных.

Технические источники