Çeliğin ısıl iletkenliği, sıcaklık gradyanı altında ısının metalden ne kadar kolay geçtiğini belirtir. Genellikle k veya λ ile gösterilir; birimi W/(m·K)‘dir. Değer, çelik kalitesine, sıcaklığa ve malzemenin durumuna bağlıdır. Yayımlanmış 20°C referanslarında karbon çeliği UNS G10200 için 52 W/(m·K), 304 ve 316 için 15, ferritik 430 için 25 verilir. Bunlar belirtilen kapsamda karşılaştırma değerleridir; teslim edilen her ürün için garanti oluşturmaz.
Isı geçişini hesaplamak için geometri ve sınır koşulları da gerekir. İnce bir paslanmaz sacın kalınlığı boyunca ısı geçişine karşı direnci, iletkenliği birçok karbon çeliğinden düşük olsa bile küçük olabilir.
Isıl iletkenlik neyi tanımlar?
Isıl iletkenlik, yerel ısı akısı ile sıcaklık gradyanını ilişkilendirir. Tek boyutlu iletim için Fourier yasası q″ = −k(dT/dx) biçimindedir. q″, birim alandan geçen ısının hızıdır ve W/m² ile; dT/dx ise sıcaklık gradyanıdır ve K/m ile ifade edilir. Eksi işareti, akışın düşük sıcaklık yönünde olduğunu gösterir.
Sabit k değerine sahip homojen düz bir levhada kararlı ısı geçiş hızı Q̇ = kA(T₁ − T₂)/L olur. A, akışa dik alan; L, iletim yolunun uzunluğu; T₁ ve T₂ ise sıcak ve soğuk yüzey sıcaklıklarıdır. Bu sadeleştirme, tek boyutlu akış, iç ısı üretiminin olmaması ve kenar kayıplarının ihmal edilebilmesi koşullarına dayanır. Sonucun birimi W’tır; depolanan enerjiyi değil, aktarım hızını verir.
Değerleri aynı sıcaklıkta karşılaştırın
| Malzeme | k, W/(m·K) | Sıcaklık | Kaynak |
|---|---|---|---|
| Karbon çeliği UNS G10200 | 52 | 20°C | SSINA fiziksel özellikler tablosu |
| 304 / EN 1.4301, östenitik | 15 | 20°C | worldstainless teknik tabloları |
| 316 / EN 1.4401, östenitik | 15 | 20°C | worldstainless teknik tabloları |
| 430 / EN 1.4016, ferritik | 25 | 20°C | worldstainless teknik tabloları |
Tüm sütunlar için tabloyu kaydırın →
Tablo yalnızca belirtilen malzemeleri karşılaştırmaya yarar. Parti sertifikasının yerini tutmaz ve bütün kaliteler için ortak tasarım değeri sağlamaz. Alınan veriler, teslim edilen ürünün işlem geçmişini veya ölçüm yönünü tam olarak belirtmez; hesap için önemliyse bu bilgileri ayrıca edinin. Kalite çiftleri, kaynakların eşleştirmelerini izler; satın alma standartları açısından koşulsuz eşdeğerlik belgesi değildir.
304 ve 316 burada aynı yuvarlatılmış değere sahiptir; ancak bileşimleri ve korozyon davranışları farklıdır. Aralarındaki seçim yalnızca iletkenlikle yapılamaz. Ferritik örnek de “paslanmaz çelik” ifadesinin tek bir katsayı belirlemek için fazla geniş olduğunu gösterir.
Değer neden değişir?
Metallerde ısı taşınımına elektronlar ve kristal örgü titreşimleri katılır. Alaşım elementleri ve yapıdaki değişiklikler, bu taşıyıcıların saçılmasını etkiler. Bu nedenle bileşim, ısıl işlem, soğuk şekillendirme ve kusurlar iletkenliği değiştirebilir. Bir dayanım sınıfı veya parlak yüzey, k değerini tek başına belirlemez.
Sıcaklığın etkisi malzemeye bağlıdır. SSINA, UNS G10200 için 20°C’de 52 W/(m·K), 400°C’de 43 verir. Aynı kaynaktaki 304 değeri ise 100°C’de 16,2’den 500°C’de 21,4’e çıkar. Bu örnekler bütün çeliklere uygulanacak tek bir sıcaklık düzeltmesi oluşturmaz. Kaliteye ve malzeme durumuna uygun eğriyi, belirtilen geçerlilik aralığında kullanın.
NIST’in 304 iletkenlik bağıntısı kelvin kullanır: veri aralığı 4–300 K, denklem için belirtilen aralık 1–300 K’dir. Kriyojenik bir eğriyi fırın koşullarına uzatmayın. Levha boyunca k belirgin biçimde değişiyorsa, doğrulanmış k(T) bağıntısını iki yüzey sıcaklığı arasında integre edin veya uygun sayısal model kullanın. İki uç değerin aritmetik ortalamasını almak da gerekçe gerektirir.
Bir levha hesabını adım adım yapın
A = 0,10 m² alanlı ve L = 10 mm = 0,010 m kalınlıklı varsayımsal bir 304 levha düşünün. Bir yüzeyi 30°C’de, diğerini 20°C’de sabit tutun. Hesap yöntemini göstermek için k = 15 W/(m·K) değerinin bu aralıkta sabit kaldığını varsayın. Yalnızca 20°C tablosu, bu aralık ortalamasını doğrulamaz.
- Sıcaklık farkı: ΔT = 10 K.
- Isı geçiş hızı: Q̇ = 15 × 0,10 × 10 / 0,010 = 1.500 W.
- Isı akısı: q″ = Q̇/A = 15.000 W/m².
- Levhanın ısıl direnci: R = L/(kA) = 0,00667 K/W.
Diğer varsayımlar aynı kaldığında kalınlığın iki katına çıkması Q̇ değerini yarıya indirir; alanın iki katına çıkması Q̇ değerini ikiye katlar. Yüksek sonuç, iki yüzey sıcaklığının sürekli sabit tutulmasını gerektirir. Bu değerlerin yerine ortam havası sıcaklıklarını yazmak, hava ile metal arasındaki ısı geçiş direncini dışarıda bırakır.
Kelvin ve Celsius cinsinden sıcaklık farkları sayısal olarak aynıdır. k birimi W/(m·K) olduğunda uzunluğu metre cinsinden girin. Bu örnekte kalınlık için 10 yazılması bin katlık hataya yol açar. W/m² cinsinden ısı akısını, W cinsinden toplam ısı geçiş hızıyla karıştırmayın.
Isıl iletkenlik, kondüktans ve yayınım
Bu levhanın ısıl kondüktansı G = kA/L = 150 W/K’dir ve geometriyi içerir. k, malzemenin özelliğidir; G ise belirli bir ısı yolunu tanımlar. Alan başına ısıl direnç R″ = L/k = 0,000667 m²·K/W olur. Dirençleri toplamadan önce verilen değerin alanı içerip içermediğini kontrol edin.
Isıl yayınım katsayısı a = k/(ρcₚ), m²/s birimiyle, iletkenliği yoğunluk ρ ve özgül ısı kapasitesi cₚ ile birleştirir. Malzeme içindeki sıcaklık değişimlerinin yayılmasını açıklamaya yardımcı olur. Isınma süresi ayrıca boyuta, yüzeydeki ısı alışverişine ve başlangıç koşullarına bağlıdır. Isıl genleşme, sıcaklıkla boyut değişimini tanımlar; genleşme katsayısı k yerine kullanılamaz. Hareket hesabı için çeliğin ısıl genleşmesine bakın.
Katmanları, temasları ve çevreyi hesaba katın
Ortak A alanına sahip düz katmanlarda, iç ısı üretimi yoksa ve her katmanın iletkenliği sabit kabul ediliyorsa, kararlı tek boyutlu iletim için seri dirençleri toplayın: R_total = 1/(h₁A) + Σ[Lᵢ/(kᵢA)] + ΣR_contact + 1/(h₂A). Ardından Q̇ = (T∞,₁ − T∞,₂)/R_total kullanılır. T∞,₁ ve T∞,₂, iki taraftaki akışkanın yüzeydeki ısıl tabaka dışındaki sıcaklıklarıdır. h katsayıları, yüzey ile akışkan arasındaki taşınımı W/(m²·K) birimiyle tanımlar. Bu ifadede bütün direnç terimleri K/W birimindedir.
m²·K/W olarak verilen alan başına temas direnci, ifadeye eklenmeden önce A’ya bölünmelidir. Temas basıncı, boşluklar ve yüzey durumu önemlidir. Yalıtım veya düşük iletkenlikli bir ara yüzey, toplam direncin büyük bölümünü oluşturabilir. Böyle bir durumda çelik kalitesini değiştirmenin etkisi, yalnızca k karşılaştırmasının düşündürdüğünden küçük kalır.
Bağlantı elemanları ve çerçeveler paralel ısı yolları oluşturabilir. Işınım, eğri duvarlar, yayılan ısı akışı, değişen temas alanı ve zamana bağlı ısı depolama için farklı modeller gerekebilir. Kaplamalı bir çelik panelin toplam U değeri de yapısına ve çevresine bağlıdır; temel çeliğin iletkenliği tek başına U değerini vermez.
Sonucu kullanmadan önce kaydedilecek girdiler
- Kaliteyi, ürün biçimini, malzeme durumunu ve ısı akış yönünü belirleyin.
- Kaynağı, birimleri, sıcaklık aralığını ve verinin tipik, ölçülmüş veya şartnamede tanımlanmış olduğunu kaydedin.
- Gerçek yüzey ya da akışkan sıcaklıklarını ve ilgili geometriyi tanımlayın.
- Ara yüzeyleri, kaplamaları, yalıtımı ve dış ortamla ısı alışverişini dahil edin.
- Kararlı, tek boyutlu ve sabit özellikli modelin yeterli olup olmadığını kontrol edin.
- Sonuçları önemli olan tasarımlarda, belirsizlik dahil olmak üzere veri ve yöntemi proje gereklerine göre doğrulayın.
Deney kuruluşundan numune durumunu, ölçüm yöntemini, sıcaklık aralığını ve belirsizliği raporlamasını isteyin. İletkenlik yayınım, yoğunluk ve özgül ısıdan hesaplanıyorsa bütün girdiler uyumlu malzeme durumlarını ve sıcaklıkları temsil etmelidir. El kitabındaki tek bir sayı bu izlenebilir kaydın yerini tutmaz.