Почему алюминий так эффективно передает тепло
Алюминий сочетает в себе теплопроводность около 235 Вт/м·К с плотностью всего 2,70 г/см³, поэтому он доминирует в радиаторах, сердцевинах радиаторов и теплораспределителях. Свободные электроны переносят большую часть энергии, а колебания решетки, или фононы, переносят остальную часть, поэтому тепло распространяется через твердую часть, а не накапливается в одной горячей точке. Медь по-прежнему проводит лучше (около 401 Вт/м·К), но она более чем в три раза тяжелее, поэтому по соотношению проводимости-к-массе алюминий обычно выигрывает внутри корпуса.
Коммерчески чистые марки, такие как 1050, 1060 и 1100, обладают самой высокой проводимостью. Легирующие элементы рассеивают электроны и уменьшают число, поэтому приведенные ниже значения являются руководством по выбору, а не заменой сертифицированных данных заводских испытаний.
| Сорт/характер | Теплопроводность при 20 градусах (Вт/м·К) | Типичный тепловой режим |
|---|---|---|
| 1060-O | 234 | Шинопроводы, термораспределители, фольгированные сердечники |
| 3003-H14 | 193 | Ребра радиатора, трубки теплообменника |
| 6061-T6 | 167 | Структурные радиаторы, холодные пластины |
| 5052-H32 | 138 | HVAC и морские корпуса |
| 5083-O | 117 | Криогенное оборудование и оборудование под давлением |
Тепловое расширение: фактор проектирования, который никто не может игнорировать
Линейный коэффициент теплового расширения алюминия составляет около 23×10.-6на К, что почти вдвое больше 12 × 10-6на К конструкционной стали. Таким образом, алюминиевая деталь длиной 1 м увеличивается примерно на 0,023 мм на каждый 1 градус изменения температуры, поэтому везде, где в конструкции используется металл, появляются компенсационные зазоры, прорезные отверстия для болтов и податливые клеевые слои. Коэффициент принадлежит решетке алюминия, а не состоянию, поэтому выбор сплава практически не меняет его, и проверка проводится с помощью дилатометрии нажимного стержня ASTM E228.
Теплообменники, ребра и геометрия микроканалов
Соотношение проводимости-к-весу алюминия примерно в пятнадцать раз выше, чем у углеродистой стали, поэтому из него изготавливают змеевики систем отопления, вентиляции и кондиционирования, автомобильные радиаторы и конденсаторы. Ребра толщиной около 0,1 мм увеличивают площадь поверхности при незначительном весе, а микроканальные трубки еще больше увеличивают передачу, проталкивая хладагент через множество маленьких параллельных каналов вместо нескольких больших.
Фольга и ребра поставляются в основном марок 1100, 1200, 3003, 8011 и 8006, а 8011 и 8006 используются там, где необходима более высокая прочность ребер.
Плакированный припой имеет слой сплава 4004 или 4045, поэтому один проход печи соединяет всю сердцевину радиатора.
Пластинчатые-сердечники ребер подходят для электроники с воздушным-охлаждением и осушителей сжатого-воздуха, где компактность важнее номинального давления.
Прочность при высоких и низких температурах
Чистый алюминий плавится при температуре около 660 градусов, и этот потолок определяет все решения,-высокие температуры. Предел текучести резко падает выше примерно 150 градусов, а продолжительная эксплуатация при температуре выше 400 градусов вызывает диффузию по границам зерен, которую охлаждение не может обратить вспять, а кратковременное повышение температуры до 300 градусов требует примерно половины прочности при комнатной-температуре только до тех пор, пока деталь не вернется в окружающую среду. Деформационно--закаленные стали 3003, 3004, 5052 и 5083 подходят для эксплуатации в теплых условиях, а на холодном конце металл приобретает пластичность и ударную вязкость, благодаря чему стали 5083, 5052 и 6061 используются в резервуарах со сжиженным-газом и криогенных трубопроводах с расширительными петлями, поглощающими сжатие.
Покрытия, соединения и практические ограничения
Анодирование, покраска и порошковое покрытие снижают проводимость поверхности, поскольку изолирующий слой оксида или полимера маскирует области термоинтерфейса перед отделкой. Там, где алюминий встречается со сталью или медью во влажной и теплой среде, гальваническая коррозия влияет на конструкцию и требует использования изолированных шайб или защитного покрытия. Алюминий также выдерживает меньше термических циклов с высокой-деформацией, чем сплавы на основе титана или никеля-, поэтому циклические соединения требуют соответствующей геометрии. Пайка алюминием-кремниевым наполнителем поддерживает температуру соединения ниже диапазона плавления основного металла, а сварка трением с перемешиванием ограничивает пористость соединений толстых-секций.
Часто задаваемые вопросы
Вопрос: Какова теплопроводность алюминия?
Чистый алюминий проводит около 235 Вт/м·К при комнатной температуре, тогда как обычные сплавы, такие как 3003, 6061 и 5052, имеют показатель примерно от 120 до 195 Вт/м·К.
Вопрос: Медь является лучшим проводником тепла, чем алюминий?
Медь проводит около 401 Вт/м·К против 235 Вт/м·К у алюминия, но алюминий весит примерно втрое меньше, поэтому соотношение его проводимости-к-весу обычно является более полезным показателем.
Вопрос: Насколько алюминий расширяется при нагревании?
Линейный коэффициент составляет около 23 × 10.-6на К, поэтому алюминиевый стержень длиной 1 м увеличивается примерно на 0,023 мм на 1 градус и примерно на 0,23 мм при подъеме на 10 градусов.
Вопрос: Можно ли использовать алюминий при температуре выше 300 градусов?
Короткие отклонения допустимы, поскольку прочность, потерянная при нагреве, возвращается после охлаждения, но продолжительная эксплуатация при температуре выше 400 градусов необратимо разрушает границы зерен.
Вопрос: Почему алюминиевые ребра имеют толщину всего около 0,1 мм?
Тонкие ребра увеличивают площадь поверхности на единицу объема, сохраняя при этом низкий вес и стоимость материала, а проводимость достаточно высока, чтобы ребро оставалось почти изотермическим по всей своей длине.
