不同物質導熱系數(shù)各不相同;相同物質的導熱系數(shù)與其的結構、密度、濕度、溫度、壓力等因素有關。同一物質的含水率低、溫度較低時,導熱系數(shù)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于這兩種狀態(tài)分子間距不同所導致?,F(xiàn)在工程計算上用的系數(shù)值都是由專門試驗測定出來的。
通常把導熱系數(shù)較低的材料稱為保溫材料(我國國家標準規(guī)定,凡平均溫度不高于350℃時導熱系數(shù)不大于0.12W/(m·K)的材料稱為保溫材料),而把導熱系數(shù)在0.05 W/(m.K)以下的材料稱為保溫材料。
導熱系數(shù)高的物質有優(yōu)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,隨導熱系數(shù)增大而減小。比如:鍋爐爐管在未結水垢時,由于鋼的導熱系數(shù)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,由于水垢的導熱系數(shù)很小,水垢內外側溫差隨水垢厚度增大而增大,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。對鍋爐爐墻及管道的保溫材料來講,則要求導熱系數(shù)越低越好。
一般常把導熱系數(shù)小于0.2W/(m·K)的材料稱為保溫材料。例如石棉、珍珠巖等。
固體
固體是由自由電子和原子組成的,原子又被約束在規(guī)律排列的晶格中。相應的,熱能的傳輸是由兩種作用實現(xiàn)的:自由電子的遷移和晶格的振動波。當視為準粒子現(xiàn)象時,晶格振動子稱為聲子。純金屬中,電子對導熱貢獻zui大,而在非導體中,聲子的貢獻起主要作用。[1]
常用的固體導熱系數(shù)見表1。在所有固體中,金屬是的導熱體。純金屬的導熱系數(shù)一般隨溫度升高而降低。而金屬的純度對導熱系數(shù)影響很大,如含碳為1%的普通碳鋼的導熱系數(shù)為45W/m ·K ,不銹鋼的導熱系數(shù)僅為16 W/m ·K 。
表1 常用固體材料的導熱系數(shù)
固體 | 溫度,℃ | 導熱系數(shù)λ,W/m·K |
鋁 | 300 | 230 |
鎘 | 18 | 94 |
銅 | 100 | 377 |
熟鐵 | 18 | 61 |
鑄鐵 | 53 | 48 |
鉛 | 100 | 33 |
鎳 | 100 | 57 |
銀 | 100 | 412 |
鋼(1%C) | 18 | 45 |
船舶用金屬 | 30 | 113 |
青銅 | 189 | |
不銹鋼 | 20 | 16 |
石墨 | 0 | 151 |
石棉板 | 50 | 0.17 |
石棉 | 0~100 | 0.15 |
混凝土 | 0~100 | 1.28 |
耐火磚 | 1.04 | |
保溫磚 | 0~100 | 0.12~0.21 |
建筑磚 | 20 | 0.69 |
絨毛毯 | 0~100 | 0.047 |
棉毛 | 30 | 0.050 |
玻璃 | 30 | 1.09 |
云母 | 50 | 0.43 |
硬橡皮 | 0 | 0.15 |
鋸屑 | 20 | 0.052 |
軟木 | 30 | 0.043 |
玻璃毛 | -- | 0.041 |
85%氧化鎂 | -- | 0.070 |
TDD(巖棉)保溫一體板 | 70 | 0.040 |
TDD(XPS板)保溫一體板 | 25 | 0.028 |
TDD(真空絕熱)保溫一體板 | 25 | 0.006 |
TDD真空絕熱保溫板 | 25 | 0.006 |
ABS | -- | 0.25 |
液體
液體分成金屬液體和非金屬液體兩類,前者導熱系數(shù)較高,后者較低。在非金屬液體中,水的導熱系數(shù)zui大,除去水和甘油外,絕大多數(shù)液體的導熱系數(shù)隨溫度升高而略有減小。一般來說,溶液的導熱系數(shù)低于純液體的導熱系數(shù)。表2列出了幾種液體的導熱系數(shù)值。
表 2 液體的導熱系數(shù)
液體 | 溫度,℃ | 導熱系數(shù)λ,W/m·K | |
醋酸 | 50% | 20 | 0.35 |
丙酮 | 30 | 0.17 | |
苯胺 | 0~20 | 0.17 | |
苯 | 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 |
水 | 30 | 0.62 |
氣體
氣體的導熱系數(shù)隨溫度升高而增大。在通常的壓力范圍內,其導熱系數(shù)隨壓力變化很小,只有在壓力大于196200kN/m^2 ,或壓力小于2.67 kN/m 2 (20mmHg) 時,導熱系數(shù)才隨壓力的增加而加大。故工程計算中??珊雎詨毫怏w導熱系數(shù)的影響。
氣體的導熱系數(shù)很小,故對導熱不利,但對保溫有利。常見的幾種氣體的導熱系數(shù)值見表3 。
表 3 氣體的導熱系數(shù)
氣體 | 溫度,℃ | 導熱系數(shù)λ,W/m·K |
氫 | 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 |
氮 | 0 | 0.024 |
乙烯 | 0 | 0.017 |
氧 | 0 | 0.024 |
乙烷 | 0 | 0.018 |
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