1 1 Politechnika Wrocławska – Wydział Mechaniczno – Energetyczny Własności termiczne 2 Własności termiczne (cieplne) materiałów mają znaczenie głównie przy budowie maszyn i urządzeń w energetyce, ciepłownictwie, metalurgii i przemyśle chemicznym. Własności termiczne 1. Przewodnictwo λ (wymiana ciepła: chłodzenie, grzanie, izolowanie, stabilizacja temperatury, ochrona) 2. Pojemność cieplna (magazynowanie ciepła, wymiana ciepła) 3. Współczynnik rozszerzalności cieplnej α α (napręŜenia termiczne) 4. Emisyjność i absorpcyjność (wymiana ciepła przez promieniowanie) 5. Ogniotrwałość (izolacje ogniotrwałe) 6. Ciepło topnienia (magazynowanie energii) 2 3 Atomy w ciałach w temp. powyŜej 0 K drgają wokół połoŜeń równowagi. Nagrzewanie materiału powoduje wzrost amplitudy drgań. Drania dzięki spręŜystości wiązań przenoszą się na sąsiednie atomy powodując powstawanie fal spręŜystych rozchodzących się z prędkością dźwięku a. Przez analogię do fal świetlnych fale te traktuje się jak cząstki zwane fononami. Fale spręŜyste mogą się rozchodzić jako: Własności termiczne ha E h ν λ = = a energia fononów wynosi: - fale podłuŜne - fale poprzeczne Gdzie: a – prędkość fali dźwiękowej; h – stała Plancka; λ – długość oraz ν – częstotliwość fali 4 Q c m T = ∆ J kg K ⋅ Właściwa pojemność cieplna. Wzór ogólny Wzrost amplitudy drgań wskutek nagrzewanie materiału wymaga dostarczenia energii, która jest ostatecznie gromadzona w materiale w postaci energii kinetycznej i potencjalnej ruchu oscylacyjnego. W przypadku płynów nagrzewanie powoduje wzrost energii kinetycznej ruchu ruchu postępowego (gazy) oraz w zaleŜności od kształtu cząstki ruchów oscylacyjnych oraz rotacyjnych. WyróŜnia się ciepło właściwe przy stałej objętości c v oraz stałym ciśnieniu cp. Dla gazów doskonałych zachodzi zaleŜność (R – uniwersalna stała gazowa, M – masa molowa) p v c c c ≈ = Dla ciał stałych i cieczy / p v c c R M − = Właściwa pojemność cieplna - definicje Ciepło molowe (n – liczba moli, M – masa cząsteczkowa) Q C cM n T = = ∆ p v C C R − = C jest funkcją temperatury (i ciśnienia dla gazów). Mikrostruktura ma mały wpływ na jego wartość. Istotny wpływ ma struktura krystaliczna. Podczas przemian polimorficznych następuje skokowa zmiana C 1 d d d d U u c m T T = = 3 5 Właściwa pojemność cieplna - wartości
(…)
… środków spieniających (powietrze, fluorochlorowodory – freony, CO2)
6
Przepływ ciepła w izolacji
13
Przepływ ciepła w izolacji odbywa się poprzez:
1.
2.
3.
4.
Przewodzenie ciepła (w składniku stałym ciekłym i gazowym).
Promieniowanie cieplne.
Konwekcyjna wymiana ciepła.
Transport wilgoci
Przewodność cieplna izolacji
14
Przewodzenie ciepła w składniku stałym, którym są dielektryki i stąd
dominuje…
… ciepła w składniku gazowym, którym są freony - λ = 0,0073
W/(mK), powietrze - λ = 0,026 W/(mK) lub CO2 - λ = 0,017 W/(mK).
λg = 1 3 ρ cv w g lg = ρ cv lg
lg =
1
2π n0 d 2
8 kT
9π M
bo
wg =
8 kT
πM
n0 – koncentracja oraz d – efektywna
średnica cząsteczek gazu
Przewodzenie ciepła w składniku ciekłym, którym jest woda o λ = 0,50,6 W/(mK) dla T=300-400K, która rośnie wraz z T. Wzrost ilości wilgoci
wypiera…
…
przewodność izolacji bo sama ma duŜą λ
a ponadto wypiera słabo przewodzący
gaz, gromadząc się wokół miejsc
kontaktu
1. kąt zwilŜania < 3º
2. kąt zwilŜania < 30º
3. kąt zwilŜania > 150º (część ziaren
pokryta warstwą hydrofobową)
4. kąt zwilŜania > 150º (wszystkie ziarna
pokryte warstwą hydrofobową)
Starzenie się izolacji
18
Pory wypełnione są głównie freonami λ = 0,0073 W/(mK), które uŜywa się do spieniania. Z
upływem czasu dochodzi do dyfuzji freonów na zewnątrz i przeciwnej dyfuzji powietrza λ =
0,026 W/(mK) do porów. Proces ten nazywa się starzeniem. Zastępowanie freonu lepiej
przewodzącym powietrzem obniŜa właściwości izolacyjne.
Ze względów ekologicznych
freony zastępuje się CO2 (λ =
0,017 W/(mK)). Czas starzenia
się izolacji spienianych CO2 ze
względu na jego leprze
własności dyfuzyjne jest rzędu…
…
Antymon S b
Rtęć
Wolfram
Złoto Au
Ołów P b
Bizmut Bi
Uran
Tkanka (zwierzęca)
P olietylen
Wos k parafinowy
P olietylen
Nylon 6.6
Teflon
Typ
Fa za
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
P
P
P
P
P
P
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
L
S
S
S
S
S
Mix
L
S
S
S
S
Cp
J/(g ·K)
5
C v ,v
S ubsta ncja
J/(cm 3 ·K)
3.580
1.820
1.020
0.897
0.502
0.453
0.450
0.387
0.385
0.375
0.328
0.233
0.207
0.140
0.134
0.129
0.127
0.123
0.116…
….
3.
4.
Mineralne (nieorganiczne) – wełna, szkło piankowe, aeroŜele, perlit, krzemionka, cyrkon, korund itp.
Organiczne sztuczne – pianki poliuretanowe, polistyrenowe, kauczuk/polietylen spieniony itp.
Organiczne naturalne – słoma, trociny, korek, wełna, bawełna itp.
Metalowe lub metalizowane organiczne membrany odblaskowe
Materiały izolacyjne ze względu na strukturę dzieli się na:
1. Piankowe zamknięto-komórkowe (o zamkniętych porach) – pianki poliuretanowe, polistyrenowe, z PCV,
syntetycznego kauczuku, polietylenu, porowate izolacje węglowe, spienione szkło itp.
2. Piankowe otwarto-komórkowe (o otwartych porach) – wytwarzane na bazie tlenku polifenylu (PPO), aeroŜele
organiczne lub nieorganiczne (na bazie SiO2, AL2O3, TiO2, V2O5) itp.
3. Ziarniste (proszkowe) – z ziaren perlitu, tlenków Al…
…,
wysokoglinowe)
korundowe
inne (tlenki boru,
wanadu,berylu ;
węgliki metali itp..)
wyroby niewypalone perlitowe
10
Materiały ogniotrwałe – typowe składy i podział
21
Skład procentowy materiałów ogniotrwałych
Kwaśne materiały ogniotrwałe – główne składniki SiO2, Al2O3 i
ogniotrwała glina (zanieczyszczony kaolinit). Czysta SiO2 – pojemniki
na ciekłe metale. Mulit – (3Al2O32SiO2) wysoka temp. topnienia, ale
słaba…
... zobacz całą notatkę
Komentarze użytkowników (0)