不同物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)各不相同;相同物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)與其的結(jié)構(gòu)、密度、濕度、溫度、壓力等因素有關(guān)。同一物質(zhì)的含水率低、溫度較低時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)較小。一般來(lái)說(shuō),固體的熱導(dǎo)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(dǎo)致。現(xiàn)在工程計(jì)算上用的系數(shù)值都是由專門試驗(yàn)測(cè)定出來(lái)的。
通常把導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料稱為保溫材料(我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,凡平均溫度不高于350℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.12W/(m·K)的材料稱為保溫材料),而把導(dǎo)熱系數(shù)在0.05 W/(m.K)以下的材料稱為保溫材料。
導(dǎo)熱系數(shù)高的物質(zhì)有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能。在熱流密度和厚度相同時(shí),物質(zhì)高溫側(cè)壁面與低溫側(cè)壁面間的溫度差,隨導(dǎo)熱系數(shù)增大而減小。比如:鍋爐爐管在未結(jié)水垢時(shí),由于鋼的導(dǎo)熱系數(shù)高,鋼管的內(nèi)外壁溫差不大。而鋼管內(nèi)壁溫度又與管中水溫接近,因此,管壁溫差(內(nèi)外壁溫度平均值)不會(huì)很高。但當(dāng)爐管內(nèi)壁結(jié)水垢時(shí),由于水垢的導(dǎo)熱系數(shù)很小,水垢內(nèi)外側(cè)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(dāng)水垢厚度達(dá)到相當(dāng)大(一般為1~3毫米)后,會(huì)使?fàn)t管管壁溫度超過允許值,造成爐管過熱損壞。對(duì)鍋爐爐墻及管道的保溫材料來(lái)講,則要求導(dǎo)熱系數(shù)越低越好。
一般常把導(dǎo)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(yīng)的,熱能的傳輸是由兩種作用實(shí)現(xiàn)的:自由電子的遷移和晶格的振動(dòng)波。當(dāng)視為準(zhǔn)粒子現(xiàn)象時(shí),晶格振動(dòng)子稱為聲子。純金屬中,電子對(duì)導(dǎo)熱貢獻(xiàn)zui大,而在非導(dǎo)體中,聲子的貢獻(xiàn)起主要作用。[1]
常用的固體導(dǎo)熱系數(shù)見表1。在所有固體中,金屬是的導(dǎo)熱體。純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度升高而降低。而金屬的純度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響很大,如含碳為1%的普通碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為45W/m ·K ,不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)僅為16 W/m ·K 。
表1 常用固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)
固體 | 溫度,℃ | 導(dǎo)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 |
液體分成金屬液體和非金屬液體兩類,前者導(dǎo)熱系數(shù)較高,后者較低。在非金屬液體中,水的導(dǎo)熱系數(shù)zui大,除去水和甘油外,絕大多數(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而略有減小。一般來(lái)說(shuō),溶液的導(dǎo)熱系數(shù)低于純液體的導(dǎo)熱系數(shù)。表2列出了幾種液體的導(dǎo)熱系數(shù)值。
表 2 液體的導(dǎo)熱系數(shù)
液體 | 溫度,℃ | 導(dǎo)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 |
氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大。在通常的壓力范圍內(nèi),其導(dǎo)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(shí),導(dǎo)熱系數(shù)才隨壓力的增加而加大。故工程計(jì)算中??珊雎詨毫?duì)氣體導(dǎo)熱系數(shù)的影響。
氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小,故對(duì)導(dǎo)熱不利,但對(duì)保溫有利。常見的幾種氣體的導(dǎo)熱系數(shù)值見表3 。
表 3 氣體的導(dǎo)熱系數(shù)
氣體 | 溫度,℃ | 導(dǎo)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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