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有趣的热导率和传热因素

已有 994 次阅读 2021-6-25 17:43 |个人分类:其它兴趣|系统分类:科研笔记

今年早些时间,我在研究电解液设备的致冷效率提升的课题中,发现一个有意思的现象,看似都是金属,不同的金属材料之间,其热导率的差异大大超过了我们的主观感觉.

先介绍一下热导率的概念,引用一下百度上的定义:

在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米,面积为1平方米的平行平面,若两个平面的温度相差1K(开尔文),则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率,其单位为瓦特/(米·开),英文为W/(m·K).

因为1开尔文(绝对温标)与1摄氏度的温度差值是相等的,只是具体数值绝对温度=273.15+摄氏温度.因此这一单位有的地方也写作W/(m.℃). 

另外,在早期的一些文献中,还有用 Cal/(cm·℃), 它的数值比较小,要转化为W/(m·K)要乘以418.

概念讲完,我们先来看一些具体的数值,以W/(m·K)为单位

常见金属热导率数据.png

为了更直观一点,以图形显示之:

常见物质热导率.png


我们常用的不锈钢只有区区的15W/(m.K), 换成成本高一点的铜,就可以涨到接近400W/(m.K), 也即在相同条件下(厚度/温差梯度/温度)下,热导率足足可以提升26倍.

银是导电性和导热性最好的金属. 但有意思的是,虽然金刚石不导电,但导热性极好,比银还高得多,其热导率可以达到2320W/(m.K), 这一点也是极为惊人的,只是现在还不能普及利用.

另一个冷知识是,据某文章的推算,保温瓶的热导率(整体效率)大约是0.0023 W/m.K.


相应的,我们知道如果没有对流效果,气体的传热效果是很差的. 但有多差呢,数据告诉我们:

气体的热导率.png

注意这个单位是上面金属热导率的百万分之一,即μW/(m.K).

但是不管哪种气体,其导热率肯定不如真空.所以,多数情况下,如果允许用真空,还是真空保温的效果更好.


启示1: 如果将调配釜的导热材料更换为铜,热导率可以大幅度提升20多倍.成本的提升不过数倍而已. 如果要达到同样的导热速率,其它因素不变,换热面积可以缩小到原来的4%左右,可以大大缩小.

有人会提出反对意见说,铜的耐腐蚀性不行,与电解液接触会腐蚀产生铜金属离子污染电解液. 其实这个问题并不难解决,利用Triz发明的矛盾分离原理即可解决,于是有

启示2: 不直接冷却电解液,我冷却溶剂不行吗?

启示3: 不直接冷却电解液,我用复合金属材料,内层接触溶液的面为薄的不锈钢层,主要结构仍为铜板,即可以耐腐蚀,又可以高导率. 当然缺点也是有的,这种板材比较难搞.


根据热量的传递公式,传热速度与温差梯度成正比,与传热壁厚度与反比,从温度梯度方面来看,可以降低冷源的温度从而得到更高的温度梯度,这一方式被多数人掌握,不用赘述;另一角度减少传热壁厚度也是可行的,只不过壁厚少了机械强度会降低,从设备设计的角度可能不行--不能简单的减少厚度,还需要增加机械强度才行.

为此,我又调查了一下,不同的材料其机械强度也有很大的差异,以屈服强度来对比,普通的316L不锈钢为最小170MPa,304不锈钢为最小310MPa,而一些新的材料,其屈服强度可以达到1400MPa,有的甚至可以达到2200MPa. 理论上来讲,如果强度提升1倍,而材料厚度也可减少一半.

启示4: 如果要加强导热速率,可以减少壁厚,但减少壁厚需要保证强度,为此可以使用强度更高的新材料.

这样一想,其实为了提高致冷的效果,(或者说提高导热速度),可以做的工作还不少,比如改善传热的方式或者传热的设备形式等等. 

最后说一下,根据以上启示形成的创新点,我们已经提交了专利申请,只是目前还没有进入到公开阶段,就不展开了.也希望看到的朋友不要简单模仿就去申请,否则大概率是无效的.








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3 张士宏 胡绍鸣 晏成和

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