Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 12

Transkrypt

1 Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 12 dr inż. Hanna Smoleńska Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska Materiały edukacyjne

2 Przewodność i dyfuzyjność cieplna

3 Przewodność cieplna λ jest to strumień (określona ilość) ciepła przepływający pod wpływem gradientu temperatury dt/dx

4 Dyfuzyjność cieplna ( współczynnik wyrównania temperatury) - a Ma znaczenie w warunkach nieustalonego strumienia ciepła w czasie, np. o charakterze impulsowym). Zwykle podawany w m 2 /s a c p - gęstość materiału, c p ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu [kj/kg K]

5 Jakie materiały nadają się na izolacje cieplne? Z jakiego materiału można wykonać kaloryfer a z jakiego piec w domu? Dlaczego? Ashby M.F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim. WNT. Warszawa 1998

6 Lekkie pojemniki izotermiczne do krótkotrwałego użytkowania Ashby M.F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim. WNT. Warszawa 1998 Należy zmaksymalizować czas po jakim wewnętrzna temperatura T i zmieni się o zakładaną wartość np. 1 C Założona średnica zewnętrzna Minimalna masa Odporność na uszkodzenia Jaki materiał? Czy coś takiego jest potrzebne?

7 RADIOPŁAWA AWARYJNA, ang. Emergency Position Indicating Radio Beacon (EPIRB), wodoszczelne, pływające nadawcze urządzenie radiowe uruchamiane automatycznie, gdy znajdzie się w wodzie; emituje fale radiowe o określonych częstotliwościach, wskazując miejsce katastrofy statku lub samolotu. -masa: 700g -częstotliwość: MHz +/- 2kHz

8 Dla stanu ustalonego istotna jest przewodność cieplna: Dla stanu nieustalonego jak w tym przypadku ważniejsza jest dyfuzyjność cieplna: Przy analizowaniu dyfuzyjności cieplnej należy rozważyć głębokość penetracji ciepła: X odległość jaką fala ciepła pokonuje w czasie t jest przyrównywana do grubości ścianki w 2 t w 2a t max jeżeli dobierzemy materiał o a min

9 Jakie są możliwości wyboru? Dlaczego dobre są elastomery a nie pianki? Czy można wyobrazić sobie materiały o lepszych własnościach niż elastomery? A może zmiana konstrukcyjna?

10 Materiały na ściany akumulujące ciepło Ashby M.F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim. WNT. Warszawa 1998

11 Ściana akumulująca ciepło. Słońce nagrzewa jej powierzchnię zewnętrzną w ciągu dnia. Ciepło jest odbierane przez wnętrze domu w ciągu nocy. Czas przenikania ciepła przez ścianę powinien wynosić ok. 12 godzin

12 Funkcja : magazynowanie energii cieplnej Cel:maksymalna pojemność cieplna Q na jednostkę powierzchni nagrzewanej ściany Ograniczenia: czas nagrzewania (dyfuzji ciepła) ~12h grubość ściany w 0.5 m

13 Droga dyfuzji: Dyfuzyjność cieplna max max

14 Ograniczenie wynikające z grubości ściany: Dla w 0,5 m i t = 12 h:

15 M 1 = 1000 [W s 1/2 /(m 2 K)] M 2 = [m 2 /s]

16 Materiał na ściany akumulujące ciepło Materiał M1 Względna cena [GBP/m 3 ] Uwagi Beton ,35 Poprawny wybór; zależny od Typowe ,0 dostępności iceny skały Szkło Dobry M1; przepuszcza światło Cegła ,8 Gorsza od betonu HDPE Zbyt drogi lód ,1 Topi się!

17 Materiały zmieniające fazę

18 Micronal PCM to polimerowe kuleczki wypełnione woskiem, który w momencie zmian temperatury otoczenia topi się lub zestala. Gdy temperatura rośnie, materiał zmieniający fazę (phase change materials - PCMs) absorbuje ciepło, a przy spadku temperatury oddaje je. Cały proces jest odwracalny, a zjawisko to zachodzi w przedziale temperatur topnienia wosku (22-26 C).

19 Magazynowane ciepło określa się mianem ciepła utajonego. W wyniku zachodzących procesów materiały zmieniające fazę, mogą więc absorbować, przechowywać lub uwalniać ciepło. Ich podstawową zaletą jest duża pojemność cieplna przy małej objętości oraz masie.

20 Stopa żelazka

21 Funkcja:. Bardzo dobra przewodność cieplna Temperatura pracy do 250 C Masa nie większa niż 0,3 kg przy powierzchni roboczej ok. 200 cm 2 (A) Wysoka twardość powierzchni, odporność na zarysowanie i zużycie (także w temperaturze pracy!) Niski współczynnik tarcia w kontakcie z tkaninami Odporność korozyjna Wymagania wobec materiału: Cechy technologiczne i ekonomiczne

22 Masa: m= ρad d = grubość stopy Strumień ciepła: Q=λΔTA/d Q= ΔTm/d 2 Q max M= (λ/ ρ) max Jakie materiały?

23 Stopy na bazie Własności niektórych materiałów: Gęstość względna Temperatura topnienia [ C] M=λ/ρ Mg Al Cu Ti 4, Zn 7, Fe 7, A dlaczego nie ceramika? Dlaczego nie stopy berylu?

24 Ostateczny wybór: stop AlSi7Mg odlewany ciśnieniowo. Dlaczego? Nie ma najwyższej wartości M?

25 Polecenie. Zastanowić się nad doborem materiału na ceramiczną płytę grzejną.