Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 12 dr inż. Hanna Smoleńska Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska Materiały edukacyjne
Przewodność i dyfuzyjność cieplna
Przewodność cieplna λ jest to strumień (określona ilość) ciepła przepływający pod wpływem gradientu temperatury dt/dx
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]
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
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?
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: 406.025MHz +/- 2kHz
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
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?
Materiały na ściany akumulujące ciepło Ashby M.F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim. WNT. Warszawa 1998
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
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
Droga dyfuzji: Dyfuzyjność cieplna max max
Ograniczenie wynikające z grubości ściany: Dla w 0,5 m i t = 12 h:
M 1 = 1000 [W s 1/2 /(m 2 K)] M 2 =3 10-6 [m 2 /s] http://www.grantadesign.com
Materiał na ściany akumulujące ciepło Materiał M1 Względna cena [GBP/m 3 ] Uwagi Beton 3 10 3 0,35 Poprawny wybór; zależny od Typowe 3 10 3 1,0 dostępności iceny skały Szkło 10 3 10 Dobry M1; przepuszcza światło Cegła 10 3 0,8 Gorsza od betonu HDPE 10 3 3 Zbyt drogi lód 3 10 3 0,1 Topi się!
Materiały zmieniające fazę www.micronal.de
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).
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.
Stopa żelazka
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
Masa: m= ρad d = grubość stopy Strumień ciepła: Q=λΔTA/d Q= ΔTm/d 2 Q max M= (λ/ ρ) max Jakie materiały?
Stopy na bazie Własności niektórych materiałów: Gęstość względna Temperatura topnienia [ C] M=λ/ρ Mg 1.74 650 90 Al 2.70 660 88 Cu 8.92 1083 44 Ti 4,51 1660 6 Zn 7,14 420 16 Fe 7,87 1568 10 A dlaczego nie ceramika? Dlaczego nie stopy berylu?
Ostateczny wybór: stop AlSi7Mg odlewany ciśnieniowo. Dlaczego? Nie ma najwyższej wartości M?
Polecenie. Zastanowić się nad doborem materiału na ceramiczną płytę grzejną.