Θερμικές ιδιότητες αλουμινίου: αγωγιμότητα, διαστολή, μεταφορά θερμότητας και όρια θερμοκρασίας

Γιατί το αλουμίνιο μεταφέρει τη θερμότητα τόσο αποτελεσματικά

Το αλουμίνιο συνδυάζει θερμική αγωγιμότητα περίπου 235 W/m·K με πυκνότητα μόλις 2,70 g/cm³, γι' αυτό κυριαρχεί στις ψύκτρες, τους πυρήνες καλοριφέρ και τους θερμικούς διανομείς. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μεταφέρουν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας ενώ οι δονήσεις του πλέγματος, ή τα φωνόνια, χειρίζονται το υπόλοιπο, έτσι η θερμότητα διαχέεται μέσω ενός στερεού τμήματος αντί να συσσωρεύεται σε ένα θερμό σημείο. Ο χαλκός εξακολουθεί να έχει καλύτερη αγωγιμότητα σε περίπου 401 W/m·K, αλλά είναι περισσότερο από τρεις φορές βαρύτερος, επομένως σε αγωγιμότητα-σε-μάζα, το αλουμίνιο συνήθως κερδίζει μέσα σε ένα περίβλημα.

Οι εμπορικά καθαροί βαθμοί όπως 1050, 1060 και 1100 δίνουν την υψηλότερη αγωγιμότητα. Τα στοιχεία κράματος διασκορπίζουν ηλεκτρόνια και τραβούν τον αριθμό προς τα κάτω, επομένως οι παρακάτω τιμές αποτελούν καθοδήγηση για το μέγεθος και όχι αντικατάσταση των πιστοποιημένων δεδομένων δοκιμής μύλου.

Θερμική επέκταση: Ο οδηγός σχεδιασμού που κανείς δεν μπορεί να αγνοήσει

Ο γραμμικός συντελεστής θερμικής διαστολής του αλουμινίου είναι περίπου 23 × 10^-6ανά Κ, κοντά στο διπλάσιο του 12 × 10^-6ανά Κ δομικού χάλυβα. Επομένως, ένα εξάρτημα αλουμινίου μήκους 1 m μεγαλώνει περίπου 0,023 mm για κάθε 1 βαθμό αλλαγής θερμοκρασίας, γι' αυτό εμφανίζονται κενά διαστολής, οπές μπουλονιών με σχισμές και συμβατές στρώσεις κόλλας όπου το μέταλλο χρησιμοποιείται δομικά. Ο συντελεστής ανήκει στο πλέγμα αλουμινίου και όχι στην ιδιοσυγκρασία, επομένως η επιλογή κράματος μετά βίας τον μετατοπίζει και η επαλήθευση ακολουθεί τη διαλατομετρία ώθησης-ράβδου ASTM E228.

Εναλλάκτες θερμότητας, πτερύγια και γεωμετρία μικροκαναλιών

Η αναλογία αγωγιμότητας-προς-του αλουμινίου είναι περίπου δεκαπέντε φορές εκείνη του ανθρακούχου χάλυβα, γι' αυτό και κατασκευάζονται από αυτό πηνία HVAC, καλοριφέρ αυτοκινήτου και συμπυκνωτές. Τα πτερύγια περίπου 0,1 mm πολλαπλασιάζουν την επιφάνεια με αμελητέο βάρος και οι σωλήνες μικροκαναλιού αυξάνουν περαιτέρω τη μεταφορά ωθώντας το ψυκτικό μέσα από πολλά μικρά παράλληλα κανάλια αντί για μερικά μεγάλα.

Το foil and fin stock παρέχεται κυρίως στα 1100, 1200, 3003, 8011 και 8006, με τα 8011 και 8006 να χρησιμοποιούνται όπου απαιτείται μεγαλύτερη αντοχή πτερυγίων.

Το επικαλυμμένο φύλλο συγκόλλησης φέρει ένα στρώμα κράματος 4004 ή 4045, έτσι ώστε ένα μόνο πέρασμα φούρνου να ενώνει έναν πλήρη πυρήνα καλοριφέρ.

Οι πυρήνες πλάκας-πτερυγίων ταιριάζουν σε ηλεκτρονικά-ψυκτικά με αέρα και στεγνωτήρια πεπιεσμένου-αέρα όπου η συμπαγής σημασία έχει μεγαλύτερη σημασία από την ονομαστική πίεση.

Αντοχή σε υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες

Το καθαρό αλουμίνιο λιώνει στους 660 βαθμούς περίπου και αυτή η οροφή διαμορφώνει κάθε απόφαση για υψηλή-θερμοκρασία. Η ισχύς απόδοσης πέφτει απότομα πάνω από περίπου 150 μοίρες και η συνεχής εξυπηρέτηση πάνω από 400 μοίρες προκαλεί διάχυση των ορίων κόκκων που η ψύξη δεν μπορεί να αντιστρέψει, ενώ μια σύντομη εκδρομή στους 300 βαθμούς κοστίζει περίπου το ήμισυ της ισχύος θερμοκρασίας του δωματίου-μόνο έως ότου το εξάρτημα επιστρέψει στο περιβάλλον. Το στέλεχος-σκληρυνθεί 3003, 3004, 5052 και 5083 ταιριάζουν με ζεστό σέρβις και στο ψυχρό άκρο το μέταλλο αποκτά ολκιμότητα και σκληρότητα εγκοπής, γεγονός που τοποθετεί τα 5083, 5052 και 6061 σε υγροποιημένες-δεξαμενές αερίου και με κρυογενικές συστολές απορρόφησης.

Επιστρώσεις, αρμοί και πρακτικοί περιορισμοί

Η ανοδίωση, η βαφή και η βαφή σε σκόνη μειώνουν την αγωγιμότητα της επιφάνειας επειδή το στρώμα οξειδίου ή πολυμερούς μονώνει, επομένως οι περιοχές θερμικής διεπαφής καλύπτονται πριν από το φινίρισμα. Όπου το αλουμίνιο συναντά τον χάλυβα ή τον χαλκό σε υγρό και ζεστό περιβάλλον, η γαλβανική διάβρωση ελέγχει τον σχεδιασμό και απαιτεί μονωτικές ροδέλες ή θυσιαστική επίστρωση. Το αλουμίνιο ανέχεται επίσης λιγότερους-θερμικούς κύκλους υψηλής καταπόνησης από τα κράματα βάσης τιτανίου ή νικελίου-, επομένως οι κυκλικοί σύνδεσμοι χρειάζονται συμβατή γεωμετρία. Η συγκόλληση με πληρωτικό αλουμινίου-πυριτίου διατηρεί τη θερμοκρασία του αρμού κάτω από το εύρος τήξης του μητρικού μετάλλου και η συγκόλληση με τριβή ανάδευσης περιορίζει το πορώδες των αρμών πάχους-διατομής.

Συχνές Ερωτήσεις

Ε: Ποια είναι η θερμική αγωγιμότητα του αλουμινίου;
Το καθαρό αλουμίνιο άγει περίπου 235 W/m·K σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ κοινά κράματα όπως 3003, 6061 και 5052 πέφτουν μεταξύ περίπου 120 και 195 W/m·K.

Ε: Είναι ο χαλκός καλύτερος θερμικός αγωγός από το αλουμίνιο;
Ο χαλκός αγώγει περίπου 401 W/m·K έναντι 235 W/m·K για το αλουμίνιο, αλλά το αλουμίνιο ζυγίζει περίπου το ένα τρίτο, επομένως ο λόγος αγωγιμότητάς του-προς-του βάρους είναι συνήθως ο πιο χρήσιμος αριθμός.

Ε: Πόσο διαστέλλεται το αλουμίνιο όταν θερμαίνεται;
Ο γραμμικός συντελεστής είναι περίπου 23 × 10^-6ανά Κ, έτσι μια ράβδος αλουμινίου 1 m μεγαλώνει περίπου 0,023 mm ανά 1 μοίρα και περίπου 0,23 mm σε άνοδο 10 μοιρών.

Ε: Μπορεί το αλουμίνιο να χρησιμοποιηθεί πάνω από 300 βαθμούς;
Οι σύντομες εκδρομές είναι ανεκτές επειδή η δύναμη που χάνεται με τη θέρμανση επιστρέφει μετά την ψύξη, αλλά η συνεχής εξυπηρέτηση πάνω από 400 βαθμούς υποβαθμίζει μόνιμα τα όρια των κόκκων.

Ε: Γιατί τα πτερύγια αλουμινίου έχουν πάχος μόνο περίπου 0,1 mm;
Τα λεπτά πτερύγια αυξάνουν την επιφάνεια ανά μονάδα όγκου, ενώ διατηρούν το βάρος και το κόστος υλικού χαμηλά και η αγωγιμότητα είναι αρκετά υψηλή ώστε το πτερύγιο να παραμένει σχεδόν ισοθερμικό σε όλο το μήκος του.