De ce aluminiul transferă căldura atât de eficient
Aluminiul combină o conductivitate termică de aproximativ 235 W/m·K cu o densitate de numai 2,70 g/cm³, motiv pentru care domină radiatoarele, miezurile radiatoarelor și distribuitoarele termice. Electronii liberi transportă cea mai mare parte a energiei, în timp ce vibrațiile rețelei sau fononii gestionează restul, astfel încât căldura se răspândește printr-o secțiune solidă în loc să se acumuleze într-un singur punct fierbinte. Cuprul încă conduce mai bine la aproximativ 401 W/m·K, dar este de trei ori mai greu, astfel încât, pe o conductivitate-la-masă, aluminiul câștigă în mod normal în interiorul unei carcase.
Calitățile pure din punct de vedere comercial, cum ar fi 1050, 1060 și 1100 oferă cea mai mare conductivitate. Elementele de aliere împrăștie electronii și trage numărul în jos, astfel încât valorile de mai jos sunt îndrumări de dimensionare mai degrabă decât un înlocuitor pentru datele de testare certificate de fabrică.
| Grad / temperament | Conductivitate termică la 20 de grade (W/m·K) | Sarcina termică tipică |
|---|---|---|
| 1060-O | 234 | Bare colectoare, distribuitoare termice, miezuri de folie |
| 3003-H14 | 193 | Aripioare radiator, tuburi schimbătoare de căldură |
| 6061-T6 | 167 | Radiatoare structurale de căldură, plăci reci |
| 5052-H32 | 138 | HVAC și carcase marine |
| 5083-O | 117 | Echipamente criogenice și sub presiune |
Expansiune termică: driverul de design pe care nimeni nu îl poate ignora
Coeficientul liniar de dilatare termică a aluminiului este de aproximativ 23 × 10-6per K, aproape de două ori mai mare decât 12 × 10-6per K de oțel de structură. Prin urmare, o piesă de aluminiu de 1 m crește cu aproximativ 0,023 mm pentru fiecare grad de schimbare de temperatură, motiv pentru care spațiile de dilatare, găurile pentru șuruburi și straturi adezive conforme apar oriunde metalul este utilizat structural. Coeficientul aparține mai degrabă rețelei de aluminiu decât temperării, așa că alegerea aliajului abia îl schimbă, iar verificarea urmează dilatometria cu tijă de împingere ASTM E228.
Schimbătoare de căldură, aripioare și geometrie microcanal
Raportul conductivitate-la-greutate al aluminiului este de aproximativ cincisprezece ori mai mare decât cel al oțelului carbon, motiv pentru care bobinele HVAC, radiatoarele auto și condensatoarele sunt construite din acesta. Aripioarele de aproximativ 0,1 mm înmulțesc suprafața la o greutate neglijabilă, iar tuburile cu microcanale măresc transferul și mai mult prin împingerea agentului frigorific prin multe canale paralele mici în loc de câteva canale mari.
Folia și stocul de aripioare sunt furnizate în principal în 1100, 1200, 3003, 8011 și 8006, 8011 și 8006 fiind folosite acolo unde este nevoie de o rezistență mai mare a aripioarelor.
Foaia de lipire îmbrăcată poartă un strat de aliaj 4004 sau 4045, astfel încât o singură trecere a cuptorului unește un miez complet al radiatorului.
Miezurile cu plăci-apioare se potrivesc cu dispozitivele electronice-răcite cu aer și uscătoarele cu-aer comprimat, unde compactitatea contează mai mult decât presiunea nominală.
Rezistență la temperaturi ridicate și scăzute
Aluminiul pur se topește la aproximativ 660 de grade , iar acel tavan modelează fiecare decizie de-temperatură ridicată. Limita de curgere scade abrupt peste aproximativ 150 de grade, iar serviciul continuu peste 400 de grade determină o difuzie de granu-limită pe care răcirea nu o poate inversa, în timp ce o scurtă excursie la 300 de grade costă aproximativ jumătate din rezistența la temperatura camerei-doar până când piesa revine la ambient. 3003, 3004, 5052 și 5083 întărite la tulpină se potrivesc cu serviciul cald, iar la capătul rece metalul câștigă ductilitate și duritate, ceea ce pune 5083, 5052 și 6061 în rezervoare de gaz lichefiat{17}}și cu circuit de absorbție criogenic de contracție.
Acoperiri, îmbinări și limitări practice
Anodizarea, vopsirea și acoperirea cu pulbere reduc toate conductivitatea suprafeței, deoarece stratul de oxid sau polimer izolează, astfel încât zonele de interfață termică sunt mascate înainte de finisare. Acolo unde aluminiul se întâlnește cu oțelul sau cuprul într-un mediu umed și cald, coroziunea galvanică controlează designul și necesită șaibe izolate sau o acoperire sacrificială. De asemenea, aluminiul tolerează mai puține cicluri termice-de deformare ridicată decât aliajele pe bază de titan sau nichel-, astfel încât îmbinările cu cicluri necesită o geometrie conformă. Lipirea cu material de umplutură din aluminiu-siliciu menține temperatura îmbinării sub intervalul de topire a metalului de bază, iar sudarea prin amestecare prin frecare limitează porozitatea îmbinărilor cu secțiune-groasă.
Întrebări frecvente
Î: Care este conductivitatea termică a aluminiului?
Aluminiul pur conduce aproximativ 235 W/m·K la temperatura camerei, în timp ce aliajele obișnuite precum 3003, 6061 și 5052 se încadrează între aproximativ 120 și 195 W/m·K.
Î: Este cuprul un conductor termic mai bun decât aluminiul?
Cuprul conduce aproximativ 401 W/m·K față de 235 W/m·K pentru aluminiu, dar aluminiul cântărește aproximativ o treime mai mult, așa că raportul conductivitate-la-greutate este de obicei cifra mai utilă.
Î: Cât de mult se extinde aluminiul când este încălzit?
Coeficientul liniar este de aproximativ 23 × 10-6per K, deci o bară de aluminiu de 1 m crește cu aproximativ 0,023 mm pe 1 grad și aproximativ 0,23 mm la o creștere de 10 grade.
Î: Poate fi folosit aluminiul peste 300 de grade?
Excursiile scurte sunt tolerabile deoarece rezistența pierdută la revenirea la încălzire după răcire, dar serviciul continuu peste 400 de grade degradează permanent granițele de cereale.
Î: De ce aripioarele de aluminiu au doar aproximativ 0,1 mm grosime?
Aripioarele subțiri măresc suprafața pe unitate de volum, menținând în același timp greutatea și costul materialului scăzut, iar conductivitatea este suficient de mare încât aripioarele să rămână aproape izotermă pe lungimea sa.
