Bilim.techО проекте

Тепловые свойства: теплопроводность и расширение

На сколько градусов греть подшипник перед посадкой и почему алюминиевый поршень стучит на морозе? Удлинение при нагреве, посадка с натягом, зазор поршня, бег тепла по стержню и изгиб биметалла на реальных числах.

01 Что это такое

При нагреве почти все тела удлиняются, а тепло ползет от горячего к холодному. Насколько и как быстро, зависит от материала.

Атомы в металле все время колеблются. Чем горячее, тем размах больше и тем дальше они расходятся: деталь растет во все стороны. Мера этого роста коэффициент линейного расширения α. У стали он около 12 миллионных на градус: метр стали при нагреве на 100 °C удлиняется на 1,2 мм. Алюминий растет вдвое сильнее, полиамид в семь раз, а инвар почти не растет.

Тепло передается от горячих атомов к холодным, а в металлах еще и свободными электронами, поэтому металлы проводят тепло в сотни раз лучше пластмасс. Мера этого теплопроводность λ. На этом держатся радиаторы и теплообменники из меди и алюминия, посадка подшипника с нагревом, зазоры поршня, компенсаторы трубопроводов и тепловые реле.

Расширение20 °C120 °CΔLΔL = α · L · ΔTсталь 1 м, +100 °C: 1,2 ммалюминий 1 м, +100 °C: 2,3 ммТеплопроводностьпоток тепла qq = λ · ΔT / Lмедь λ ≈ 390, сталь ≈ 50,полиамид ≈ 0,25 Вт/(м·°C)
Слева: стержень при нагреве удлиняется, удлинение показано крупно. Справа: нагретый конец красный, к дальнему концу температура падает, а тепло течет от горячего к холодному.
α
Коэффициент линейного расширения. На какую долю длины деталь растет при нагреве на 1 °C. Сталь 12·10⁻⁶, чугун 10,5, медь 17, алюминий 23, полиамид около 85·10⁻⁶ 1/°C.
λ
Теплопроводность. Сколько ватт проходит через куб 1 × 1 × 1 м при разнице 1 °C между гранями. Медь 390, алюминий 200, сталь 50, нержавейка 16 Вт/(м·°C).
a
Температуропроводность. a = λ / (ρ · c): как быстро деталь прогревается насквозь. Медь прогревается в 8 раз быстрее стали.
02 Опыт
Нагрей. Охлади. Посмотри, кто вырос и куда ушло тепло. ТЕРМОСТЕНД
МАТЕРИАЛЫ

Что делает с деталью тепло?

Рис. 2.8
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

※ Коэффициенты α взяты средними для 20–100 °C, при сильном нагреве и охлаждении они меняются. Цвет детали показывает температуру: синий холодно, серый 20 °C, оранжевый и красный горячо.

03 Формулы по буквам

Три формулы на все случаи нагрева

Удлинение пропорционально длине и нагреву. Посадка это то же удлинение, только по окружности отверстия. А бег тепла задают теплопроводность и теплоемкость. Числа под формулами берутся из опыта.

На сколько удлинится деталь?

ΔL = α · L · ΔT

Удлинение равно коэффициенту расширения, умноженному на исходную длину и на изменение температуры. Если концы зажаты, удлиниться нельзя, и появляется напряжение σ = E · α · ΔT.

ΔL
удлинение, мм (минус значит укоротилась)
α
коэффициент линейного расширения, 1/°C
L
длина при исходной температуре, мм
ΔT
изменение температуры, °C

До скольки нагреть кольцо?

ΔT = (δ + s) / (α · d)

Отверстие растет так же, как стержень длиной в диаметр. Оно должно вырасти на натяг δ и еще на монтажный зазор s, чтобы кольцо наделось свободно, пока не остыло.

δ
натяг: насколько отверстие меньше вала, мкм
s
монтажный зазор, около 0,0005·d
d
диаметр посадки, мм
ΔT
на сколько градусов нагреть выше цеховой температуры

Как быстро бежит тепло?

q = λ · ΔT / L, t ≈ L² / a

Поток тепла через стенку растет с теплопроводностью и перепадом температур. А время прогрева на глубину L растет как квадрат глубины и падает с температуропроводностью a = λ / (ρ · c).

q
плотность потока тепла, Вт/м²
λ
теплопроводность, Вт/(м·°C)
ρ, c
плотность, кг/м³, и удельная теплоемкость, Дж/(кг·°C)
a
температуропроводность, м²/с

Почему биметалл гнется

Две полосы с разными α сварены или склепаны по всей длине. При нагреве нижняя, у которой α больше, хочет стать длиннее верхней на (α₂ − α₁) · ΔT · L. Разойтись слои не могут, поэтому полоса изгибается дугой: снаружи дуги длиннее, внутри короче.

Если толщина полосы h, середины слоев отстоят на h/2. На дуге радиуса R разница их длин равна L · (h/2) / R. Приравниваем к разнице удлинений и получаем 1/R = 2 · (α₂ − α₁) · ΔT / h. Слои еще тянут и сжимают друг друга, и точный расчет Тимошенко для одинаковых толщин дает чуть меньше: 1/R ≈ 1,5 · (α₂ − α₁) · ΔT / h.

Конец полосы длиной L при этом отходит на y = L² / (2R). Тонкая длинная полоса из инвара и латуни при нагреве на 70 °C отходит на миллиметры, этого хватает, чтобы разомкнуть контакт теплового реле.

yα₁ мало: инварα₂ велико: латунь1/R ≈ 1,5 · (α₂ − α₁) · ΔT / h
Пунктир: полоса при 20 °C. Изгиб показан с преувеличением.
04 Где и зачем это применяют

Расширение и теплопроводность учитывают в каждом ремонте

Допущения модели+

Коэффициенты α, λ, c и ρ средние для марок и для температур около 20–100 °C, в справочниках они даются диапазонами. При охлаждении в сухом льду и азоте взято полное сжатие стали по справочным таблицам, а не α · ΔT, потому что при низких температурах α заметно падает. Монтажный зазор принят 0,0005·d, давление посадки посчитано для сплошного вала и стальной ступицы с наружным диаметром 1,6d без учета шероховатости. Зазор поршня считается по одному диаметру юбки с одной температурой, а в жизни юбка овальная и бочкообразная, и температура по ней разная. Теплопроводность стержня считается одномерно: конец держится при заданной температуре, бока отдают тепло спокойному воздуху с коэффициентом 10 Вт/(м²·°C), излучение не учтено. Биметалл считается по формуле Тимошенко для слоев одинаковой толщины.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →