رسانایی حرارتی در فلزات، بهترین فلرات در انتقال گرما کدامند؟

رسانایی حرارتی معیاری است که توانایی یک فلز در انتقال حرارت را مورد بررسی قرار می‌دهد. رسانایی حرارتی در میان فلزات گوناگون کاملا متفاوت است و آشنایی با آن در زمان مواجهه با عملیات‌های صنعتی در دماهای بسیار بالا اهمیت پیدا می‌کند.

زمانی که فلزات در حالت خالص خود قرار دارند، معمولا با افزایش دما میزان رسانایی گرمایی آنها ثابت می‌ماند. این در حالیست که آلیاژهای فلزی با افزایش دما رسانش گرمایی بالاتری از خود نشان می‌دهند. با این مقاله از فولادینو همراه باشید تا ضمن بررسی دقیق این خاصیت از فلزات، بهترین فلزات رسانا گرما را بشناسیم.

رسانایی حرارتی کدام فلز بهتر است؟

رتبه	فلز	رسانایی حرارتی [BTU/(hr·ft⋅°F)]
1	مس	223
2	آلومینیوم	118
3	برنج	64
4	فولاد	17
5	برنز	15

همانطور که در جدول بالا مشاهده فرمودید، در میان فلزات متداول، مس و آلومینیوم بالاترین نرخ رسانش گرمایی را دارا هستند و در مقابل فولاد و برنز کمترین میزان رسانش گرمایی را دارند. همانطور که گفته شد زمانی که میخواهیم فلزی را برای یک کاربرد به خصوص (عموما عملیات در دمای بالا) انتخاب کنیم، هدایت حرارتی یک خاصیت بسیار مهم است که حتما باید ارزیابی شود. 

از آنجایی که مس یک رسانای گرما بسیار قوی است، کاربرد مناسبی در ساخت مبدل‌های حرارتی، سینک‌های حرارتی و حتی کف قابلمه آشپزخانه دارد. در نقطه مقابل به عنوان مثال فولاد قرار دارد که چون رسانش گرمایی بالایی ندارد، برای به کار برده شدن در محیط‌هایی با دمای بسیار بالا مانند موتور هواپیماها مناسب است. 

اهمیت رسانایی حرارتی در فرایندهای مختلف

در این قسمت سه فرایندی که برای بهبود عملکردشان نیاز به فلزات رسانای گرما دارند را معرفی و به طور مفصل بررسی می‌کنیم : 

• مبدل‌های حرارتی
• سینک‌های حرارتی
• ظروف آشپزی

مبدل‌های حرارتی

مبدل‌های حرارتی برای اینکه به درستی عمل کنند نیاز به فلزات با رسانایی گرمایی بالا دارند. نحوه کارآیی مبدل‌های حرارتی به این گونه است که آنها حرارت را انتقال می‌دهند تا گرمایش یا سرمایش را به ارمغان بیاورند.

از آنجایی که رسانش گرمایی بالای مس این اجازه را می‌دهد تا حرارت خیلی سریع در آن حرکت کند، این فلز همواره یک گزینه محبوب برای استفاده در مبدل‌های حرارتی در تاسیسات صنعتی، سیستم‌های تهویه مطبوع، یخچال‌ها و فریزرها، تانکرهای آب گرم و سیستم‌های گرمایش زیرزمینی محسوب شده است. فلز مس همچنین خواص مطلوب بیشتری را نیز برای مبدل‌های حرارتی دارا است که از جمله آنها می‌توان به مقاومت در برابر خوردگی، رسوب زیستی، تنش و انبساط حرارتی اشاره کرد. همچنین آلومینیوم نیز می‌تواند در برخی از مبدل‌های حرارتی به عنوان یک جایگزین مقرون‌به‌صرفه استفاده شود.

مبدل های حرارتی معمولاً در شرایط زیر استفاده می‌شوند:

۱) تاسیسات صنعتی

مبدل‌های حرارتی در تاسیسات صنعتی اعم از نیروگاه‌های سوخت فسیلی و هسته‌ای، نیروگاه‌های شیمیایی، کارخانه‌های عظیم نمک‌زدایی و تصفیه و خدمات دریایی کاربرد گسترده‌ای دارند. در تاسیسات صنعتی آلیاژ مس – نیکل برای ساخت لوله مبدل حرارتی استفاده می‌شود.

این آلیاژ مقاومت در برابر خوردگی خوبی دارد که از خوردگی بدنه مبدل‌ها در محیط‌های آب شور محافظت می‌کند و همچنین دارای مقاومت در برابر رسوب زیستی خوبی برای جلوگیری از تشکیل جلبک‌ها و خزه‌های دریایی است. لازم به ذکر است که آلیاژ آلومینیوم – برنج دارای خواص مشابهی است و می‌تواند به عنوان جایگزین استفاده شود.

۲) سیستم‌های آب حرارتی خورشیدی

آبگرمکن‌های خورشیدی روشی مقرون به صرفه برای گرم کردن آب هستند که در آن‌ها از یک لوله مسی برای انتقال انرژی حرارتی خورشید به آب استفاده می‌شود. مس به دلیل رسانایی حرارتی بالا، مقاومت در برابر خوردگی در مواجهه با هوا و آب و استحکام مکانیکی مناسبی که دارد استفاده می‌شود.

۳) آبگرمکن‌های گازی

مبدل‌های حرارتی آب گازی، گرمای تولید شده توسط سوخت‌های گازی را به آب منتقل می‌کنند. برای ساخت مبدل حرارتی این آبگرمکن‌های گازی، عموما از مس به دلیل رسانایی حرارتی بالا و سهولت ساخت استفاده می‌شود.

۴) گرمایش و سرمایش هوا

پمپ‌های حرارتی از دیرباز برای انتقال حرارت در مصارف مسکونی یا صنعتی کاربرد داشته‌اند. مکانیزم عملکرد آنها به صورت تبادل حرارت هوا به هوا از طریق واحدهای تبخیرکننده است. در اینجا نیز باز هم مس به واسطه داشتن هدایت حرارتی بالا، فلزیست که ترجیح داده می‌شود. 

سینک‌های حرارتی

سینک‌های حرارتی یا هیت سینک نوعی مبدل حرارتی هستند که گرمای تولید شده توسط یک دستگاه الکترونیکی یا مکانیکی را به سیال خنک‌کننده متحرک منتقل می‌کنند و سپس سیال، گرما را از دستگاه خارج می‌کند و اجازه می‌دهد دستگاه تا رسیدن به دمای مورد نظر خنک شود. سینک‌های حرارتی برای به حداکثر رساندن سطح تماس با سیال خنک‌کننده طراحی شده‌اند و در ساخت آنها از فلزات با رسانایی حرارتی بالا استفاده می‌شود.

کامپیوترها از سینک‌های حرارتی برای خنک کردن واحدهای پردازش مرکزی یا پردازنده‌های گرافیکی استفاده می‌کنند. از هیت سینک‌ها در دستگاه‌های پرقدرت مانند ترانزیستورها، لیزرها و LEDها نیز استفاده می‌شود.

آلیاژهای آلومینیوم متداول‌ترین ماده در ساخت سینک‌های حرارتی هستند؛ زیرا قیمت آلومینیوم کمتر از مس است. با این حال، مس در جاهایی استفاده می‌شود که درجات بالاتری از هدایت حرارتی مورد نیاز است. لازم به ذکر است که برخی از هیت سینک‌ها از پره‌های آلومینیومی ترکیبی با پایه مسی استفاده می‌کنند.

اهمیت رسانایی حرارتی در ظروف آشپزی

یکی از کاربردهای فلزات با هدایت حرارتی خوب که در روزمره ما همواره قابل مشاهده است، ظروف پخت و پز است. وقتی غذای خود را گرم می‌کنید، طبیعتا نمی‌خواهید تمام روز را منتظر گرم شدنش بمانید. به همین دلیل است که از مس در کف ظروف با کیفیت بالا استفاده می‌شود؛ زیرا این فلز به سرعت گرما را هدایت می‌کند و آن را به طور یکنواخت در سطح قابلمه پخش می‌کند.

با این حال، اگر بودجه کمی دارید یا قصد صرفه‌جویی دارید، می‌توانید از ظروف آلومینیومی به عنوان جایگزین استفاده کنید. ممکن است کمی بیشتر طول بکشد تا غذای شما گرم شود، اما کیف پول شما بابت آن از شما تشکر خواهد کرد!

منبع: Metal supermarkets