Kubek termiczny ze stali nierdzewnej

Dzień dobry, zwracam się z prośbą o pomoc w projekcie studenckim. Moim zadaniem jest dobór materiału na kubek termiczny i chciałabym się dowiedzieć, jaka stal nierdzewna byłaby najlepsza w tym wypadku. Czy wykonanie kubka ze stali ferrytycznej pozwoli na utrzymanie ciepła do 4 godzin?

 

Konstrukcje termosów polegają na przeciwdziałaniu transportowi ciepła przez kondukcje, konwekcję i promieniowanie. Termos przeciwdziała przepływowi ciepła przez każdy z wymienionych typów. Termosy wytwarza się z różnych materiałów, kiedyś zwykle ze szkła które jest bardzo złym przewodnikiem ciepła, co ogranicza jego przepływ przez kondukcje. Obecnie coraz częściej także ze stali nierdzewnej o nie tak dobrych własnościach izolacyjnych jak szkło. Pojemnik termosu jest zwykle dwupłaszczowy, gdzie między płaszczami pojemnika znajduje się próżnia, co ogranicza transport ciepła przez konwekcję. Ponadto ściany wewnętrzne pojemnika w przypadku szkła są posrebrzane, co sprawia, że ciepło nie jest tracone prze promieniowanie. Dla stali nierdzewnych w tym celu stosuje się wykończenie lustrzane powierzchni.

Do podanego zastosowania należy analizować materiały pod katem przewodnictwa cieplnego λ (wyrażonego w W/mxK). W stanie nieustalonym przepływ ciepła jest określony dyfuzyjnością cieplną a (wyrażaną w m2/s), gdzie obie wielkości są związane zależnością: a = λ/(ρ x cp), gdzie ρ – gęstość, cp – ciepło właściwe (J/kg x K) a iloczyn ρ x cp jest objętościowym ciepłem właściwym

Odległość X na jaką fala temperaturowa będzie przemieszczać się w materiale w czasie t wynosi w przybliżeniu X=2at, co można odnieść do grubość ścianki. Na tej podstawie czas potrzebny do przejścia ciepła przez dany materiał o grubości X można wyliczyć z zależności t=X2/2a. Czas takiego przejścia jest maksymalizowany przez dobór materiału o najniższej dyfuzyjności cieplnej a. Prezentowane obliczenia zaczerpnięto z książki „Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim”, w której dokładnie omówione zasady doboru materiałów na pojemniki izotermiczne [1].

W celu dokładnego obliczenia czasu w jakim płyn w termosie ma utrzymywać pożądaną temperaturę należy uwzględnić grubości ścianek elementów płaszcza, przyjętą wielkość przestrzeni między płaszczowej wypełnionej próżnią i je zoptymalizować do pożądanej wielkości.

Tablica 1. Własności fizyczne wybranych stali nierdzewnych

Stal	Gęstość przy 20°C [kg/dm3]	Współczynnik przewodzenia ciepła [W/(m x K)]	Ciepło właściwe przy 20°C [J/(kg x K)]	Dyfuzyjność cieplna a [m2/s]
Ferrytyczna
1.4016	7,7	25	460	7,05816*10-6
1.4520	7,7	20	430	6,04047*10-6
1.4592	7,7	17	440	5,01771*10-6
Austenityczna
1.4301	7,9	15	500	3,79747*10-6

 

 

 

Literatura

[1]. M.F. Ashby, Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim, WNT, Warszawa, 1998

[2]. PN-EN 10088-1, Stale odporne na korozję, Część 1: Wykaz stali odpornych na korozję