什么是热导率-定义

热传导性是一种衡量物质通过传导传递热量的能力。导热系数k(或λ),单位为W/m.K。优德app热能工程

热导率

导热-导热-二氧化铀固体材料w88优德备用网址 微博的传热特性是通过一种叫做热导率, k(或λ),单位为W / m。K。它是一种测量物质通过传导传递热量的能力的方法。请注意,傅立叶定律适用于所有物质,无论其状态(固体、液体或气体),因此,它也被定义为液体和气体。

热导率大多数液体和固体随温度而变化。对于蒸汽,它也取决于压力。一般来说:

热导率。定义

大多数材料几乎都是均匀的,因此我们通常可以写字k = k (T)。热导率在y方向和z方向(kykz),但对于各向同性材料,导热系数与传递方向无关x= ky= kz= k。

由上式可知,导热热流密度随导热系数的增大而增大,随温度差的增大而增大。一般来说,固体的热导率大于液体,而液体又大于气体。这种趋势很大程度上是由于分子间距离对于物质的两种状态。特别是,金刚石具有最高的硬度和导热性的任何块状材料。

导热系数-材料

傅里叶热传导定律
w88优德备用网址 微博过程可以用适当的速率方程来量化。这种传热模式下的速率方程是基于w88优德备用网址 微博傅里叶热传导定律。这条法律规定时间传热速率w88优德备用网址 微博通过一种材料成正比消极的温度梯度和面积成直角,和梯度成直角,热量通过梯度流动。其微分形式为:

傅里叶热传导定律

在这种关系中得到的比例常数称为热导率,k(或λ),材料。一种很容易通过传导来传递能量的材料是良好的热导体,具有很高的值k傅立叶定律定义热导率

由此可见,要解决傅立叶定律我们必须考虑物体的温差,几何形状,和热导率。这一定律是由约瑟夫·傅里叶在1822年首次提出的,他得出结论:“热传导产生的热流密度与温度梯度的大小成正比,在符号上与之相反。”

同样的傅立叶定律确定了通过板坯的热流,也可用来确定温差,当是已知的。这可以用来计算燃料球团中心的温度,如下面的部分所示。

导热系数单位
在国际标准单位,热导率单位是瓦特每米开尔文-W / (m·K)。热导率用英制单位来衡量英热单位/ (hr·英尺⋅°F)

注意,英国热量单位(单位:BTU)被定义为在水的最大密度(约39度)的温度下,一磅水要使其温度升高1°F所必须吸收的热量华氏温度)。

其他与导热系数密切相关的单位在建筑和纺织工业中也有广泛的应用。建筑行业利用单位如热阻(电阻),表示为材料的厚度归一化为导热系数,在均匀条件下为绝缘子两端的温差与通过绝缘子的热流密度之比:R(x) =∆T/q。r值越高,材料阻碍传热的程度就越大。w88优德备用网址 微博可以看出,电阻取决于产品的厚度。

化学元素的热导率
热导率

流体(液体和气体)导热系数

在物理学中,流体是一种在施加剪应力下不断变形(流动)的物质。液体是物质和物质相的子集吗液体,气体在某种程度上,还有塑料固体。因为分子间的间隔要大得多,而且分子的运动在流体状态下比在固体状态下更随机,热能传输就没那么有效了。的热导率因此,气体和液体的体积一般小于固体的体积。在液体中,热传导是由原子或分子扩散引起的。在气体中,热传导是由分子从高能级向低能级扩散引起的。

气体导热系数

热导率-气体温度、压力和化学物质对热导率一种气体可以用气体运动论。在没有对流的情况下,空气和其他气体通常是很好的绝缘体。因此,许多绝缘材料(如聚苯乙烯)的功能简单地由大量的充气袋哪一个防止大规模对流。由于气穴与固体材料的交替作用,热量必须通过许多界面传递,导致传热系数迅速降低。w88优德备用网址 微博

气体的导热系数正比于气体的密度,平均分子速度,特别是平均自由程的分子。平均自由路径也取决于分子的直径,大分子比小分子更容易发生碰撞,这是一个能量载体(一个分子)在经历碰撞之前所走过的平均距离。轻气体,如通常有高导热系数。高密度气体,如氙气和二氯二氟甲烷的导热系数很低。

一般来说,气体的导热系数随温度的升高而增大。

液体导热系数

正如所写的,在液体中,热传导是由原子或分子扩散引起的,但解释液体热传导的物理机制还没有很好地理解。液体往往具有比气体更好的导热性,流动的能力使液体适合于从机械部件中去除多余的热量。通过使液体流经热交换器,可以将热量排出。核反应堆中使用的冷却剂包括水或液态金属,如钠或铅。

非金属液体的导热系数一般随温度的升高而降低。

钠的导热系数
液体钠在某些类型的液体中用作传热流体w88优德备用网址 微博核反应堆因为它有高导热系数低中子吸收截面需要在反应堆中实现高中子通量。高导热性能有效地创造了一个热容量的水库,提供热惯性,以防止过热。

导热系数-钠

特别参考:核工程材料的热物理性质:数据的教程和收集。国际原子能机构,维也纳,2008年。ISBN 978-92-0-106508-7。

水和蒸汽的导热系数
蒸汽是一种常见的液体吗换热在一次回路(从燃料棒表面到冷却剂流)和二次回路中。它的使用是因为它可用性高的热容,既可以冷却也可以加热。它特别有效地传递热量蒸发冷凝因为它的水非常大的蒸发潜热

缺点是水慢化反应堆必须使用高压一次回路为了保持水分液态为了达到足够的热力学效率。水和蒸汽还会与钢铁和铜等工业中常见的金属发生反应,这些金属被未经处理的水和蒸汽氧化得更快。在几乎所有的火电站(煤、气、核)中,水被用作工作流体(在锅炉、汽轮机和冷凝器之间的闭环中使用)和冷却剂(用于将废热交换到水体中或通过冷却塔的蒸发将其带走)。

水的导热系数

热导率-饱和水

蒸汽导热系数

热导率-饱和蒸汽

参见:蒸汽表

特别参考:核工程材料的热物理性质:数据的教程和收集。国际原子能机构,维也纳,2008年。ISBN 978-92-0-106508-7。

氦的导热系数
是一种化学元素吗原子序数 2也就是说在原子结构中有2个质子和2个电子。的化学符号对氦

它是一种无色、无嗅、无味、无毒、惰性、单原子气体,在元素周期表中的惰性气体群中排名第一。它的沸点是所有元素中最低的。

由于氦相对较低的摩尔(原子)质量,它在气相中的导热率、比热和声速都比除氢以外的任何其他气体大。由于它的惰性和高导热性,中子透明,并且因为它在反应堆条件下不形成放射性同位素,在一些气冷核反应堆(例如高温气冷反应堆- HTGR)中用作传热介质。

热导率-氦

特别参考:核工程材料的热物理性质:数据的教程和收集。国际原子能机构,维也纳,2008年。ISBN 978-92-0-106508-7。

固体导热系数

固体中热能的输送通常是由于两种效应:

  • 自由电子的迁移
  • 晶格振动波(声子)

当电子和声子携带热能在固体中进行导热传热时,导热系数可表示为:w88优德备用网址 微博

k = ke+ kph值

金属导热系数

热导率-金属金属是固体,因此它们具有晶体结构,其中离子(核及其周围的核电子壳)占据晶格中的平动等效位置。金属一般有高导电性,高导热系数,高密度。因此,热能的输送可能是由于两个效应:

  • 的迁移自由电子
  • 晶格振动波(声子)。

当电子和声子携带热能在固体中进行导热传热时,导热系数可表示为:w88优德备用网址 微博

k = ke+ kph值

就其结构而言,金属的独特特征是载流子的存在电子。金属的电导率和热传导率来自事实上,他们外层电子是离域的。它们对热导率的贡献被称为电子导热系数,ke。事实上,在金、银、铜和铝等纯金属中,由于声子的流动,与电子流动相关的热流所起的作用远远大于其所起的作用。相比之下,对于合金,k的贡献ph值对k不再是可忽略的。

维德曼-弗朗兹定律-洛伦兹数
在给定的温度下导热性和导电性金属的成比例的,但提高温度会增加导热系数,而降低导电性。这种行为在Wiedemann-Franz法律。该定律指出,电子对导热率的贡献(k)与金属的电导率(σ)成正比于温度(T)。

维德曼-弗朗兹定律-洛伦兹数定义

定性地说,这种关系是基于这样一个事实:热和电的传输都涉及自由电子在金属。电导率随粒子速度的增加而降低,因为碰撞使电子偏离电荷的正向传递。然而,热导率随着平均粒子速度的增加而增加,因为平均粒子速度增加了能量的正向输运。维德曼-弗朗茨定律在高温下通常很好地遵守。但在中低温区,由于载流子的非弹性散射,这一定律失效。

必须指出的是,由于非金属中声子载流子对热量的重要性增加,电导和热导之间的一般相关性在其他材料中并不成立。

非金属导热系数

导热性-建筑材料非金属固体,k主要是由kph值,随着原子和晶格之间相互作用频率的降低,其增加。事实上,晶格热传导是非金属材料中最主要的热传导机制,即使不是唯一的。在固体中,原子围绕其平衡位置(晶格)振动。原子的振动不是彼此独立的,而是与相邻的原子耦合得相当强。晶格排列的规律性对晶体结构有重要影响kph值,与晶体(有序)材料类似石英导热性的比非晶材料如玻璃导热性高的在足够高的温度下ph值∝1 / T。

热导率-固体广达电脑晶体振动场的“声子声子是凝聚态物质(如固体和某些液体)中原子或分子周期性、弹性排列中的集体激发。声子在凝聚态物质的许多物理性质中起着重要作用,比如导热性和导电性。事实上,对于晶体,非金属固体,如金刚石,kph值可以很大,超过良导体(如铝)的k值。特别是,金刚石具有最高的硬度和热导率(k = 1000 W/m.K)的任何块状材料。

二氧化铀的热导率

导热-导热-二氧化铀大部分的pwr使用铀燃料,其形式是二氧化铀。二氧化铀是一种黑色半导体固体导热系数极低。另一方面,二氧化铀有高熔点并已众所周知的行为。UO2被压进去球团矿,然后将这些颗粒烧结成固体。

这些球团矿然后装入并封装在一个燃料棒(或燃料针)内,这是由锆合金,因为它的非常低的吸收横截面(不像不锈钢)。覆盖小球的管的表面被称为燃料包壳。燃料棒是燃料组件的基本部件。

热导率二氧化铀与金属铀、氮化铀、碳化铀和锆包层材料相比非常低。热导率是决定导热系数的参数之一燃料中心线温度。这种低导热率会导致燃料中心线局部过热,因此必须避免这种过热。保持稳定的峰值状态可以防止燃料过热线性热率(LHR)或热流密度热通道因子- F(z)低于燃料中心线熔化的水平。燃料球团在中心线熔化时的膨胀可能导致球团对包层施加应力直至失效点。

热导率固体UO2密度为95%的估计是通过以下相关性[克里缅科;佐林:

铀的热导率方程

τ = T/1000。这个相关性的不确定性在298.15到2000 K范围内为+10%,在2000到3120 K范围内为+20%。

热导率-二氧化铀-图表

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特别参考:核工程材料的热物理性质:数据的教程和收集。国际原子能机构,维也纳,2008年。ISBN 978-92-0-106508-7。

锆的热导率

导热-导热-锆是一种有光泽,灰白色,强过渡金属,类似铪,在较小程度上类似钛。主要用作耐火材料和不透明剂,但少量用作合金剂,因为其耐腐蚀性强。锆合金(如Zr + 1%Nb)被广泛用于核反应堆燃料的包层。这些合金的理想性能是低中子俘获截面和在正常使用条件下耐腐蚀。锆合金的导热系数(约18 W/m.K)低于纯金属锆(约22 W/m.K)。

特别参考:核工程材料的热物理性质:数据的教程和收集。国际原子能机构,维也纳,2008年。ISBN 978-92-0-106508-7。

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参见:

热传导

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