Металлопластик на отопление: Система отопления из металлопластиковых труб: преимущества, нюансы монтажа

Напитки остаются холоднее в пластиковой или металлической посуде?

Введение

Представьте это; вы сидите на улице в жаркий летний день, расслабляетесь и небрежно потягиваете из бутылки свой любимый безалкогольный напиток. Через несколько минут вы заметите, что ваш безалкогольный напиток больше не прохладный и освежающий, а быстро становится теплым и пресным. Как раздражает. Если бы вы купили газировку в металлической банке, ваш напиток мог бы оставаться прохладнее и не испортиться под воздействием жаркого летнего солнца. Эта разница между тем, как два контейнера для безалкогольных напитков реагируют на солнечный свет и жаркую летнюю температуру, можно объяснить их тепловыми свойствами.

Механизмы теплопередачи

Материал можно охарактеризовать как «горячий» на основании количества движения и вибрации его атомов. Все состоит из атомов, многие из которых сгруппированы вместе в уникальном порядке, образуя молекулы. Материал будет казаться горячим, когда эти атомы или молекулы быстро вибрируют и подпрыгивают. Теплопередача между двумя материалами происходит, когда быстро движущиеся атомы более горячего материала сталкиваются с более медленными атомами более холодного материала. Более теплый материал передаст часть своей «тепловой энергии» более холодному материалу, заставив его атомы двигаться быстрее и начать нагреваться. Этот теплообмен будет продолжаться до тех пор, пока два материала не достигнут стабильной равновесной температуры. Этот тепловой механизм объясняет, почему горячая чашка кофе остывает, если ее оставить на прилавке в течение длительного периода времени. Горячие и быстро движущиеся молекулы кофе сталкиваются с более медленными молекулами воздуха и начинают уменьшать вибрацию. Единственный способ ограничить этот поток энергии и тепла — изолировать материал от окружающей среды. Если вокруг меньше молекул, с которыми могут столкнуться быстро движущиеся атомы горячего материала, он будет дольше сохранять свою энергию, тем самым сохраняя весь материал более горячим.

Теплопередача и теплопроводность

Способность материала эффективно передавать тепло или «тепловую энергию» другому материалу в значительной степени зависит от его теплопроводности. Теплопроводность обеспечивает измерение того, насколько хорошо материал может проводить или передавать тепло. Это тепловое измерение выражает количество энергии, передаваемой на единицу расстояния на градус температуры. В системе MKS единицами измерения являются ватты на метр по Кельвину или Вт/(м/К). Металлы обычно обладают высокой теплопроводностью и намного быстрее реагируют на изменение температуры окружающей среды по сравнению с пластиком или пенопластом. Пластик классифицируется как изолятор и очень медленно реагирует на изменение температуры окружающей среды. Разницу в наблюдаемой теплопроводности металла и пластика можно объяснить тем, что металл кажется более холодным на ощупь по сравнению с куском пластика. Когда вы прикасаетесь к металлическому предмету, энергия передается от ваших пальцев к металлу, вызывая у вас ощущение охлаждения. Это связано с тем, что температура вашего тела выше температуры металла, которая при контакте с вашей рукой начнет увеличиваться из-за того, что атомы металла начинают вибрировать и двигаться быстрее. Пластмассы имеют противоположный эффект при контакте с рукой и даже могут казаться теплыми на ощупь. Это связано с низкой теплопроводностью пластика, которая ограничивает быструю передачу тепла от руки к пластику.

Тепловые свойства пластика

Средняя теплопроводность большинства пластиков составляет примерно 0,02–0,05 Вт/(м/К), что представляет собой поразительную разницу в пять порядков по сравнению с теплопроводностью алюминия. Это означает, что алюминий передает в 100 000 раз больше тепла на единицу расстояния, чем объект из пластика, когда оба объекта подвергаются воздействию одинаковой температуры окружающей среды. Эта чрезвычайно низкая теплопроводность возникает из-за того, что электроны в пластике тесно связаны со своими соответствующими молекулами, поэтому для их перемещения требуется значительное количество энергии. Поскольку тепловая энергия передается через вибрирующие молекулы, сталкивающиеся друг с другом, большинство пластиков являются плохими проводниками тепла из-за неспособности их атомов быстро вибрировать. Теплопроводность пенополистирола даже ниже, чем у обычного пластика, из-за обилия захваченных пузырьков воздуха в материале, которые еще больше ограничивают поток энергии. Пенополистирол имеет очень низкую теплопроводность примерно 0,33 Вт (м/К). Это отличный пластик для хранения горячих напитков, потому что он защитит вашу руку от перегрева даже после длительного периода времени.

Рисунок 1: Пластиковые бутылки с водой наполняют на производственной линии.

Вода и безалкогольные напитки составляют большую часть напитков, расфасованных в прозрачные пластиковые бутылки. Если эти бутылки находятся под прямыми солнечными лучами, ультрафиолетовые лучи могут проникать через пластик и достигать жидкости внутри бутылки. Бутылка также действует как увеличительная линза и еще больше концентрирует солнечный свет внутри бутылки. Этот эффект может более чем компенсировать разницу в теплопроводности между пластиком и металлом, значительно снижая изоляционные свойства пластика. В результате жидкость внутри пластиковой бутылки нагреется быстрее, чем если бы она находилась в непрозрачной металлической емкости.

Использование пластика для изготовления емкостей для напитков может привести к серьезным негативным последствиям для окружающей среды нашей планеты. Каждый день только в США производится, транспортируется и утилизируется более 60 миллионов пластиковых бутылок. Большинство этих бутылок окажутся на свалке из-за низкой скорости переработки пластика и короткого периода повторного использования. Пластиковые бутылки с водой, которые попадают на эти свалки, могут разлагаться до 700 лет. Они не только разлагаются в течение десятков жизней, но и выделяют вредные химические вещества при воздействии высоких температур или солнечного света. Это еще одна причина, по которой металл должен быть предпочтительным контейнером для напитков в жаркий летний день по сравнению с обычной пластиковой бутылкой для воды.

Рисунок 2: Пластиковая бутылка и металлический мусорный бак.

Тепловые свойства металла

Большинство металлических банок, которые производятся и предназначены для хранения жидкостей, изготовлены из алюминия. Алюминий имеет теплопроводность 205 Вт/(м/К), что значительно выше, чем у любого пластика, производимого в настоящее время. Банки являются отличным вариантом для более холодного хранения, потому что в замкнутом пространстве потоки воздуха меньше влияют на температуру, поэтому повышенная теплопроводность алюминия обеспечивает более быструю и эффективную передачу тепла между холодным воздухом холодильника и более теплым напитком. для более быстрого охлаждения. Металлы являются отличными проводниками тепла, в основном из-за слабо связанных электронов в их атомах, которые будут легко вибрировать и двигаться под воздействием источника тепла. Эта же структурная особенность придает металлу высокую теплопроводность, поскольку свободно движущиеся электроны могут легче распределять тепловую энергию по всему материалу.

Рисунок 3: Обычные алюминиевые банки, предназначенные для хранения безалкогольных напитков.

Термосы – отличный вариант для поддержания стабильной температуры напитков. Они получают большую часть своих изоляционных свойств за счет двойной стенки с вакуумным уплотнением. Этот вакуум улавливает горячий или холодный воздух, выходящий из жидкости и просачивающийся в окружающую среду. Тепло очень легко передается по воздуху, поэтому для поддержания стабильной температуры жидкости требуется изоляция. Когда между жидкостью и окружающей средой не происходит теплообмена, температура жидкости будет меняться с меньшей охотой. Хотя внешний вид многих термосов сделан из металла, они часто включают в себя несколько слоев пластика. Включение пластика связано с его более низкой теплопроводностью, что еще больше уменьшит количество теплопередачи.

До недавнего времени большое количество металлических бутылок и пищевых контейнеров, изготовленных из стали, также имели защитное покрытие из оцинкованной стали для защиты от ржавчины, коррозии и ослабления металла. Это покрытие состоит из защитного слоя цинка, окружающего более толстый металл, которым в большинстве случаев является сталь или железо. Теплопроводность оцинкованной стали составляет 52 Вт/(м/К), что соответствует теплопроводности большинства стальных материалов. Большинство производителей отказались от использования оцинкованной стали для изготовления контейнеров для напитков из-за того, что Министерство сельского хозяйства США сочло этот материал небезопасным для подачи еды и напитков, поскольку существует риск того, что значительное количество цинкового покрытия может раствориться в напитке в зависимости от его кислотность.

Рис. 4. Стандартный пластиковый термос с герметичными внутренними стенками, предназначенный для поддержания температуры напитков или охлаждения.

Заключение

Материалы с высокой или низкой теплопроводностью могут быть хорошим выбором для охлаждения напитков в зависимости от ситуации. Металлические банки будут остывать значительно быстрее, если их поместить в холодильник, из-за быстрого обмена горячим и холодным воздухом, который происходит между более теплой металлической банкой и холодным окружающим воздухом в холодильнике. С другой стороны, когда металлическая банка находится под прямыми солнечными лучами; он начнет нагреваться очень быстро по сравнению с пластиковой бутылкой, которая ограничивает передачу энергии от горячего воздуха к жидкости. Эти различия в реакции материалов на изменение температуры можно проанализировать, сравнив теплопроводность пластиковых и металлических материалов. Многоразовые контейнеры для напитков, такие как термос, могут использовать тепловые свойства как металла, так и пластика и являются наиболее эффективными регуляторами температуры, позволяющими дольше сохранять напиток горячим или холодным.

Автор: Каллиста Уилсон | Младший технический писатель | Thermtest

Ссылки

(без даты). Получено 5 октября 2020 г. с http://scienceline.ucsb.edu/getkey.php?key=4723

Энди Нортроп, М. (2018 г., 2 октября). Стальные, стеклянные и/или пластиковые бутылки: что лучше выбрать? Получено 5 октября 2020 г. с https://www.canr.msu.edu/news/steel_glass_and_or_plastic_bottles_what_is_the_best_choice

Deziel, C. (2019, 02 марта). Напиток остается холоднее в металлической банке или в пластиковой бутылке? Получено 5 октября 2020 г. с https://sciencing.com/drink-metal-can-plastic-bottle-5518851.html 9.0005

Как работает термос? (н.д.). Получено 5 октября 2020 г. с https://www.wonderopolis.org/wonder/how-does-a-thermos-work

Какой тип бутылки для воды лучше? (н.д.). Получено 5 октября 2020 г. с https://www.aquasana.com/info/education/bottle-battle

Лазерное соединение металла и пластика

Сейджи Катаяма

Металлы прочные и пластичные, а пластмассы легкие и легко формуется. В последнее время важность соединения металла и пластика возросла за счет наилучшего использования этих превосходных свойств в различных областях производства. Соединения обычно производятся с использованием клеевых соединений или клеев, или болтов, винтов и заклепок. Тем не менее, есть некоторые проблемы при склеивании клеями, такие как вредное воздействие из-за выделения летучих органических соединений (ЛОС), более длительные периоды производства, разброс значений прочности соединения, низкая прочность на отрыв и бережное хранение клеев. У процессов механического склеивания есть и другие проблемы: снижение гибкости конструкции, сложность изготовления продукта с плоской поверхностью, необходимость дополнительных процессов, повышенный вес и низкое массовое производство.

Процедуры соединения LAMP

Технология лазерного соединения для прямого соединения металла и пластика, называемая соединением металла и пластика с помощью лазера (LAMP), была разработана для преодоления вышеуказанных недостатков. Соединение LAMP выполняется путем расплавления пластика вблизи поверхности соединения, а затем образования небольших пузырьков в расплавленном пластике с помощью простого соединения внахлестку, как показано на РИСУНОК 1. Поверхности пластиковых листов и металлических пластин очищаются спиртом, а также другими средствами обработки поверхности. не требуются. Если пластиковый лист имеет прозрачность более 60%, его можно поместить на верхнюю сторону, как показано на РИСУНКЕ 1а. Передаваемый лазерный луч поглощается и нагревает металлическую поверхность, а пластик вблизи стыка может расплавляться с образованием пузырьков за счет тепла, отводимого от металла. Для поддержания чистоты и охлаждения верхней поверхности пластикового листа следует использовать защитный газ. Процедура, показанная на РИСУНКЕ 1b, может быть использована на любом пластике, таком как GFRP, CFRP с высоким поглощением лазерного излучения. Если металлическая пластина толстая, следует выполнить сварной шов с частичным проплавлением, чтобы нагреть пластик вблизи границы соединения. Металлический интерфейс возле соединения внахлестку не расплавляется, но пластик на металлической пластине расплавляется, образуя маленькие пузырьки.

Характеристики соединения

Соединение LAMP применимо для склеивания термопластов, особенно инженерных пластиков, с любым металлом. В обоих процессах (РИСУНОК 1) прочное соединение LAMP характеризуется образованием мелких пузырьков в пластике вблизи соединения, которые следует нагревать выше температуры разложения пластика. Образцы полиэтилентерефталатного (ПЭТ) пластика для нержавеющей стали AISI 304, полученные с помощью лазерного луча, показаны на РИСУНКЕ 2. В зоне облучения лазером образуются небольшие пузырьки. В испытании на сдвиг при растяжении прочные соединения показывают удлинение основного листа пластика ПЭТ (РИСУНОК 2) или разрыв основного листа пластика. Растягивающие сдвиговые нагрузки (прочность) образцов из листов ПЭТФ шириной 30 мм и толщиной 2 мм к плитам типа 304 шириной 30 мм и толщиной 3 мм составляют 3000 Н, где основа ПЭТФ имеет удлиненную форму. Эта технология соединения LAMP применима ко многим сочетаниям металлов, таких как стали, титановые и алюминиевые сплавы, и пластикам, таким как ПЭТ, полиамид (ПА) и поликарбонат (ПК). Образование маленьких пузырьков размером 0,5 мм или менее из-за быстрого изменения температуры, вызванного лазером, важно, потому что прочность соединений LAMP низкая, когда пузырьки слишком маленькие, и высокая, когда размеры пузырьков велики.

Механизмы соединения

Снимки, сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), вблизи соединения внахлест между листом ПЭТ-пластика и стальной пластиной типа 304 показаны на РИСУНОК 3. Пластик вблизи поверхности соединения расплавляется для соединения нагретая стальная поверхность. Пластик склеен через оксидную пленку, покрытую металлической поверхностью.

Механизмы соединения LAMP схематически представлены на РИСУНКЕ 4. Лазерный луч может нагревать металл либо со стороны пластика, либо с металлической стороны соединения внахлест, чтобы расплавить пластик. Более того, ключевым моментом может быть образование маленьких пузырьков, вызывающих высокое давление в расплавленном пластике, чтобы прижать расплавленный пластик к поверхности металла из-за быстрого термического цикла. Расплавленный пластик приближается к металлической поверхности и входит в вогнутость, чтобы выполнить механическую силу, называемую эффектом якоря. Ожидается, что физическая сила взаимодействия Ван-дер-Ваальса и химическая связь через оксидную пленку создадут прочное соединение.

Преимущества

Соединение LAMP имеет множество преимуществ:

1. Быстрое соединение.
2. Автоматизация — это просто.
3. Шарнир стабилен в течение длительного времени благодаря прямому использованию базового пластика.
4. Эффект металлической поверхности небольшой.
5. Механические свойства соединений, изготовленных в надлежащих условиях, имеют небольшой разброс значений.
6. Стоимость и размеры не ограничены, т.к. не используются ни клеи, ни вольты, ни заклепки.
7. Нет необходимости в уходе и хранении клея или механических частей.

Эволюция соединения LAMP

Автомобильная и транспортная промышленность, электротехническая и электронная промышленность заинтересованы в технологии соединения LAMP. Для оценки свойств соединений были проведены механические испытания, такие как испытание на сдвиг при растяжении, испытание на отслаивание, испытание на усталость, испытание на утечку газа и испытание на термические циклы между низкими и высокими температурами. Также подтверждено, что соединение LAMP применимо для соединения разнородных металлов с пластиковым листовым промежуточным слоем с точки зрения средства предотвращения локальной электрофизической коррозии металлов.