Pytanie:
Dlaczego stalowe kubki termiczne są znacznie lepsze niż plastikowe?
thermomagnetic condensed boson
2020-06-01 01:43:17 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Mam kilka kubków termicznych, dwa z nich tej samej marki, mają ten sam wygląd, kształt i rozmiar, z wyjątkiem tego, że jeden jest ze stali (wewnątrz i na zewnątrz), a drugi z tworzywa sztucznego. Obie mają warstwę izolacyjną powietrza lub próżni.

Nie potrzebuję termometru, żeby powiedzieć mi, że stalowy jest znacznie lepszy w utrzymywaniu chłodu / gorącej cieczy niż plastikowy. Gdy woda w kubkach ma blisko 90 ° C, nie czuję ciepła, kładąc rękę na stalowym (tak samo jak termos), podczas gdy plastikowy czuje się prawie jak spalanie.

Jednak stale przewodzą ciepło znacznie lepiej niż tworzywa sztuczne (przewodność cieplna większa o około jeden rząd wielkości). Dlatego intuicja podpowiada mi, że metalowy kubek powinien być mniej wydajny niż plastikowy, aby utrzymać chłód / ciepło, ale wydaje się, że jest odwrotnie!

Czego mi brakuje?

Dodaję zdjęcia dwóch kubków. Na przezroczystej widać szczelinę izolacyjną. Myślę, że jest to zamknięta przestrzeń, więc nie powinno być żadnego przepływu powietrza między nią a otoczeniem. Transparent mug close up.

Oto drugie zdjęcie:

The two mugs next to each other

OK, jak dotąd dwie podane odpowiedzi wymieniają dwa różne powody. Po pierwsze, pomiędzy dwiema plastikowymi powierzchniami w przezroczystym kubku może znajdować się powietrze, a w stalowej próżni. Powietrze ma przewodność cieplną około $ 3 \ times 10 ^ {- 2} \, \ frac {\ mathrm {W}} {\ mathrm {Km}} $ , więc przewodność cieplna powinna wynosić około $ 3 \ times 10 ^ {- 2} \, \ frac {\ mathrm {W}} {\ mathrm {Km}} \ times \ text {surface area} / (5 \ times10 ^ {- 3} \ mathrm {m}) $ dla szczeliny powietrznej $ 5 \, \ mathrm {mm} $ span >. Więc $ 6A \, \ frac {\ mathrm {W}} {\ mathrm {Km ^ 2}} $ .

W przypadku promieniowania $ P = A \ sigma \ varepsilon (T ^ 4-T_ \ text {pokój} ^ 4) \ około A \ varepsilon \, 462 \, \ mathrm {W} / \ mathrm {m.} ^ 2 $ . Ta stal nie jest polerowana, więc jej emisyjność prawdopodobnie nie jest tak niska jak 0,1, ale dla uproszczenia przyjmijmy ją jako zero. I 1 dla plastiku, aby uzyskać rzędy wielkości. Wygląda na to, że promieniowanie może odgrywać większą rolę (odpowiedź powinna składać się z liczb!) W wysokich temperaturach. Ale przy niższych różnicach temperatur (gdy ciecz częściowo się ochłodzi), przewodnictwo może odgrywać większą rolę.

Zatem liczby zatykania dla różnicy temperatur 80 ° C, straty promieniowania wynoszą około 460 W / m ^ 2, podczas gdy przewodzenie przez powietrze około 480 W / m ^ 2. W komentarzach powiedziano mi, że konwekcja powietrza również powinna przenosić więcej ciepła, stąd dochodzę do wniosku, że nawet przy „wysokich” temperaturach przewodzenie przez powietrze może odgrywać większą rolę. Przy różnicach temperatur poniżej 60 ° C, rola promieniowania powinna zmniejszać się szybciej niż przewodzenie, ze względu na 4. zależność mocy od temperatury.

Zwracam uwagę, że przewodność cieplną powietrza wziąłem przy 1 atm. Jeśli powietrze ma niższe ciśnienie, to przypuszczam, że przewodność cieplna byłaby niższa iw takim przypadku promieniowanie może odgrywać większą rolę w wysokich temperaturach.

Usunąłem kilka komentarzy, które próbowały odpowiedzieć na pytanie i / lub odpowiedzi na nie.Należy pamiętać, że komentarze powinny być używane do sugerowania ulepszeń i proszenia o wyjaśnienie pytania, a nie do udzielania odpowiedzi.
Potrzebujesz jeszcze jednego eksperymentu.Plastikowy kubek owinięty folią aluminiową - to powinno blokować promieniowanie i zmniejszać różnicę między powietrzem a próżnią
@slebetman Nie sądzę, żeby to był odpowiedni eksperyment.Problem nie dotyczy płaskiej powierzchni kubka / powietrza otoczenia.Problem tkwi między wewnętrznymi powierzchniami wewnątrz kubka i to tutaj należy wyciąć promieniowanie.Jeśli przeprowadzę twój eksperyment, wiem z góry, że całość nadal będzie się szybko nagrzewać, ponieważ wewnętrzne powierzchnie są zbyt emisyjne.Więc nadal będzie prawie spalać moje ręce i będzie nadal chłodzić konwekcją / przewodzeniem powietrza.Jasne, pomoże to zmniejszyć promieniowanie, ale niewiele, ponieważ powierzchnia jest, jak sądzę, poniżej 50 ° C.
Pierwszą rzeczą, o którą bym zapytał, jest to, czy użyłeś dwóch skalibrowanych termometrów, aby sprawdzić, czy woda w każdym z nich zaczęła się w tej samej temperaturze, a który tak naprawdę schłodził się szybciej.Nie wiem, jak porównują się * pojemności cieplne * stali i tworzywa sztucznego, ale stal powinna * przewodzić * ciepło znacznie szybciej.Nie polegałbym na „odczuciu”.
@PhilPerry Właśnie dlatego, że stal przewodzi ciepło znacznie szybciej, jeśli plastikowa powierzchnia kubka ma 50C, a stalowa 50C, stalowy będzie znacznie cieplejszy.Jednak w moim przypadku czuję, że stalowa ma taką samą temperaturę jak wszystko dookoła, podczas gdy plastikowa jest gorąca.Stąd bez potrzeby stosowania termometru mogę stwierdzić, że stalowy jest dużo bardziej wydajny.
Pomysł @slebetman's wydaje się dobry.Niestety plastik tego plastikowego kubka nie jest nieprzezroczysty, przynajmniej w zakresie widzialnym, więc przenikanie ciepła nie jest _ tylko__ między wewnętrzną / zewnętrzną powierzchnią kubka.
Zauważ, że plastikowy kubek nadal ma również straty promieniowania, nie tylko przewodzenie powietrza, podczas gdy stal (jeśli ma próżnię) ma * tylko * promieniowanie i, jak sądzę, wszystko układa się na swoim miejscu.
Cztery odpowiedzi:
niels nielsen
2020-06-01 04:31:30 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Pamiętaj, że plastikowe kubki o podwójnych ściankach nie są wystarczająco mocne, aby wytrzymać próżnię, dlatego zwykle zawierają po prostu cienką warstwę powietrza, w którym prądy konwekcyjne (nieobecne w przypadku próżni) mogą łatwo rozpocząć się.Spowoduje to znacznie szybsze upuszczenie ciepła z zawartości kubka niż w przypadku odkurzacza.

Przypuszczam, że szczelina powietrzna jest uszczelniona, a ciecz ogrzewa z grubsza całą powierzchnię, stąd konwekcja powietrza nie powinna się w takim przypadku zbytnio zmienić, prawda?Przynajmniej nie ma wycieku powietrza na zewnątrz.Jeśli jednak w tej szczelinie rzeczywiście znajduje się powietrze, zapewnia dodatkową ścieżkę przewodzenia ciepła na zewnątrz.Uważam, że to kolejny interesujący punkt w porównaniu z promieniowaniem.
Konwekcja @thermomagneticcondensedboson przyczynia się do wymiany ciepła, nawet bez przerw na zewnątrz.Dzięki wewnętrznym prądom konwekcyjnym między ścianami powietrze ogrzane przez gorącą ścianę porusza się i przekazuje swoje ciepło zimnej ścianie.
@RoelSchroeven Powietrze porusza się w górę (iw dół) z konwekcją, prawda?Ale zimne i gorące powierzchnie są „lewe” i „prawe”.Dlatego unoszenie się i obniżanie powietrza, czyli cyrkulacja powietrza, jeśli taka istnieje, nie powinna odgrywać większej roli.Czy źle to zrozumiałem?
@thermomagneticcondensedboson: Wszelkie turbulencje sprawią, że powietrze będzie kolejno dotykać strony zimnej i gorącej.Ponieważ twoja butelka nie jest nieskończenie długa, z pewnością wystąpią pewne efekty na górze i ogólnie spodziewałbym się, że tworzą się wiry, gdy zimne powietrze spada w pobliżu jednej strony, aby zrównoważyć ciśnienie inne powietrze wzrasta.
W przypadku konwekcji: IIRC optymalny rozstaw w oknach dwuszybowych (wypełnionych gazem) wynosi około 3 lub 4 mm.Każda cieńsza i mało izolacyjna;grubszy i gaz zaczyna wirować (unosi się po stronie gorącej, spada po stronie zimnej), a straty ciepła stają się duże.
@PeterCordes niezależnie od turbulencji i efektów dynamicznych (które z pewnością determinują przepływ w rzeczywistości) warto zauważyć, że nawet idealnie stacjonarny płyn nie jest w równowadze, gdy przechodzi przez niego poziomy gradient temperatury.Przyspieszenie jest nieuniknione.
Widzę.Szczelina wynosi około 5 mm na dole i mniej po bokach.Moje szybkie obliczenia wskazują, że przewodzenie w powietrzu może być większe niż promieniowanie, nawet w wysokich temperaturach.Zastanawiam się jednak, czy to powietrze ma 1 atm lub mniej?Jak wpływa na przewodnictwo cieplne, jeśli jest mniejsze niż 1 atm?
Czy mogą uzyskać idealne uszczelnienie metalowego kubka?Biorąc pod uwagę, że prawie nic nie jest idealne, spodziewałbym się małego, ale niezerowego wskaźnika wycieku.Jeśli powietrze dostanie się z czasem, czy to oznacza, że izolacja metalowego termosu powinna z czasem ulegać degradacji?
proces uszczelniania metalowych kolb próżniowych jest bardzo dobry.Rzadko wyciekają.
@Carl optymalna przestrzeń między szybami w oknie z podwójnymi szybami jest w rzeczywistości znacznie większa: około 16 mm.Przy większych odstępach konwekcja rzeczywiście powoduje znaczny transfer ciepła, ale przy 16 mm przestrzeń jest wystarczająco wąska, aby * efekty turbulencji * zakłócały konwekcję.Wątpię, że konwekcja jest głównym problemem w plastikowym kubku;Strata ciepła jest głównie przewodzona przez powietrze (lub wyściółkę piankową), co nie może wystąpić w próżni pomiędzy stalowymi ścianami.
@ChappoHasn'tForgottenMonica Dzięki za korektę.
Anders Sandberg
2020-06-01 02:22:47 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Jest powód, dla którego stal jest lepsza na termosy niż plastik: niższa emisyjność. Sposób działania termosu polega na tym, że ma dwie ściany idealnie oddzielone próżnią. Ciepło przepływa między nimi jako promieniowanie ciała doskonale czarnego, a każda jednostka powierzchni transmituje $ \ sigma \ epsilon T ^ 4 $ wata na metr kwadratowy. Tutaj $ \ epsilon $ to emisyjność, która dla polerowanej stali może wynosić około 0,07. Plastik ma $ \ epsilon \ około 0,90 - 0,97 $ . W związku z tym powierzchnia z tworzywa sztucznego będzie emitować więcej ciepła niż metalowa, a między wewnętrzną a zewnętrzną powierzchnią może wyciekać więcej ciepła.

Małe obliczenia: przepływ ciepła na jednostkę powierzchni wyniesie $ \ sigma (\ epsilon_i T_i ^ 4 - \ epsilon_o T_o ^ 4) $ , gdzie $ i $ i $ o $ oznaczają powierzchnię wewnętrzną i zewnętrzną. Przy temperaturze pokojowej 80 ° C i temperaturze pokojowej 20 ° C otrzymuję 46,3193 W / m $ ^ 2 $ za $ \ epsilon = 0,1 $ span> i 416,8736 W / m $ ^ 2 $ dla $ \ epsilon = 0,9 $ , współczynnik 10 różnica.

Zastanawiam się, czy pomogłoby to związać warstwę aluminium z plastikiem.Ale myślę, że to może być opłacalne.
Cienka warstwa aluminium jest prawdopodobnie tania i powinna zwiększyć wydajność.Ale marże zysku przy produkcji kubków termicznych mogą być mniejsze.
Odp. „Ciepło przepływa między nimi jako promieniowanie ciała doskonale czarnego…” Możesz rozważyć umieszczenie „tylko” w tym zdaniu.Cokolwiek możesz zrobić, aby zmniejszyć promieniowanie, jest istotne, ponieważ tylko w ten sposób ciepło może przejść przez próżnię.
@PM2Ring, Jeśli jesteś na tyle dorosły, by pamiętać, kiedy butelki Thermos były wykonane ze szkła, to pamiętaj, że praktycznie _ wszystkie_ miały cienkowarstwową powłokę aluminiową.
@SolomonSlow Jestem na tyle dorosły, żeby to pamiętać.;) Dokładnie o tym myślałem, pisząc swój wcześniejszy komentarz, chociaż chciałem napisać „Ale myślę, że to może * nie * być opłacalne”.: ups: Zakładam, że plastik jest mniej przezroczysty dla podczerwieni niż szkło, ale nie wiem, jak bardzo to wpływa na rzeczy.
Czuję, że ta odpowiedź to nie wszystko.Zwłaszcza, gdy ciecz już ostygła na tyle, że różnica temperatur między zewnętrzną a cieczą wynosi powiedzmy 20 stopni Celsjusza lub mniej.Myślę, że jak stwierdzili inni, między warstwami tworzywa sztucznego może znajdować się powietrze, oferujące ścieżkę przewodzenia.Jak wypada to w porównaniu z promieniowaniem?W wysokiej temperaturze spodziewam się, że promieniowanie „wygra”, ale nie przy niższych różnicach temperatur.
Próżnia między ścianą wewnętrzną a zewnętrzną (oczywiście) nigdy nie jest absolutna.Stal daje jednak pod tym względem dwie zalety.Przede wszystkim stal jest mocniejsza i sztywniejsza niż większość tworzyw sztucznych, dzięki czemu można uzyskać wyższy poziom próżni bez ciśnienia atmosferycznego, po prostu miażdżąc zewnętrzną ścianę.Po drugie, kubek ze stali nierdzewnej prawie na pewno można sprzedać za wyższą cenę, co ułatwia sprzedawcy wydanie dodatkowych pieniędzy na uzyskanie wyższej próżni.
Byłoby wspaniale dołączyć niektóre obliczenia z tyłu koperty, aby sprawdzić, czy rzeczywiście może to być ważny powód.
@EricDuminil Dokładnie, a także bezpośrednie porównanie z konwekcją / przewodzeniem powietrza, aby zobaczyć, gdzie / kiedy promieniowanie odgrywa główną rolę i o ile.
Obliczenia skupiają się tylko na porównaniu strat promieniowania między stalą a tworzywem sztucznym w ustalonej temperaturze.Nie ma porównania z konwekcją i przewodzeniem z powietrzem.Zmienię moje pytanie, aby dokończyć niektóre obliczenia.
Gotowe.Widzę, że przewodnictwo w powietrzu może być większe niż promieniowanie, dla delta T wynoszącej 60 ° C.
@SolomonSlow Pamiętam szklany termos - po otwarciu często były pozbawione próżni, a do napoju / jedzenia dodano smaczny dodatek spiczastych odłamków szkła.Na szczęście do tej pory w większości się zepsuły.
@Criggie IIRC, kolba Dewara w klasycznym termosie była umieszczona w puszce, która zazwyczaj nie była wodoszczelna. Jeśli _Kiedy_ w końcu złamiesz Dewara, będziesz o tym wiedział, zanim zdejmiesz pokrywkę, ponieważ płyn wyciekłby i zrujnował resztę twojego lunchu, twoich książek lub cokolwiek innego było wtorba z termosem.
aliential
2020-06-02 14:51:07 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Długość fal IR waha się od 700 nanometrów do 1 milimetra, czyli jest węższa niż izolacyjny obszar kielicha.

Jeśli ukryta strefa stali jest lśniąca i odbija promieniowanie cieplne emitowane przez napój, może odbijać dużo promieniowania z powrotem do wnętrza kubka.

W przemyśle używają folii aluminiowej i folii bąbelkowej dość podobnej do projektu kubka i zaprojektowanej tak, aby odbijać promieniowanie podczerwone.

Stal różni się pod względem właściwości izolacyjnych, na przykład tarcze hamulcowe do samochodów mają w swojej strukturze ziarna węgla, które doskonale przewodzą ciepło, podczas gdy niektóre stopy są mniej przewodzące.

Tworzywo jest 20 razy mniej przewodzące, chociaż wymaga znacznie większej średnicy, aby uzyskać taką samą wytrzymałość.

enter image description here

user266476
2020-06-04 02:59:06 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Mówisz, że stal przewodzi ciepło około 10 razy lepiej niż plastik, ale ta liczba odnosi się do przekroju.Jeśli spojrzeć na połączenie między „wewnętrzną” i „zewnętrzną” miseczką, to połączenie stalowego kubka odpowiedniego do bezpośredniego przewodzenia to bardzo cienka obwódka.Dotknięcie go sprawi, że zdasz sobie sprawę, że w pobliżu tej krawędzi jest znaczny gradient.Więc obręcz jest raczej odpowiednia do oddzielania ciepła.Poza obręczą transfer obejmuje dwie stalowe bariery próżniowe, a stal jest błyszcząca, więc nie emituje ani nie pochłania dużo promieniowania cieplnego.

Plastik nie odbija znacząco.Chociaż jego zachowanie w świetle widzialnym niekoniecznie jest takie samo jak zachowanie w podczerwieni, będzie półprzezroczyste i / lub ciemne do podczerwieni, z których każda spowoduje znaczną wymianę ciepła, nawet jeśli pominiesz fakt, że nie możesz opróżnić przestrzeni między kubkami.



To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 4.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...