Расчет конструкции радиатора кондуктивного теплообмена. Основы расчёта радиаторов. Коэффициенты теплопроводности наиболее часто применяемых материалов

Расчёт радиаторов заключается в определении параметров конструкции при заданном перегреве поверхности (проектный расчёт) или в определении перегрева поверхности при известных геометрических размерах радиатора (поверочный расчёт). Задача решается методом последовательных приближений.

6.1.3. Передача тепла теплопроводностью.

Теплопроводностью (кондукцией) называют перенос тепловой энергии при соприко-сновении частиц вещества или отдельных тел, имеющих разные температуры. 

При математическом описании процесса теплопередачи принято считать, что теплообмен происходит между изотермическими поверхностями, причем изотермическая поверх-ность с большей температурой отдает тепло изотермическим поверхностям с меньшей температурой.

Если температурное поле изменяется только в одном направлении (рис.6.1), то полный тепловой поток P, передаваемый от изотермической поверхности S₁ к изотермической поверхности S₂, на основании закона Фурье может быть записан в виде

    ,                                                      (6.1)

где - коэффициент теплопроводности материала; - площадь средней изотермической поверхности:;  - температуры изотермических поверхностей  и ;

-расстояние между изотермическими поверхностями.

Произведя замену , из (6.1) получим

 ,                                                          (6.2)

где - коэффициент теплопередачи кондукцией.

Значения коэффициентов теплопроводности наиболее распространенных материалов приведены в табл.6.1.

Таблица 6.1.       

Коэффициенты теплопроводности наиболее часто применяемых материалов.

Улучшить передачу тепла от теплонагруженных элементов к более холодным и  теплоемким деталям конструкции можно за счет снижения тепловых сопротивлений.

Малые тепловые сопротивления внутренних участков блока от корпуса ко всем элемен-там конструкции способствуют выравниванию температуры внутри блока, что                     приводит к повышению надежности аппаратуры.

В некоторых случаях передача тепла теплопроводностью единственно возможна (например, в геометрических блоках при высокой плотности заполнения). Большое значение имеют тепловые контакты в соединительных узлах компонентов с радиаторами.

Если между металлическими поверхностями находится изоляционная прокладка, лак, краска, то тепловое сопротивление увеличивается в сотни раз.    

Контактное тепловое сопротивление R_УД (см² К / Вт) зависит от выбранных пар контактирующих материалов, контактного давления, состояния контактирующих поверхностей ( шероховатости ,загрязнения).

Значение контактного теплового сопротивления некоторых пар материалов при шероховатости R_Z20 и удельной нагрузке 1000 H / см²  приведены в табл.6.2.    

Таблица 6.2.

Контактное тепловое сопротивление некоторых пар материалов.

Контактное тепловое сопротивление может быть уменьшено за счет: применения материалов с большей теплопроводностью; выбора более пластичных материалов (или гальванических покрытий); уменьшение шероховатости соединяемых  поверхностей с одновременным увеличением давления, применения пластичных (деформируемых) прокладок с большой теплопроводностью.

Как следует из табл.6.2, медь и алюминий обеспечивают наименьшее значение теп-лового сопротивления. В качестве металлов покрытий целесообразно применять кадмий, олово, палладий. Достаточно пластичными прокладками являются свинцовые, медные и алюминиевые, которые значительно снижают контактное тепловое сопротивление. Заполнение воздушных прослоек теплопроводной пастой (например, КПТ-8) снижает тепловое сопротивление примерно в 1,5 раза, особенно при шероховатости контакти-рующих поверхностей выше R_Z 20.     

Винтовые соединения обеспечивают хороший тепловой контакт при больших нагрузках, в связи с чем предпочтительно использовать винты большого диаметра

(более 4 мм.), допускающие большие усилия свинчивания. Хорошие тепловые контакты обеспечиваются самонарезающими винтами.

Имеются проблемы с обеспечением хорошего теплового контакта в электрически изолированных соединительных узлах. Слюда, являющаяся идеальным изоляционным материалом, способным выдерживать большие механические нагрузки сжатия, но имеет очень низкую теплопроводность. Керамика, теплопроводность которой выше, чем у слюды примерно в 50 раз, является хорошим материалом, что не позволяет создать необходимое контактное давление. В некоторых случаях удачным решением является использование в качестве электроизоляционной прокладки пленки из окиси алюминия толщиной 50 мкм при сопряжении деталей из анодированного алюминия. Малая толщина прокладки обеспечивает небольшое значение теплового