Глава 18 ЧАСТЬ II ТЕПЛОПЕРЕДАЧА -Теплопроводность (Головинцов А.Г., Юдаев Б.Н., Федотов Е.И. - Техническая термодинамика и теплопередача 1970), страница 3

откуда t_w = 188° С; t_о = 67,6° С.

§ 89. Теплообмен соприкосновенном

Контактный теплообмен встречается во всех областях техники Поверхности деталей даже при тщательной обработке не бывают абсолютно гладкими, поэтому контакт между твердыми телами всегда имеет дискретный характер, т. е. соприкосновение проис­ходит по отдельным точкам поверхности.

Многочисленными исследованиями установлено, что площадь фактического контакта тел составляет небольшую часть от пол­ной площади соприкосновения. Это озна­чает, что между поверхностями деталей имеются полости, заполненные инородной средой, коэффициент теплопроводности которой отличается от основного материа­ла деталей.

Дискретный характер соприкоснове­ния тел служит причиной дополнитель­ного термического сопротивления — так называемого контактного сопротивления, которое может составлять заметную часть полного сопротивления теплопередающей системы.

Расчет полного термического сопротив­ления контакта. Рассмотрим тепловое те­чение в составном теле. В увеличенном масштабе контакт двух шероховатых поверхностей условно можно предста­вить рис. 147. Тепловой поток, идущий от тела 1 к телу 2, при подходе к поверхности соприкосновения раздваивается. Одна часть теплоты проходит через места фактического контакта а другая — через среду, заполняющую пространство между высту­пами шероховатости (лучистым теплообменом в зазоре пренебре­гаем). Фактическая площадь контакта зависит от шероховатости поверхностей (чистоты обработки) и степени их сжатия. Для ше­роховатого тела без приложения нагрузки фактическая площадь касания стремится к нулю, тогда практически весь тепловой по­ток может перейти от тела 1 к телу 2 только вследствие теплопро­водности среды в зазоре. Оценим ориентировочно термическое

231

сопротивление воздушной прослойки для реального случая со­прикосновения двух шероховатых поверхностей.

При чистоте обработки 5 максимальная величина зазора между впадинами шероховатости составляет около 0,03 мм. При величине зазора h_mах = 0,15 10⁴ и температуре в зоне контакта 100°С [_cp = 274 10^-4 вт/(м*град)] получим следующее значение термического сопротивления воздушной прослойки:

Это сопротивление эквивалентно сопротивлению слоя стали Ст. 3 толщиной ~ 20 мм.

При увеличении сжатия поверхностей возрастает площадь фактического контакта. Во все возрастающем количестве теплота будет идти через пятна соприкосновения тел.

Как показали исследования, размер контактных пятен почти не зависит от силы сжатия поверхностей (нагрузки) и для раз­личных материалов, таких как сталь, медь, никель, графит и других, приблизительно одинаков и равен ~ 30 мм,

Однако, если учесть, что даже при сравнительно высоком сжатии эта площадь составляет незначительную долю номиналь­ной поверхности, то и в этом случае из-за резкого уменьшения сечения теплопроводящего пути в зоне контакта возникает зна­чительное термическое сопротивление и резко растет температур­ный градиент.

Сопротивление, обусловленное сужением пути прохождения теплоты, имеет такой же порядок величин, что и сопротивление воздушной прослойки, и определяется по формуле

Полное термическое сопротивление контакта часто может быть соизмеримо с внешним термическим сопротивлением тела —

(где α — коэффициент теплоотдачи поверхности).

Если контактирование происходит менаду шероховатой и глад­кой поверхностью сопротивление воздушной прослойки опреде­ляется по формуле R_c = h_max / 2_cp и практически не зависит от чистоты обработки (4—8-й классы чистоты).

Зависимость полного термического сопротивления контакта от нагрузки. На рис. 148 представлены экспериментальные и теоре-

Величина, обратная сопротивлению контакта, α_м= 1/R_M носит

название проводимости контакта.

Полное термическое сопротивление контакта в первом при­ближении является суммой сопротивления воздушной прослойки R_с и сопротивления контакта R_M:

тические значения термического контактного сопротивления шеро­ховатой и гладкой поверхностей из стали 1Х18Н9Т в воздушной среде в функции нагрузки. Из графиков видно, что эксперимен­тальные и теоретические данные имеют удовлетворительную схо­димость. Как видно из рис. 148, сопротивление фактического кон­такта резко изменяется в зависимости от нагрузки (до нагрузок 150 кГ/см²), в то время как зависимость сопротивления среды от нагрузки весьма слабая.

В рассматриваемом случае полное термическое сопротивление контакта при увеличении нагрузки снижается главным образом из-за роста проводимости фактического контакта. Как показали исследования, слабая зависимость термического сопротивления среды от нагрузки объясняется малой относительной деформа­цией микрошероховатостей.

233

Методы снижения термического контактного сопротивления.

Полное термическое сопротивление контакта определяется чисто­той обработки, нагрузкой, теплопроводностью среды, коэффи­циентами теплопроводности материалов контактирующих деталей и другими факторами.

Наибольшую эффективность снижения термического сопро­тивления дает введение в контактную зону среды с теплопровод­ностью, близкой к теплопроводности металла.

Существуют следующие возможности заполнения контактной зоны веществами:

использование прокладок из мягких металлов;

введение в контактную зону порошкообразного вещества с хо­рошей тепловой проводимостью;

введение в зону вязкого вещества с хорошей тепловой проводи­мостью;

заполнение пространства между выступами шероховатостей жидким металлом.

Наилучшие результаты получены при заполнении контактной зоны расплавленным оловом. В этом случае термическое сопро­тивление контакта практически становится равным нулю.

Пример 4. Рассчитать термическое сопротивление контакта. Материал контактирующих материалов – сталь 1Х18Н9Т. Чистота обработки 5. Температура в зоне контакта 150^оС. Удельное давление на контакте р=98,1 бар. Среда – воздух при атмосферном давлении [_150C=35,9_*10^-3 вт/(м_*град)]; высота шероховатостей для 5 h_c=15_*10^-6 м.