|
ТЕПЛОПЕРЕДАЧАСуществуют два фундаментальных свойства теплоты, которые необходимо знать: 1) У тепла нет никаких специфических характеристик; это означает, что оно может иметь разную физическую природу, его можно измерить, но при этом его невозможно различить 2) Тепло невозможно ограничить, это означает, что оно свободно передается от теплых частей системы к холодным. Тепловая энергия может быть передана от объекта к объекту тремя способами, теплопроводностью, конвекцией и излучением. Один из объектов, получающий или отдающий тепло, может быть детектором тепла. Его функция заключается в измерении количества тепла, поглощаемого или выделяемого объектом, для получения определенной информации об этом объекте Такой информацией может быть температура объекта, теплота химических реакций, расположение или перемещение объектов и тд. Рассмотрим многослойную структуру в виде сэндвича, где каждый слой выполнен из разного материала. При прохождении тепла через слои температурный профиль структуры будет определяться толщиной каждого слоя и его теплопроводностью На рис. 3.39 отображена трехслойная Рис. 3.39. Температурный профиль многослойной структуры структура, в той первый слой контактирует с источником тепла (устройством, обладающим бесконечной теплоемкостью и высокой теплопроводностью). Одним из самых подходящих твердых объектов, который ведет себя как «бесконечный» источник тепла, считается медное тело большого объема с контролируемой температурой. Температура внутри источника тепла постоянная и высокая, за исключением очень узкой зоны, расположенной рядом со слоевой структурой. Тепло передается от материала к материалу через механизм теплопроводности. Скорость падения температуры внутри каждого слоя определяется тепловыми свойствами материала. Последний слой отдает тепло в воздух через механизм конвекции и окружающим объектам при помощи ИК излучения. Таким образом, рис. 3.39 иллюстрирует все три возможных способа передачи тепла от одного объекта к другому.Теплопроводность Для передачи тепла через механизм теплопроводности необходимо обеспечить контакт между двумя объектами. Термически возбужденные частицы теплого тела совершают энергичные колебательные движения и передают кинетическую энергию частицам более холодного тела, которые при этом переходят в возбужденное состояние. В результате теплый объект теряет тепло, а холодный — поглощает его. Передача тепла по механизму теплопроводности аналогична потоку воды или электрическому току. к примеру, прохождение тепла через стержень описывается выражением, похожим на закон Ома. Скорость теплового потока через поперечное сечение площадью А (тепловой «ток») пропорциональна градиенту температуры (тепловому «напряжению») по длине стержня (dT/dx). На практике часто вместо коэффициента теплопроводности используется тепловое сопротивление, определяемое как: В этом случае уравнение (3.119) принимает вид: На рис. 3.39 отображен идеальный температурный профиль внутри многослойной структуры, состоящей из материалов с разной теплопроводностью. Но в реальной жизни теплопередача через соединение двух материалов может происходить совсем по-другому. Если соединить вместе два материала и понаблюдать за распространением тепла в такой конструкции, полученный температурный профиль может выглядеть, как отображено на рис. 3.40А. Если боковые поверхности соединяемых объектов имеют хорошую изоляцию, в стационарных условиях тепловые потоки в обоих материалах должны быть равны. Резкое падение температуры в зоне контакта, площадь того равна а, объясняется наличием теплового переходного сопротивления. Передачу тепла через двухслойную структуру можно описать следующим выражением: где RAnRB — тепловые сопротивления двух материалов, a Rc — переходное сопротивление: Величина hc называется переходным коэффициентом. Для некоторых типов сенсоров, в которых есть механические соединения элементов из двух разных материалов, этот коэффициент играет большое значение. Под микроскопом зона соединения может выглядеть, как отображено на рис. 3.40Б. Для этой цели часто применяется силиконовая смазка. Тепловая конвекция Другим способом передачи тепла является конвекция. Для нее требуется промежуточный агент (жидкость или газ), который забирает тепло у теплого объекта, переносит его до холодного объекта, отдает тепловую энергию и после этого возвращается (а может и нет) к теплому объекту за новой порцией тепла. Передача тепла от твердого тела подвижному агенту или внутри подвижного агента также называется конвекцией. Конвекция может быть естественной (под действием сил тяжести) или искусственной (выполняемой механическим путем). При естественной конвекции воздуха на его молекулы действуют две силы, сила тяжесш и выталкивающая сила. Теплый воздух поднимается вверх, унося с собой тепло от горячих поверхностей. Более холодный воздух опускается вниз к теплым объектам. Поскольку реальные поверхности никогда не бывают идеально гладкими, все неровности на них влияют на величину переходного сопротивления. Рис. 3.40. А — температурный профиль в зоне контакта двух объектов, Б — вид поверхности контакта под микроскопом Передача тепла в зоне контакта определяется следующими факторами: 1. Теплопроводностью реального физического соединения двух материалов 2. Теплопроводностью газов (воздуха) в порах, созданных неровностями поверхностей Поскольку теплопроводность газов, как правило, гораздо меньше теплопроводности твердых материалов, газ в порах и создает наибольшее сопротивление при передаче тепла. Поэтому выражение для переходного коэффициента можно записать в виде: где L — толщина пористой зоны, к — коэффициент теплопроводности газов, заполняющих поры, аси av — площади зон контактов и пор, акАикв — коэффициент теплопроводности соответствующих материалов. Эту формулу довольно сложно применять на практике из-за трудности экспериментального определения площадей яси о и расстояния L . Однако, анализируя формулу (3.124), можно сделать следующий вывод: переходное сопротивление увеличивается при уменьшении давления окружающих газов. С другой стороны, переходное сопротивление уменьшается с ростом давления в зоне соединения, что связано с деформацией высоких выступов на контактных поверхностях, из-за чего происходит увеличение а , а, значит, и создание большей площади контакта между материалами. Для уменьшения теплового сопротивления рекомендуется избегать сухого контакта между элементами системы., поэтому перед соединением двух поверхностей их рекомендуется покрывать жидкостью, имеющей низкое тепловое сопротивление. Искусственная конвекция воздуха осуществляется при помощи фена или вентилятора. Она также организуется в жидкостных термостатах для поддержания требуемого уровня температуры внутри устройства. Эффективность передачи тепла конвективным способом определяется скоростью движения промежуточного агента, градиентом температуры, площадью поверхности объекта и тепловыми свойствами окружающей среды. Объект, температура того отличается от внешней температуры, будет получать или отдавать тепло, что можно описать при помощи уравнения, похожего на выражение передачи тепла по механизму теплопроводности: H=aA(Tl-T2), (3.125) где a — коэффициент конвекции, определяемый удельной теплоемкостью текучей среды (жидкости или газа), ее вязкостью и скоростью движения. Этот коэффициент зависит не только от силы тяжести, но и от градиента температур. Для пластины, расположенной горизонтально в воздухе, значение а можно оценить при помощи формулы. рекомендуется отметить, что эти выражения годятся только для одной стороны пластины, здесь предполагается, что пластина представляет собой поверхность бесконечного источника тепла (т.е. ее температура не зависит от потерь тепла), а окружающая среда имеет постоянную температуру. Если объем воздуха мал, к примеру, воздушный зазор между двумя поверхностями разной температуры, движение молекул газа становится очень ограниченным, тогда конвективной передачей тепла можно пренебречь. В этом случае передача тепла осуществляется через теплопроводность воздуха и излучение. .
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|