Контактное тепловое сопротивление

Выше при анализе теплопроводности многослойных стенок принималось допущение, что тепловой контакт между соприкасающимися поверхностями является идеальным, и поэтому температуры этих поверхностей одинаковы. В реальных условиях на поверхности любого материала всегда имеются микроскопические неровности. Поэтому в местах соприкосновения поверхностей контакт происходит только в отдельных небольших зонах (рис. 1.6 а), а остальные участки поверхности разделены тонкой прослойкой воздуха (или другого газа) либо жидкости, если тело погружено в жидкость. В результате передача теплоты происходит частично через зоны фактического контакта, а частично ― через газовую или жидкую прослойку. Это приводит к появлению дополнительного теплового сопротивления в месте соприкосновения поверхностей, которое называется контактным тепловым сопротивлением (обозначается R и имеет единицу измерения м × К/Вт).

а) б) Рис. 1.6

Опыт показывает, что контактное тепловое сопротивление приводит к резкому изменению температуры у поверхности раздела двух соседних слоёв, которое схематично можно рассматривать как скачок температуры (рис. 1.6 б). Этот скачок температуры пропорционален плотности теплового потока и контактному тепловому сопротивлению:

, где - температуры контактирующих поверхностей.

Если значение соизмеримо с тепловым сопротивлением самих стенок, то его следует учитывать в расчётах. Например, для плоской двухслойной стенки уравнение теплопроводности с учётом контактного теплового сопротивления имеет вид: .

Как видно, контактное тепловое сопротивление увеличивает общее тепловое сопротивление стенки, что приводит либо к уменьшению плотности теплового потока q через стенку (при постоянном значении температурного напора), либо (при постоянстве q)к увеличению температурного напора.

Значение зависит от природы, чистоты обработки и твёрдости контактирующих поверхностей. При воздействии на многослойную стенку силой сжатия контактное тепловое сопротивление уменьшается, так как увеличивается площадь фактического контакта. Уменьшения значения можно также достичь путём покрытия соприкасающихся поверхностей мягкими металлами (медью, оловом и др.) или применением тонких прокладок из мягких теплопроводных материалов.

Значения определяются по опытным данным или расчётным путём с помощью полуэмпирических методов.