Что такое теплопроводность и теплопередача. Теплопроводность металлов и других материалов.

• написать лс
• профиль

5.0

Оценка статьи

Всего голосов: 1

Репутация автора

• повысить репутацию
• история репутации

Тепло — это одна из форм энергии, которая заключена в движении атомов в веществе. Энергию этого движения мы и измеряем термометром, хоть и не напрямую.
Как и все другие виды энергии, теплота может передаваться от тела к телу. Происходит это всегда, когда есть тела разной температуры. При этом им необязательно даже находиться в соприкосновении, так существует несколько способов передачи тепла. А именно:
 
Теплопроводность. Это передача тепла при непосредственном контакте двух тел. (Тело может быть и одно, если его части разной температуры.) При этом чем больше разность температур тел и чем больше площадь их контакта — тем больше тепла передаётся каждую секунду. Помимо этого, количество передаваемого тепла зависит от материала — например, большинство металлов хорошо проводят тепло, а дерево и пластик — гораздо хуже. Величину, характеризующую эту способность передавать тепло, тоже называют теплопроводностью (более корректно – коэффициент теплопроводности), что может приводить к некоторой путанице.
 
Если необходимо измерить теплопроводность какого-либо материала, то обычно это проводят в следующем эксперименте: изготовляется стержень из интересующего материала и один его конец поддерживается при одной температуре, а другой — при отличной, например более низкой, температуре. Пусть, например, холодный  конец будет помещён в воду со льдом — таким образом будет поддерживаться постоянная температура, а измеряя скорость таяния льда можно судить о количестве полученного тепла. Деля количество тепла (а вернее — мощность) на разность температур и поперечное сечение стержня и умножая на его длину, получаем коэффициент теплопроводности, измеряющийся, как следует из  вышенаписанного, в Дж*м/К*м

2*с, то есть в Вт/К*м. Ниже вы видите таблицу теплопроводности некоторых материалов.
 

Материал	Теплопроводность, Вт/(м·K)
Алмаз	1001—2600
Серебро	430
Медь	401
Оксид бериллия	370
Золото	320
Алюминий	202—236
Кремний	150
Латунь	97—111
Хром	107
Железо	92
Платина	70
Олово	67
Оксид цинка	54
Сталь	47
Оксид алюминия	40
Кварц	8
Гранит	2,4
Бетон сплошной	1,75
Базальт	1,3
Стекло	1-1,15
Термопаста КПТ-8	0,7
Вода при нормальных условиях	0,6
Кирпич строительный	0,2—0,7
Древесина	0,15
Нефтяные масла	0,12
Свежий снег	0,10—0,15
Стекловата	0,032-0,041
Каменная вата	0,034-0,039
Воздух (300 K, 100 кПа)	0,022

 
Как видно, теплопроводность различается на много порядков. Удивительно хорошо проводят тепло алмаз и оксиды некоторых металлов (по сравнению с другими диэлектриками), плохо проводят тепло воздух, снег и термопаста КПТ-8.
 
Но мы привыкли считать, что воздух хорошо проводит тепло, а вата — нет, хотя она может на 99% состоять из воздуха. Дело в конвекции. Горячий воздух легче холодного, и «всплывает» наверх, порождая постоянную циркуляцию воздуха вокруг нагретого или сильно охлаждённого тела. Конвекция на порядок улучшает теплопередачу: при её отсутствии было бы очень затруднительно вскипятить кастрюлю воды, не перемешивая её постоянно. А в диапазоне от 0°С до 4°С вода при нагревании сжимается, что приводит к конвекции в противоположном от привычного направлении. Это приводит к тому, что независимо от температуры воздуха, на дне глубоких озёр температура всегда устанавливается равной 4°C
 
Для уменьшения теплоотдачи из пространства между стенками термосов откачивают воздух.  Но надо отметить, что теплопроводность воздуха мало зависит от давления вплоть до 0,01мм рт. ст, то есть границы глубокого вакуума. Этот феномен объясняется теорией газов.
 
Ещё один способ теплопередачи — это излучение. Все тела излучают энергию в виде электромагнитных волн, но только достаточно сильно нагретые (~600°С) излучают в видимом нами диапазоне. Мощность излучения даже при комнатной температуре достаточно большая — порядка 40мВт с 1см². В пересчёте на площадь поверхности человеческого тела (~1м²) это составит 400Вт. Спасает лишь то, что в привычном нам окружении все тела вокруг также излучают с примерно той же мощностью. Мощность излучения, кстати, сильно зависит от температуры (как T⁴) , согласно закону Стефана-Больцмана. Расчёты показывают, что, например, при 0°С мощность теплового излучения примерно в полтора раза слабее, чем при 27°С.
 
В отличие от теплопроводности, излучение может распространяться в полном вакууме — именно благодаря нему живые организмы на Земле получают энергию Солнца. Если теплопередача излучением нежелательна, то её минимизируют, ставя непрозрачные перегородки между холодным и горячим объектами, либо уменьшают поглощение излучения (и испускание, кстати, в ровно той же степени), покрывая поверхность тонким зеркальным слоем металла, например, серебра.
 
 

---

 

• Данные по теплопроводности взяты из Wikipedia, а туда они попали из справочников, таких, как:

• «Физические величины» под ред.  И. С. Григорьева
• CRC Handbook of Chemistry and Physics

• Более строгое описание теплопроводности можно найти в учебнике по физике, например в «Общей физике» Д.В.Сивухина (Том 2). В 4 томе есть глава, посвящённая тепловому излучению (в т.ч. закону Стефана-Больцмана)

Сравнение теплоотдачи радиаторов | Lammin

Теплоотдача радиаторов — показатель, который определяет эффективность системы обогрева жилых, производственных и офисных помещений. Она зависит от многих факторов и является важным критерием при выборе батарей.

Зависимость теплоотдачи от различных факторов

Теплоотдача или тепловая мощность отражает количество тепла, которое передается отопительным прибором в единицу времени. Она влияет на микроклимат в помещении и обеспечивает создание комфортных условий.

Первичные факторы

Величина тепловой мощности одной секции батареи указывается в технической документации, прилагаемой производителями оборудования для водяной системы отопления. Она зависит от следующих факторов:

• Материала изготовления. Каждый металл имеет определенный коэффициент теплопроводности, влияющий на теплоотдачу. Самыми высокими показателями отличаются медь и серебро, но их не используют для производства батарей из-за значительной стоимости.
• Температуры теплоносителя, циркулирующего в сети обогрева. Чем она выше, тем больше тепла отдает прибор отопления.
• Площади теплообмена. Ее величина определяется особенностями конструкции радиаторов, количеством секций и габаритными размерами.

Чтобы повысить эффективность функционирования сети обогрева, можно остановить свой выбор на радиаторах из металла, который имеет более высокую теплопроводность. Среди материалов, используемых для массового производства батарей, таким является алюминий. Еще один способ ускорить нагрев воздуха в помещениях до комфортных показателей — увеличить температуру теплоносителя. Его можно использовать в автономных сетях частных домов, учитывая при этом технические характеристики радиаторов и условия эксплуатации.

Подбирая изделия по площади теплообмена, следует отдавать предпочтение моделям с большим межосевым расстоянием и с ребристой поверхностью, которая значительно повышает эффективность обогрева.

Вторичные факторы

На уровень тепловой мощности приборов отопления и скорость нагрева помещений влияют и другие факторы, среди которых:

• месторасположение;
• способ подключения;
• цветовое решение и вид покрытия батарей;
• климатическая зона.

Поскольку на окна может приходиться до 26% от общих потерь тепла, то самый оптимальный вариант размещения радиаторов — под ними. Такое расположение отопительных приборов способствует созданию тепловой завесы и позволяет уменьшить утечку тепла из помещения. Использование декоративных экранов, закрывающих батареи, снижает их эффективность на 5-7% при наличии снизу пространства для доступа воздуха, и на 20% — при его отсутствии.

В целом общая тепловая мощность приборов отопления, установленных в помещении, должна быть больше потерь тепла примерно на 10-20%. В этом случае обеспечивается поддержание в комнатах комфортной температуры без лишних затрат.

Способ подключения радиаторов определяется их типом. Наиболее эффективными считаются модели с боковым односторонним и диагональным подключением. Первый вариант востребован, если количество секций не превышает 12, а второй целесообразно использовать при подсоединении более габаритных батарей. Изменение способа подключения, как и повышение температуры теплоносителя или увеличение габаритных размеров помогает повысить уровень теплоотдачи. Прежде чем воспользоваться одним из этих методов, следует произвести перерасчет мощности.

Эффективность обогрева системы также зависит от наличия пыли на поверхности, циркуляции воздуха в помещении и способа отделки стены. Чем больше отражающие свойства поверхности, тем лучше теплоотдача.

Сравнение теплоотдачи

При выборе радиаторов по материалу изготовления недостаточно оценивать их возможности по величине теплоотдачи. Сравнение приборов нужно проводить, учитывая особенности отопительной сети и ее основные технические параметры.

Стальные

У стальных батарей наименьший показатель тепловой мощности среди аналогичных изделий из других металлов. Это обусловлено низким коэффициентом теплопроводности, которым отличается конструкционная сталь. Кроме того, панельные приборы отопления имеют небольшую площадь теплообмена, которую нельзя увеличить путем добавления секций. Такой вариант изменения габаритных размеров можно использовать только для секционных моделей из стали. Для них также характерно следующее:

• чувствительность к составу теплоносителя и склонность к заиливанию при использовании загрязненной воды;
• низкая стойкость к гидравлическим ударам;
• образование коррозии при сливе рабочей среды.

Стальные приборы отопления целесообразно применять при обустройстве автономной сети отопления.

Чугунные

Коэффициент теплопроводности чугуна составляет 50-56 Вт/(м*К), поэтому приборы из этого металла отличаются большей эффективностью обогрева, чем стальные аналоги. Затрудняет передачу тепла и повышенная толщина стенок. Мощность моделей старого образца составляла 60-80 Вт, а у новых изделий она варьируется в пределах 140-160 Вт. Передача тепла в основном осуществляется путем излучения, а на конвекцию приходится не более 20%. Чугунные модели отличаются большим весом и хрупкостью, которая приводит к разрушению изделий под воздействием гидравлических ударов. Они медленно нагреваются и также остывают. Радиаторы из чугуна не чувствительны к качеству теплоносителя, способны выдерживать до 9 атм и востребованы в автономных системах отопления частных домов и загородных коттеджей.

Алюминиевые

Самая лучшая теплопроводность у алюминия: она составляет 230 Вт/(м*К). Поэтому по теплоотдаче алюминиевые батареи превосходят аналогичные свойства приборов отопления, выпускаемых из других материалов. Максимальная эффективность обогрева достигается благодаря особым свойствам металла и значительной полезной площади, увеличенной за счет оребрения поверхности. Передача тепла осуществляется путем конвекции и излучения.

Выбирая алюминиевые приборы отопления, нужно учитывать следующие недостатки изделий:

• склонность к появлению коррозии из-за электрохимических процессов, причиной которых является низкое качество теплоносителя;
• неспособность выдерживать гидравлические удары и рабочее давление выше 9 атм.

Их используют при прокладке автономных сетей для малоэтажных домов. Батареи из алюминия отличаются малым весом и предоставляют возможность подобрать модель с нужным количеством секций.

Биметаллические

Биметаллические приборы отопления представляют собой конструкцию, для изготовления которой служат два металла. В результате получают изделия, которые почти не уступают по уровню теплоотдачи аналогам из алюминия. Причина снижения эффективности заключается в особой конструкции. Сердечник производят из конструкционной стали, поэтому он отличается сравнительно небольшой теплопроводностью. Однако стальной элемент быстро нагревает алюминиевые панели, что обеспечивает интенсивное распространение тепла и высокую теплоотдачу. К другим преимуществам биметаллических радиаторов относятся:

• устойчивость к появлению ржавчины и низкая чувствительность к качеству теплоносителя;
• высокое рабочее давление, достигающее не менее 20-35 атм;
• способность сохранять свои параметры при возникновении гидравлических ударов в сети;
• простая форма, благодаря которой значительно упрощаются уход и обслуживание.

Биметаллические изделия можно устанавливать в автономных системах частных домов, но наиболее эффективно их использование в центральных сетях многоквартирных зданий. Сравнение радиаторов на примере продукции Lammin представлено в таблице.

Сравнение приборов отопления с межосевым расстоянием 350 мм

Вид батарей	Теплоотдача секции, Вт	Максимально допустимая температура, °C
Биметаллические Eco	110	110
Алюминиевые Eco	115	110
Биметаллические Premium	130	110
Алюминиевые Premium	135	110

Подбор радиаторов по тепловой мощности

После сравнения теплопередачи разных типов батарей и оценки условий эксплуатации изделий подбирают оптимальный вариант. Однако в техническом паспорте приборов отопления этот параметр указывается по отношению к одной секции или к их общему количеству. Чтобы выбрать радиатор, который оптимально подойдет для помещения по габаритным размерам, нужно провести предварительный расчет. Для этого нужно воспользоваться формулой, позволяющей определить нужное количество секций с учетом обогреваемой площади помещения и величины теплоотдачи одной секции.

Особенности радиаторов Lammin

Приборы отопления, выпускаемые компанией Lammin, представлены алюминиевыми и биметаллическими моделями двух серий — Eco и Premium. Для них характерен высокий показатель тепловой мощности, который достигается:

• в изделиях из алюминия благодаря использованию уникального сплава, содержащего помимо основного металла добавки в виде цинка, железа и кремния;
• в биметаллических моделях за счет особой конструкции, состоящей из стальных труб и алюминиевого корпуса с высоким коэффициентом теплопроводности.

Среди других преимуществ радиаторов Lammin можно выделить надежную защиту внутренней поверхности в виде прочного и гладкого слоя, препятствующего оседанию частиц. Их окрашивают методом двухступенчатой окраски, что позволяет сохранить привлекательный вид на протяжении длительного времени.

Показатели теплоотдачи и другие характеристики радиаторов Lammin с разным межосевым расстоянием приведены в таблице.

Тип батарей	Межосевое расстояние, мм	Показатель теплоотдачи 1 секции, Вт	Рабочая температура, °C
Биметаллические Premium	350	130	110
Биметаллические Premium	500	153	110
Алюминиевые Premium	350	135	110
Алюминиевые Premium	500	165	110
Биметаллические Eco	350	110	110
Биметаллические Eco	500	139	110
Алюминиевые Eco	200	115	110
Алюминиевые Eco	350	115	110
Алюминиевые Eco	500	133	110

cccp3d.

ru | Коэффициенты конвективной теплоотдачи металлов

Добрый день!

Итак…

У вас расчет радиатора? Да не важно.

В общем надо задать ГУ 3-го рода. Оно же альфа.

Почему альфа? Альфа — коэффициент теплоотдачи входит в закон Ньютона-Рихмана — плотность теплового потока от стенки к жидкости q равна альфа*(Тс-Тж) — температура стенки минус т-ра жидкости.

Откуда её брать?

А брать её из числа Нуссельта.

<noindex>http://ru.wikipedia.org/wiki/Число_Нуссельта</noindex>

там же указано значение для разных поверхностей.

Оно определяет интенсивностьтеплообмена.

Для разных задач — есть экспериментально найденные формулы — обычно вида Nu=C*Re^k1*Pr^k2 — со всякими добавками — но могут и по другому выглядеть.

Их лучше всего брать отсюда:

Задачник по теплопередаче. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С.

Здесь есть особенность — как определять ХАРАКТЕРНЫЙ РАЗМЕР — вот это надо искать в книжках по теплообемну — что в задаче с вашей геометрией является характерным размером.

Числа Рейнольдса и Прандтля считаете и берете в зависимости от скорости, геометрии и свойств жидкости.

Далее в обратном порядке.

Зная геометрию, скорости и свойства — определяете числа Re, Pr.

Затем по формулам определяете число Nu,

затем определяете альфу. Подставляете в ГУ и запускаете расчет.

Все.

Второй вариант — точнее полуторный. :))) Вы считаете ВСЮ задачу — то есть сопряженную. Радиатор… распределенеи скорости и температуры в в комнате… распределение температуры в стенах здания… и так далее. Таким образом, для какого-то куска задачи вы сможете вычислить альфу. Ну и использовать её как-то далее, в других расчетах, чтобы не считать большие области.

В любом случае где-то надо будет задаться граничным условием.

Для прикидок — для нормальных условий при свободной конвекции (когда у вас поверхность которую ничто не обдувает) можно полагать альфу равной 5.

С уважением,

Игорь

Сталь, керамика, стекло или пластик — какой материал для пуровера лучше?

Как видите, для нагревания 1 кг пластика на определенное количество градусов требуется больше тепловой энергии. Однако керамическая воронка в среднем в 4 раза тяжелее пластиковой, поэтому при таком же нагревании она поглотит примерно в 3,5 раза больше тепла.

Вот, где кроется распространенное заблуждение. Бариста то и дело говорят, что предпочитают керамические воронки, «ведь они лучше держат тепло». А ведь достоинством это не назовешь: такая воронка поглощает больше тепла из жидкости в процессе заваривания.

Теплоотдача поверхности

Наконец, тепло уходит из воронки либо конвекцией, либо излучением. Скорость конвекции зависит от температуры поверхности. Материалы, обладающие более высокой теплопроводностью, быстрее доставляют тепло к поверхности. Когда тепло достигает поверхности, материалы с меньшей удельной теплоемкостью нагреваются сильнее. Значит, пластик, обладающий меньшей теплопроводностью и большей удельной теплоемкостью, отдаст гораздо меньше тепла в результате конвекции, чем другие материалы.

Скорость теплопотери излучением зависит не только от материала, но и от структуры (в том числе от гладкости) и температуры поверхности. Поэтому вычислить этот показатель крайне сложно. При одинаковой температуре стекло, фарфор и пластик потеряют в результате излучения примерно одинаковое количество тепла. Сталь отдаст излучением значительно меньше, но это нивелируется ее высокой теплопроводностью и низкой удельной теплоемкостью, из-за которых поверхность нагреется гораздо быстрее. К тому же максимальные теплопотери излучением вдвое меньше, чем конвекцией.

Воронки с двойной стенкой

С точки зрения изолирующих свойств воздух даст фору любому материалу: его теплопроводность составляет всего 0,02 Вт/(м*К). Некоторые производители воронок пользуются этим свойством, разрабатывая модели с двойной стенкой, между которыми предусмотрена воздушная прослойка. Существуют и сетчатые воронки: бумажный фильтр минимально контактирует с их стенками и максимально – с воздухом. Сами по себе такие модели удерживают тепло лучше, но даже их предпочтительнее изготавливать из пластика.

Двойные стенки стеклянных воронок в любом случае поглотят больше тепла еще до того, как воздушная прослойка успеет себя проявить. А вот аналогичная воронка из пластика справилась бы с задачей гораздо лучше.

Площадь поверхности сетчатых металлических воронок, несмотря на структуру, все равно немаленькая. А значит, в процессе заваривания она поглотит и отдаст внешней среде достаточно много тепла. Еще какое-то количество тепла вы потеряете в результате испарения с внешней поверхности фильтра (теплопотери испарением всегда очень значительны). Гораздо лучше для этого бы подошел пенополистирол – к тому же он дешевле.

Заключение

Итак, пластик выигрывает по каждому из трех критериев: он медленнее поглощает тепло из воды в процессе заваривания, в целом поглощает меньше тепла и отдает его медленнее. Конечно, важна и конструкция воронки: особую роль играют вес и площадь поверхности. Однако, какой бы ни была модель, изготавливать воронку предпочтительнее из пластика.

Автор: Метт Пергер
Источник: baristahustle.com/blog/steel-glass-ceramic
Перевод и адаптация текста: компания Barista Coffee Roasters
Копирование материала разрешено исключительно с указанием активной ссылки на ресурс: www.barista.ua и источник статьи.

Анализ теплотехнических свойств домов из разных материалов: какой дом теплее

Постоянный рост затрат на отопление жилья заставляет задуматься о выборе технологии строительства с максимальными показателями по энергоэффективности. Строительство энергосберегающих домов является сегодня не прихотью, а острой необходимостью, закрепленной законодательно в федеральном законе РФ за № 261-ФЗ «Об энергосбережении».

Эффективность стеновой конструкции жилого дома напрямую зависит от показателей по теплопотерям, которые происходят через разные элементы ограждающих конструкций дома. Основное тепло теряется именно через наружные стены. Вот почему их теплопроводность серьезно влияет на микроклимат внутри помещений. Нет смысла говорить об эффективных стеновых конструкциях без учета показателей теплопроводности. Стена может быть толстая, прочная и дорогая, но вовсе не энергоэффективная.

Возникает закономерный вопрос, какой дом теплее, а точнее, какой из популярных в нашей стране материалов лучше сохраняет тепло? Простое сравнение коэффициентов теплопередачи в данном случае является не совсем корректным. Прежде всего, следует оценивать способность сохранять тепло внешней ограждающей конструкцией, как единой системы.

Рассмотрим загородные дома, построенные по различным технологиям, с различными типами стен, и посмотрим какой дом имеет наименьшие потери тепла.

В малоэтажном жилищном строительстве наибольшее распространение получили следующие виды домов:

• каменные
• деревянные
• каркасные

Каждый из названных вариантов имеет несколько подвидов, параметры которых существенно различаются. Для получения объективного ответа на вопрос, какой дом самый теплый, сравнивать будем только лучшие образцы по одному из числа представленных в списке.

Характеристики теплопроводности

популярных строительных материалов

Дома из кирпича

Кирпичный дом представляет собой надежное, долговечное жилище и пользуется популярностью у наших сограждан. Его прочность и стойкость к неблагоприятным факторам среды обуславливается большой плотностью материала.

Кирпичные стены неплохо сохраняют тепло, но все же требуют постоянного отопления помещений. В противном случае, зимой кирпич впитывает влагу и под весом кладки начинает разрушаться. Если длительное время держать кирпичный дом без отопления, его придется прогревать до нормальной температуры около трех дней.

Минусы кирпичных построек:

• Высокая теплопередача и потребность в дополнительной теплоизоляции. Без теплоизоляционного слоя толщина кирпичной стены, способной удерживать тепло, должна быть не менее 1,5 м.
• Невозможность периодического (сезонного) использования здания. Кирпичные стены хорошо впитывают тепло и влагу. В холодный сезон полный прогрев дома займет не менее трех суток, а на полное устранение излишней влаги уйдет не менее месяца.
• Толстый цементно-песчаный шов, скрепляющий кирпичную кладку, имеет в три раза больший коэффициент теплопроводности по сравнению с кирпичом. Соответственно теплопотери через кладочные швы еще более значительны, чем через сам кирпич.

Технология теплого дома из кирпича требует дополнительного утепления с внешней стороны стены плитами утеплителя.

Дома из дерева

Комфортная атмосфера быстрее создается в доме, построенном из дерева. Этот материал практически не охлаждается и не нагревается, поэтому температура внутри помещения быстро стабилизируется. При достаточной толщине стен такие дома можно не утеплять, поскольку дерево само по себе может служить термоизоляцией.

Однако, для того, чтобы деревянный дом был теплым, толщина наружных стен из сплошной древесины должна составлять более 40 см, из клееного бруса 35-40 см, а из оцилиндрованного бревна более 50 см. Стоимость строительства такого жилья очень высока. Остается, либо игнорировать современные требования и строить дом, например, из бруса толщиной минимум 20-22 см или из бревен диаметром 24-28 см (при этом понимать, что расходы на отопление будут достаточно высокими, особенно если в доме нет магистрального газа), либо стены деревянного дома все же придется дополнительно утеплять.

Людям, которые на первое место ставят комфорт и целесообразность, лучше подумать об утеплении деревянного дома. Тогда дерево создаст в доме оптимальный микроклимат, а утепление обеспечит экономию на отоплении. По сравнению с кирпичом теплопотери деревянного дома значительно меньше. Но все же, для того, чтобы теплый дом из дерева был еще и экономичным, ему требуется дополнительная теплоизоляция.

Дома из каркаса

По своим характеристикам каркасная технология строительства выглядит намного лучше кирпичного или деревянного дома и не требует дополнительного утепления. Если в зоне климата, где планируется строительство загородного дома, зимой бывают низкие температуры, то каркасная технология является самым идеальным вариантом.

Технология каркасного домостроения подразумевает слой термоизоляции внутри стен, который позволяет оградить помещения от наружного холода. Большим плюсом постройки каркасного дома, в сравнении с деревянным или кирпичным, является высокая энергоэффективность при очень небольшой толщине стен.

Данная технология позволяет возводить абсолютно разные по своему функциональному назначению объекты:

• Каркасные дома для сезонного проживания.
  Например, каркасно-щитовые, дома из СИП-панелей и прочие «эконом» варианты, используемые, в основном,
  как летние дачи.

• Теплые каркасные дома для постоянного проживания.
  Например, здания на монолитном фундаменте, с утеплением стен не менее 200 мм, с внутренними инженерными коммуникациями.

В каркасно-щитовых домах и домах из СИП-панелей для поддержания тепла требуется постоянно работающий обогреватель, поскольку тепло в таком доме не задерживается надолго. Хотя прогревается данное строение довольно быстро, всего за несколько часов. Такие дома больше подходят для временного проживания.

Качественный каркасный дом для постоянного проживания, за счет своей многослойности и других конструкционных особенностей, позволяет минимизировать потери тепла, не оставляя ощущения влажности помещения в холодное время года. Такое жилье не требует постоянного подогрева и может долго сохранять внутреннее тепло.

Особенно высокими параметрами энергоэффективности обладают здания, построенные по технологии 3D каркас, стены которого имеют три смещенные между собой слоя утепления общей толщиной 250 мм, которые перекрывают деревянные элементы каркаса, ликвидируя в стенах «мостики холода». Кроме того, внешним слоем утеплителя закрыты цокольное и межэтажное перекрытия, поэтому в доме даже в лютые морозы всегда теплые полы.

Оценка теплоизоляционных свойств

внешних ограждающих конструкций

Чтобы понять, какой загородный дом является самым теплым среди всех, сравним коэффициенты теплопроводности материалов разных стеновых конструкций.

Коэффициент теплопроводности – эта величина, которая показывает удельную теплопроводность материала внешних стен. Низкая теплопроводность стен дома способствует продолжительному сохранению тепла внутри помещения и обеспечивает отличные условия проживания. В противном случае стены пропускают холод и потребуется больше мощности в системе отопления.

Теплопроводность каменного дома

Рассмотрим коэффициенты теплопроводности материалов каменных домов:

• Железобетон — 1,5 Вт/(м∙К)
• Силикатный кирпич – 0,70 Вт/(м∙К)
• Керамический сплошной — 0,56 Вт/(м∙К)
• Керамический пустотелый – 0,47 Вт/(м∙К)

Чем выше коэффициент теплопередачи, тем хуже теплозащита стеновой конструкции. Как видим, сами по себе материалы, из которых строятся каменные дома, имеют довольно высокий коэффициент теплопередачи. Следуя требованиям СНиП для того чтобы построить каменный дом, толщина его внешних стен должна достигать просто ошеломляющих цифр. Например, дом из бетона должен иметь толщину стен в 2,5 метра, а из кирпича — в 1,5 метра. Это огромные материальные затраты. Сегодня, таким образом уже никто не строит.

Чтобы удерживать тепло внутри дома у кирпича просто не хватает теплопроводности, поэтому кирпичные стены всегда дополнительно утепляют. Для теплоизоляции обычно применяются материалы типа пенополистирола. Сверху утеплителя внешние стены дома обкладывают декоративным кирпичом или другим облицовочным материалом.

Теплопроводность деревянного дома

Если сравнивать деревянный или кирпичный дом, какой из них лучше сохраняет тепло? Ответ будет явно в пользу древесины.

Дерево, по сравнению с кирпичом или бетоном, в разы теплее. Влияние на теплопроводность оказывает плотность материала. У пористого материала всегда более низкий коэффициент теплопередачи, соответственно стены такой постройки более теплые. Древесина имеет хорошие показатели теплопроводности — 0,18 Вт/(м∙К). Это минимум в три раза ниже, чем у кирпича, и примерно на 30% меньше, чем у газосиликатных и пенобетонных блоков. Разница очевидна.

Каркасные дома из бруса и бревна имеют определенные преимущества за счет лучших характеристик материала. Однако основным недостатком деревянной конструкции является высокая ветропроницаемость и низкая герметичность. Крайне сложно обеспечить высокую точность сопряжения деревянных элементов, особенно в углах дома. Джутовые или полимерные уплотнители лишь частично решают данную проблему. Следствием этого является наличие большого количества «мостиков холода» по всей площади стеновой конструкции. Наибольшие потери тепла в деревянном доме сосредоточены именно в местах сквозных промерзаний, ликвидировать которые возможно только с помощью дополнительного утепления стен.

Теплопроводность каркасного дома

По ряду своих характеристик обычные канадские каркасные дома с толщиной стен 150 мм выглядят более привлекательно, чем каменные или деревянные. Это связано с тем, что каркасный дом обладает наименьшим среди прочих технологий и стройматериалов коэффициентом теплопроводности — 0,038 Вт/(м∙К). Получается, что его теплопроводность в 5 раз меньше, чем у дома из цельной древесины. Если сравнивать теплопроводность каркасного дома с кирпичным, то разница составляет почти 15 раз.

Среди перечисленных наилучшие показатели демонстрируют дома по технологии 3D каркас. Внешняя стена, возведенная по этой технологии, имеет коэффициент теплопроводности 0,0022 Вт/(м∙К). Данный показатель в 40 раз меньше, чем у профилированного бруса и более чем в 200 раз ниже, чем у кирпича. Такие высокие показатели энергоэффективности достигаются за счет структуры тройного каркаса и трех перекрестных слоев базальтового утеплителя.

Внешние стены дома по технологии 3D каркас не имеют «мостиков холода» и обеспечивают надежное сохранение тепла даже при экстремально низких температурах. Отсутствие контакта между элементами внешней и внутренней несущей конструкции полностью исключает возможность промерзания стен.

Заключение

В последние годы в сегменте малоэтажного жилищного строительства происходят значительные изменения. Экономические условия вынуждают население отказываться от традиционных материалов в пользу более прогрессивных технологий.

Наружная стена состоит из отдельных элементов, совокупность и взаимодействие которых определяет способность жилого здания сохранять тепло. В этом отношении самые худшие характеристики у традиционной кирпичной кладки. Высокая теплопроводность даже у лучших образцов кирпича, практически исключает возможность его использования без дополнительного утепления. Воздушный зазор в двухрядной стене и использование пустотелого керамического кирпича лишь незначительно снижают теплопотери. Подобные строительные конструкции однозначно нуждаются в дополнительном утеплении.

Сравнивать какой дом лучше каркасный или кирпичный по теплотехническим характеристикам даже некорректно. Преимущество первого выглядит просто подавляющим. При прочих равных условиях системы отопления, для того, чтобы прогреть кирпичные стены, бывает необходимо несколько суток. Каркасный дом, возведенный, например, с использованием технологии 3D каркас, полностью протапливается в течение двух часов и в дальнейшем хорошо сохраняет тепло.

Этот же фактор позволяет точно ответить на вопрос: брус или каркас что лучше? Какое жилое строение является более эффективным с точки зрения способности сохранения тепла? Преимущества каркаса здесь также весомые. Деревянный брус или бревно имеют неплохие показатели тепловодности, но дом из бруса все же не лишен технологических недостатков в виду наличия большого количества «мостиков холода».

Простое сравнение показателей теплопроводности кирпича и 3D каркас явно в пользу последнего. Ответ на вопрос, из чего строить самый теплый дом, очевиден и однозначен. Решая данный вопрос, правильнее говорить все же о деревянном каркасном доме по технологии 3D каркас, в котором применение многослойной структуры позволяет устранить все недостатки других технологий загородного домостроения.

Здания по технологии 3D каркас являются не только самыми теплыми каркасными домами для постоянного проживания, но также являются лидерами по энергоэффективности. В этом мнения многих специалистов совпадают: 3D каркас обладает исключительной способностью к сохранению тепла, имеет параметры «пассивного дома» и рекомендован для использования на всей территории нашей страны в качестве энергоэффективного жилья.

НУЖЕН ТЕПЛЫЙ ДОМ ДЛЯ КРУГЛОГОДИЧНОГО ПРОЖИВАНИЯ?

ЗВОНИТЕ НАМ ПО ТЕЛЕФОНУ +7(495) 363-06-08
ИЛИ ЗАДАЙТЕ СВОЙ ВОПРОС В ФОРМЕ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Коэффициент теплоотдачи, формула и примеры

Определение и формула коэффициента теплоотдачи

Конвективный теплообмен — обмен теплотой между частями жидкости (газа), имеющими разную температуру или между жидкостью (газом) и твердым телом. Конвективный теплообмен между жидкостью и твердым телом называют теплоотдачей.

Этот коэффициент часто используют в гидроаэродинамике, когда исследуют конвективный теплообмен. Часто ее обозначают буквой . Коэффициент равен:

   

где — плотность теплового потока, — температурный напор. Величина q — это количество теплоты, которое передается через единичную площадь поверхности тела в единицу времени. находят как модуль разности температур жидкости и поверхности тела. Иногда температурный напор находят, например, в случае обтекания тела потоком сжимаемой жидкостью, считают равным модулю разности температуры жидкости далеко от тела и температурой поверхности тела, которая была бы в отсутствии теплообмена.

Коэффициент теплоотдачи зависит от скорости потока носителя тепла, вида течения, какова геометрия поверхности твердого тела и т.д. Это сложная величина и ее невозможно определить общей формулой. Обычно коэффициент теплоотдачи находят экспериментально.

Так, для условий свободной конвекции воздуха: (Вт/м²К), воды: (Вт/м²К). При вынужденной конвекции величины коэффициента теплоотдачи колеблются в пределах: для воздуха: (Вт/м²К), для воды: (Вт/м²К).

Формула Ньютона-Рихмана

Коэффициент теплоотдачи входит в выражение для потока тепла в веществе жидкой или газообразной среды с интенсивным изменением температуры при увеличении расстояния от охлаждаемого или нагреваемого объекта:

   

где — количество теплоты, которая отводится от поверхности, имеющую площадь S, — температура вещества (жидкости, газа), — температура поверхности тела. Выражение (2) называется формулой Ньютона — Рихмана.

Так как интенсивность теплообмена может изменяться при передвижении вдоль площади соприкосновения жидкого носителя с поверхностью твердого тела, вводят местный коэффициент теплоотдачи, который равен:

   

На практике чаще применяют средний коэффициент теплоотдачи , вычисляя его по формуле:

   

где температуры берут средние для поверхности и для вещества.

Дифференциальное уравнение теплоотдачи

Дифференциальное уравнение теплоотдачи показывает связь между коэффициентом теплоотдачи и полем температур среды (жидкости или газа):

   

где , — градиент температуры, индекс n=0 значит то, что градиент берут на стенке.

Критерий Нуссельта

Критерий Нуссельта () является характеристикой теплообмена на границе между жидкостью и стеной:

   

где — характерный линейный размер, — коэффициент теплопроводности жидкости. Для стационарного процесса критерий Нуссельта находят, используя критериальное уравнение конвективного теплообмена:

   

где постоянные. — критерий Рейнольдса, — критерий Прандтля, — критерий Грасгофа.

Коэффициент теплоотдачи и его связь с коэффициентом теплопередачи

Коэффициентом теплопередачи через плоскую стенку связан с коэффициентами теплоотдачи выражением:

   

где — коэффициент теплоотдачи от первой среды к стенке, — коэффициент теплоотдачи от стенки ко второй среде, — толщина стенки, — коэффициент теплопроводности стенки.

Единицы измерения

Основной единицей измерения коэффициента теплоотдачи в системе СИ является:

=Вт/м²К

Примеры решения задач

Расчет теплоотдачи радиаторов отопления по площади

Автор admin На чтение 4 мин. Просмотров 48 Обновлено 28 октября, 2015

Задача любой системы отопления является эффективная передача энергии от теплоносителя (горячей воды) в помещение. Обогрев одними трубами неэффективен, так как они имеют малую площадь нагреваемой поверхности. Для этого используют специальные элементы системы отопления – радиаторы.

Радиаторы предназначены для повышения теплопередачи накопившейся в системе тепловой энергии в помещение. Они представляют собой секционную или монолитную конструкцию, внутри которой циркулирует теплоноситель. Радиаторы подключаются последовательно или параллельно в системе отопления.

Основные характеристики радиатора отопления:

• Материал изготовления.
• Тип конструкции.
• Габаритные размеры (кол-во секций).
• Теплоотдача.

Последнее является существенным показателем, так как определяет фактическое количество энергии, передаваемое от поверхности радиатора в комнату.

Что такое теплоотдача и чем она определяется

Теплоотдача – это процесс передачи тепловой энергии от нагретого тела (радиатора) во внешнее пространство (помещение). Данный показатель измеряется в Вт. От чего же зависит теплоотдача?

[box type=”success” ]Основная задача радиаторов отопления – передача тепловой энергии от системы отопления в квартиру. Эффективность определяется теплопроводностью материала, т.е. тепловыми потерями.[/box]

Теплопроводность – это показатель, определяющий тепловые потери энергии, проходящей через материал определенного объема за 1 мин. Измеряется в Вт/(м*К).

В таблице 1 показаны коэффициенты теплопроводности для основных материалов изготовления радиаторов.

Материал	Теплопроводность, Вт/(м*К)
Сталь	58
Алюминий	230
Чугун	50
Медь	380

Чем выше этот показатель, тем меньше тепловых потерь будет при передаче энергии от теплоносителя в помещение. Как видно, лучший материал для изготовления радиаторов – это медь. Но из-за высокой стоимости и технологической сложности изготовления они менее всего популярны. Чаще используют стальные или алюминиевые модели. Нередко применение в конструкции сочетание вышеописанных элементов.

Каждый из производителей указывает мощность теплоотдачи для своих изделий. Она напрямую зависит от температуры воды в системе отопления на начальном (выход из котла) и конечном (ввод обратки в котел) отрезке и температуры в помещении. Определяется по формуле:

Пример:

Практически все производители указывают величину перепада температуры в системе 90/70. Именно для этой величины определена теплоотдача в паспорте радиатора. Но если система высокоэффективная и теплоноситель не имеет большую тепловую разницу на входе и выходе?

Самостоятельный расчет теплоотдачи

Для проведения расчета теплоотдачи(Q) необходимо знать следующие параметры:

1. ΔT – температурный напор системы.
2. Коэффициент теплопроводности радиатора (k).
3. Площадь секций (S).

Расчет мощности проводится по формуле:

Возьмем в качестве примера систему с эффективным нагревом теплоносителя и для комнатной температуры 22°С:

Далее, рассчитываем мощность теплоотдачи радиатора по показателям:

• Материал изготовления – сталь (k=52 Вт/(м*К).
• Площадь – 1,125*0,57= 0,64 м².

При этом необходимо учитывать и потери тепла в помещении, способ подключения радиаторов и место их установки.

Дополнительные факторы, влияющие на теплоотдачу

Помимо физических свойств радиаторов существуют и внешние показатели, которые могут существенным образом влиять на его КПД.

Первое, на что необходимо обратить внимание- это способы подключения радиаторов. На рисунке 1 показаны варианты подсоединения труб отопления и % потери энергии при этом.

Способы подключения радиаторов

Как видно из рисунка, оптимальным является 1-й способ подключения, когда подводящий патрубок находится в верхней части радиатора, а выводящий -в нижней, на другой стороне системы. Но не всегда такой способ возможно сделать по факту, так как многое зависит от разводки отопительного трубопровода.

Так же существенное влияние оказывает и место установки радиатора относительно оконной конструкции. На рис. 2 показаны, как изменится теплоотдача в зависимости от монтажа.

 

Изменение теплоотдачи радиаторов (k)

При максимальной изоляции радиаторов происходит сохранение их теплоотдачи, так как энергия в результате отражения от дополнительных поверхностей частично возвращается на поверхность радиатора. Но при этом понижается эффективность нагрева помещения. При планировании монтажа следует соблюсти «золотую середину». Для средних комнат (15-20 м²) предпочтителен открытый монтаж, с таким расчетом, чтобы подоконник закрывал радиатор на 2/3.

Выбор мощности радиатора зависит от характеристик помещения и отопительной системы. Применяя комплексный анализ и систему расчета можно подобрать оптимальный размер и мощность отопительного прибора. И тогда, даже при низких температурах на улице, в доме сохранится тепло и уют.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться у системного администратора.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Основы теплообмена

Движущееся тепло

Как следует из Первого закона термодинамики, материя и энергия не могут быть созданы или уничтожены (только преобразованы между ними). Точно так же тепло — движение энергии от более горячего объекта к более холодному — никогда не устраняется, а только перемещается в другое место. Это роль всех систем охлаждения.

Для этого существует три основных режима теплопередачи. Некоторые формы передачи могут быть продублированы несколькими способами (как естественными, так и принудительными), но каждая система охлаждения использует одни и те же основные процессы:

• Проводимость — передача тепла через вещество без чистого смещения вещества

• Конвекция — циркуляционное движение газа или жидкости, вызванное изменением их плотности и действием силы тяжести

• Излучение — процесс передачи тепла путем испускания электромагнитной энергии в форме волн или частиц

Теплопроводность

Теплопроводность — это количество тепла, которое конкретное вещество может нести через себя за единицу времени.Обычно выражаются в Вт / (м · К), единицы представляют, сколько ватт тепла может быть проведено через один метр толщины указанного материала при разнице температур в один Кельвин между двумя концами.

(Примечание: «Теплопроводность» — это мера тепла, протекающего по длине, не путать с «теплопроводностью», которая является мерой тепла, проходящего через поверхность.)

Жидкости

3М Флоринерт FC-43

0.065

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость — это количество тепла, которое может удерживать конкретное вещество. Обычно выражается в кДж / (кг · К) и показывает, сколько килоджоулей энергии требуется для изменения температуры одного килограмма указанного вещества на один градус Кельвина.

Что все эти цифры означают в системе жидкостного охлаждения?

Приведенная выше теплопроводность показывает, почему медь является предпочтительным материалом для охлаждающих пластин для систем охлаждения.По характеристикам он очень близок к серебру за небольшую часть стоимости. Однако, как и большинство металлов, медь не очень долго сохраняет тепло — ее нужно поглощать чем-то еще.

Удельная теплоемкость показывает, что вода является лучшей жидкостью для удержания тепла. Практически он также лучше всего подходит для его переноса.

Это означает, что в идеальной конфигурации используется медь для передачи тепла от процессора и вода для поглощения и отвода тепла.Хотя здесь задействовано множество других факторов, здесь у вас есть основная основа системы жидкостного охлаждения.

Предыдущая статья: Введение Следующая статья: Соединение с термоинтерфейсом

10 лучших теплопроводных материалов

Теплопроводность — это мера способности материала пропускать через него тепло. Материалы с высокой теплопроводностью могут эффективно передавать тепло и легко забирать тепло из окружающей среды. Плохие теплопроводники сопротивляются тепловому потоку и медленно извлекают тепло из окружающей среды.Теплопроводность материала измеряется в ваттах на метр на градус Кельвина (Вт / м • К) в соответствии с рекомендациями S.I (Международная система).

10 лучших измеренных теплопроводных материалов и их значения приведены ниже. Эти значения проводимости являются средними из-за разницы в теплопроводности в зависимости от используемого оборудования и среды, в которой были получены измерения.

Материалы теплопроводящие

1. Diamond — 2000 — 2200 Вт / м • K

   Алмаз является ведущим теплопроводным материалом и имеет измеренные значения проводимости в 5 раз выше, чем у меди, самого производимого металла в Соединенных Штатах.Атомы алмаза состоят из простой углеродной основы, которая представляет собой идеальную молекулярную структуру для эффективной теплопередачи. Часто материалы с простейшим химическим составом и молекулярной структурой имеют самые высокие значения теплопроводности.

   Diamond — важный компонент многих современных портативных электронных устройств. Их роль в электронике — способствовать рассеиванию тепла и защищать чувствительные части компьютера. Высокая теплопроводность алмазов также оказывается полезной при определении подлинности камней в ювелирных изделиях.Добавление небольшого количества алмаза в инструменты и технологии может сильно повлиять на свойства теплопроводности.

2. Серебро — 429 Вт / м • K

   Серебро — относительно недорогой и распространенный теплопроводник. Серебро входит в состав многих бытовых приборов и является одним из самых универсальных металлов из-за его ковкости. 35% серебра, производимого в США, используется для производства электрических инструментов и электроники (US Geological Survey Mineral Community 2013).Вспомогательный продукт серебра, серебряная паста, пользуется все большим спросом из-за его использования в экологически чистых источниках энергии. Серебряная паста используется в производстве фотоэлементов, которые являются основным компонентом солнечных батарей.

3. Медь — 398 Вт / м • K

   Медь — наиболее часто используемый металл для производства токопроводящих приборов в США. Медь имеет высокую температуру плавления и умеренную скорость коррозии. Это также очень эффективный металл для минимизации потерь энергии при передаче тепла.Металлические кастрюли, трубы для горячей воды и автомобильные радиаторы — все это приборы, в которых используются проводящие свойства меди.

4. Золото — 315 Вт / м • K

   Золото — редкий и дорогой металл, который используется для специальных проводящих применений. В отличие от серебра и меди, золото редко тускнеет и может выдерживать большие количества коррозии.

5. Карбид кремния — 270 Вт / м • K

   Карбид кремния — это полупроводник, состоящий из сбалансированной смеси атомов кремния и углерода.При изготовлении и сплаве кремний и углерод соединяются, образуя чрезвычайно твердый и прочный материал. Эта смесь часто используется в качестве компонента автомобильных тормозов, турбинных машин и стальных смесей.

6. Оксид бериллия– 255 Вт / м • K

   Оксид бериллия используется во многих высокопроизводительных деталях для таких приложений, как электроника, поскольку он обладает высокой теплопроводностью и является хорошим электрическим изолятором.

7. Алюминий — 247 Вт / м • K

   Алюминий обычно используется в качестве экономичной замены меди.Хотя алюминий не такой проводящий, как медь, его много, и с ним легко работать из-за его низкой температуры плавления. Алюминий является важнейшим компонентом светильников L.E.D (светоизлучающих диодов). Медно-алюминиевые смеси набирают популярность, поскольку они могут использовать свойства как меди, так и алюминия и могут производиться с меньшими затратами.

8. Вольфрам — 173 Вт / м • K

   Вольфрам имеет высокую температуру плавления и низкое давление пара, что делает его идеальным материалом для приборов, которые подвергаются воздействию высоких уровней электричества.Химическая инертность вольфрама позволяет использовать его в электродах, являющихся частью электронных микроскопов, без изменения электрических токов. Он также часто используется в лампах и как компонент электронно-лучевых трубок.

9. Графит 168 Вт / м • K

   Графит — это распространенная, недорогая и легкая альтернатива другим углеродным аллотропам. Его часто используют в качестве добавки к смесям полимеров для улучшения их теплопроводных свойств. Батареи — знакомый пример устройства, в котором используется высокая теплопроводность графита.

10. Цинк 116 Вт / м • K

    Цинк — один из немногих металлов, которые можно легко комбинировать с другими металлами для создания металлических сплавов (смеси двух или более металлов). 20% цинковых приборов в США состоят из цинковых сплавов. При цинковании используется 40% производимого чистого цинка. Цинкование — это процесс нанесения цинкового покрытия на сталь или железо, которое предназначено для защиты металла от атмосферных воздействий и ржавчины.

Список литературы

Мохена, Т.К., Мочане, М. Дж., Сефади, Дж. С., Мотлунг, С. В., и Андала, Д. М. (2018). Теплопроводность полимерных композитов на основе графита. Влияние теплопроводности на энергетические технологии. DOI: 10.5772 / intechopen.75676

Оксид бериллия Получено с https://thermtest.com/materials-database#Beryllium-Oxide

База данных материалов Thermtest. https://thermtest.com/materials-database

Автор: Каллиста Уилсон, младший технический писатель на Thermtest

Лучшие материалы для отвода тепла в электронике (термопаста vs.Лента против колодок)

Пока машины, инструменты и устройства имеют работающие части, они будут нагреваться, а, как мы все знаем, слишком много тепла может быть проблемой. Использование теплоотводящих материалов позволяет избежать этих проблем в электронных продуктах. Однако не всегда ясно, какой материал лучше всего использовать для отвода тепла в ваших продуктах.

В этом руководстве мы рассмотрим три наиболее известных теплоотводящих материала в электронной промышленности и обсудим их свойства, плюсы и минусы.Эксперты по электронике в Mueller готовы познакомить вас с миром теплоотводящих материалов и, в конечном итоге, дать вам информацию, необходимую для принятия обоснованных решений в отношении ваших будущих продуктов. Давайте начнем.

Что такое теплоотводящие материалы?

Три наиболее распространенных материала, используемых для отвода тепла в электронных продуктах, — это термопаста, прокладки с тепловым зазором и термоленты. Во-первых, давайте посмотрим, каковы определяющие качества каждого материала.

Термопаста

Термопаста — это наиболее широко используемый и экономичный из исследуемых нами теплоотводящих материалов. Смазка — это чрезвычайно проводящий материал, который легко наносить практически на любой продукт, обычно поступающий из тюбика. При нанесении на всю поверхность продукта он может быть наиболее эффективным рассеивающим материалом.

Однако смазка грязная. Если техническое обслуживание необходимо провести с продуктом на более позднем этапе его жизненного цикла, грязная смазка может затруднить его.Кроме того, это также может быть непостоянный диссипатор в зависимости от оператора. Если его не нанести для полного покрытия поверхности компонента, он не будет эффективно рассеивать тепло. Термопаста также имеет определенную рабочую температуру, а это означает, что при слишком высокой температуре она может разжижаться и мигрировать. Это приведет к тому, что он будет еще менее эффективно рассеивать тепло.

Термопаста чаще всего используется в недорогой электронике, а также в любых изделиях с контроллером, таких как газонокосилки, воздуходувки для листьев или бензопилы.Эти продукты не используются постоянно и нуждаются в рассеивающем материале, который не разлагается, поэтому смазка является лучшим выбором.

Термопрокладки

Термопрокладки — это невероятно прочный материал для отвода тепла. Как правило, эти контактные площадки поставляются в виде листов и могут быть высечены, чтобы идеально соответствовать электронным компонентам продукта. Они имеют текстуру, напоминающую замазку, наполнены проводящими материалами (например, керамикой) и могут быть толстыми или тонкими в зависимости от области применения.По мере увеличения проводимости прокладки она становится толще.

Прокладки с тепловым зазором также являются дорогим материалом для отвода тепла. Поскольку они представляют собой наполнитель, они увеличиваются в цене, когда вы пытаетесь покрыть ими больше места. Точно так же цена увеличивается с увеличением уровня проводимости. Как говорит наш эксперт по материалам Мэтт Хэнлайн: «Чем выше проводимость, тем они дороже».

Термопрокладки чаще всего используются в смартфонах, компьютерах, ноутбуках и продуктах с высокой температурой окружающей среды.Прокладки с тепловым зазором обеспечивают устройствам необходимое рассеивание без риска повреждения или перемещения внутри продукта. Прокладки также обеспечивают продуктам в условиях высокой температуры рассеивание, которое им требуется, без риска разжижения и потери эффективности.

Термолента

Термолента — это, скорее, нишевый материал для отвода тепла, а это означает, что она действительно полезна только в определенных ситуациях. Есть два типа лент, которые могут использоваться для отвода тепла: самоклеющиеся клеи (PSA) и определенные типы подушечек с высокой липкостью.Термоленты наиболее выгодны на этапе проектирования продукта, поскольку они могут сэкономить время во время сборки, устраняя необходимость использовать винты для определенных продуктов.

Однако термоленты обычно подходят только для электронных изделий с низкой проводимостью, так как сами по себе ленты не обладают высокой проводимостью. Это означает, что их обычно можно использовать с продуктами, которые не выделяют большое количество тепла.

Термоленты чаще всего используются с лентами светодиодного освещения, а также с другими навесными приборами, поскольку они обладают высочайшей липкостью и способностью удерживать компоненты вместе.

Сравнение термопасты, ленты и подушечек

Теперь, когда вы знакомы с тремя наиболее известными теплоотводящими материалами, пришло время изучить, как они сравниваются друг с другом. Как вы могли понять из их описаний, у каждого материала есть свои плюсы и минусы. При этом некоторые качества отличают эти три устройства друг от друга с точки зрения качества, практичности и цены.

Два материала, которые лучше всего сравнивать, — это термопаста и зазоры.На первый взгляд, смазка более токопроводящая, чем щелевые прокладки. Однако это только в том случае, когда термопаста наносится на 100% поверхности продукта, что часто бывает не так. Часто смазку наносят не полностью, что позволяет ей рассеять немного тепла, но этого недостаточно, чтобы полностью раскрыть свой потенциал. По сути, смазка более проводящая, чем колодки, но колодки гораздо более стабильны по своей рассеивающей способности.

Другой ключевой фактор при выборе лучшего из двух — рентабельность.Правда в том, что термопаста намного дешевле и экономичнее, чем прокладки с тепловым зазором. Если вы хотите сэкономить, то смазка, вероятно, станет для вас теплоотводящим материалом. Однако следует помнить об общей разнице в качестве между смазкой и подушечками, описанной выше.

Что касается термоленты, то единственная реальная точка сравнения, которую она имеет, — это термопрокладки, у которых тоже есть липкость. Однако термолента предназначена для крепления компонентов и удержания их вместе, в то время как прокладки удерживают предметы на месте, но нельзя рассчитывать на то, что они будут удерживать или подвешивать детали.По сути, лента хорошо подходит для случаев, когда вам нужно отвести немного тепла, а также удерживать детали прикрепленными или подвешенными, в то время как прокладки предназначены для буфера, а не для клея.

Что лучше всего подходит для вашего продукта?

Как и многие решения, принимаемые в процессе производства, правильный теплоотводящий материал очень зависит от области применения. Термопаста, ленты и зазоры сами по себе являются эффективными рассеивающими материалами, но также занимают свои собственные ниши.

Если вы ищете простое в использовании и экономичное решение для рассеивания тепла, требующее внимания к деталям, тогда термопаста подойдет для вашего продукта (если вы не возражаете против беспорядка).

Если вы хотите наиболее надежное решение для отвода тепла, используйте прокладки с тепловым зазором.

Наконец, если вы ищете клей, который хорошо работает с легкими полосами или подвесными деталями, тогда вам подойдет термолента.

Используя это руководство, вы теперь знаете, какой материал для рассеивания тепла лучше всего подходит для ваших электронных продуктов, и можете принять наиболее обоснованное решение при проектировании и планировании будущего.

Влияние материалов с фазовым переходом на рассеивание тепла в системе с несколькими источниками тепла

В этой статье экспериментально исследуется рассеивание тепла в тепловой трубе с охлаждающими материалами с фазовым переходом (PCM) в системе с несколькими источниками тепла. На одном конце тепловой трубы закреплены два источника тепла. Учитывая, что радиатор не может рассеивать все тепло, выделяемое двумя источниками тепла, используются различные PCM из-за большой скрытой теплоты. Различные материалы в контейнере обернуты снаружи средней тепловой трубки, чтобы отводить тепло от секции испарения.В ходе экспериментальных испытаний получены данные о температуре источника тепла, испарительной секции, а также определены характеристики накопления энергии ПКМ при постоянных и динамических значениях мощности источника тепла. Обнаружено, что при такой структуре системы с несколькими источниками тепла материал RT35 с фазовым переходом поддерживает колебания температуры секции испарения на более низком уровне и сокращает время, необходимое для достижения равновесной температуры при тепловой мощности 20 Вт.

1 Введение

Низкая эффективность рассеивания тепла и длительное время реакции можно легко найти в традиционном методе охлаждения для системы с несколькими источниками тепла.Значительное количество тепла и множество колебаний генерируются в системах с несколькими источниками тепла, таких как многоядерные процессоры и высокоинтегрированное электронное оборудование. Как правило, увеличение рассеиваемого тепла при переходной работе источника тепла с высокой мощностью достигается за счет увеличения мощности охлаждающего вентилятора. Большая часть тепла рассеивается за счет принудительной конвекции воздуха с тепловой трубкой и без нее, периодически или нерегулярно. В качестве материала для хранения скрытой теплоты ПКМ (материалы с фазовым переходом) широко используются во многих областях, таких как накопление солнечной тепловой энергии, солнечные системы нагрева воды, фотоэлектрические панели, управление тепловым режимом аккумуляторных батарей и электронные устройства [1].Увеличение энергопотребления электронных устройств приведет к повышению температуры выше критического значения. Скрытое тепло PCM может эффективно накапливать мгновенное тепло и периодическое тепло, генерируемое электронными устройствами, что может предотвратить накопление электронными устройствами большого количества тепла за короткое время [2]. Аль-Джетхела и др. . [3] численно исследован процесс плавления ПКМ в системе хранения скрытой теплоты. Число Нуссельта и фракция расплава ПКМ были проанализированы, чтобы получить влияние температуры окружающей среды на коэффициент конвективной теплопередачи и скорость плавления.Эбади и др. . [4] экспериментально и численно проанализировали характеристики RT35 в вертикальной цилиндрической системе хранения тепловой энергии. Результаты показали, что по мере развития процесса плавления преобладающий метод теплопередачи RT-35 изменился с теплопроводности на конвективную теплопередачу. Чжао и Тан [5] представили оценку прототипа термоэлектрической системы, интегрированной с ПКМ для охлаждения помещений. Эмам и др. . [6] исследовали пассивное тепловое управление электронных устройств и концентраторов фотоэлектрических систем (CPV) с использованием материала с фазовым переходом и обнаружили, что образование воздушных полостей внутри твердых PCM мало влияет на их охлаждающую способность.Калбаси и др. . [7] представили корреляцию для оценки оптимального количества ребер и оптимальной объемной доли PCM в радиаторе. Mashaei и др. . [8] указали, что рассеяние тепла в системах с несколькими источниками тепла не отличается от рассеивания тепла для одного источника тепла.

Тепловые трубки, интегрированные с радиаторами, были всесторонне исследованы с использованием различных PCM [9]. PCM играют важную роль в поглощении рассеянного тепла системами терморегулирования.В 2003 году Тан и Цо [10] провели экспериментальное исследование по охлаждению мобильного электронного устройства с использованием накопителя тепловой энергии, заполненного материалами с фазовым переходом. Они обнаружили, что на распределение температуры существенно влияет ориентация блока аккумулирования тепла. Ван и Янг [11] численно исследовали изменения рабочей температуры и времени плавления, используя многопластовый радиатор на основе PCM. Результаты показали, что точность прогноза переходной температуры поверхности не превышает 10.2%. Кроме того, исследователи испробовали множество способов улучшить теплопроводность ПКМ. Ван и др. . [12] внедрил парафин из материала с фазовым переходом в металлическую пену из меди, и результаты показали, что при использовании вспененного меди было получено 40% сокращение времени накопления тепла парафином. Эбрахими и др. . [13] исследовали материалы с фазовым переходом в кожухотрубном теплообменнике с тепловой трубкой и обнаружили, что время плавления уменьшилось на 91% по сравнению с корпусом без тепловой трубки.Абуджас и др. . В [14] численно изучалось влияние оребренных труб и токопроводящей пены на время зарядки и распределение энергии. Было обнаружено, что алюминиевые ребра значительно сократили время зарядки системы. Кроме того, исследователи использовали наночастицы для улучшения теплопередачи твердых и жидких материалов. Ван и др. . В [15] экспериментально проанализировано влияние различных магнитных полей на теплопроводность феррожидкости. Было обнаружено, что конфигурация соседних магнитных канюль может обеспечить непрерывное улучшение конвективной теплопередачи.Чен и др. . [16] исследовали влияние наножидкостей Fe ₃ O ₄ -EGW (смесь этиленгликоля и деионизированной воды) на характеристики теплопередачи в электронагревателе. Результаты показывают, что при использовании 0,5% наножидкости Fe ₃ O ₄ -EGW равновесная температура среднего ребра электрического нагревателя повысилась на 14,68% при добавлении внешнего магнитного поля 100 мТл.

Однако большинство исследователей сосредоточили внимание на тепловых характеристиках радиаторов и тепловых трубок при работе с несколькими источниками тепла.Хан и др. . [17] исследовали новую плоскую тепловую трубу с несколькими источниками тепла, и результаты показали, что как тепловое сопротивление, так и максимальная теплопередающая способность увеличиваются с увеличением количества источников тепла. Чжан и др. . [18] предложили новую ультратонкую алюминиевую плоскую тепловую трубку для улучшения тепловых характеристик двухфазного устройства. Результаты показали, что хитрые тепловые трубки улучшили тепловые характеристики при углах наклона 30 ^∘ и 60 ^∘ .Chougule и Sahu [19] сообщили о тепловых характеристиках наножидкости внутри тепловой трубы с PCM для электронного охлаждения. Они обнаружили, что тепловая трубка с парафином снижает энергопотребление вентилятора до 66% по сравнению с тепловой трубкой с водой в качестве материала для хранения энергии. Шабгард и Фагри [20] представили модель цилиндрических тепловых трубок с несколькими источниками тепла. Они сосредоточились на анализе постоянного теплового потока и конвекционного охлаждения во время процесса конденсации, и результаты разработанного простого метода показали хорошее согласие с результатами полного моделирования.Тан и др. . [21] предложил способ охлаждения тепловой трубы с несколькими источниками тепла. По сравнению с другими методами охлаждения, этот множественный источник тепла и двухстороннее охлаждение (MSDC) улучшили тепловые характеристики тепловых трубок.

На основании испытаний характеристик заряда, разряда и одновременного заряда / разряда, Weng et al . [22] исследовали тепловые характеристики тепловой трубы с материалами с фазовым переходом. Они обнаружили, что охлаждающий модуль с трикозаном в качестве PCM позволяет сэкономить 46% энергии вентилятора по сравнению с традиционной тепловой трубкой.Чжуанг и др. . [23] предложили новую тепловую трубку, обернутую PCM, и они обнаружили, что новая композитная тепловая труба (CHP), заполненная 75% PCM, показала стабильное снижение температуры на 9,31% по сравнению с таковой без PCM. Бехи и др. . [24] экспериментально и численно исследовали процесс рассеивания тепла и охлаждения горизонтальной тепловой трубки с использованием PCM. Они обнаружили, что тепловая трубка с PCM обеспечивает до 86,7% охлаждающей нагрузки в диапазоне мощности 50–80 Вт.

Целью данной статьи является исследование характеристик рассеивания тепла системой с несколькими источниками тепла при постоянной и динамической мощности источников тепла. Различные PCM используются для отвода тепловой энергии от тепловой трубы. Тепловые характеристики тепловой трубы с PCM (деионизированная вода, парафины RT30, RT35 и RT45) во время процессов заряда и разряда испытываются при различных мощностях источников тепла. Обсуждаются значения температуры на испарительной части тепловой трубы, чтобы найти оптимальный PCM для отвода тепла системы.

3 Результаты и обсуждение

Для того, чтобы исследовать влияние модулей PCM на характеристики рассеивания тепла, используются системы постоянного тока с несколькими источниками тепла с различными комбинациями мощности.

3.1 Постоянные несколько источников тепла

В этой части анализируются четыре условия с постоянными источниками тепла с использованием различных PCM. Источники тепла 1 и 2 установлены на мощность 5 Вт и 10 Вт соответственно. Исследования значений температуры источников тепла, испарительной секции, адиабатической секции и части накопления энергии проводятся как при зарядке, так и при разрядке различных источников тепла.

На рис. 3 показаны переходные температурные характеристики при различных тепловыделениях для различных модулей PCM. Из рисунка 3 (а) видно, что значение температуры источника тепла 1 достигает 96,9 ^∘ ° C для материала RT35 при мощности источника тепла 10 Вт-10 Вт. По сравнению со случаем без PCM (без PCM ) температура источника тепла 1 снижается на 34,4% (50,9 ° C) с 147,8 ^∘ ° C. По сравнению с другими PCM, RT30 также показывает небольшое преимущество в отводе тепла.Кроме того, значение температуры источника тепла 1 для RT30 составляет 112,6 ° C, что на 23,8% (35,2 ^∘ ° C) ниже, чем для материала без ПКМ. Хотя RT45 может снизить температуру на 11,4 ^∘ C по сравнению с отсутствием PCM, RT45 показывает худшее рассеивание тепла по сравнению с DI-водой. Как показано на рисунках 3 (b) -3 (d), максимальная разница температур между корпусами с PCM и без него составляет 4,1 C, 3,5 ^∘ C и 2,3 ^∘ C для мощности нагрева 10 Вт-5 Вт, 5 Вт-10 Вт и 5 Вт-5 Вт соответственно.

Рисунок 3

Изменение температуры источника тепла 1 при различных условиях нагрева (мощность источника тепла 1 — мощность источника тепла 2)

Кроме того, при использовании RT35 быстро достигается равновесная температура источника тепла, а время стабилизации нагрева составляет 1310 с, как показано в таблице 2. Время стабилизации нагрева, необходимое для без материала, деионизированной воды, RT30 и RT45. равны 1570 с, 2040 с, 1640 с и 1790 с соответственно.Когда мощность источника тепла 2 уменьшается, как показано на Рисунке 3 (b), значения температуры для RT30, RT35 и RT45 показывают аналогичную тенденцию к увеличению. По сравнению с данными для случаев без PCM, DI-воды, RT30, RT35 и RT45 на Рисунке 3 (a), максимальные значения температуры источника тепла 1 уменьшаются на 71,8 ^∘ C, 50,6 ^∘ C, 40,4 C, 24,3 ^∘ C и 62,1 ^∘ C соответственно. Сделан вывод, что при относительно высокой мощности (10-10 Вт) RT35 показывает лучшие характеристики охлаждения из-за большого накопления энергии в блоке PCM.Однако результаты показывают, что из-за своего явного поглощения тепла деионизированная вода при низкой мощности нагрева обеспечивает более низкую температуру равновесия нагрева, чем PCM.

Таблица 2

Время нагрева и время охлаждения при различных условиях нагрева

Материалы	10 Вт-10 Вт		10 Вт-5 Вт		5 Вт-10 Вт		5 Вт-5 Вт
	Отопление	Охлаждение	Отопление	Охлаждение	Отопление	Охлаждение	Отопление	Охлаждение
	раз (с)	раз (с)	раз (с)	раз (с)	раз (с)	раз (с)	раз (с)	раз (с)
без PCM	1570	1140	770	920	800	1100	680	1020
ДИ-вода	2040	2330	940	2080	950	2280	800	2040
RT30	1640	3940	690	1970	590	1780	610	1540
RT35	1310	4080	780	2070	720	1850	620	1800
RT45	1790	2540	720	1780	680	1290	630	1520

На рис. 4 представлены переходные изменения температуры испарительной секции при различных режимах нагрева.По сравнению с отсутствием PCM, деионизированной воды, RT30 и RT45, как показано на рисунке 4 (a), максимальные значения температуры секции испарения для RT35 снижаются на 39,4%, 17,3%, 8,1% и 29,7% соответственно. На основании сравнения результатов на рисунках 4 (a) — 4 (d) было обнаружено, что RT35 имеет более высокую емкость хранения энергии при высокой мощности нагрева по сравнению с другими материалами. Когда мощность источника тепла изменяется с 5 Вт-5 Вт на 10 Вт-10 Вт, температура секции испарения для RT35 увеличивается на 47.6% (от 38,9 ^∘ ° C до 57,4 ^∘ ° C). Для деионизированной воды и RT30 температура секции испарения увеличивается на 81,5% и 61,9% соответственно. Однако три модуля PCM (RT30, RT35 и RT45) при низкой мощности нагрева показывают худшие характеристики охлаждения, чем DI-вода. Также сделан вывод о том, что PCM могут обеспечить хорошую защиту от охлаждения в системе с несколькими источниками тепла, что позволяет за короткое время избежать повреждения оборудования, вызванного переходной работой с высокой мощностью.

Рисунок 4

Изменение температуры испарительной секции при различных режимах нагрева (мощность источника тепла 1 — мощность источника тепла 2)

В процессах зарядки и разрядки источников тепла изменения температуры материалов в резервуаре для хранения энергии иллюстрируются изменением условий нагрева, как показано на Рисунке 5.На рисунке 5 (а) максимальная температура деионизированной воды в резервуаре для хранения достигает 44,9 ^∘ ° C, а соответствующее время равновесия составляет до 2050 с. Когда температура источника тепла достигает равновесия, значения температуры для RT30 и RT35 составляют 37,8 ^∘ ° C и 35,0 ^∘ ° C, соответственно. Как показано на рисунке 5 (b), температура деионизированной воды повышается до 37,9 ^∘ ° C через 960 с, когда температура источника тепла достигает равновесия, тогда как значения температуры RT30 и RT35 увеличиваются до 29.6 C и 32,8 ^∘ C соответственно. Для источника тепла на Рисунке 5 (c) RT30 и RT35 имеют значения равновесной температуры 29,1 C и 32,5 ^∘ C, соответственно.

Рисунок 5

Температурные колебания материалов в накопителе энергии при различных условиях нагрева (мощность источника тепла 1 — мощность источника тепла 2)

Как видно из рисунков 5 (b) и 5 ​​(c), температуры DI-воды, RT30 и RT35 в контейнере близки для тех же условий общего источника тепла.При увеличении мощности, как показано на рисунках 5 (a) -5 (b), значения температуры деионизированной воды, RT30 и RT35 увеличиваются на 7,0 ^∘ C, 5,4 ^∘ C и 5,0 ¹ . C соответственно. Уменьшая мощность нагрева, как показано на рисунке 5 (d), равновесная температура источника тепла достигает более низких значений (33,5 ^∘ ° C, 28,2 ^∘ ° C и 30,2 ^∘ ° C для деионизированной воды, RT30 и RT35 соответственно).

Из рисунка 5 (а) видно, что PCM в резервуаре для хранения находятся в равновесии для деионизированной воды.Однако температура нагрева деионизированной воды относительно высока, и тепло от источника 1 не может эффективно рассеиваться. Хотя температурные кривые для трех PCM (RT30, RT35 и RT45) имеют тенденцию к повышению (это означает, что PCM не достигли равновесной температуры), значения повышения температуры ниже, чем для деионизированной воды и отсутствия материала. Этот результат указывает на то, что PCM играет важную роль в отводе тепла и поглощении тепловыделения от системы с несколькими источниками тепла с высокой мощностью.

3.2 Динамические несколько источников тепла

Для анализа характеристик рассеивания тепла различными модулями PCM на рис. 6 показан переходный температурный отклик источника тепла 1 на динамические системы с несколькими источниками тепла. Один из двух источников тепла имеет фиксированное значение мощности (5 Вт или 10 Вт), а другой источник тепла варьируется по динамическим значениям мощности (5-10-15-10-15-10-15-10-5 Вт или 5-10 Вт). -5-10-5-10-5 Вт). Для динамических характеристик тепловой трубы с различными модулями PCM учитываются динамические изменения мощности с интервалом 5 мин, как показано в таблице 3.Замечено, что перед временем нагрева 750 с более низкая температура источника 1 тепла достигается за счет использования деионизированной воды по сравнению с PCM. После времени нагрева 1000 с материал RT35 показывает значительную охлаждающую способность на источнике тепла 1, как показано на Рисунке 6 (а). По сравнению с условиями без материала ПКМ во время периодического нагрева максимальная температура для RT35 в трех процессах нагрева снижена на 12,9%, 18,9% и 19,5% соответственно. Для периодического нагрева с малой мощностью, как показано на Рисунке 6 (b), RT35 показывает большее улучшение рассеивания тепла для источника тепла 1, чем другие PCM.По сравнению с отсутствием ПКМ максимальные значения температуры в трех процессах нагрева снижаются на 11,6%, 11,6% и 11,0% соответственно.

Рисунок 6

Изменение температуры источника тепла 1 при динамических тепловых мощностях (мощность источника тепла 1 — мощность источника тепла 2)

Таблица 3

Периодические процессы нагрева для нескольких динамических источников тепла

Время (мин)	Условия нагрева 1		Условия нагрева 2		Условия нагрева 3		Условия нагрева 4
	Тепло	Тепло	Тепло	Тепло	Тепло	Тепло	Тепло	Тепло
	источник 1	источник 2	источник 1	источник 2	источник 1	источник 2	источник 1	источник 2
	(Вт)	(Вт)	(Вт)	(Вт)	(Вт)	(Вт)	(Вт)	(Вт)
0-5	5	5	5	5	5	10	10	5
5-10	10	5	5	10	10	10	10	10
10-15	15	5	5	15	5	10	10	5
15-20	10	5	5	10	10	10	10	10
20-25	15	5	5	15	5	10	10	5
25-30	10	5	5	10	10	10	10	10
30-35	15	5	5	15	5	10	10	5
35-40	10	5	5	10	–	–	–	–
40-45	5	5	5	5	–	–	–	–

Во время трех процессов нагрева максимальная температура источника тепла 1 для деионизированной воды постепенно увеличивалась со 118.От 3 ^∘ ° C (при первом нагреве) до 133,2 ^∘ ° C (при третьем нагреве). Для RT30 максимальная температура увеличивается с 124,9 ^∘ ° C (при первом нагреве) до 129,7 ^∘ ° C (при третьем нагреве). Для условия RT35 максимальная температура источника тепла 1 увеличивается с 116,7 ^∘ ° C (при первом нагреве) до 123,5 ^∘ ° C (при третьем нагреве). Также сделан вывод о том, что RT35 имеет больший запас энергии после периодического нагрева, что приводит к хорошим характеристикам охлаждения от RT35 для мощности динамического нагрева.По сравнению с деионизированной водой в трех процессах нагрева максимальная температура источника тепла 1 для RT35 снижается на 1,1%, 9,5% и 13,4% соответственно.

На рис. 7 показаны изменения температуры испарительной секции во времени при различных условиях нагрева. Было обнаружено, что тенденции изменения температуры согласуются с рисунком 6-7. Значения температуры секции испарения для деионизированной воды ниже, чем для других ПКМ, в диапазоне 0-1000 с, тогда как значения температуры секции испарения для RT35 самые низкие после 1200 с.Согласно этим результатам, данное исследование доказывает, что RT35 эффективно обеспечивает более низкий рост температуры, а также более равномерное изменение температуры, когда динамическая мощность нагрева передается на испарительную секцию тепловой трубы. После двух периодических процессов нагрева температура секции испарения RT35 остается на относительно низком уровне.

Рисунок 7

Изменение температуры испарителя при разной мощности нагрева (мощность источника тепла 1 — мощность источника тепла 2)

Температурные колебания материалов в резервуаре для хранения энергии анализируются при различных условиях нагрева, как показано на Рисунке 8.Наблюдается, что максимальные значения температуры RT30 и RT35 неуклонно растут, пока не приближаются к значениям фазового перехода PCM. Это связано с тем, что ПКМ могут непрерывно поглощать большую часть теплового потока до точки фазового перехода из-за своего явного тепла, а затем скрытая теплота ПКМ работает, когда температура достигает точки фазового перехода. Однако деионизированная вода поглощает весь тепловой поток за счет явного тепла из-за отсутствия фазового перехода (выше 0 ^∘ C).

Рисунок 8

Температурные колебания материалов в накопителе энергии при различных условиях нагрева (мощность источника тепла 1 — мощность источника тепла 2)

Список литературы

[1] Ling Z., Zhang Z., Shi G., Fang X., Wang L., Gao X., et al ., Обзор систем терморегулирования с использованием материалов с фазовым переходом для электронных компонентов, литий-ионных аккумуляторов и фотоэлектрических модулей, Renew. Поддерживать. Energy Rev., 2014, 31, 427–438. Искать в Google Scholar

[2] Кандасами Р., Ван X., Муджумдар А.С., Переходное охлаждение электроники с использованием радиаторов на основе материалов с фазовым переходом (PCM), Прил. Therm. Eng., 2008, 28, 1047–1057. Искать в Google Scholar

[3] Al-Jethelah M., Аль-Саммаррай А., Тасним С., Махмуд С., Дутта А., Влияние конвективной теплопередачи на накопитель тепловой энергии, Открытая физика, 2018, 16, 861-867. Искать в Google Scholar

[4] Эбади С., Аль-Джетхела М., Тасним С.Х., Махмуд С., Исследование процесса плавления заполненной круговой системы хранения тепловой энергии RT-35, Открытая физика, 2018, 16 , 574-580. Искать в Google Scholar

[5] Чжао Д., Тан Г., Экспериментальная оценка прототипа термоэлектрической системы, интегрированной с PCM для охлаждения пространства, Энергия, 2014, 68, 658–666.Искать в Google Scholar

[6] Эмам М., Оокавара С., Ахмед М., Терморегулирование электронных устройств и концентраторов фотоэлектрических систем с использованием теплоотводов из материала с фазовым переходом: экспериментальные исследования, Renew. Энергия, 2019, 141, 322–339. Поиск в Google Scholar

[7] Калбаси Р., Афранд М., Альсарраф Дж., Тран М., Исследования оптимального количества ребер в радиаторах на основе PCM, Энергия, 2019, 171, 1088– 1099. Поиск в Google Scholar

[8] Машаи П.Р., Шахряри М., Фазели Х., Хоссейналипур С.М., Численное моделирование применения наножидкости в горизонтальной решетчатой ​​тепловой трубе с несколькими источниками тепла: интеллектуальная жидкость для высокоэффективной тепловой системы, Прил. Therm. Eng., 2016, 100, 1016–1030. Поиск в Google Scholar

[9] Севинчан Э., Динсер И., Ланг Х. Обзор методов терморегулирования для роботов, Прил. Therm. Eng., 2018, 140, 799–813. Поиск в Google Scholar

[10] Тан Ф.Л., Цо С.П., Охлаждение мобильных электронных устройств с использованием материалов с фазовым переходом, Прил.Therm. Eng., 2004, 24, 159–169. Поиск в Google Scholar

[11] Ван Ю., Ян Ю., Трехмерное моделирование переходного охлаждения портативного электронного устройства с использованием PCM (материалов с фазовым переходом) в многореберном радиаторе, Energy, 2011, 36, 5214– 5224. Искать в Google Scholar

[12] Ван К., Лин Т., Ли Н., Чжэн Х., Улучшение теплопередачи композитного материала с фазовым переходом: медная пена / парафин, Renew. Энергия, 2016,96, 960–965. Искать в Google Scholar

[13] Ebrahimi A., Хоссейни М.Дж., Ранджбар А.А., Рахими М., Бахрампури Р., Исследование процесса плавления материалов с фазовым переходом в кожухотрубном теплообменнике, усиленном тепловой трубкой, Renew. Энергия, 2019, 138, 378–394. Поиск в Google Scholar

[14] Абуджас К.Р., Хове А., Прието К., Галлас М., Кабеза Л.Ф., Сравнение производительности группы методологий повышения теплопроводности в материалах с фазовым переходом для аккумулирования тепла, Renew. Энергия, 2016, 97, 434–443. Искать в Google Scholar

[15] Wang J., Ли Г., Чжу Х., Ло Дж., Сунден Б., Экспериментальное исследование конвективной теплопередачи феррожидкостей внутри трубы при различных ориентациях магнита, Int. J. Тепломассообмен, 2019, 132, 407-419. Искать в Google Scholar

[16] Чен З., Чжэн Д., Ван Дж., Чен Л., Сунден Б., Экспериментальное исследование характеристик теплопередачи различных наножидкостей в электрическом нагревателе для помещений, Renew. Энергия, 2020, 147, 1011-1018. Искать в Google Scholar

[17] Han X., Wang Y., Лян К., Исследование тепловых характеристик нового радиатора с плоской тепловой трубкой с несколькими источниками тепла, Int. J. Тепломассообмен, 2018,94, 71–76. Ищите в Google Scholar

[18] Чжан С., Чен Дж., Сунь Й., Ли Дж., Цзэн Дж., Юань В., и др. ., Экспериментальное исследование тепловых характеристик нового сверхмощного тонкая алюминиевая плоская тепловая трубка, Renew. Энергия, 2019, 135, 1133–1143. Искать в Google Scholar

[19] Чугуле С.С., Саху С.К., Тепловые характеристики тепловых трубок, заряженных наножидкостью, с материалом с фазовым переходом для охлаждения электроники, ASME J.Электрон. Packag, 2016, 137, 1–7. Искать в Google Scholar

[20] Шабгард Х., Фагри А., Рабочие характеристики цилиндрических тепловых трубок с несколькими источниками тепла, Прил. Therm. Eng., 2011, 31, 3410–3419. Искать в Google Scholar

[21] Тан Х., Тан Й., Ли Дж., Сунь Й., Лян Г., Пэн Р., Экспериментальное исследование тепловых характеристик тепловой трубы с многопоточным источником и двухсторонним охлаждением , Прил. Therm. Eng., 2018, 131, 159–166. Искать в Google Scholar

[22] Weng Y.К., Чо Х.П., Чанг С.С., Чен С.Л., Тепловая трубка с PCM для электронного охлаждения, Прил. Энергия, 2011, 88, 1825–1833. Искать в Google Scholar

[23] Чжуан Б., Дэн В., Тан Й., Дин Х., Чен К., Чжун Г., Экспериментальное исследование новой композитной тепловой трубы с материалами с фазовым переходом, нанесенными на адиабатическую секцию. , Int. Commun. Тепломассообмен, 2019, 100, 42–50. Искать в Google Scholar

[24] Бехи Х., Ганбарпур М., Бехи М., Исследование тепловой трубки с использованием PCM для электронного охлаждения, Прил.Therm. Eng., 2017, 127, 1132–1142. Искать в Google Scholar

Рассеивание тепла для корпуса электроники

Создание надежного корпуса для отвода тепла во все более компактных электронных изделиях предоставляет инженерам и дизайнерам широкий выбор. Как можно быстро оценить варианты и, следовательно, выбрать оптимальное решение, подходящее для приложения? Ответ кроется в инженерном моделировании.

Чтобы продемонстрировать, как теплопередача или тепловое моделирование помогает инженерам-электрикам лучше предвидеть тепловое поведение корпуса электроники, мы провели бесплатный 30-минутный веб-семинар.Смотрите запись ниже:

Мы протестировали и сравнили несколько вариантов дизайна реалистичного промышленного корпуса контроллера и определили лучший вариант дизайна для отвода тепла.

Что такое рассеивание тепла в электронике?

Основная задача при разработке электронного продукта — управление температурным режимом. Вырабатываемое тепло накапливается внутри корпуса, потенциально повреждая электронные компоненты. Такой перегрев не только сокращает срок службы, но и может привести к выходу изделия из строя.Это верно для небольших портативных устройств, контроллеров или более тяжелых уличных устройств. Температурное поведение таких компонентов всегда требует особого внимания со стороны разработчика, и им нельзя пренебрегать.

Общие элементы конструкции, направленные на увеличение способности электроники к теплопередаче за счет теплопроводности, включают [1]:

• Термоинтерфейсный материал (TIM)
  Эти материалы используются в качестве материалов для заполнения зазоров между источником тепла и радиаторами. Обычно они обладают более высокой теплопроводностью и помогают эффективно управлять теплопередачей в системе.
• Радиатор
  Радиатор — это металлические компоненты, которые контактируют с источником тепла и отводят тепло в основном за счет теплопроводности, а иногда за счет конвекции или излучения. Обычно в качестве теплоотводящих материалов используются алюминий или медь, поскольку теплопроводность таких металлов относительно высока и прямо пропорциональна их эффективности рассеивания тепла. Поскольку теплопередача происходит через поверхности, радиаторы специально разработаны в различных формах, чтобы обеспечить большую площадь поверхности.
• Тепловые трубы
  Тепловые трубы — это герметичные медные или алюминиевые трубы или трубки, содержащие жидкость. Жидкость поглощает тепло от горячих поверхностей, закипает и переходит в парообразное состояние.
• Термоэлектрические модули
  Термоэлектрические модули — это устройства, в которых используется эффект Пельтье, который нагревает или охлаждает компоненты в зависимости от приложения тока к устройству. Они всегда используются вместе с радиатором, без которого устройство может перегреться и выйти из строя.
• Термопаста или клеи
  Теплопроводящие клеи или смазки — еще одна уникальная технология теплопередачи. Одним из основных преимуществ является то, что они связывают компоненты вместе, которые невозможно соединить механически.

Как видно, дизайнеру есть из чего выбирать. Однако нелегко определить правильную комбинацию компонентов, чтобы обеспечить надежный и эффективный отвод тепла, сохраняя при этом продукт как можно более компактным.Вот где моделирование может дать ценную информацию.

Моделирование тепловыделения

Один из лучших подходов, которые разработчик может использовать для решения этой проблемы, — это запустить тепловое моделирование корпуса электроники до того, как будет произведен фактический продукт. Это моделирование может помочь найти ответы на многие важные вопросы: Насколько эффективна система охлаждения? Какие возможные изменения в конструкции необходимо внести? Как выбранный материал влияет на теплопередачу? И многое другое, в зависимости от характера вашего продукта.

Потребность в производстве более безопасных и компактных электронных устройств ставит перед инженерами всего мира задачу создавать необычные конструкции. В традиционном процессе проектирования единственный способ обеспечить долговечность нового электронного продукта — это выполнить большое количество итераций дизайна, пока не будут выполнены все критерии. Это подразумевает большое количество физических прототипов и трудоемкий и дорогостоящий процесс физических испытаний.

Помимо количества итераций дизайна, не менее важен этап, на котором необходимо внести изменения в проект; чем раньше в общем процессе, тем более рентабельно можно реализовать изменение конструкции.На более поздней стадии объем возможных конструктивных изменений резко сужается, и возможны лишь небольшие, постепенные модификации конструкции.

Конечно, физические тесты нельзя (и не следует) полностью исключать из процесса разработки продукта. Физическое и виртуальное прототипирование не исключают друг друга — они дополняют друг друга. Но с автоматизированным проектированием (CAE) дни, недели или месяцы физических испытаний заменяются часами или даже минутами симуляции.

Пример ниже показывает, как моделирование может быть удобным инструментом, помогающим прогнозировать производительность продукта и принимать разумные проектные решения.

---

Загрузите «Electronics Cooling: The Ultimate Guide», чтобы узнать все, что вам нужно знать об охлаждении современной электроники.

---

Тепловое моделирование для электроники

Цель этого проекта — выполнить тепловое моделирование методом МКЭ на корпусе электроники без необходимости анализа сопряженной теплопередачи. Этот проект теплового моделирования является частью библиотеки публичных проектов SimScale и свободно доступен для просмотра, копирования и изменения.Рассмотрены три варианта дизайна реалистичного промышленного корпуса контроллера:

Приведенная выше геометрия САПР представляет собой полную сборку контроллера, которая включает печатную плату (PCB), микросхемы в качестве источника тепла и корпус. Конструкция 1 (слева) представляет собой базовую конструкцию с кремниевыми микросхемами и алюминиевым корпусом. В конструкции 2 (в центре) установлен радиатор, а в конструкции 3 (слева) — радиатор, медная тепловая трубка и силиконовые термопрокладки.Давайте посмотрим, как они работают по сравнению друг с другом.

Настройка моделирования

Пошаговая настройка моделирования подробно описана ниже:

Шаг 1. Тип анализа линейной неустановившейся теплопередачи выбирается для расчета распределения температуры и теплового потока на всем теле.

Шаг 2. Сетка с преобладанием тетрадей используется с локальным уточнением сетки. Алгоритм построения сетки с преобладанием тетради используется для построения сетки всей геометрии.Кроме того, к интересующим областям, таким как контактные и малые грани, применяются локальные уточнения сетки. Это гарантирует, что соответствующие элементы не повреждены и дают точные результаты. На рисунке ниже показана сеточная геометрия с уточнениями.

Автоматическая настройка сетки средней степени измельчения применяется к объемам стружки, а мелкая крупность сетки применяется к остальным поверхностям тела.

Шаг 3. По завершении объединения точки соприкосновения ограничиваются за счет использования условий связанного контакта между печатной платой (PCB) и микросхемами, микросхемами и радиаторами, а также печатной платой и корпусами.После этого определяются материалы. Свойства материалов, относящиеся к следующим компонентам, показаны в таблице ниже с их соответствующими плотностью, удельной теплоемкостью и проводимостью.

Компонент	Материал	Плотность кг / м3	Удельная теплоемкость [Дж / (кг · К)]	Электропроводность [Вт / (м · К)]
Печатная плата	FR-4	1850	600	0.3
Чипы	Кремний	2330	705	0,2
Радиатор	Медь	8960	385	401
Корпус	Алюминий	2700	897	235

Шаг 4. Затем устанавливаются граничные условия с помощью объемного источника тепла, прикладываемого в качестве тепловой нагрузки к электронным микросхемам, и конвективного теплового потока к внешним поверхностям.

Результаты теплового моделирования: увеличение тепловыделения на 95,8%

Визуализируется распределение температуры и теплового потока для всех трех случаев:

Распределение температуры

Конструкция 1. Без радиатора; Конструкция 2. С радиатором; Конструкция 3. С радиатором, медной тепловой трубкой и силиконовыми термопрокладками

Распределение теплового потока

Конструкция 1. Без радиатора; Конструкция 2. С радиатором; Конструкция 3. С радиатором, медной тепловой трубкой и силиконовыми термопрокладками

Из результатов моделирования, приведенных выше, можно увидеть, что микросхемы сильно нагреваются (715 K) в конструкции 1 из-за отсутствия материала для отвода тепла.Отвод тепла здесь происходит в основном из-за алюминиевого материала корпуса, а кремниевые чипы явно перегреваются. В то же время радиатор в Design 2 помогает отводить тепло от микросхем. Теплоотдача здесь на 12,6% выше по сравнению с конструкцией 1 (подробные численные результаты см. В таблицах ниже).

Добавление материалов с высокой проводимостью и низким коэффициентом конвективной теплопередачи (медная тепловая труба в конструкции 3) значительно повысило эффективность теплопередачи.Хотя термоинтерфейсные материалы (кремниевые термопрокладки в конструкции 3) дороги, создание контактных слоев между микросхемами и радиатором улучшает тепловую связь между частями и отводит тепло еще быстрее и эффективнее — в результате рассеивание тепла составляет 95,8% ( !) выше в Design 3.

Максимальные значения температуры и теплового потока приведены в таблице ниже:

Конструкция	Конфигурация	Макс.температура (K)	Максимальный тепловой поток (Вт / м2)
Конструкция 1	Без радиатора	712	1.18e + 05
Конструкция 2	С радиатором	355	1.35e + 05
Конструкция 3	С радиатором + TIM + тепловая трубка	346	2.82e + 06

Потенциальные дальнейшие улучшения конструкции, которые можно исследовать с помощью моделирования, включают, например, использование алюминиевого радиатора, который дешевле и почти на 60% легче меди, или различных TIM различной толщины.

Очевидно, что выбор соответствующих компонентов и материалов для отвода тепла в электронике является одним из ключевых дизайнерских решений. Медь, например, имеет теплопроводность в 1,8 раза выше, чем алюминий. Кроме того, медные тепловые трубки могут еще больше увеличить теплопроводность, намного больше, чем медные радиаторы. В то же время выбор алюминия также может быть оправдан, поскольку он дешевле и легче, что увеличивает долговечность и эффективность электронных компонентов.

Это всего лишь один пример того, как тепловое моделирование может помочь проектировщикам или инженерам оценить свою конструкцию с помощью моделирования. Используйте бесплатный шаблон проекта из тематического исследования в этой статье, если вам интересно, как дополнительные изменения конструкции повлияют на тепловые характеристики.

SimScale: тепловое моделирование онлайн

Моделирование корпуса электроники выполняется в режиме онлайн с помощью облачной платформы SimScale

. Почему еще не все дизайнеры используют моделирование? Несколько препятствий помешали более широкому внедрению инструментов моделирования инженерами-электриками и проектировщиками — и вот как SimScale стремится бросить вызов этому статус-кво:

• Доступность : Традиционное программное обеспечение необходимо устанавливать локально на дорогие высокопроизводительные компьютеры, которые большую часть времени просто бездействуют.С SimScale все вычисления выполняются в облаке — все, что требуется, — это веб-браузер.
• Эксплуатационные расходы : Стандартные коммерческие пакеты программного обеспечения для моделирования очень дороги. С SimScale есть возможность сразу начать моделирование с помощью плана сообщества или 14-дневной пробной версии для профессионального плана.
• Ноу-хау : Большинство современных инструментов разработаны для экспертов и опытных инженеров по моделированию. Чтобы восполнить этот пробел в знаниях, SimScale предлагает большую публичную библиотеку проектов, бесплатное обучение и поддержку в режиме реального времени через чат.

Библиотека публичных проектов SimScale содержит широкий выбор шаблонов моделирования, охватывающих различные аспекты моделирования электроники и конструкции радиатора, включая тепловое сопротивление, энергоэффективность, управление охлаждением и рассеивание тепла.

Несмотря на значительное снижение затрат на производство электронных плат и прототипов корпусов для устройств, анализ тепловых характеристик новой конструкции по-прежнему является сложной и трудоемкой задачей. Загрузите это бесплатное тематическое исследование, чтобы узнать, как тепловые характеристики печатной платы были исследованы с помощью SimScale.

Ссылки

• Дэвис, Сэм. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ — Продуманное управление температурным режимом помогает победить Тепловая оптимизация управления температурным режимом значительно повысит надежность электронных систем. Electronic Design 55.21 (2007): 41-46
• Управление температурой (электроника), https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_management_(electronics)

---

Теплопроводность графена — введение и последние новости

Теплопроводность графена

Теплоперенос в графене — это динамично развивающаяся область исследований благодаря необычайным свойствам теплопроводности графена и его потенциалу для использования в приложениях управления температурой.

Измеренная теплопроводность графена находится в диапазоне 3000-5000 Вт / мК при комнатной температуре, что является исключительным показателем по сравнению с теплопроводностью пиролитического графита, составляющей приблизительно 2000 Вт⋅м ^-1 ⋅K ^-1 ат. комнатная температура. Однако есть и другие исследования, которые считают, что это число преувеличено, и что плоская теплопроводность графена при комнатной температуре составляет около 2000–4000 Вт⋅м ⁻¹ K ^— 1 для свободно подвешенных образцов. .Это число до сих пор остается одним из самых высоких среди известных материалов.

Графен считается отличным проводником тепла, и несколько исследований показали, что он имеет неограниченный потенциал теплопроводности в зависимости от размера образца, что противоречит закону теплопроводности (закон Фурье) в микрометровом масштабе. Как в компьютерном моделировании, так и в экспериментах исследователи обнаружили, что чем больше сегмент графена, тем больше тепла он может передавать. Теоретически графен может поглощать неограниченное количество тепла.

Теплопроводность увеличивается логарифмически, и исследователи полагают, что это может быть связано со стабильным рисунком соединения, а также с тем, что он является двухмерным материалом. Поскольку графен значительно более устойчив к разрыву, чем сталь, а также легкий и гибкий, его проводимость может иметь некоторые привлекательные практические применения.

Но что такое теплопроводность?

Теплопроводность (или теплопроводность) — это перемещение тепла от одного объекта к другому, имеющему разную температуру, посредством физического контакта.Тепло может передаваться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Теплопроводность очень распространена, и ее легко обнаружить в наших повседневных делах, например, когда мы греем руку грелкой и т. Д. Тепло течет от объекта с более высокой температурой к более холодному.

Теплопередача происходит на молекулярном уровне, когда тепловая энергия поглощается поверхностью и вызывает микроскопические столкновения частиц и движение электронов внутри этого тела. В процессе они сталкиваются друг с другом и передают энергию своему «соседу», и этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока добавляется тепло.

Процесс теплопроводности в основном зависит от температурного градиента (разницы температур между телами), длины пути и свойств материалов. Не все вещества являются хорошими проводниками тепла — например, металлы считаются хорошими проводниками, поскольку они быстро передают тепло, но такие материалы, как дерево или бумага, считаются плохими проводниками тепла. Материалы, которые плохо проводят тепло, называются изоляторами.

Как можно использовать захватывающие свойства теплопроводности графена?

Некоторые из потенциальных приложений для управления температурой с использованием графена включают электронику, которая может значительно выиграть от способности графена рассеивать тепло и оптимизировать работу электроники.В микро- и наноэлектронике тепло часто является ограничивающим фактором для более мелких и более эффективных компонентов. Следовательно, графен и подобные материалы с исключительной теплопроводностью могут иметь огромный потенциал для такого рода приложений.