Термическое сопротивление многослойной плоской и цилиндрической стенки

Отношение λF/δ называется тепловой проводимостью стенки, а обратная величина δ/(λF) тепло­вым или термическим сопротив­лением стенки и обозначается R_λ. Пользуясь понятием термического сопро­тивления, формулу для расчета теплово­го потока можно представить в виде

Q = (t_с1–t_с2)/R_λ (9.10)

аналогичном закону Ома в электротехни­ке (сила электрического тока равна раз­ности потенциалов, деленной на электри­ческое сопротивление проводника, по ко­торому течет ток).

Очень часто термическим сопротив­лением называют величину δ/λ, кото­рая равна термическому сопротивлению плоской стенки площадью 1 м².

Формулой (9.10) можно пользоваться и для расчета теплового потока через стенку, состоя­щую из нескольких плотно прилегающих друг к другу слоев разнородных материа­лов (рисунок 9.3), например кирпичную стенку здания, покрытую слоем штукатурки, краски и т. д. Термическое сопротивление такой стенки равно сумме термических сопротивлений отдельных слоев:

. (9.11)

В формулу (9.10) нужно подставить разность температур в тех точках (поверхностях), между которыми«включены» все суммируемые термические сопротивления, т.е. в данном случае t_c1 и t_c1(n+1)

. (9.12)

Рис. 9.3 – Распределение температур по толщине многослойной плоской стенки

Формулу (9.12) легко получить, за­писав разность температур по формуле (9.9) для каждого из n слоев многослой­ной стенки и сложив все n выражений с учетом того, что во всех слоях Q имеет одно и то же значение. При сложении все промежуточные температуры сократятся.

Распределение температур в преде­лах каждого слоя – линейное, однако в различных слоях крутизна температур­ной зависимости различна, поскольку со­гласно формуле (9.6) (dt/dx)_i = – q/λ_i. Плотность теплового потока, проходяще­го через все слои, в стационарном режи­ме одинакова, а коэффициент теплопро­водности слоев различен, следовательно, более резко температура меняется в сло­ях с меньшей теплопроводностью. Так, в примере на рисунке 9.2 наименьшей тепло­проводностью обладает материал второ­го слоя, а наибольшей – третьего.

Рассчитав тепловой поток через мно­гослойную стенку, можно определить па­дение температуры в каждом слое по соотношению (9.10) и найти температу­ры на границах всех слоев. Это очень важно при использовании в качестве теплоизоляторов материалов с ограничен­ной допустимой температурой. Обобщен­ную формулу для расчета температуры t_с(k + 1) за любым слоем (i = k) можно по­лучить из выражения (9.12), подставив в него n = k:

. (9.13)

Контактное термическое сопротивле­ние. Идеально плотный контакт между отдельными слоями многослойной стенки получается, если один из слоев наносят на другой в жидком состоянии или в виде текучего раствора (цементного, гипсово­го и др.). Твердые тела касаются друг друга только вершинами профилей шеро­ховатостей. Площадь контакта вершин пренебрежимо мала, и весь тепловой по­ток идет через воздушный зазор. Это создает дополнительное (контактное) термическое сопротивление RK. Его мож­но приближенно оценить, если принять, что толщина зазора между соприкасаю­щимися телами б в среднем вдвое мень­ше максимального расстояния б_макс меж­ду впадинами шероховатостей. Так, при контакте двух пластин с шероховатостью поверхности 5 класса (после чистовой обточки, строгания, фрезерования) δ_макс≈ 0,03 мм и в воздухе комнатной температуры

R_К = δ/λ = 1,5–10^–5/(2,59* 10^–2) = 0,58·10^–3 м². К/Вт.

Это эквивалентно термическому сопро­тивлению слоя стали толщиной около 30 мм.

Для уменьшения контактного сопро­тивления необходимо заполнять зазоры каким–либо материалом с более высокой, чем у воздуха, теплопроводностью, на­пример спаять или хотя бы склеить по­верхности.