Глава 8. Контактная теплопроводность порошков в вакууме при разных граничных температурах

Известно, что поверхность контакта двух частиц представ­ляет собой дополнительное сопротивление тепловому потоку от одной частицы к другой. До недавнего времени этой проб­леме уделялось мало внимания. Можно сослаться на несколь­ко экспериментальных работ [3, 4]. Последние работы посвя­щены экспериментальному определению контактного сопро­тивления при наличии жидкой проводящей тепло среды.

В настоящее время в ряде отраслей промышленности, в частности в энергетическом реакторостроении, имеют место большие тепловые потоки от одной поверхности к другой, вследствие чего даже незначительные контактные сопротив­ления вызывают местные перегревы, что часто крайне неже­лательно. Эффективную теплопроводность зернистых систем следует рассматривать как функцию пористости, теплопро­водности газа, заполняющего поры материала, теплопровод­ности газового микрозазора, теплопроводности самих частиц и контактной теплопроводности на стыке частиц. Как пока­зано в работе [1], в структуре элементарной ячейки, характе­ризующей зернистую систему в целом, можно выделить тер­мическое сопротивление контакта двух частиц.

В данной работе проведено исследование природы терми­ческого сопротивления контакта двух частиц в вакууме и получена модель данного явления.

Рассмотрим структуру элементарной ячейки применитель­но к контактной теплопроводности. В соответствии с рабо­той [5] тепловой поток, проходя от одной частицы к другой, сжимается в областях вблизи места контакта двух частиц. В области непосредственной близости к месту контакта про­исходит интенсивное взаимодействие фононов друг с другом, что вызывает дополнительное термическое сопротивление.

Если представить пятно контакта двух частиц в виде кру­га радиусомто тепловой поток внутри частицы проходит через область, суживающуюся от площади до площади

---

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Как показано в работе {2], при соотношении толщины за­сыпки зернистого материала к высоте слоя, равном 0,1, для свободно насыпанного порошка справедлива следующая фор­мула, по которой можно определить радиус пятна касания ча­стиц друг с другом:

 

 

 

Полученная нами формула для определения контактной теплопроводности зернистых материалов, находящихся в ва­кууме, была   проверена на ряде экспериментальных   данных (табл.1).

Таблица №1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Одновременно были сделаны расчеты по формуле, пред­ложенной Риманом—Вебером для определения контактной теплопроводности сферических частиц диаметраи радиуса контактного пятна

 

 

 

Расчетные данные, полученные по формуле [5], находятся в лучшем соответствии с экспериментальными данными, чем расчетные величины, полученные по формуле Римана — Ве-бера.

 

 

 

 Интересно отметить тот факт, что для металлов домини­рующим является тепловое сопротивление микрошероховатости, в то время как для плохих проводников тепла тепловое сопротивление зоны сужения частиц превышает сопротивле­ние микрошероховатости (табл. 2).

Следовательно, при определении контактной теплопровод­ности засыпок из полимерных материалов часто можно прене­брегать сопротивлением микрошероховатости.

При определении контактной теплопроводности металли­ческих засыпок необходимо знать состояние поверхности ча­стиц, высоту микрошероховатости, в то время как тепловым сопротивлением зоны сужения для металлов можно прене­бречь.

Можно также сделать заключение, что формула Римана— Вебера может быть использована в основном для определения контактной теплопроводности засыпок из материалов, имею­щих плохую теплопроводность.

На основании проведенного анализа контактной теплопро­водности зернистых материалов можно утверждать, что в на­стоящее время возможен синтез порошкообразных систем с на­перед известной контактной теплопроводностью, являющейся функцией теплопроводности материала скелета, диаметра частиц, состояния их поверхности и механической нагрузки на них. Синтезируемые системы могут состоять из частиц различ­ных материалов (например, перлит с добавкой алюминиевой пудры и т. д.). В таких системах металлические добавки слу­жат радиационными экранами, а контактирующие с ними ча­стицы из материала, обладающего низкой теплопроводностью, препятствуют передаче тепла контактной теплопроводностью. Вышеуказанные формулы являются справедливыми и в дан­ном случае, только вместо используется   среднегармоническая величина теплопроводности, равная, где- соответственно коэффициенты материала  засыпки и  металлических   до­бавок.