Полезность того, что имеется аналогия между течением электрического тока и потоком тепла, становится очевидной, если требуется удовлетворительное описание процесса переноса тепла на поверхности взаимодействия двух проводящих тепло сред. Ввиду ограничений машинной обработки, никакие две поверхности никогда не смогут образовать абсолютный контакт при сжатии их вместе. Крошечные зазоры воздуха всегда будут существовать между двумя контактирующими поверхностями ввиду определенной грубости из обработки.
Существует два режима переноса тепла через пространство взаимодействия двух контактирующих граней. Первый режим представляет собой проведение тепла через точки контакта твердого тела с твердым телом (Qпроводимости), являющееся весьма эффективным. Второй способ – это проведение тепла через заполненные газом промежутки (Qпромежутка), которое, ввиду низкой способности проведения тепла, может быть весьма слабым. Для рассмотрения понятия сопротивления термического контакта по обеим сторонам контакта последовательно с проводящими средами вставляется граничная проводимость или hc, как показано на следующем рисунке.
Проводимость hc подобна коэффициенту конвективной теплопередачи и имеет те же единицы измерения (Вт/м2 ºK). Если ΔT – разница температур по граничной области взаимодействия сред площадью A, то скорость переноса тепла Q задается равенством Q = A hc ΔT. Используя аналогию между теплом и электричеством, можно записать Q = ΔT/Rt, где Rt означает сопротивление термического контакта, задаваемое как Rt = 1/(A hc).
Проводимость в пограничной области или hc зависит от следующих факторов:
- Качество обработки поверхностей контактирующих граней.
- Материал каждой грани.
- Давление, с которым грани прижаты друг к другу.
- Вещество, находящееся в зазорах между двумя контактирующими гранями.
Следующая таблица показывает некоторые типовые значения межграничной проводимости тепла для обычной обработки поверхностей и умеренных давлений на область контакта (от 1 до 10 атм.). Воздушные зазоры не разреженные, если это не оговорено специально:
| Термическое сопротивление, RтермическоеX10-4 (м2.K/Вт)
|
|---|
| |
|---|
| Контактное давление
|
100 кН/м2 |
10000 кН/м2 |
|---|
| Нержавеющая сталь
|
6-25
|
0.7-4.0
|
| Медь
|
1-10
|
0.1-0.5
|
| Магний
|
1.5-3.5
|
0.2-0.4
|
| Алюминий
|
1.5-5.0
|
0.2-0.4
|
В следующей таблице перечислены сопротивления термического контакта для металлических поверхностей в условиях вакуума:
| Контактные грани
|
Проводимость (hc) (Вт/м2 ºK)
|
|---|
| Железо/алюминий
|
45,000
|
| Медь/медь
|
10,000 - 25,000
|
| Алюминий/алюминий
|
2200 - 12000
|
| Нержавеющая сталь/нержавеющая сталь
|
2000 - 3700
|
| Нержавеющая сталь/нержавеющая сталь
(разреженные зазоры)
|
200 - 1100
|
| Керамика/керамика
|
500 - 3000
|