Теплопроводный заполнитель зазоров не проводит тепло должным образом. Куда уходит тепло?

У меня есть подогреватель для кружек, представляющий собой горячую плиту, которая, как я измерил, нагревается до 56°C.
В комплекте была кружка с плоским дном, содержимое которой нагревается примерно до 53 градусов за несколько минут.
Насколько я понимаю, эта система такова, что 56°C нагревательной плиты — это граничное условие, которое заставит кружку в конечном итоге достичь той же температуры, если не будет потерь тепла в окружающую среду. Но, конечно, есть некоторая потеря тепла, из-за чего кружка стабилизируется на уровне около 53С.

Теперь я добавил к нагревательной пластине 5-миллиметровый слой сжимаемого теплопроводящего заполнителя зазоров , который обычно используется для заполнения зазора между электронным компонентом, выделяющим тепло, и радиатором; моя цель - иметь возможность использовать кружки с неплоским дном, как и любые стандартные керамические кружки, сохраняя при этом хороший тепловой контакт.

Проблема в том, что я обнаружил, что каким-то образом наполнитель зазоров не передает тепло так сильно, как я ожидал, даже при полном контакте , и я не понимаю, почему.

Поверхность заполнителя разогревается до температуры нагревательной пластины: 56°С.
Тем не менее, даже кружка с плоским дном поверх этого наполнителя для плоских зазоров нагревается только до 41 ° C , независимо от того, как долго я жду.
Насколько я могу судить, все поверхности здесь плоские и имеют хороший контакт.
Так как же объяснить тот факт, что простое введение заполнителя снижает (настолько!) максимальную температуру, достигаемую той же кружкой? Как будто наполнитель забирает часть тепла, что не имеет смысла - правда? Итак, куда «уходит» тепло? Что мне не хватает?

Добавление некоторых деталей:

Кружка около 10 см в высоту и 8 см в диаметре, поэтому ее боковая поверхность составляет около 251 с м 2 . У него нет двойных стенок, так что в любом случае будет жарко.
Заполнитель зазора представляет собой круг высотой 5 мм и диаметром 5,2 см, покрывающий горячую пластину, поэтому его боковая поверхность составляет около 8 с м 2 .

Подогреватель кружки, заполнитель зазоров и кружка сверху

Попробуйте различные слои заполнителя. Я подозреваю, что ваш заполнитель зазоров имеет лишь умеренно хорошую теплопроводность, а это означает, что на заполнителе имеется большой перепад температуры. В этом можно убедиться, заметив, что более толстые слои заполнителя зазоров производят более низкие температуры.
Как упоминалось в вопросе, верхняя поверхность наполнителя достигает 56 ° C, как и сама плита.
Мой вопрос связан с тем, как быстро наполнитель может проводить тепло, а не с его максимальной температурой, когда он не находится под тепловой нагрузкой.
Вы сказали «падение температуры», поэтому я ответил, что (0). Если вы имеете в виду теплопроводность наполнителя, то она составляет 1,2 Вт/(м*К) (данные указаны по ссылке)
Наполнитель не может проводить тепло при нулевом перепаде температуры, поскольку движущей силой теплопередачи является разница температур. Вам не потребуется много усилий, чтобы провести предложенный мной эксперимент, чтобы проверить, есть ли у вашего наполнителя проблемы с теплопроводностью. Конечно, если хочешь, ты можешь просто продолжать спорить со мной и никогда не узнать.
Я не уверен, что понимаю или мы понимаем друг друга. Насколько я знаю, «движущая сила теплопередачи» - это 2-й закон термодинамики, а не «разность температур», но я буду благодарен за любой материал для самообразования. Я попробовал ваш эксперимент, и перепад температуры между 4 слоями наполнителя составляет около 5°С, хотя я не уверен, насколько это отвлекающий маневр, учитывая реальную проблему, которую уже обнаружил @SalomonSlow.

Ответы (3)

Итак, куда «уходит» тепло?

В окружающую среду, конечно!

Похоже, ваша плита регулируется по температуре. (То есть, температура ее поверхности никогда не превысит 56°C.) Если это так, то следует ожидать, что температура кружки будет ниже, если вы поместите какой-либо изолирующий материал между кружкой и плитой: Замедление нагрева поток не повысит температуру нагревательной плиты, а вместо этого замедлит скорость, с которой контроль температуры пропускает тепло к нагревательной плите и, в конечном итоге, к кружке.

Я предполагаю , что ваш «заполнитель зазоров» является лучшим проводником, чем воздух, который он вытесняет, но он не проводит тепло, а также прямой контакт поверхности с поверхностью, когда вы используете эту специальную кружку.

Как вы измеряете температуры?
Интересный момент. Я предполагал, что 56С - это просто максимальная температура, которую может достичь источник питания, но если бы был какой-то контроль температуры/"троттлинг", все изменилось бы. Я попробую немного разобрать или измерить потребляемую мощность в каждом случае.
@nielsnielsen с цифровым термометром, контактирующим с каждой из поверхностей.
Хорошие тепловые наполнители поставляются с таблицами данных, в которых точно указано, какова их теплопроводность. И очень часто это бывает намного лучше, чем воздух, но намного хуже, чем то, между чем они набиты.
@ThePhoton, таблица данных связана с вопросом. Теплопроводность составляет 1,2 Вт/(м*К).
@SolomonSlow, глядя на энергопотребление, все становится ясно: происходит некоторая зависящая от температуры цикличность питания, своего рода медленный ШИМ. Таким образом, похоже, что наполнитель недостаточно быстро проводит тепло, и нагревательная плита начинает включать и отключать питание, чтобы избежать перегрева, что нарушает мое предположение о постоянной температуре в качестве граничного условия.
Интересно, что даже с холодной кружкой происходит некоторый цикл включения, а это означает, что конструкция подогревателя кружки больше связана с предотвращением перегрева на тарелке, чем с самым быстрым нагревом кружки. Не ожидал такого от такой "игрушечной" штуки!

Заполнители зазоров для использования в переходах полупроводник-радиатор обычно заполняют зазоры толщиной порядка 0,5 мм или меньше . При толщине 8 мм этот слой заполнения зазора слишком, слишком толстый. Таким образом, он препятствует теплопередаче, а не усиливает ее, пропуская тепло через толстую боковую стенку. Площадь поверхности пути утечки составляет, как вы говорите, около 8 см ^ 2. По сравнению с площадью поверхности верхней поверхности плиты для заполнения зазоров - 21 см^2 - это значительно!

С геометрической точки зрения верно то, что боковой поверхностью нельзя пренебречь по сравнению с верхней поверхностью. Но с точки зрения теплоотвода я не понимаю, как боковая поверхность (соприкасающаяся с воздухом) может удерживать свечу на верхней поверхности (соприкасающейся с чашкой). Особенно если принять во внимание, что без наполнителя чашка получает достаточно тепла, чтобы стабилизировать 0,5 л при 51 С.

Тепло может теряться в любом количестве мест, кроме непосредственно содержимого кружки.

  • К воздуху, окружающему боковины зазора-заполнителя. Ваш эксперимент с оригинальной кружкой с плоским дном не включает эту потерю. Чтобы свести к минимуму (удалить) эту часть, следует также изолировать по краям заполнителя зазоров. Учитывая толщину наполнителя, это, пожалуй, самая большая потеря.

  • К боковым стенкам самой кружки, благодаря чему она затем попадает в воздух, окружающий кружку. Эта потеря будет очевидна, когда вы перейдете на разные кружки.

В вашей системе нагреватель, скорее всего, имеет ограничение на подачу фиксированной мощности (во избежание взрыва). Это предел теплового потока (тока) для случая без наполнителя и с ним.

Две фотографии ниже, с час как обогреватель (стационарный источник), ф как проводимость через наполнитель, л как потери от боковин, м как проводимость в кружку, и с как проводимость/конвекция в содержимое.

Картины систем с тепловыми потоками.

Re: «В вашей системе вы обеспечиваете один и тот же фиксированный тепловой поток». Бьюсь об заклад, нет. Если бы это было правдой, то продукт был бы опасен — вполне вероятно, что он может вызвать пожар, если кто-то случайно накроет его, пока он включен, а затем уйдет. Я сильно подозреваю, что температура конфорки контролируется термостатом. Если бы это было так, то в вашей аналогии это соответствовало бы источнику постоянного напряжения , а не источнику постоянного тока.
Источник постоянного напряжения также может иметь ограничение на выходную мощность.
Я не уверен, что следую аналогии. Поверхность заполнителя зазора, где лежит кружка, также нагревается до 56°C, что, если я правильно понимаю, нарушает аналогию. Кроме того, стенки кружки, конечно, нагреваются в любом случае, в том числе и в случае без наполнителя. Итак, я не понимаю, как добавление незначительной боковой поверхности наполнителя может иметь большое значение. (мне добавить картинку?)
Добавлены детали изображения и геометрии. Боковая поверхность кружки ~251 см2, боковая поверхность наполнителя ~8 см2.
Что ж, конечно, с изображением, показывающим, насколько толстым является заполнитель пробела по отношению к системе, ответ может быть оформлен более подробно.
Теплопроводный заполнитель зазоров не проводит тепло должным образом. Куда уходит тепло?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v