Was ist Wärmewiderstand – Wärmewiderstand – Definition

Da das Konzept des Wärmewiderstands in einer Vielzahl von technischen Bereichen verwendet werden kann, definieren wir:

• Absoluter thermischer Widerstand , R _t , die Einheiten von [K / W] aufweist. Der absolute Wärmewiderstand ist eine Eigenschaft einer bestimmten Komponente, deren Geometrie definiert ist (Dicke – L, Fläche – A und Form). Zum Beispiel eine Eigenschaft eines definierten Wärmetauschers. Es wird nur ein Temperaturunterschied benötigt, um die übertragene Wärme zu lösen.
• Spezifischer Wärmewiderstand oder spezifischer Wärmewiderstand R _λ mit Einheiten von [(K · m) / W]. Die spezifische Wärme ist eine Materialkonstante. Materialdicke und ein Temperaturunterschied sind erforderlich, um die übertragene Wärme zu lösen.
• R-Wert . Der R-Wert (Wärmeisolationsfaktor) ist ein Maß für den Wärmewiderstand. Je höher der R-Wert ist, desto größer ist die Isolationswirksamkeit. Die Wärmeisolierung hat die Einheiten [(m ² · K) / W] in SI-Einheiten oder [(ft ² · ° F · h) / Btu] in imperialen Einheiten. Dies ist der Wärmewiderstand der Flächeneinheit eines Materials. Der R-Wert hängt von der Art der Isolierung, ihrer Dicke und ihrer Dichte ab. Eine Fläche und eine Temperaturdifferenz sind erforderlich, um die übertragene Wärme zu ermitteln.

Analogie zum elektrischen Widerstand

Die obige Gleichung für den Wärmefluss ist analog zu der Beziehung für den elektrischen Stromfluss I , ausgedrückt als:

Dabei ist R _e = L / σ _e A der elektrische Widerstand und V ₁ – V ₂ die Spannungsdifferenz über dem Widerstand (σ _e ist die elektrische Leitfähigkeit). Die Analogie zwischen beiden Gleichungen ist offensichtlich. Die Wärmeübertragungsrate durch eine Schicht entspricht dem elektrischen Strom, der Wärmewiderstand entspricht dem elektrischen Widerstand und die Temperaturdifferenz entspricht der Spannungsdifferenz über der Schicht. Die Temperaturdifferenz ist das Potential oder die Antriebsfunktion für den Wärmefluss, was dazu führt, dass die Fourier-Gleichung in einer Form geschrieben wird, die dem Ohmschen Gesetz der elektrischen Schaltungstheorie ähnlich ist.

Schaltungsdarstellungen bieten ein nützliches Werkzeug zur Konzeption und Quantifizierung von Wärmeübertragungsproblemen. Diese Analogie kann auch für den Wärmewiderstand der Oberfläche gegen Wärmekonvektion verwendet werden. Beachten Sie, dass bei einem sehr großen Konvektionswärmeübergangskoeffizienten (h → unendlich) der Konvektionswiderstand Null wird und sich die Oberflächentemperatur der Massentemperatur nähert. Diese Situation wird in der Praxis auf Oberflächen angegangen, auf denen intensives sieden und Kondensation auftreten.

Aus diesen Widerständen kann der Wärmeübergang durch die Verbundwand berechnet werden. Die Geschwindigkeit der stetigen Wärmeübertragung zwischen zwei Oberflächen ist gleich der Temperaturdifferenz geteilt durch den gesamten Wärmewiderstand zwischen diesen beiden Oberflächen.

Das äquivalente Wärmekreislauf für die ebene Wand mit Konvektionsoberflächenbedingungen ist in der Abbildung dargestellt.

Wärmekontaktwiderstand – Wärmeleitfähigkeit

In der Wärmetechnik  repräsentiert die Wärmeleitfähigkeit [W / m ² · K] oder der Wärmekontaktwiderstand [m ² · K / W] die Wärmeleitung zwischen zwei Festkörpern. Wenn Komponenten verschraubt oder auf andere Weise zusammengedrückt werden, ist auch eine Kenntnis der Wärmeleistung solcher Verbindungen erforderlich. In diesen Verbundsystemen kann der Temperaturabfall über die Grenzfläche zwischen Materialien spürbar sein. Dieser Temperaturabfall wird durch den gekennzeichnete thermischen Kontakt Leitwert Koeffizienten , h _cDies ist eine Eigenschaft, die die Wärmeleitfähigkeit oder die Fähigkeit zur Wärmeleitung zwischen zwei in Kontakt stehenden Körpern angibt. Während umfangreiche Datenbanken zu den thermischen Eigenschaften von Schüttgütern existieren, gibt es ähnliche Datenbanken für gepresste Kontakte nicht.

Die Umkehrung dieser Eigenschaft wird als thermischer Kontaktwiderstand bezeichnet .

Der Kontaktwiderstand hängt in hohem Maße von der Oberflächenrauheit ab . Der Druck, der die beiden Oberflächen zusammenhält, beeinflusst auch den Kontaktwiderstand. Es wird beobachtet, dass der Wärmekontaktwiderstand mit abnehmender Oberflächenrauheit und zunehmendem Grenzflächendruck abnimmt. Dies wird auf die Tatsache zurückgeführt, dass die Kontaktfläche zwischen den Körpern mit zunehmendem Kontaktdruck wächst. Wenn zwei solcher Oberflächen gegeneinander gedrückt werden, bilden die Spitzen einen guten Materialkontakt, aber die Täler bilden mit Luft gefüllte Hohlräume. Diese mit Luft gefüllten Hohlräume wirken aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit der Luft als Isolierung. Die begrenzte Anzahl und Größe der Kontaktpunkte führt zu einer tatsächlichen Kontaktfläche, die erheblich kleiner als die scheinbare Kontaktfläche ist. Im Fall von metallischem Verbundmaterial, das in ein Vakuum gebracht wird, ist die Wärmeleitung durch die Kontaktstellen der primäre Wärmeübertragungsmodus, und der Kontaktwiderstand ist im Allgemeinen größer als wenn das Verbundmaterial in Gegenwart von Luft oder einer anderen Flüssigkeit ist. Darüber hinaus ist der Wärmekontaktwiderstand signifikant und kann für gute Wärmeleiter wie Metalle dominieren, kann jedoch für schlechte Wärmeleiter wie Isolatoren vernachlässigt werden.

Beispielsweise:

• Die Wärmekontaktleitfähigkeit für Aluminiumplatten mit einer Oberflächenrauheit von 10 & mgr ; m, die in Luft mit einem Grenzflächendruck von 1 atm angeordnet sind, beträgt h _c = 3640 W / m ² · K.
• Die Wärmekontaktleitfähigkeit für Aluminiumplatten mit einer Oberflächenrauheit von 10 & mgr; m, die in Helium mit einem Grenzflächendruck von 1 atm angeordnet sind, beträgt h _c = 9520 W / m ² · K.
• Die Wärmekontaktleitfähigkeit für Edelstahlplatten mit einer Oberflächenrauheit von 2,5 μm, die in Luft mit einem Grenzflächendruck von 1 MPa angeordnet sind, beträgt etwa h _c = 3000 W / m ² · K.

Der Wärmekontaktwiderstand kann minimiert werden, indem eine wärmeleitende Flüssigkeit, die als Wärmeleitpaste bezeichnet wird, wie z. B. CPU-Fett, auf die Oberflächen aufgetragen wird, bevor sie gegeneinander gedrückt werden. Die Hauptaufgabe von Wärmeleitpaste besteht darin, Luftspalte oder Zwischenräume (die als Wärmeisolator wirken) aus dem Grenzflächenbereich zu entfernen, um die Wärmeübertragung zu maximieren. Die Wärmeleitfähigkeit des interstitiellen Materials und sein Druck sind die beiden Eigenschaften, die seinen Einfluss auf die Kontaktleitfähigkeit bestimmen.

Besondere Referenz: Madhusudana, Chakravarti V., Wärmeleitfähigkeit. Springer International Publishing, 2014. ISBN: 978-3-319-01276-6.