Програма конференції «Гірничодобувна промисловість перспективи розвитку» - частина 7, Авторська
Криваткін Олександр, к. т.зв., Сакуненко Юрій, к. т.зв.(000 СПЕЦПЛАСТ-М)
Чи можна замінити алюміній у радіаторах охолодження не пластмасу?
Можна, але тільки пластмаса потрібна не звичайна, а теплорозсіююча.
Пластмаси через свою високомолекулярну структуру погано проводять тепло. Теплопровідність λ у всіх пластмас практично однакова (коливається у вузькому інтервалі від 0,1 до 0,2 wt\М К ).
Теплопровідність λ металів ( залізо, алюміній, мідь, і т д ), з яких виготовляються радіатори досягає значень кілька сотень одиниць ( 200 - 400wt \ M K ), Що втисячі разівбільше ніж у пластмас. Така відмінність, здавалося б, раз і назавжди закриває можливість повноцінної заміни металів на пластмаси в пристроях, що охолоджують. Однак облік специфіки деяких режимів процесів охолодження та сучасні успіхи в галузі полімерних композитів зробили таку можливість реальною.
Обмовимося відразу, така заміна можлива не завжди, а доцільна у радіаторах з т.з. природним (конвективним) охолодженням, у яких не застосовується примусове обдування повітрям радіаторів за допомогою вентиляторів.
Природна конвекція складається з безперервного процесу підходу до поверхні радіатора холодних частинок повітря та їх локального нагріву. Нагріті частки повітря ( вони характеризуються великим питомим об'ємом ) переміщаються вгору, звільняючи місце нових, холодних частинок повітря. Отримане при цьому тепло надалі поступово віддається (розсіюється), за рахунокбагаторазових зіткнень із сусідніми частинками повітря. Навколишнє повітря відіграє таким чином роль своєрідного «теплорозсіювального насоса».
Саме теплорозсіювання в прикордонних (до поверхні радіатора) шарах повітря єлімітуючоїстадією теплообміну в системі «генератор тепла-повітря»
Суворий теплофізичний розрахунок показує, що навколишнє повітря в умовах природної конвекції просто не в змозі розсіяти (прийняти) понад 5-10 wt теплової енергії з одиничної поверхні теплообміну. Інакше кажучи повітряний«теплоросний насос» має цілком обмежену продуктивність.а при виборі матеріалу для радіаторів слід враховувати,що теплопровідність λ матеріалу в інтервалі 5-10wt/mKнеобхідна і достатня, щоб передати на поверхню охолодження все тепло, яке максимально може бути прийняте навколишнім повітрям.Застосування матеріалів з більшою теплопровідністю томує технічно надлишковим.
Рівень теплопровідності саме цього інтервалу був орієнтиром при розробці рецептур і технологій отримання нового класу полімерних композитів - теплорозсіювальних (теплопровідних) полімерних композитів (ТРПК),(thermallyConductivePlastics,wärmeleitfähigeKunststoffe)
ТРПК - це гранульована пластмаса, що переробляється на стандартних термопластавтоматах в будь-які вироби, що відрізняється від звичайних пластмас здатністю принципово краще (в 10-100 разів більше) проводити через себе тепло і передавати (розсіювати) його в навколишнє повітря.
Перші ТРПК з'явилися Табл 1 на світовому ринку останні 2-3 роки.
Таблиця 1Виробники ТРПК
Теплопровідність wt/M K
RTP, Imagineering Plastics, USA
Саме з цих пластмас були виготовлені реальні радіатори для експериментальної перевірки наведених вище теоретичних висновків.
На рисунках 1 та 2 та табл. 1 наведено результати порівняльних теплових випробувань однакових за формою та розмірами радіаторів виготовлених з алюмінію та ТРПК
Макс. Перепад температур світильника
Температурапереходу LED кристала
Рис1, Експериментальне порівняння характеристик охолодження радіаторів з алюмінію та ТРПК марки «CoolPoly» (теплопровідність 10-20 wt\mK) фірмиCoolPolymers(США)
Рис2 , Таблиця 2 Експериментальне порівняння ( LG, Корея )температурних полів світильника формату МR16 з радіаторами охолодження, виготовленими з алюмінію та ТРПК марки «ТЕПЛОСТОК» ( теплопровідність 5-10 Wt\mK ) фірмиСПЕЦПЛАСТ-М, (Україна 4>
. Як видно теплові параметри охолодження у них практично однакові (незважаючи на відмінність у рівні теплопровідностей більше ніж у 30 разів!). Таким чином ці результати повністю підтвердили теоретичні висновки про те, що збільшення теплопровідності матеріалів радіатора понад деяких «граничних» значень (5-10 wt/mK) практично не впливає на ефективність охолодження.
З наведених результатів випливає, що теплопровідна здатність алюмінію реально затребувана в системах природного охолодження в кращому випадку лише на 5%!
Теплорозсіювальні пластмаси – конкуренти алюмінію
(легше, точніше, ефективніше, дешевше)
При практично однаковій теплорозсіюючій здатності ТРПК по ряду техніко-економічних характеристик мають значніперевагиперед алюмінієм:
- Вироби з ТРПК в середньому на 40% -50% легше аналогічних алюмінієвих (питома вага ТРПК коливається в інтервалі 1,3-1,7 г см3). Це дозволяє істотно зменшити польотну вагу низки відповідальних виробів, знизити маси комунікаційного обладнання, що носяться, високопотужних ліхтарів підсвічування і т. д. , виготовлених з ТРПК Рис 3
Рис 3 Порівняння вагових характеристик а) та собівартості б) радіаторів виготовлених з алюмінієвих сплавів та ТРПК.
-вироби з ТРПК виходять точнішеніж деталі відлиті з алюмінію ( пластмаси переробляються методом лиття під тиском, мають меншу усадку (0.1 -0,3 %) в порівнянні з алюмінієвим литтям ( 0,7-1,3 % );поверхня їх лиття не шорстка, а має «дзеркальну» якість») Вонине вимагають ніякої постфінішної доробки( видалення литників, свердління, фрезерування, шліфування посадкових місць і т. д.), повністю готові до складання.
-з ТРПК можуть бути легко виготовлені вироби складної форми, з підвищеною теплорозсіюючою ефективністю (лиття ТРПК під тиском дозволяє отримувати високоточні, різнотовщинні вироби найскладнішої форми - т.з. 3D дизайн, на відміну від більшості алюмінієвих виробів, що отримуються екструзією - 2D дизайн). Класичний приклад: перехід від традиційної ребристої (пластинчастої) конструкції радіаторів до голчастої (штиркової) конструкції дає збільшення ефективності охолодження радіатора на 60-100%.при збереженні настановних габаритів. Мал. 4
Рис 4 Радіатори з ТРПК
- з ТРПК можуть бути спроектовані та виготовлені деталі конструкціїподвійного призначення :з одного бокуцевсілякі корпуси, оболонки, монтажні стійки,перехідники та інші деталі,з іншого бокуце ефективні теплорозсіювальні поверхні (Рис 5)
-собівартість деталей з ТРПК при серійному виробництві суттєво /в 2-3 рази нижче / ,ніж у аналогічних деталей з алюмінію( станом на 2010 рік вартість 1 см3 деталі високоточного алюмінієвого лиття,з витратами на постфінішну механічну та хімічну доробку коливається від1,1 до 1,80 руб, тоді як вартість 1см3 деталей з ТРПК становить лише0,4 – 0,7 руб,при цьому відразу виходить високоточна,повністю готова до збирання деталь). Рис. 3 б.
- Залежно від наповнювача ТРПК можуть або зберігати характерні для пластмас електроізоляційні властивості або мати на 5 - 10 порядків нижчі поверхневі електричні опори, тобто одночасно відповідати вимогам, що пред'являються до антистатичних та електропровідних пластмас. Таке поєднання стало дуже затребуваним, тому що у радіаторів виготовлених з частково електропровідних ТРПК немає т.з. «Антенний ефект» (характерний для алюмінієвих радіаторів). Вироби спеціальної техніки з такими радіаторами Мал 6 мають набагато нижчий рівень радіопомітності, з них суттєво утруднений несанкціонований збір інформації.
Рис 6 Радіатори з низьким рівнем радіопомітності, виготовлені з електропровідних ТРПК.
- з ТРПК можуть бути виготовлені високоефективні та недорогі радіатори, що використовують ефект т.з. « теплової труби» (поглинання тепла при випаровуванні спеціальних рідин усередині теплоприймаючої панелі – виділення тепла при її конденсації всередині віддаленої теплорозсіюючої панелі) .З ТРПК відливається як сама теплоприймаючапанель так і зовнішня частина – конденсатор з розвиненою теплорозсіювальною поверхнею. Рис 7
Рис 7 Високоефективні «радіатор-теплова труба» виготовлені з ТРПК.
У висновку слід зазначити, що крім радіаторів охолодження теплорозсіювальні пластмаси вже знаходять і будуть знаходити застосування скрізь, де є необхідність управління процесами передачі тепла (в першу чергу це всілякі світильники на основі рідких (LED).) кристалів, інтегровані системи охолодження з низьким рівнем для мікроелектронних пристроїв, мініатюрні крокові електродвигуни, малогабаритні тепломассобні пристрої в т. ч. «теплові труби»; промисловості та ряд інших технічних додатків цивільних та спеціальних технологій.)
Іванов Павло Анатолійович –
д. фіз. - Мат. н., провідний науковий співробітник
Фізико-технічного Інституту імені А. Ф. Іоффе: