Un relleno de huecos termoconductor no conduce el calor como se esperaba. ¿Adónde va el calor?

Tengo un calentador de tazas, que es un plato caliente que he medido calienta hasta 56C.
Venía con una taza de fondo plano, cuyo contenido se calienta a unos 53 °C después de unos minutos.
Según tengo entendido, el sistema es que los 56 °C de la placa caliente son una condición límite que forzaría a la taza a alcanzar finalmente la misma temperatura si no se perdiera calor en el medio ambiente. Pero, por supuesto, hay algo de pérdida de calor, por lo que la taza se estabiliza a unos 53 °C.

Ahora, he agregado a la placa caliente una capa de 5 mm de un relleno de espacio comprimible térmicamente conductor , que normalmente se usa para llenar el espacio entre un componente electrónico generador de calor y un disipador de calor; mi objetivo es poder usar tazas con un fondo no plano, como cualquier taza de cerámica comercial, sin dejar de tener un buen contacto térmico.

El problema es que descubrí que, de alguna manera, el relleno de espacios no transfiere el calor tanto como esperaba, incluso cuando hay contacto total , y no entiendo por qué.

La superficie del tapajuntas se calienta tanto como la placa caliente: 56C.
Sin embargo, incluso la taza de fondo plano encima de ese relleno de espacio plano solo llega a 41C , sin importar cuánto tiempo espere.
Por lo que puedo decir, todas las superficies aquí son planas y tienen buen contacto.
Entonces, ¿cómo explicar el hecho de que con solo introducir el tapahuecos se rebaje (¡tanto!) la temperatura máxima que alcanza la misma taza? Es como si el relleno estuviera hundiendo parte del calor, lo cual no tiene sentido, ¿verdad? Entonces, ¿adónde "va" el calor? ¿Qué me estoy perdiendo?

Agregando algún detalle:

La taza mide unos 10 cm de alto y 8 cm de diámetro, por lo que su superficie lateral es de unos 251 C metro 2 . No tiene doble pared, por lo que se calienta en todos los casos.
El relleno del espacio es un círculo, de 5 mm de alto y 5,2 cm de diámetro que cubre la placa caliente, por lo que su superficie lateral es de aproximadamente 8 C metro 2 .

El calentador de tazas, el relleno de huecos y la taza en la parte superior

Pruebe diferentes capas de relleno de huecos. Sospecho que su relleno de huecos tiene solo una conductividad térmica moderadamente buena, lo que significa que hay una gran caída de temperatura en el relleno de huecos. Esto se puede verificar observando que las capas más gruesas de relleno de huecos producen temperaturas más bajas.
Como se menciona en la pregunta, la superficie superior del relleno alcanza los 56C, al igual que la placa calefactora.
Mi pregunta está relacionada con qué tan rápido el relleno puede conducir el calor, no cuál es su temperatura máxima cuando no está bajo una carga de calor.
Dijiste "caída de temperatura", así que respondí eso (0). Si se refiere a la conductividad térmica del relleno, es de 1,2 W/(m*K) (la hoja de datos está vinculada)
El relleno no puede conducir el calor con una caída de temperatura cero porque la fuerza impulsora para la transferencia de calor es una diferencia de temperatura. No debería costarle mucho esfuerzo probar mi experimento sugerido para verificar si su relleno tiene un problema de conductividad térmica. Por supuesto, si lo prefieres, puedes seguir discutiendo conmigo y nunca averiguarlo.
No estoy seguro de seguir o de entendernos. AFAIK, "fuerza impulsora para la transferencia de calor" es la segunda ley de la termodinámica, no "diferencia de temperatura", pero agradeceré cualquier material para educarme. Intenté su experimento, y la caída de temperatura en 4 capas de relleno es de aproximadamente 5 ° C, aunque no estoy seguro de qué tan engañoso es eso, dado el problema real que @SalomonSlow ya encontró.

Respuestas (3)

Entonces, ¿adónde "va" el calor?

¡En el entorno circundante, por supuesto!

Parece que su placa calefactora tiene control de temperatura. (Es decir, la temperatura de la superficie nunca superará los 56 °C). Si ese es el caso, debe esperar que la temperatura de la taza sea menor si coloca cualquier tipo de material aislante entre la taza y el plato caliente: Disminuir el calor El flujo no aumentará la temperatura de la placa caliente, sino que reducirá la velocidad a la que el control de temperatura permite que entre calor en la placa caliente y, finalmente, en la taza.

Supongo que su "relleno de espacios" es un mejor conductor que el aire que desplaza, pero no conduce el calor tan bien como el contacto directo de superficie a superficie cuando usa esa taza especial.

¿Cómo estás midiendo las temperaturas?
punto interesante Supuse que 56C es solo la temperatura máxima que puede alcanzar la fuente de alimentación, pero si hay algún tipo de control de temperatura / "estrangulamiento", las cosas cambiarían. Probaré a desmontar o medir la potencia consumida en cada caso.
@nielsnielsen, con un termómetro digital en contacto con cada una de las superficies.
Los buenos materiales de relleno térmico vienen con hojas de datos que le indican exactamente cuál es su conductividad térmica. Y es muy común que sea mucho mejor que el aire, pero mucho peor que las cosas entre las que están metidos.
@ThePhoton, la hoja de datos está vinculada en la pregunta. La conductividad térmica es de 1,2 W/(m*K).
@SolomonSlow, mirar el consumo de energía dejó las cosas claras: hay un ciclo de energía dependiente de la temperatura, una especie de PWM lento. Entonces, parece que el relleno no conduce el calor lo suficientemente rápido, y la placa caliente inicia el ciclo de encendido para evitar el sobrecalentamiento, lo que rompe mi suposición de la temperatura constante como condición límite.
Curiosamente, incluso con una taza fría hay algunos ciclos de energía, lo que significa que el diseño del calentador de tazas está más preocupado por evitar el sobrecalentamiento en el plato que por calentar la taza lo más rápido posible. ¡No esperaba eso para algo tan "juguete"!

Los rellenos de huecos para usar en uniones semiconductores-disipadores de calor normalmente rellenan huecos que tienen un grosor del orden de 0,5 mm o menos . Con 8 mm, esa capa de relleno de huecos es demasiado gruesa. Como tal, interfiere con la transferencia de calor, no la mejora, al filtrar calor a través de su gruesa pared lateral. El área de la superficie de la vía de fuga es, como usted dice, de unos 8 cm ^ 2. En comparación con el área de superficie de la superficie superior de la losa de relleno de huecos, 21 cm ^ 2, ¡es significativo!

En términos geométricos, es cierto que la superficie lateral no es despreciable en comparación con la superficie superior. Pero en términos de disipación de calor, no veo cómo la superficie lateral (interconectada con el aire) puede sostener una vela en la superficie superior (interconectada con la taza). Particularmente si se tiene en cuenta que, sin el relleno, la taza recibe suficiente calor para estabilizar 0,5 L a 51 C.

El calor puede perderse en cualquier número de lugares que no sean directamente al contenido de la taza.

  • Al aire que rodea las paredes laterales del gap-filler. Su experimento con la taza de fondo plano original no incluye esta pérdida. Para minimizar (eliminar) esta parte, también debe aislar alrededor de los bordes del relleno del espacio. Dado el grosor de la almohadilla de relleno, esta es probablemente la mayor pérdida.

  • A las paredes laterales de la propia taza, por lo que luego pasa al aire que rodea la taza. Esta pérdida será evidente cuando cambie a tazas diferentes.

En su sistema, es probable que el calentador tenga un límite para suministrar una potencia fija (para evitar que explote). Este es un límite para el flujo de calor (flujo de corriente) para la caja sin y con el relleno.

Las dos fotos están abajo, con h como calentador (fuente fija), F como conducción a través del relleno, yo como pérdida de las paredes laterales, metro como conducción en la taza, y C como conducción/convección en los contenidos.

Imágenes de sistemas con flujos de calor.

Re, "En su sistema, usted suministra el mismo flujo de calor fijo". Apuesto que no. Si fuera cierto, entonces el producto sería peligroso, muy probable que provocara un incendio si alguien lo cubriera accidentalmente mientras estaba encendido y luego se alejara. Sospecho fuertemente que la temperatura de la placa caliente está controlada por un termostato. Si ese fuera el caso, entonces correspondería a una fuente de voltaje constante en su analogía, no a una fuente de corriente constante.
La fuente de tensión constante también puede tener un límite de potencia de salida.
No estoy seguro de seguir la analogía. La superficie del relleno de espacios donde descansa la taza también llega a 56C, lo que, si entiendo correctamente, rompe la analogía. Además, las paredes de la taza, por supuesto, se calientan en todos los casos, incluido el caso sin relleno. Por lo tanto, no veo cómo agregar la superficie lateral insignificante del relleno puede significar mucho. (¿Debería agregar una imagen?)
Se agregaron detalles de imagen y geometría. La superficie lateral de la taza es de ~251 cm2, mientras que la superficie lateral del relleno es de ~8 cm2.
Bueno, ciertamente con la imagen que muestra qué tan grueso es el relleno del espacio en relación con el sistema, la respuesta se puede enmarcar con mayor detalle.
Un relleno de huecos termoconductor no conduce el calor como se esperaba. ¿Adónde va el calor?
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