Способи переносу теплової енергії

Теплова енергія, що виділяється ЕОМ, може передаватися іншим елементам конструкції і відводитися в навколишнє середовище. Елементи, що виділяють теплову енергію, називаються джерелами, що поглинають її - стоками, а сам процес - теплообміном. Теплообмін може здійснюватися кондукцією (теплопровідністю), природною й примусовою конвекцією й випромінюванням.

Тепловий режим конструкції ЕОМ залежить від

• температури навколишнього середовища,

• потужності джерел і стоків теплової енергії

• умов теплообміну (геометричні параметри й теплофізичні властивості елементів конструкції)

Конструкція ЕОМ повинна забезпечувати нормальний тепловий режим елементів. Тепловий режим називається нормальним, якщо температури елементів конструкції рівні або нижче припустимих значень за технічним завданням. Забезпечення необхідних температурних умов досягається при проектуванні вибором системи охолодження як для ЕОМ або системи в цілому, так і для окремих елементів конструкції.

Основні механізми переносу теплової енергії

Кондукція

Кондукція або теплопровідність - це передача тепла за допомогою взаємодії між молекулами тіла або дотичних тіл. Якщо дотичні тіла або ділянки тіла мають різну температуру, то за рахунок теплопровідності виникає потік теплоти, спрямований убік зменшення температури.

Теплообмін кондукцією описується законом Фур’є

де - кількість теплової енергії, що проходить через одиницю площі ізотермічної поверхні,

- коефіцієнт теплопровідності матеріалу, Вт/(м*К), - температурний градієнт.

Знак «-» вказує напрям теплового потоку в сторону зменшення температури.

Таблиця 6.1.

Коефіцієнт теплопровідності для різних матеріалів.

Матеріал	Коефіцієнт теплопровідності , Вт/(м*К)
Срібло	390 ...410
Алюміній АЛ-7	196
Дюралюміній Д-16	160... 180
Мідь	400
Сталь	45,5
Резина	0,15
Ебоніт, генитакс	0,156 ...0,175
Поліхлорвінілова пластмаса	0,443
Текстоліт, склотекстоліт	0,231 ...0,385
Ситал	1,5
Картон щільний	0,230
Пенопласт	0,58
Повітря (при θ =313 К)	2,76-10-2
Вода (при θ =313 К)	0,635

Для різних сполучень пар матеріалів при питомому навантаженні 1000 Н/см³ і шорсткості поверхні , питомий тепловий опір контакту може бути оцінений коефіцієнтом теплопередачі (питома теплова провідність) [ Вт/(м²*К)].

Найбільший коефіцієнт для пар метал-скло 2,3 * 10⁴, найменший – для пар мідь-сталь 1,2*10^-4.

Таблиця 6.2.

Матеріал	Коефіцієнт теплопередачі , Вт/(м2*К)
Мідь — алюміній	12*10-4
Мідь — мідь	10*10-4
Мідь — латунь	5,5*10-4
Мідь — дюралюміній	5,0*10-4
Дюралюміній—дюралюміній	4,0*10-4
Мідь — сталь	1,2*10-4
Сталь — дюралюміній	8,4*103
Сталь — сталь	1,5*103
Метал — фарба — метал	500,0
Метал — скло	(0,6... 2,3) * 104
Сталь — сталь (різь­бове з’єднання)	1,7*103

При відомому значенні коефіцієнта теплопередачі (питомої теплової провідності) тепловий опір контакту

Конвекція

Конвекція – спільна дія явищ теплопровідності середовища, запасання енергії в ній та її перемішування.

Конвекція називається природною, якщо здійснюється при вільному русі середовища за рахунок різниці густини холодної й гарячої областей.

Примусова, якщо рух середовища відбувається під дією зовнішніх сил.

Теплообмін конвекцією описується законом Ньютона-Рихмана

[Вт]

де - коефіцієнт теплообміну конвекцією між поверхнею тіла й середовищем, Вт/(м²*К); - температури поверхні тіла й середовища; - площа поверхні теплообміну тіла, м².

Часто теплова енергія передається від поверхні і до поверхні j через рідкий або газоподібний прошарок, тоді тепловий потік

де - коефіцієнт теплопередачі в прошарку, Вт/(м²*К).

Коефіцієнти теплообміну конвекцією й теплопередачі в прошарку є функціями фізико-механічних і кінематичних властивостей рідини або газу, а також параметрів, що характеризують форму й розміри поверхонь.

Теплообмін випромінюванням

Теплова енергія випромінюється електромагнітними хвилями в інфрачервоному діапазоні довжин (0.3 - 10) мкм.

За законом Стефана-Больцмана випромінювана в простір енергія

[Вт]

де - ступінь чорності тіла;

С₀=5,67 Вт/(м²*К⁴) - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла;

S - площа випромінюючої поверхні тіла;

- температура тіла.

Коефіцієнт залежить від матеріалу випромінюючого тіла й стану його поверхні

Ступінь чорності тіла для деяких матеріалів

Матеріал тіла і стан поверхні
Алюміній полірований	323...773	0,04...0,06
Алюміній сильно окислен­ий	323...773	0,2...0,3
Дюралюмі­ній Д-16	323...623	0,37...0,41
Мідь шліфована	293	0,03
Фарби емалеві	293...373	0,92
Лак чорний матовий	313...373	0.96...0,98
Муар сірий, чорний	293	0,89...0,90
Фарба алюмінієва	373	0,28
Картон, папір, тканина	293...573	0,93

Теплова енергія (Вт), що передається випромінюванням від поверхні тіла і з температурою й площею S_i до поверхні тіла j з температурою й площею S_j, на підставі того ж закону:

де - наведений ступінь чорності тіл і й j;

- коефіцієнт опромінення, що показує, яка частина теплової енергії, випромінюваної тілом і, попадає на тіло j;

і - абсолютна температура тіл і й j.

Коефіцієнт опромінення залежить від розмірів, форми й взаємної орієнтації тіл. Наведений ступінь чорності є функцією ступеня чорності тіл і й j ( і ) і коефіцієнта .

Для теплообміну між необмеженими плоскопаралельними поверхнями коефіцієнти опромінення , а наведений ступінь чорності

де й - ступінь чорності тіл 1 й 2.

Для теплообміну між тілом і його оболонкою, що охоплює (мал.)

; , (6.50)

де й - площі поверхні тіл 1 й 2.

Приклади теплообміну випромінюванням між тілом 1 і його оболонкою, що охоплює, 2

Наведений ступінь чорності

(6.51)