5.2 Способы теплопередачи
Физический перенос тепла от нагретой к холодной зоне РЭА осуществляется несколькими способами: теплопроводностью кондукционным способом, тепловым излучением и конвекцией.
Теплопроводностьимеет место при передачи тепла от одного тела к другому, находящегося с ним в непосредственном контакте. Этот процесс передачи тепла определяется законом Фурье и для количественного значения переносимого теплового потока Qтвыражается соотношением
ST,
где
aТ– коэффициент теплопроводности
материала,
- длина пути теплового потока, SТ- теплопроводящая площадь; Т1, Т2- соответственно температура нагретого
и холодного тела.
Из приведенного выражения следует, что при разработке АРЭО необходимо теплопроводящие системы выполнять короткими, в соединениях деталей обеспечивать тепловой контакт по всей площади, а материалы выбирать с большим коэффициентом теплопроводности. Тепловое излучение представляет собой передачу тепловой энергии в виде электромагнитных колебаний. Вначале тепловая энергия нагретого тела переходит в лучистую энергию и распространяется в окружающее пространство. Далее при встрече с другим телом лучистая энергия нагревает его, превращаясь в тепло. Теплопередача излучением Qlопределяется законом Стефана-Больцмана и в общем виде выражается соотношением
Sl,
где al - коэффициент теплопередачи излучением; Тк,,Тс – соответственно температура излучающей и нагреваемой поверхности; Sl- площадь излучающей поверхности.
Коэффициент теплопередачи излучением определяется выражением
где 5,67 – коэффициент излучения абсолютно черного тела; e- степень черноты излучающей поверхности.
С учетом приведенных выражений закон излучения тепла можно представить в следующем виде.
Лучистая энергия не только поглощается поверхностью, но и отражается ею. Степень поглощения или отражения зависит от состояния излучающей или поглощающей поверхности.
Отвод тепла теплоизлучением широко используют в АРЭО. Так, например, в целях защиты теплочувствительных пассивных элементов от перегрева в блоках используют теплопоглощающие или теплоотражающие экраны. Первые имеют матовую оксидированную поверхность черного цвета. Вторые имеют глянцевую, зеркальную или полированную поверхность светлых тонов. Использование экранов позволяет не только снижать местные перегревы в блоках, но и выравнивать температурное поле внутри прибора.
Теплопередача конвекциейпроисходит в среде газа, воздуха или жидкостей, соприкасающихся с нагретыми или охлажденными поверхностями твердого тела.
Процесс теплопередачи конвекцией определяется законом Ньютона
где QK– мощность, передаваемая в виде тепла;lK- коэффициент теплопередачи конвекций; SK- площадь теплоотводящей поверхности; ТС– температура окружающей среды. Различают конвекцию свободную (естественную) и принудительную.
Свободная конвекцияимеет место при нагреве частиц газа или жидкости, находящихся в непосредственном контакте с нагретым телом. Здесь нагретые частицы окружающей среды постоянно перемещаются вверх и заменяются более холодными, отчего происходит непрерывное перемешивание среды.
Искусственная конвекцияотносится к принудительному виду охлаждения и происходит за счет интенсивного перемешивания теплонесущей среды или механического замещения ее.
Для случая естественной конвекции коэффициент теплопередачи может быть представлен как функция
где Тк– температура нагретой поверхности твердого тела; ТСтемпература холодной среды (газа, жидкости);b- коэффициент объемного расширения среды;a- коэффициент температуропроводности жидкости;l- коэффициент теплопроводности среды; Ср– удельная теплоемкость среды;n- коэффициент кинематической вязкости среды; q – ускорение силы тяжести; ф – размер охлаждаемого тела и состояние поверхности.
Из обозначенной функциональной зависимости видно, что количество аргументов – параметров процесс охлаждения велико и сам процесс оценивать достаточно сложно. Поэтому коэффициенты теплопередачи удобнее определить не этими параметрами, а связанными с ними критериальными уравнениями, полученными из теории подобия. Критериальные уравнения подробно описаны в литературе [6], [7].
Конструктора РЭА, в большинстве случаев, должен удовлетворять расчет с точностью до 10 – 15 %, основанный на принципе подобия. Такой расчет носит оценочный характер и позволяет установить исходные параметры конструкции.