17. Тепломассообмен в конструкциях рэс. Отвод тепла за счет конвекции, теплопроводности и излучения

С позиции теплофизики РЭС представляет собой устройство, преобразующее электроэнергию источников питания в тепловую. Тепловая модель РЭС может быть представлена физическим телом со множеством источников и стоков тепла в виде резисторов, транзисторов, ЭВП и различных элементов конструкции.

Перенос тепла от горячего тепла к холодному (или к окружающей среде) происходит за счет теплопроводности, конвекции и теплового излучения.

Теплопроводность – процесс обмена тепловой энергии между находящимися в соприкосновении телами или частями тел, обусловленный взаимодействием молекул и атомов в этих телах.

Конвекцией называется перенос энергии микрочастицами газа или жидкости. Конвекция может быть естественной и вынужденной.

Перенос тепла излучением происходит посредством электро-магнитных волн.

Передача тепла за счет теплопроводности. Мощность, отдаваемая за счет теплопроводности однородным телом, имеющим постоянное поперечное сечение, можно определить:

, (6.1)

где - коэффициент теплопроводности, зависящий от физических

свойств материала, Вт/(м*град); S – площадь поперечного сечения тела [ ]; L – длина, [м]; - разность температур между концами теплопроводящего тела, [град].

Входящий в формулу сомножитель называют тепловой проводимостью, а обратную величину – тепловым сопротивлением :

. (6.2)

Тогда . (6.3)

Чаще всего в процесс передачи теплоты от кожуха аппарата к окружающей среде роль теплопередачи незначительна. Это связано с тем, что площадь теплового контакта S между кожухом и основанием, на котором он закреплен, всегда во много раз меньше площади кожуха. Однако в процессе отвода теплоты от отдельных элементов, рассеивающих большую мощность, к расположенным рядом элементам конструкции роль теплопроводности может быть решающей.

Передача тепла за счет конвекции. Мощность, отдаваемая нагретой поверхностью за счет конвекции, может быть определена по формуле:

, [Вт] (6.4)

где - коэффициент теплообмена между поверхностью и окру-жающей средой [Вт/ *град]; t - температура поверхности [град]; - температура окружающей среды [град]; S - площадь нагретой поверхности [ ].

Значение зависит от большого количества факторов. В зависимости от характера движения теплоносителя различают 4 режима теплообмена:

1. пленочный режим. У поверхности образуется почти неподвижная пленка нагретого теплоносителя. Теплообмен происходит за счет теплопроводности и радиации. Такой режим теплообмена имеет место при небольших температурных перепадах для тел с плавными очертаниями.

2. закон степени 1/8:

(6.5)

где А1 – коэффициент, зависящий от физических свойств, темпера-туры теплоносителя и характера его движения; t – температура стержня [град]; d – диаметр стержня [м].

Такой режим имеет место при охлаждении тонких длинных стержней. Режим движения теплоносителя – ламипарный, т.е. газ перемещается слоями параллельными направлению движения. Интенсивность теплообмена незначительная.

3. закон степени ¼:

(6.6)

где А2 – коэффициент зависящий от физических свойств тепло-носителя, его температуры и характера движения; L – определяющий размер тела (высота цилиндра или мини-мальный размер вертикальной стенки).

При этом законе около охлаждаемых поверхностей происходит интенсивное ламинарное движение теплоносителя. Интенсивность теплообмена выше, чем при законе 1/8.

4. закон степени 1/3:

(6.7)

где А3- коэффициент зависящий от физических свойств, темпера-туры теплоносителя и характера его движения.

При законе степени 1/3 характер движения теплоносителя - вихревой, теплообмен наиболее интенсивный. Для плоских цилиндрических поверхностей характер теплообмена определяется неравенством:

(6.8)

Если неравенство выполняется, то движение теплоносителя подчиняется закону степени ¼ , если не выполняется , то закону 1/3.

Передача тепла за счет излучения. Всякое нагретое тело отдает часть выделяемой в нем теплоты в виде лучистой энергии. Если оно окружено другими телами, которые не являются абсолютно черными, то часть получаемой ими тепловой энергии отражается. В зависимости от конфигурации и размерности тел какая-то часть отраженной энергии попадает обратно на теплоизлучающее тело. Мощность, отдаваемая нагретой поверхностью за счет лучистой энергии, может быть определена по следующей формуле:

(6.9)

где - коэффициент излучения абсолютно черного тела;

Т – температура нагретой зоны; - температура окружающих тел; - приведенная степень черноты; s – площадь поверхности тела.

Коэффициент зависит от относительной степени черноты теплоизлучающих и окружающих тел, а также от их конфигурации и размеров. может быть в пределах от 0 до 1. Для большинства применяемых покрытий значение составляет 0,7-0,96. На практике часто встречаются случаи, когда лучистый теплообмен идет между двумя плоскопараллельными плоскостями или, когда нагретое выпуклое тело с площадью поверхности s, заключено в оболочку с поверхностью s2, причем .

Для такой конфигурации тел приведенную степень черноты можно определить по формуле:

(6.10)