2. Основы теплообмена

Тепловая энергия, выделяемая электрорадиоэлементами и узлами РЭС, и передаваемая другим его частям и кожуху, рассеивается в окружающее пространство. Переход тепла от одной части РЭС к другой, а также в окружающую среду, может осуществляться тремя способами: конвекцией, излучением и теплопроводностью(кондукцией). Обычно все три способа переноса тепловой энергии существуют одновременно и в своей совокупности определяют тепловой режим аппарата, от которого зависит надежность функционирования радиоэлектронных средств.

2.1. Теплообмен конвекцией

2.1.1. Основные положения

Перенос тепла конвекцией имеет место в жидких и газообразных средах, а также между последними и поверхностью твердых тел. Этот перенос тепла связан с движением самой среды (жидкости, газа). Движение жидкости может быть свободным и вынужденным. Свободное движение среды (естественная конвекция) происходит вследствие разности плотностей холодных и нагретых слоев жидкости.

Вынужденное движение среды создается специальными насосами, вентиляторами и т.д. В дальнейшем жидкость и газообразные среды будут называться одним термином - жидкость.

Количество тепла, передаваемого конвекцией, существенно зависит от режима движения жидкости. Различают два основных режима: ламинарный и турбулентный (рис. 2.1.1,а и 2.1.1,б).

При ламинарном режиме движение имеет струйчатый характер, когда отдельные частицы жидкости перемещаются почти параллельно.

Турбулентный режим характеризуется неупорядоченным, вихревым движением. Жидкость, попадающая в зону контакта с нагретой поверхностью, интенсивно нагревается, увеличиваясь в объеме. За счет этого увеличения отдельные слои жидкости отталкиваются от нагретой поверхности, на их место из удаленных участков среды поступают более холодные. Нагретая жидкость за счет уменьшения плотности поднимается вверх. Отрыв слоев жидкости сопровождается образованием вихрей, причем диаметр вихревых участков имеет величину нескольких миллиметров. Интенсивность теплопередачи отдельных участков поверхности одинакова.

В ряде случаев, кроме ламинарного и турбулентного режимов, различают переходный режим (рис.2.1.1,в), когда наряду с упорядоченным имеет место и вихревое движение. Отрыв жидкости от поверхности будет наблюдаться после сравнительно длительного нагрева, в течение которого слои жидкости перемещаются параллельно.

Рис. 2.1.1. Режим движения жидкости у поверхности стенки: а - ламинарный; б - турбулентный; в - переходный

Наибольший перенос тепла имеет место при турбулентном движении жидкости, наименьший при ламинарном движении.

Интенсивность теплообмена конвекцией характеризуется коэффициентом теплоотдачи , который представляет собой количество тепла, отдаваемого с единицы поверхности тела в единицу времени при разности температур между поверхностью и средой в один градус. Его размерность .

При конвективном теплообмене тела с окружающей средой у поверхности тела формируется тепловой пограничный слой, в пределах которого температура среды (жидкости, газа) изменяется от значения, равного температуре поверхности , до температуры окружающей средывдали от этой поверхности. Толщина этого пограничного слоязависит как от теплофизических свойств среды, так и от режима течения жидкости в пограничном слое, и выражается формулой

.