- •Тепловое проектирование радиоэлектронных средств
- •Введение
- •1. Влияние тепла и влаги на рэс и их элементы
- •1.1. Влияние температуры
- •1.2. Влияние влаги
- •2. Основы теплообмена
- •2.1. Теплообмен конвекцией
- •2.1.1. Основные положения
- •2.1.2. Теплообмен при естественной конвекции
- •2.1.2.1. Коэффициент теплоотдачи неограниченных цилиндров
- •2.1.2.2. Коэффициент теплоотдачи плоской (цилиндрической) поверхности
- •2.1.2.3. Коэффициент теплопередачи между двумя поверхностями
- •2.1.2.3.1. Коэффициент теплопередачи плоских неограниченных прослоек
- •2.1.2.3.2. Коэффициент теплопередачи ограниченных прослоек
- •2.1.3. Теплообмен при вынужденном движении жидкости
- •2.1.3.1. Коэффициент теплоотдачи при движении жидкости вдоль плоской поверхности
- •2.1.3.2. Коэффициент теплоотдачи при движении жидкости в трубах
- •2.1.3.3. Определяющий размер тел, принудительно омываемых потоком жидкости
- •2.2. Лучистый теплообмен (теплообмен излучением)
- •2.2.1. Основные понятия и определения
- •2.2.2. Законы теплового излучения
- •2.2.3. Лучистый теплообмен между телами
- •2.2.3.1. Лучистый теплообмен неограниченных поверхностей
- •2.2.3.2. Теплообмен излучением ограниченных поверхностей
- •2.2.3.4. Влияние экранов на теплообмен излучением
- •2.3. Теплообмен кондукцией (теплопроводностью)
- •2.3.1. Основные понятия. Закон Фурье
- •2.3.2. Уравнение теплопроводности Фурье
- •2.3.3. Тепловой поток через стенки
- •2.3.3.1. Плоская стенка
- •2.3.3.2. Цилиндрическая стенка
- •2.3.4. Температурное поле тел с внутренними источниками тепла
- •2.3.4.1. Плоская неограниченная стенка
- •2.3.4.2. Параллелепипед
- •3. Сложный теплообмен
- •3.1. Тепловой поток через стенки, разделяющие две среды
- •3.2. Тепловой поток в стержнях и пластинах
- •3.2.1.Тепловой поток в стержнях
- •3.2.2. Тепловой поток в пластинах
- •3.2.2.1. Пластина в виде диска
- •3.2.2.2. Прямоугольная пластина
- •3.3. Особенности теплообмена в условиях невесомости и пониженного атмосферного давления
- •4. Основные закономерности стационарных температурных полей
- •4.1. Принцип суперпозиции температурных полей
- •4.2. Температурный фон
- •4.3. Принцип местного влияния
- •4.4. Тепловые модели радиоэлектронных средств
- •4.5. Тепловые схемы системы тел
- •5. Анализ и расчет стационарных тепловых режимов рэс
- •5.1. Расчет теплового режима рэс в герметичном кожухе с крупными деталями на шасси
- •5.1.1. Расчет среднеповерхностной температуры кожуха
- •5.1.2. Расчет среднеповерхностной температуры нагретой зоны
- •5.2. Расчет теплового режима рэс с внутренней принудительной циркуляцией воздуха
- •5.3. Расчет теплового режима рэс кассетной конструкции
- •5.3.1. Расчет теплового режима рэс кассетной конструкции (группа а)
- •5.3.2. Расчет теплового режима рэс с воздушными зазорами между кассетами (группа б)
- •5.4. Расчет теплового режима вентилируемых рэс
- •6. Расчет нестационарных тепловых процессов
- •6.1. Охлаждение (нагревание) тел и системы тел без источников тепла
- •6.2. Охлаждение (нагревание) тел и системы тел c источниками энергии
- •6.3. Длительность начальной стадии
- •7. Системы обеспечения тепловыхрежимов рэс
- •7.1. Классификация сотр
- •7.2. Системы охлаждения рэс
- •7.2.1. Воздушные системы охлаждения рэс
- •7.2.2. Жидкостные системы охлаждения рэс
- •7.2.3. Испарительные системы охлаждения рэс
- •7.2.4. Кондуктивные системы охлаждения рэс
- •7.2.5. Основные элементы систем охлаждения рэс
- •7.2.5.1. Теплоносители
- •7.2.5.2. Теплообменники
- •7.2.5.3. Вентиляторы и насосы систем охлаждения
- •8. Специальные устройства охлаждения рэс
- •8.1. Тепловые трубы
- •8.2. Вихревые трубы
- •8.3. Турбохолодильники
- •8.4. Термоэлектрические охлаждающие устройства
- •9. Интенсификация теплообмена в рэс. Радиаторы и их расчет
- •9.1. Особенности теплообмена оребренных поверхностей
- •9.2. Рекомендации по конструированию радиаторов
- •9.3. Проектирование и расчет радиаторов
- •10. Теплообмен при кипении жидкостей и конденсации паров
- •10.1. Теплообмен при кипении жидкости
- •10.2. Теплообмен при конденсации паров
- •11. Влагообмен в рэс
- •11.1. Механизм поглощения влаги материалами
- •11.2. Основные закономерности переноса паров воды через полимерные материалы
2.1.2.1. Коэффициент теплоотдачи неограниченных цилиндров
Эта ситуация соответствует ламинарному режиму движения жидкости. Под неограниченными цилиндрами понимаются такие цилиндры, у которых длина во много раз больше диаметра (l>>d): выводы радиодеталей, некоторые типы резисторов, провода и т.д. Так как у нагретой поверхности не наблюдается вихреобразное движение, то определяющим размером считают диаметр проводника. Для ламинарного режима движения жидкости произведение критериев лежит в пределах ,n= 1/8,С = 1,18.
Подставляя n, C, , в выражение (2.1.6), получают выражение коэффициента теплоотдачи как функцию температуры и определяющего размера
, (2.1.7)
где А1- коэффициент, в который вошли все теплофизические параметры теплоносителя;d- определяющий размер (диаметр цилиндра), [м].
Коэффициент А1, как это следует из преобразования критериального уравнения, равен
. (2.1.8)
Его размерность равна . КоэффициентА1рассчитан и приведен в виде таблицы [9] для различных температур.
2.1.2.2. Коэффициент теплоотдачи плоской (цилиндрической) поверхности
Когда плоская (цилиндрическая) поверхность (стенка кожуха блока, поверхность радиатора и т.д.) находится в неограничен-ном пространстве, т.е. вблизи нее нет тел, влияющих на процесс теплообмена, коэффициент теплоотдачи можно определить аналогичным предыдущему случаю преобразованием критериального уравнения (2.1.6).
Когда произведение лежит в пределах (500…2·107), имеемС = 0,54 иn=1/4, т.е. теплообмен конвекцией подчиняется закону 1/4 степени. В этом случае после преобразования получают
. (2.1.9)
Аналогично для закона 1/3получают
, (2.1.10)
где коэффициенты А2в уравнении (2.1.9) иА3в уравнении (2.1.10), учитывающие теплофизические параметры среды, как следует из преобразования критериального уравнения, равны
, Вт / м7/4К5/4,(2.1.11)
, Вт / м2К4/3.(2.1.12)
Значение этих коэффициентов для различных температур расcчитаны и даются в таблицах [9].
Коэффициент ориентации Nв уравнениях (2.1.9) и (2.1.10) учитывает неодинаковые условия теплообмена различно ориентированных поверхностей. При расчетах используют эмпирически подобранные значения коэффициента ориентации:N= 1 для вертикально ориентированной поверхности,N= 1,3 для горизонтально ориентированной поверхности, обращенной нагретой стороной вверх, ,N=0,7 для горизонтальной поверхности, обращенной нагретой стороной вниз [9].
Закон теплообмена для плоской или цилиндрической поверхности, не вычисляя произведения , можно определить из неравенства, предложенного в [9]:
, (2.1.13)
где L- определяющий размер, [м].
Если неравенство выполняется, теплообмен подчиняется закону 1/4 степени, в противном случае имеет место теплообмен по закону 1/3 степени.
2.1.2.3. Коэффициент теплопередачи между двумя поверхностями
В рассмотренных выше случаях выражения для конвективных коэффициентов теплоотдачи получены в предположении, что нагретое тело находится в неограниченном пространстве: жидкость, нагреваясь у поверхности тела за счет конвекции, уносится в окружающую среду, охлаждение ее протекает где-то вдали и не влияет на процесс теплообмена.
В РЭС наблюдаются ситуации, когда жидкость после нагрева остается вблизи источника тепла, что влияет на тепловой режим РЭС. Например, в РЭС с герметичным кожухом воздух нагревается ЭРЭ. Полученное тепло воздух должен передать кожуху, поэтому температура воздуха внутри РЭС будет выше температуры кожуха и ниже температуры ЭРЭ. Анализ тепловых процессов указанной ситуации проведен с помощью так называемых прослоек [9]. Под прослойкой понимают модель, в которой тепло передается от более нагретой поверхности к менее нагретой через зазор между этими поверхностями. При этом считается, что жидкость не уходит за пределы зазора, что предполагает наличие дополнительных ограничивающих поверхностей, причем эти поверхности не поглощают тепло.
В прослойках процесс теплообмена принято рассматривать как процесс передачи тепла от одной поверхности к другой за счет некоторой эквивалентной теплопроводности средыλэ, заключенной между этими поверхностями. Другими словами, полагается, что прослойка между поверхностями представляет некоторую среду с коэффициентом теплопроводностиλэ(рис. 2.1.2).
Рис. 2.1.2.Прослойка с эквивалентной теплопроводностью
Приняв поверхности изотермическими, тепловая мощность, переносимая кондукцией от одной поверхности к другой через такую прослойку, в соответствии с (2.3.12) и (2.3.13), будет равна
, (2.1.14)
где t1, t2-температуры поверхностей;δиS- толщина прослойки и площадь поверхности.
Введя понятие конвективно-кондуктивного коэффициента теплопередачи , получим выражение, аналогичное закону Ньютона
. (2.1.15)
Если теплообмен идет только за счет теплопроводности жидкости, то , где - теплопроводность жидкости при температуре . Наличие в прослойке конвективных процессов увеличивает интенсивность теплообмена, поэтому выражение для конвективно-кондуктивного коэффициента теплопередачи записывают в виде
, (2.1.16)
где - коэффициент конвекции, показывающий, во сколько раз конвективные процессы увеличивают интенсивность теплообмена по сравнению с теплообменом только за счет теплопроводности жидкости.
В конечном итоге при определении тепловой мощности Р задача сводится к определению коэффициента теплопередачи.
Прослойки можно условно разделить на две группы: неограниченные, у которых зазор значительно меньше геометрических размеров поверхностейl1 и l2, и ограниченные, у них зазор соизмерим с размерамиl1 и l2.
Рис. 2.1.3.Неограниченная (а) и ограниченная (б) прослойки
Если от размеров l1 и l2перейти к эквивалентной величинеl=( l1·l2 ) 0,5, то прослойка считается неограниченной, если величина находится в пределах 0 <0,2. Для ограниченных прослоек величина лежит в пределах 0,2 <0,8 [9].