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 от 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 [1]. 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 средыλ_э, заключенной между этими поверхностями. Другими словами, полагается, что прослойка между поверхностями представляет некоторую среду с коэффициентом теплопроводностиλ_э(рис. 2.1.4).

Рис. 2.1.4. 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, (рис. 2.1.5,а) и ограниченные, у них зазор соизмерим с размерамиl₁ и l₂(рис. 2.1.5,б) [1].

Рис. 2.1.5. Неограниченная (а) и ограниченная (б) прослойки

Если от размеров l₁ и l₂ перейти к эквивалентной величине l = (l₁·l₂)^0,5, то различие прослоек можно сформулировать более корректно. Для неограниченной прослойки будем иметь 0 <0,2. Для ограниченных прослоек эта величина лежит в пределах 0,2 <0,8 [1].