Назаров_Конструирование_РЭС (560499), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Как правило, эти тела имеют различные теплофизические параметры и четко ограниченные границы и называются неоднородными телами. В отличие от неоднородных тел тела с одинаковыми теплофизическими параметрами называют однородными. Последние, в свою очередь, подразделяются на изотропные и анизотропные.Изотропными называют тела, физические параметры которых вовсех точках тела одинаковы.Анизотропными называют тела, теплофизические параметры которыхразличны по направлениям осей координат.Между телами (элементами), составляющими конструкцию, происходит теплообмен, т.е.
перенос тепловой энергии из одной части конструкции в другую или в окружающую среду. Тепло передается от нагре" тых тел к телам с более низкой температурой.Часть конструкции РЭС, в которой сосредоточены источники тепловой энергии, называется нагретой зоной (шасси с расположеннымина нем элементами, блоки функциональных узлов и др.)В конструкциях (в общем случае в однородных и неоднородных телах) можно выделить поверхности, в любой точке которых температуры одинаковы или условно одинаковы.
Такие поверхности принято называть изотермическими.Теплообмен между нагретыми телами и окружающей средой, т.е.между конструкциями и средой, количественно характеризуется тепловым потоком и его плотностью.Тепловым потоком называется количество тепла Q, передаваемоеот тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой (в общем случае к среде) в единицу времени т, т.е.P = Q/t.Тепловой поток, отнесенный к площади изотермической поверхности, называют плотностью теплового потока172q = Q/(τS)=P/S,где S — площадь изотермической поверхности.В общем случае теплообмен осуществляется с помощью трех видовпередачи тепла: теплопроводностью, конвекцией и излучением.5.1.2.
Передача тепла теплопроводностьюТеплопроводностью (кондукцией) называют перенос тепловойэнергии при соприкосновении частиц вещества или отдельных тел,имеющих разные температуры.Процесс передачи тепловой энергии теплопроводностью обычносвязывают с твердыми телами, но при определенных условиях он наблюдается также в жидкостях и газах.При математическом описании процесса теплопередачи принято считать,что теплообмен происходит между изотермическими поверхностями, причемизотермическая поверхность с большейтемпературой отдает тепло изотермическим поверхностям с меньшей температурой.Если температурное поле изменяетсятолько в одном направлении (рис. 5.1), Рис.
5.1. Передача теплато полный тепловой поток Р, передавае- в изотропном твердом телемый от изотермической поверхности 5 jк изотермической поверхности S 2 , на основании закона Фурье можетбыть записан в видеPT =λS(t1 − t 2 )l(5.1)где λ — коэффициент теплопроводности материала; S — площадьсредней изотермической поверхности : S = 0,5 (S1+S2);t1 , t2 — температурыизотермических поверхностей S1,S2;l=x2—x1 — расстояние междуизотермическими поверхностями.Произведя замену λ /l = а т, из (5.1) получим:PT = αTS(tl-t2),(5.2)где а т — коэффициент теплопередачи кондукцией.Значения коэффициентов теплопроводности наиболее распространенных конструкционных материалов приведены в табл.
П.З приложения.1735.1.3. Передача тепла конвекциейПроцесс теплообмена между поверхностью твердого тела с температурой t1 и некоторой газообразной или жидкой средой с температуройt2=tc oбусловленный естественным или принудительным перемешиванием среды около поверхности, носит название конвективноготеплообмена.Полный тепловой поток, отдаваемыйизотермической поверхностью S среде засчет конвекции (рис.
5.2), определяется всоответствии с законом Ньютона следующим образом:Pk= αkS(tl-t2),(5.3)где αк — коэффициент конвективного теплообмена.Рис. 5.2. ИзменениеКоэффициент α к представляет собой тепловойтемпературы у поверхности тела при поток с единицы поверхности твердого тела вконокружающую среду при разности температурмежду телом и средой в один градус.В общем случае αк зависит от температур t1 и t2 и ряда физическихконстант среды:αk=f(t1.
t2, β, λ., Ср, v, a,g, Ф),где β — коэффициент объемного расширения среды (жидкости или газа), К-1; λ. — коэффициент теплопроводности, или просто теплопроводность среды, Вт/(м • К); СP — удельная теплоемкость среды при определенном давлении, Дж/(кг • К); v — коэффициент кинематическойвязкости среды, м2 /с; g — ускорение силы тяжести, м/с2 ; а = λ./СP ρ —температуропроводность среды, м2 /с; р — плотность среды, кг/м3;Ф — совокупность параметров, характеризующих форму и поверхностьтел.Зависимость физических констант среды от температур t1.и t2 ибесконечное разнообразие форм поверхности нагретых тел исключаютвозможность получения табличных значений конвективных коэффициентов теплопередачи как теоретическими, так и экспериментальнымиметодами.Поэтому для определения αк используются основные положениятеории подобия. Согласно этой теории сложные процессы характеризу174ются не отдельными частными параметрами, а обобщенными, представляющими собой безразмерные комплексы размерных физических величин.
Если значения обобщенных параметров находятся в определенномдиапазоне величин, то процессы (явления) считаются подобными. В теории теплообмена используются четыре обобщенных параметра (критерия), каждый из которых выражается через определенное количествофизических параметров среды. Знание критериев позволяет без особыхзатруднений найти α к .Критерии подобия (критериальные уравнения). Для определенияконвективного коэффициента теплопередачи в условиях естественнойи принудительной (вынужденной) конвекции достаточно определить:критерий Нуссельтаα L(5.4)Nu = kλгде L — определяющий геометрический размер тела (внутренний диаметр трубы, высота цилиндра или вертикальной стенки, наименьшаясторона горизонтально расположенной поверхности и т.п.);критерий ГрасгофаL3( t1 − t 2 )v2(5-5>Pr =va(5.6)Re =vLv(5.7)Gr = β gкритерий Прандтлякритерий Рейнольдсагде v — скорость движения газа или жидкости при вынужденной конвекции.Из (5.4) видно, что коэффициент α к выражается через критерийНуссельта.
В зависимости от условий конвективного теплообмена α копределяется одним из рассматриваемых далее способов.Определение αк при естественной конвекции в неограниченномпространстве. Данный случай характерен для теплопередачи от корпуса блока или устройства в окружающую среду. Критерий Нуссельта вычисляется с помощью соотношения175Nu = C(GrPr)n,(5.8)где С и п — показатели теплообмена, которые приведены в табл. 5.1.Таблица 5.1(GrPr)^-31010 ...5·1025·102...2·1072·107... 103-3Сл0,51,180,540,13601/81/41/3Режим движения газа (жидкости)Пленочный потокЛаминарныйПереходныйВихревой (турбулентный)Показатель степени п характеризует режим движения газа (жидкости).
Виды потоков, соответствующих различным значениям, условнопоказаны на рис. 5.3.Рис. 5.3. Характер движения теплоносителя у поверхности нагретых тел:а — пленочный поток; б — ламинарный поток; в — переходный режим;г — вихревой режим176С увеличением п поток становится менее направленным и болееинтенсивным и передача тепла увеличивается.
Интенсивность теплопередачи в значительной мере зависит от температуры поверхности тела,физических свойств среды и в меньшей степени — от объема и формытела.Таким образом, для определения α к при_естественной конвекции^неограниченном пространстве необходимо:в табл. П.5 приложения взять значения физических констант средыдля средней температурыtcp = 0,5(f1 + fc),рассчитать критерий Gr и Рr и найти их произведение:из табл. 5.1 определить показатели теплообмена, по формуле (5.8) —критерий Nu и с помощью формулы (5.4) — коэффициент α к .Применение критериальных уравнений при анализе теплообменател в случае естественной конвекции в неограниченном пространствепозволяет получить формулы для непосредственного определенияконвективного коэффициента теплопередачи в воздушной среде. Телаограничиваются плоскими, цилиндрическими и сферическими поверхностями.
Каждое тело характеризуется определяющим, размером L иориентацией поверхности в пространстве — коэффициентом N.Если определяющий размер L и разность температур поверхноститеплообмена и окружающей среды t1 -1 c удовлетворяют неравенству(tl-tc)<[840/(L-10-3)]3,(5.9)то движение воздуха подчиняется закону степени 1/4 (переходный режим), в противном случае имеет место теплообмен по закону степени1/3 (вихревой режим).Расчет конвективного коэффициента теплопередачи для переходного режима производят по формулеαк = (1,42+1,4.10-3t ср) N[(t1-t с)/L,]1/4,(5.10)для вихревого режима — по формулеαK = (l,67+3,6.10-3tcp)N(t1-tc)1/3,(5.11)где t ср = 0,5 (t1 +t c) — средняя температура окружающей среды.Значения коэффициента N приведены в табл.
5.2177Таблица 5.2Вид поверхностиОпределяющийразмерСферическая, горизонтальные цилиндры ДиаметрВертикальные пластины и цилиндрыВысотаГоризонтальные пластины,рассеивающие Максимальныйпотоки:вверх,внизразмерЗначениеN1,01,01,30,7Формулы (5.9)—(5.11) позволяют при анализе теплового режимаконструкций РЭС в форме прямоугольного параллелепипеда представить кожух моделями горизонтальных и вертикальных пластин и рассчитать конвективный коэффициент теплопередачи от каждой стенкикожуха.Определение αк при естественной конвекции в ограниченном пространстве.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
