Назаров_Конструирование_РЭС (560499), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Данный случай отражает процесс теплообмена между внутренними, размещенными в корпусе, элементами конструкции РЭС засчет естественного движения газа (жидкости) в каналах теплообмена.Такими каналами являются воздушные прослойки между кожухом и нагретой зоной, зазоры между функциональными ячейками и т.п. Характер движения газа (жидкости) в каналах показан на рис. 5.4.Рис. 5.4. Характер движения теплоносителя в каналах теплообмена:а — конвективный поток в широком канале;б, в — локальные конвективные потоки в узких каналах;г — отсутствие конвекцииПроцесс конвективного теплообмена в ограниченном пространствеболее сложен, так как происходит одновременное нагревание газа178(жидкости), холодной стенки и охлаждение нагретой.
При этом эффективность конвекции зависит от разности температур нагретой и холодной стенок канала Δt и расстояния между стенками δ. Так, например, в воздушных прослойках толщиной более 10 мм конвекция наступает при перегреве Δt = 0,3°C. В прослойках до 10 мм конвективноедвижение воздуха наблюдается, если Δt > 5° С . В прослойках с толщиной менее 5 мм конвективный теплообмен возникает, если Δ t не ниже100°С. Для упрощения расчетов конвективного коэффициента теплопередачи в ограниченном пространстве предполагается, что тепло отнагретой стенки к холодной передается за счет теплопроводности среды,находящейся между стенками.
При этом теплофизические свойствасреды характеризуют эквивалентным коэффициентом теплопроводностиλэ = кпλ,(5.12)где kn=f(GrPr) — поправочный коэффициент на конвективный теплообмен в прослойке (коэффициент конвекции); λ — коэффициенттеплопроводности среды при среднеарифметической температуре поверхностей tCP = 0,5 (t1+t2);t1,t2— соответственно температуры нагретой ихолодной стенок.Соотношения для расчета коэффициента теплообмена в ограниченном пространстве получены[19] в результате моделированиятеплопередачи между поверхностями, разделенными газовой илижидкостной прослойкой толщиной δ, и в прямоугольном параллелепипеде, одна грань которогос размерами l1, l2 имеет температуру t1, остальные — температуруt2, причем t1 > t2 (рис.
5.5).Рис. 5.5. Моделирование ограниченногопространства:Эффективныекоэффициенты а —прослойка между плоскими стенкатеплопередачи в плоской, цилин- ми; б — прямоугольный параллелепипеддрической и сферической прослойках находят согласно выражениям:α КП =кП λ2 к П λd 22к П λ; α КЦ =; α КС =δδd 1d1 ln( d 2 / d1 )где d 1, d 2 — диаметры внутреннего и внешнего цилиндров (сфер).179Для неограниченных плоских, цилиндрических и сферических прослоек коэффициент конвекции кп= 1 при условии GrPr≤ 10 .
Еслипроизведение GrPr> 103 , то коэффициент конвекции приближенноможно найти по формулеkn = 0,18(GrPr)n,(5.14)где п = 0,25— показатель теплообмена.Эффективный коэффициент теплопередачи через воздушную прослойку в прямоугольном параллелепипеде (см. рис. 5.5) определяетсяиз выражения[]α К . П . = N 6.25 − 5.25(1 + δ / l1l 2 ) −5 / 3 B 4 ∆t / δ(5.15)где δ— толщина прослойки; N = 1 и N = 1,3 — коэффициенты длявертикальной и горизонтальной ориентации прослойки соответственно, причем в случае горизонтальной ориентации нагретая грань параллелепипеда находится внизу; В — коэффициент, зависящий от среднейтемпературы воздуха в прослойке tСР = 0,5 (t1 +t2).Значения коэффициента В приведены в табл.
5.3Таблица 5.3tср. 'СB00,63500,581000,562000,44В практических задачах расчета показателей теплового режима конструкций РЭС чаще приходится иметь дело с плоскими воздушнымипрослойками. Поэтому расчет эффективного коэффициента теплопередачи можно произвести по формулам (5.13) совместно с (5.14) или(5.15) в зависимости от принятой модели.Определение α к при вынужденной конвекции. Вынужденная конвекция обусловлена принудительным перемещением жидкости или газа относительно поверхности нагретого тела; появляется в результатеработы вентиляторов, воздуходувок, жидкостных насосов и т.п. Расчетконвективного коэффициента теплопередачи сводится к определениюрежима движения жидкости или газа и критерия Нуссельта.Режим движения жидкости (газа) зависит от критерия Рейнольдса:для ламинарного потока — Re < 2200, для переходного —2200 ≤Re ≤ 104 , длявихревого — Re ≥ 104 .
Ввиду того что переходный режим соответствуетотносительно малой области значений числа Рей180нольдса, расчеты теплообмена при вынужденной конвекции проводятдля двух режимов: ламинарного и вихревого. Переход от ламинарногорежима к вихревому определяют по значению критического числаReKp = 5·10-5.Скорость принудительного движения жидкости (газа), от которойзависит число Re, находят через объемный расход жидкости (газа) G vв системе охлаждения и площадь среднего сечения потока A ср :V=Gv/Acp.(5.16)Для систем принудительного воздушного охлаждения в качествепараметра A ср выступает средняя площадь сечения воздушногоканала,для жидкостного принудительного охлаждения — площадь сечениятрубы.В схеме расчета α к при вынужденной конвекции критерий Nu вычисляется через критерий Re.
Однако подход к определению критерияNu зависит как от режима движения жидкости (газа), так и от условийвзаимодействия потока и охлаждаемой поверхности. Поэтому выделяют вынужденную конвекцию при внешнем обтекании тел и вынужденную конвекцию в каналах и трубах. В свою очередь, при внешнем обтекании тел рассматривают случаи продольного и поперечного движенийпотока жидкости или газа.Анализ конвективной теплопередачи при продольном внешнемобтекании тел производится намодели в виде теплоотдающейстенки, ориентированной вдольпотока, движущегося со скоростью vРис. 5.6.
Продольноевнешнеепритемпературеtf (рис. 5.16).обтекание телаОпределяющим является размер стенкивдоль потока L.При ламинарном движении жидкости, когдаRеf<5·105 , выражение для расчета критерия Нуссельта имеет видNuf=0,66Ref0.5Prf.0.43(Prf/Prw ) 0.25,(5.17)где индексы f и w означают, что соответствующие критерии определены для температуры потока и температуры стенки. В выражении(5.17) влияние физических свойств жидкости и их зависимость от температуры учитываются параметром Prf.0.43 , а влияние направлениятеплового потока и род жидкости — параметром (Prf/Prw ) 0.25.181Для воздуха в широком диапазоне температур Prf=Prw = 0,7, поэтомуформула (5.17) преобразуется к видуNu f = 0.57 Re f(5.18)В случае вихревого движения жидкости (Ref≥5·105) расчет критерияНуссельта производится по формулеNuf = 0,031Re°'SPr°'43(Prf/Prw)0.25.(5.19)Преобразование (5.19) с учетом приведенного выше условия даетформулу расчета критерия Нуссельта при вихревом движении воздуха:Nuf=0,032Re0.8f(5.20)В приближенных расчетах формулы (5.17) и (5.19) можно использовать для анализа теплообмена цилиндрических поверхностей, омываемых продольным потоком жидкости [19].Поперечноедвижениепотокахарактерно для внешнего обтеканияобъемных тел различных геометрических форм воздухом.
В качестве определяющего размера тела принимаетсядлинаобтеканияLтелапотокомвоздуха. Длина обтекания для цилиндра ишарасоставляетL=0,5πd,дляпрямоугольногопараллелепипеда—L = a + b (рис. 5.7).Рис. 5.7. ВнешнееобтеканиеПри значениях числа Рейнольдсаобъемных тел: а —цилиндра;10 < Re < 105 приближенное выражение дляб — шара; в —расчета критерия Нуссельтаможет быть записано в видеNu f = 0.8 Re f(5.21)Формула (5.21) применяется при расчете конвективного коэффициента теплообмена тел, находящихся в замкнутом пространстве и омываемых поперечным потоком воздуха. Определяющий размер в этом случае находят согласно рис.
5.7, а скорость движения воздуха относительно поверхности тела определяется по формуле (5.16).Для конструкции РЭС с неупорядоченным расположением элементов площадь среднего сечения потока А C P и определяющий размер(длина обтекания) L могут быть оценены по формулам:182, ACP = AK (1 − K З ); L =nni =1i =1∑ Li S i / ∑ S i(5.22)где А к — площадь сечения кожуха конструкции в направлении, перпендикулярном потоку воздуха; KЗ = VЭJJ/VK — коэффициент заполнения; Vэл,VK — объемы элементов и кожуха конструкции соответственно; Li-, Si —длина обтекания и площадь теплоотдающейповерхности i-ro элемента.Анализ вынужденного конвективного теплообмена в каналах производится на модели, изображенной нарис.
5.8,а. Канал образован расположенными на расстоянии h друг отдруга плоскими гладкими стенками,на которых равномерно распределены источники тепла. По каналу протекает воздушный охлаждающий поток, объемный расход которого GV впоперечном сечении на входе в каналпостоянен.Исследованияпоказали[18,19],что на начальном участк е каналаx<lHформируетсяпрофильскорости и температуры потока, толщинапограничного слоя постепенно увеличивается от нуля до h/2. На этомРис.
5.8. Вынужденнаяучастке критерий Нуссельта и, слеконвекция вплоском канале: а —довательно, коэффициент теплопераспределениередачи стенок зависят от длиныскорости потока; б —канала х (рис. 5.8, б). При х ≥lH пограничные слои потока смыкаются,наступает режим стабилизированного движения воздушного потока,критерий Нуссельта принимает постоянное значение Nu ∞Изменение критерия Нуссельта по длине канала вызывает необходимость расчета среднего значения Ňu, с помощью которого определяется конвективный коэффициент теплопередачи.При ламинарном движении воздуха (Re < 2200) длина начальногоучастка канала lH = 0,01hRe, Nu ∞ = 4,12..
Среднее значение критерияНуссельта для канала малой длины (L к ≤l н) определяют по формуле [19]183Nu = 1.5 Nu ∞ l H / LK(5.23)Для длинных каналов (L к > l н)Nu = Nu ∞ (1 + 0.5l H / LK )(5.24)При вихревом режиме движения воздуха (l н = 40 h) Nu ∞ = 0,19Re0.8.Среднее значение критерия Нуссельта в случае L к ≤ l H находят какNu = 1,165 Nu ∞ (l H / LK )(5.25)если же L к > lH тоNu = Nu∞ (1+ 0.5lH / LK )В отличие от теплообмена в каналах теплообмен внутри трубы приламинарном потоке определяется факторами как вынужденной, так иестественной конвекции. Характерным размером служит внутреннийдиаметр трубы d, среднее число Нуссельта для воздуха по всей длинетрубы вычисляется по формуле [19]Nu = 0.133 ReGr 0.1 ⋅ K L ,(5.27)где KL — поправочный коэффициент на длину трубы, значения которого в зависимости от отношения длины трубы l к внутреннему диаметру d приведены в табл.
5.4.Таблица 5.4l/dKL11,921,751,44101,28151,17201,08301,05501,0При вихревом режиме движения теплоносителя коэффициент теплопередачи и эффективность теплообмена мало зависят от граничныхусловий на поверхности стенок канала или трубы. В то же время на теплообмен существенно влияют начальная турболизация потока и формавходной кромки канала. Эти условия определяют длину начальногоучастка тепловой стабилизации l н. В случае вынужденной конвекции втрубе диаметром d длина начального участка lH = ( 15...30)d Значениекритерия Нуссельта на стабилизированном участке в неограниченнойпрямой трубеNu ∞ = 0.023 Re 0.8 Pr 0.43 (Pr f / Prw ) 0.25(5.28)184В результате преобразования (5.28) получено [18, 19]справедливое для воды и воздуха соотношение для расчета среднегозначения конвективного коэффициента теплопередачи в изогнутой иограниченной трубе:a∞ = Zv0.8K'L(1 +1 .8d/R)/d0.2,(5.29)где Z — параметр, учитывающий физические свойстватеплоносителя;К'L — коэффициент, учитывающий ограничение длины трубы; R —радиус изгиба трубы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
