Естественное и воздушное принудительное охлаждение

Принцип охлаждения естественной конвекцией основан на том, что слои воздуха (или другой среды), нагреваясь от выделяющего теплоту корпуса и обладая вследствие этого меньшей плотностью и большей кинетической энергией, пере­мещаются вверх и замещаются более холодными слоями. Чем больше объем замещаемого воздуха, тем лучше тепло­обмен. Эффективность теплообмена естественной конвекцией зависит от места расположения элементов в объеме машин. Так, при вертикальном расположении ячеек с микросхемами воздушному потоку ничего не препятствует, и теплые слои воздуха быстро заменяются холодными. При горизонтальном расположении плат ячеек смена слоев воздуха затруднена, вследствие чего нагрев элементов происходит в большей сте­пени. В худшем положении будут элементы, находящиеся в верхней части корпуса машины, так как здесь замещения теплых слоев холодными практически не происходит и их охлаждение осуществляется только за счет теплоотдачи через холодную крышку.

В общем, виде для случая естественной конвекции тепловой поток может быть рассчитан по выражению

Ф = f (Nu, Cr, Рг, Re, Pe, Fo, Bi)SDt

где S— площадь поверхности аппарата, м²; Dt - разность темпе­ратур, К; Nu, Gr, Рг, Re, Ре, Fo, Bi — соответственно критерии Нуссельта, Грасгофа, Прандтля, Рейнольдса, Пекле, Фурье и Био, определяемые по выражениям Nu=a_k l/l_c;

Gr= gbl³Dt/n²; Pг =Gnr/l_c; Re = vl /n; Pe = vl /a; Fo = at /l²;Bi=a_kl/nl_T

При этом а_к —коэффициент теплообмена при конвекции газа (жидкости), Вт/(м²-К); L—длина, м;

l_c —коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м • К);

g—ускорение центра масс, м/с²;

Р —коэффициент объемного расширения среды, 1/К;

n —коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

G— поток газа (жидкости) массовый, кг/с; объемный, м³/с;

r—плотность газа (жидкости), кг/м³;

v—скорость движения газа (жидкости), участвующего в конвекционном обмене, м/с; а- коэффициент температуропроводности газа (жидкости), м²/с;

t— время, с;

l_T —коэффициент теплопроводности тела, Вт/(м•К).

Примечание. Физический смысл перечисленных выше критериев следующий: Nu характеризует соотношение интенсивности конвективного теплообмена и теплопроводности в простеночном слое газообразной или жидкой среды; Gr — соотношение подъемной и вязкой сил при свободной конвекции в потоке газа (жидкости); Рг — физические свойства среды; Re — соотношение сил инерции и трения в потоке теплоносителя; Ре — отношение конвективного и молекулярного переноса теплоты в потоке среды; Fo - cкорость изменения температурного поля тел во времени; Bi—связь между icm температур твердого тела и условиями теплообмена на его поверхности. Связь между критериями выражается степенным критериальным уравнением.

Nu=cCr^mPrⁿRe^lPe^pF₀^qBi^sk_доп

где с, т, п, I, р, q, s - числовые безразмерные величины, соответствующие Определенному виду и режиму движения среды и некоторому диапазону изменения определяющих параметров; k_дon - коэффициент, учитывающий влияние дополнительных факторов.

Термин критериальные уравнения означает, что на первом этапе рассчитывают значения критерияев. На основе критериев определяют методику расчетов (набор формул). Таких методик достаточно много и в этом направлении продолжаются исследования.

Дата добавления: 2014-12-08