Способы теплопередачи

Физический перенос тепла от нагретой к холодной зоне РЭА осуществляется несколькими способами: теплопроводностью кондукционным способом, тепловым излучением и конвекцией.

Теплопроводность имеет место при передачи тепла от одного тела к другому, находящегося с ним в непосредственном контакте. Этот процесс передачи тепла определяется законом Фурье и для количественного значения переносимого теплового потока Q_т выражается соотношением

S_T, где

a_Т – коэффициент теплопроводности материала, - длина пути теплового потока, S _Т - теплопроводящая площадь; Т₁, Т₂ - соответственно температура нагретого и холодного тела.

Из приведенного выражения следует, что при разработке АРЭО необходимо теплопроводящие системы выполнять короткими, в соединениях деталей обеспечивать тепловой контакт по всей площади, а материалы выбирать с большим коэффициентом теплопроводности. Тепловое излучение представляет собой передачу тепловой энергии в виде электромагнитных колебаний. Вначале тепловая энергия нагретого тела переходит в лучистую энергию и распространяется в окружающее пространство. Далее при встрече с другим телом лучистая энергия нагревает его, превращаясь в тепло. Теплопередача излучением Q_l определяется законом Стефана-Больцмана и в общем виде выражается соотношением

S_l,

где a_l - коэффициент теплопередачи излучением; Т_к,, Т_с – соответственно температура излучающей и нагреваемой поверхности; S_l - площадь излучающей поверхности.

Коэффициент теплопередачи излучением определяется выражением

где 5,67 – коэффициент излучения абсолютно черного тела; e- степень черноты излучающей поверхности.

С учетом приведенных выражений закон излучения тепла можно представить в следующем виде.

Лучистая энергия не только поглощается поверхностью, но и отражается ею. Степень поглощения или отражения зависит от состояния излучающей или поглощающей поверхности.

Отвод тепла теплоизлучением широко используют в АРЭО. Так, например, в целях защиты теплочувствительных пассивных элементов от перегрева в блоках используют теплопоглощающие или теплоотражающие экраны. Первые имеют матовую оксидированную поверхность черного цвета. Вторые имеют глянцевую, зеркальную или полированную поверхность светлых тонов. Использование экранов позволяет не только снижать местные перегревы в блоках, но и выравнивать температурное поле внутри прибора.

Теплопередача конвекцией происходит в среде газа, воздуха или жидкостей, соприкасающихся с нагретыми или охлажденными поверхностями твердого тела.

Процесс теплопередачи конвекцией определяется законом Ньютона

где Q_K – мощность, передаваемая в виде тепла; l_K - коэффициент теплопередачи конвекций; S_K - площадь теплоотводящей поверхности; Т_С – температура окружающей среды. Различают конвекцию свободную (естественную) и принудительную.

Свободная конвекция имеет место при нагреве частиц газа или жидкости, находящихся в непосредственном контакте с нагретым телом. Здесь нагретые частицы окружающей среды постоянно перемещаются вверх и заменяются более холодными, отчего происходит непрерывное перемешивание среды.

Искусственная конвекция относится к принудительному виду охлаждения и происходит за счет интенсивного перемешивания теплонесущей среды или механического замещения ее.

Для случая естественной конвекции коэффициент теплопередачи может быть представлен как функция

где Т_к – температура нагретой поверхности твердого тела; Т_С температура холодной среды (газа, жидкости); b - коэффициент объемного расширения среды; a - коэффициент температуропроводности жидкости; l - коэффициент теплопроводности среды; С_р – удельная теплоемкость среды; n - коэффициент кинематической вязкости среды; q – ускорение силы тяжести; ф – размер охлаждаемого тела и состояние поверхности.

Из обозначенной функциональной зависимости видно, что количество аргументов – параметров процесс охлаждения велико и сам процесс оценивать достаточно сложно. Поэтому коэффициенты теплопередачи удобнее определить не этими параметрами, а связанными с ними критериальными уравнениями, полученными из теории подобия. Критериальные уравнения подробно описаны в литературе [6], [7].

Конструктора РЭА, в большинстве случаев, должен удовлетворять расчет с точностью до 10 – 15 %, основанный на принципе подобия. Такой расчет носит оценочный характер и позволяет установить исходные параметры конструкции.

Дата добавления: 2015-05-29