Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Механизмы теплообмена. Инженерные методы анализа теплового режима

 

Передача теплоты от нагретого тепла в окружающее пространство может осуществляться за счет теплопроводности, конвекции и радиации (лучеспускания).

Теплопроводность. Это способность тела передавать теплоту от точек с более высокой температурой к точкам с более низкой температурой. Мощность, отдаваемая за счет теплопроводности однородным телом, имеющим постоянное поперечное сечение:

,

где aТ – коэффициент теплопроводности зависящий от физических свойств материала, Вт/(м.град); S – площадь поперечного сечения тела, м2; l – его длина, м; Dt – разность температур между концами теплопроводящего тела, град.

Значения aТ для некоторых материалов приведены в табл. 1.

Входящий в формулу сомножитель aТS/l называют тепловой проводимостью, а обратную величину – тепловым сопротивлением RТ:

RT = l/(SaT).

Теперь формула может быть записана так:

РТ = Dt/RT.

Эта формула по своей структуре аналогична формуле закона Ома для цепи с электрическим током I = DU/R. Используя эту аналогию, можно для расчета теплового сопротивления пользоваться применяемыми в электротехнике формулами для параллельного и последовательного включения резисторов. Такой метод удобно использовать в тех случаях, когда теплопроводящее тело имеет неоднородную структуру.

Конвекция. Мощность (Вт), отдаваемая нагретой поверхностью за счет естественной конвекции, может быть определена по формуле

PK = aK(t – tокр)S,

где aК – коэффициент теплообмена между поверхностью и окружающей средой, Вт/(м2×град.); t – температура поверхности, град; tокр – температура окружающей среды, град; S – площадь нагретой поверхности, м2.

В этой формуле сомножитель l/(aKs) можно обозначить тепловым сопротивлением RT.

Значение aК зависит от большого количества факторов (вида окружающей среды, характера обтекания среды, давления и т. д.).

Радиация. Всякое нагретое тело отдает часть выделяемой в нем теплоты в виде лучистой энергии. Мощность, отдаваемая нагретой поверхностью за счет лучистой энергии, может быть определена по следующей формуле:

Рл= enC0s[(T/100)4 – (Tокр/100)4],

где Рл – излучаемая мощность, Вт; en – приведенная степень черноты; С0 – коэффициент излучения абсолютного черного тела: С0=5,67 Вт/(м2×град4); s – поверхность тела, м2; Т – температура нагретого тела, К; Токр – температура окружающих тел, К.

Коэффициент en зависит от относительной степени черноты e теплоизлучающих и окружающих тел, а также от их конфигурации и размеров.

Составив уравнение теплового баланса

Р = РТ + РК + РЛ,

где Р – мощность, выделяемая в нагретом теле, Вт; РТ, РК и РЛ – определены формулами, приведенными выше, можно определить установившееся значение температуры нагрева тела.

В реальных условиях теплообмен осуществляется одновременно двумя или тремя видами, что делает практически невозможным точный расчет температурного поля. Поэтому на практике расчет проводится, как правило, для одного наиболее эффективного вида теплообмена, не принимая во внимание все другие.

Техническая реализация системы охлаждения микроэлектронной вычислительной аппаратуры может быть осуществлена по одному из способов, приведенных на рис. 1.

· естественное воздушное в герметизированном корпусе;

· естественное в негерметизированном корпусе;

· принудительное воздушное в герметизированном

· принудительное воздушное в негерметизированном корпусе;

· естественное жидкостное;

· принудительное жидкостное;

· испарительное;

· излучением;

· основанное на эффекте Пельтье.

 


Рис. 1. Способы охлаждения микроэлектронной аппаратуры

а — охлаждение теплопроводностью; б —естественное воздушное в герметизированном корпусе; в —естественное в негерметизированном корпусе; г, а- принудительное воздушное в герметизированном и негерметизированном корпусе; г — естественное жидкостное; ж — принудительное жидкостное; з — испарительное; и — излучением; к — основанное на эффекте Пельтье; / — стенка прибора; 2 — интегральная схема; 3 — теплоотвод; -4 — печатная плата

 

Способы охлаждения могут быть охарактеризованы коэффициентом теплоотдачи [Вт/(м2 • град)], значения которого для различных систем охлаждения приведены в табл. 1.

Таблица 1

Система охлаждения Коэффициент теплоотдачи, Вт/м2 оС
Естественная, воздушная, Излучением 2–10
Принудительная воздушная 10–150
Естественная жидкостная 200–600
Принудительная жидкостная 300–3000
Испарительная 500–120000

Для стационарной электронной вычислительной аппаратуры используются в основном следующие способы: охлаждения теплопроводностью, воздушное естественное и принудительное, принудительное воздушное с дополнительным охлаждением жидкостью в трубопроводах.

Применение тепловых труб. В основу работы тепловых труб (ТТ) положены два физических явления: передача теплоты с потоком пара и капиллярный эффект (рис. 3). Процесс использования рабочей жидкости в испарительной части ТТ сопровождается большим поглощением теплоты, определяемым теплотой парообразования используемой жидкости. При этом давление в зоне испарения повышается. Под избыточным давлением, а с ним и тепловая энергия поступает в конденсационную часть ТТ. Стенки конденсационной части ТТ имеют более низкую температуру, что вызывает конденсацию пара, уменьшение его давления и выделение тепловой энергии. Испарение происходит при постоянной температуре и пар сохраняет эту температуру до встречи с более холодной поверхностью, а тем пература по длине ТТ стремится быть постоянной. Это и обусловливает высокую осевую теплопроводность ТТ. Возврат ко-денсированной жидкости происходит либо за счет применена циркуляционного насоса, либо с использованием гравитационна сил (термосифонный эффект), либо за счет капиллярного эффект. Капиллярный эффект проявляется в материале (фитиле) с малыми сообщающимися порами и хорошей смачиваемостью. Возникающие между жидкостью и стенками силы поверхностного натяжения заставляют жидкость двигаться в сторону испарительной части.. Работа таких ТТ не требует затраты внешней энергии и мало зависит от сил гравитации.

 

Рис. 2

Тепловые трубы могут служить эффективной заменой твердых теплоотводов при необходимости обеспечения минимальных перепадов температур. Например, ТТ длиной около 600 мм и диаметром 13 мм может передать ~ 200 Вт при температуре 100 оС. При этом падение температуры в процессе передачи теплоты составит около 0,5°С. Если для охлаждения использовать медный стержень тех же размеров, то при поддержании на концах разности температур ~ 70°С он смог бы передать лишь 0,5 Вт. Если же увеличить диаметр медного стержня до таких размеров, чтобы он мог передать мощность ~ 200 Вт, то масса составит около 25 кг. Укажем для сравнения, масса рассмотренной ТТ равна всего 350 г.

Использование термоэлектрических устройств охлаждения. Способ охлаждения, в основе которого лежит эффект Пельтье, используется в тех случаях, когда требуется термостабилизировать отдельные, чувствительные к температуре элементы или узлы или же когда использование других систем охлаждения, по каким-либо причинам нецелесообразно. Термоэлектрические устройства охлаждения — твердотельные приборы, не содержащие движущихся частей. Действие их основано на охлаждении или нагреве места контакта между двумя различными проводниками при прохождении по нему тока в определенном направлении. Скорости выделения или поглощения тепла пропорциональны току и зависят от температуры контакта

 

 

Рис. 3

Рассмотрим методы ориентировочного расчета теплового режима и выбора систем охлаждения стационарных ЭВМ, точность которых достаточна для этапов эскизного и технического проектирования.

 

Рис. 4

На начальном этапе после эскизной проработки конструкции блока ЭВМ способ охлаждения выбирается по графику на рис. 4. За основной показатель, определяющий области целесообразного применения способа охлаждения, применяется плотность теплового потока, проходящего через поверхность теплообмена:

где – суммарная мощность, рассеиваемая с поверхности теплообмена; – коэффициент, учитывающий давление воздуха (при атмосферном давлении к=1); –условная величина поверхности теплообмена:

Здесь , –горизонтальный и –вертикальный размер "больших" элементов или изделия ЭВА и –коэффициент заполнения при – объеме i-го элемента; n-число элементов в блоке ЭВА; V–объема, занимаемом изделием.

 

Вторым показателем может служить минимально допустимый перегрев элементов

где –минимальная температура корпуса наименее теплостойкого элемента в блоке; – температура окружающей среды, для естественного охлаждения , т. е. соответствует максимальной температуре окружающей среды.

После расчета плотности теплового потока, проходящего через поверхность теплообмена, выбора минимально допустимого перегрева элементов, по графику (рис. 4) определяют вид охлаждения устройства (1 – естественное воздушное в герметизированном корпусе, 2 – естественное в негерметизированном корпусе, 3 – принудительное воздушное в герметизированном, 4 –принудительное воздушное в негерметизированном корпусе). По графикам рис. 5 определяется перегрев воздуха Δtв.

В случае выбора способа охлаждения путем принудительной вентиляции воздуха необходимо оценить значение объемного расхода охлаждающего воздуха ΔGv по графику, приведенному на рис. 6.

 

 

Рис. 5 Рис. 6

Практика показывает, что аппаратуру в нормальных условиях при естественном| воздушном охлаждении может создавать тепловой поток до 0,25 Вт/см2 охлаждаемой поверхности при допустимом перегреве поверхности корпуса 30°С и максимальной температуре воздуха 50°С. При таких условиях блок объемом 1 дм3 площадью поверхности 600 см2 можно рассчитывать на мощность 15—30 Вт.

 

Выводы

1. Передача теплоты от нагретого тепла в окружающее пространство осуществляется за счет теплопроводности, конвекции и радиации

2. Охлаждение вычислительной аппаратуры может быть реализовано излучением, воздушным, жидкостным и испарительным способом

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Теплофизические свойства материалов. Влияние тепловых процессов на элементную базу и работоспособность РЭС | Символи
Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-07; Просмотров: 637; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.035 сек.