Тепловые воздействия и их характеристики. Тепловые модели блоков

46. Тепловые воздействия и их характеристики. Тепловые модели блоков

Теплофизическое конструирование – это обеспечение теплового установившегося режима, при котором температура внутри блока не превышает максимально допустимую температуру наиболее чувствительного элемента. Все ЭРЭ можно разделить на две группы: термоактивные элементы, которые выделяют тепло, не изменяя своих параметров и термочувствительные элементы, параметры которых изменяются с изменением температуры.

Методы переноса тепла:

1.  Кондукция – передача тепла в твёрдом теле за счёт молекулярного движения. Кондукция подчиняется закону Фурье: Q_T=(l/l_T)(T₁-T₂)S_T, где Q_T – мощность теплопередачи [Вт]; l – коэффициент теплопроводности [Вт/м×К]; Т₁ и Т₂ – температура нагретого и охлаждённого участка [K]; S_T – площадь теплопроводности [м²]; l_T – длина теплового пути [м]. Как правило, стремятся максимизировать Q_T, то есть увеличить теплообмен. Для увеличения мощности теплового потока необходимо:

1)  Иметь материалы с высоким коэффициентом теплопроводности (металлы);

2)  Обеспечить максимальную площадь теплопроводности, что достигается путём применения игольчатых и пластинчатых конструкций радиаторов;

3)  Добиться минимальной длины теплового пути от нагр. участка к охлаждённому;

4)  Получить максимальную разность Т₁ и Т₂, для чего с помощью криогенных устройств снижают температуру Т₂.

2.  Излучение – передача тепла посредством преобразования тепловой энергии в электромагнитную энергию инфракрасного диапазона. При встрече с преградой, такая энергия вновь преобразуется в тепловую. Излучение подчиняется закону Стефана-Больцмана: Q_л=a_л(T_К-T_С)S_л, где Q_л – мощность теплового потока [Вт]; a – коэффициент теплопередачи излучением [Вт/м²×К]; Т_К и Т_С – температура нагретого тела и охлаждающей среды [K]; S_T – площадь испускающей поверхности [м²].

Коэффициент теплопередачи излучением выражается следующей формулой:

где 5,67 – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела; e_п – приведённая степень черноты, зависящая от состояния поверхности металла (0<e_п<1). Приведённая степень черноты определяется излучающей и поглощающей поверхностями: e_п=[(1/e₁)+(1/e₂)-1]^-1. Если e₁>>e₂, то e_п»e₂; в случае, когда e₁ и e₂ стремятся к единице e_п»e₁×e₂.

Особенности использования теплового излучения:

1)  Тепловое излучение используется при теплоотводе от радиаторов. В этом случае радиаторы покрывают тёмной матовой эмалью для увеличения мощности потока;

2)  Для получения равномерного теплового поля внутри замкнутого объёма используются тепловые экраны. Поглощающие экраны выполняются из материалов, у которых значение e_п близко к единице. Отражающие тепловые экраны выполняют из светлых металлов с полированной поверхностью. Тепловые экраны могут применяться для защиты термочувствительных ЭРЭ;

3)  Для защиты теплоизлучающих объектов используются замкнутые сплошные экраны. Такие экраны применяются для мощных генераторных ламп и трансформаторов.

3.  Конвекция – это передача тепла в среде газа или жидкости, возникающая в результате соприкосновения с нагретыми или охлаждёнными телами. Q_К=a_К(T_К-T_С)S_К, где Q_К – мощность потока конвекции [Вт]; a – коэффициент теплопередачи конвекцией [Вт/м²×К]; Т_К и Т_С – температура нагретого тела и охлаждающей среды [K]; S_К – площадь поверхности конвекции [м²]. Конвекция бывает свободной и искусственной:

1)  Свободная конвекция имеет место при нагреве частиц и их естественном перемещении вверх. Нагретые частицы заменяются более холодными, за счёт чего происходит перемешивание среды;

2)  Искусственная конвекция – это принудительный вид охлаждения посредством интенсивного перемешивания теплопроводящей среды.

Различают три режима конвекции: ламинарный, переходный и турбулентный.

Под ламинарным режимом конвекции понимают тот режим, при котором частицы вдоль поверхности движутся параллельно друг другу, не образуя завихрений.