Исследование и расчет радиаторов. Передача тепла теплопроводностью, конвекцией и излучением. Тепловая модель радиатора

Лабораторная работа № 2К

Исследование и расчет радиаторов

1.Цель работы

На основе расчета уровня перегрева при заданной мощности, выделяемой навесным компонентом, выбрать конструкцию радиатора, определить теплоотвод от элемента и  варьируя параметрами радиатора получить эффективную конструкцию.

2. Краткие теоретические сведения и исходные данные

Основное назначение программы - проведение лабораторных исследований при выполнении лабораторной работы по циклу конструирования электронной аппаратуры. Варьирование исходными данными позволяет провести исследования всего комплекса задач проектирования и найти наиболее рациональный вариант, удовлетворяющий требованиям задания.

2.1. Основы расчёта радиатора

В кондуктивных системах охлаждения функции теплообменников с окружающей средой часто выполняют радиаторы  - элементы системы охлаждения с развитой поверхностью теплообмена. Поверхность теплообмена радиаторов увеличивается за счёт их оребрения. С поверхности рёбер тепловой поток передаётся в окружающее пространство конвекцией и излучением. При этом величина теплового потока определяется выражением:

, где  - коэффициент теплопередачи;  - коэффициент эффективности ребра;  - площадь поверхности радиатора; t – средне поверхностная температура радиатора; t_C – температура окружающей среды.

Эквивалентный коэффициент теплопередачи  обусловлен кондуктивной теплопередачей через слой краски или покрытия на поверхности радиатора, а также конвективной теплопередачей и излучением с поверхности. Таким образом,

, где  - коэффициенты теплопередачи конвекцией и излучением;  - коэффициент теплопроводности покрытия;  - толщина покрытия.

Коэффициент эффективности ребра характеризует температурный перепад по высоте ребра h :

, где  - параметр, характеризующий форму ребра (, U – периметр сечения ребра,  - коэффициент теплопроводности материала ребра, F – площадь поперечного сечения ребра).

Если на поверхности нет оребрения, то коэффициент эффективности ребра К_Р=1.

Конвективный коэффициент теплопередачи  определяется по критериальным уравнениям (6.4) и (6.5). При этом характерный размер конструкции радиатора L=b/2, где b – расстояние между ребрами.

Для пластинчатого радиатора с вертикально ориентированными ребрами критерий Нуссельта рассчитывается по формулам:

 при GrL/D<7;

 при ;

 при , где D – длина ребра радиатора .

Коэффициент теплопередачи излучением  находят по формулам.

Расчет радиаторов заключается в определении параметров конструкции при заданном перегреве поверхности (проектный расчет) или в определении перегрева поверхности при известных геометрических размерах радиатора (поверочный расчет). Задача решается методом последовательных приближений.

Передача тепла теплопроводностью.

Теплопроводностью (кондукцией) называют перенос тепловой энергии при соприкосновении частиц вещества или отдельных тел, имеющих разные температуры. 

При математическом описании процесса теплопередачи принято считать, что теплообмен происходит между изотермическими поверхностями, причем изотермическая поверхность с большей температурой отдает тепло изотермическим поверхностям с меньшей температурой.

Улучшить передачу тепла от теплонагруженных элементов к более холодным и  теплоемким деталям конструкции можно за счет снижения тепловых сопротивлений.

Малые тепловые сопротивления внутренних участков блока от корпуса ко всем элементам конструкции способствуют выравниванию температуры внутри блока, что приводит к повышению надежности аппаратуры.

В некоторых случаях передача тепла теплопроводностью единственно возможна (например, в геометрических блоках при высокой плотности заполнения). Большое значение имеют тепловые контакты в соединительных узлах компонентов с радиаторами.

Если между металлическими поверхностями находится изоляционная прокладка, лак, краска, то тепловое сопротивление увеличивается в сотни раз.

Кондуктивные цепи передачи тепла содержат два вида тепловых контактов: неразъемные и разъемные . Неразъемные тепловые контакты характерны для конструкций электронных функциональных узлов и представляют собой звено теплопередачи от тепловыделяющего компонента к теплоотводящей шине или металлической пластины . Разъемные тепловые контакты (тепловые разъемы) обеспечивают сток тепла с тепловых шин и металлических оснований на теплообменник.

Передача тепла конвекцией.

Процесс теплообмена между поверхностью твердого тела с температурой t₁ и некоторой газообразной или жидкой средой с температурой t₂= t_c, обусловленный естественным или принудительным перемешиванием среды около поверхности, носит название конвективного теплообмена.

Передача тепла излучением.

Процесс теплообмена излучением основан на способности твёрдых, жидких