Тепловые расчеты конструкций ЭВМ
Теплообмен в ЭВМ и способы передачи тепловой энергии.
Конвекция.
Основные понятия и критерии.
Перенос теплоты конвекцией связан с движением жидкой или газообразной
среды, соприкасающейся с твердым телом (элементом конструкции). Тепловая энергия
передается между телом и средой и в самой среде. Конвекция заключается в
совместном действии явлений теплопроводности среды, запасания энергии в ней
и ее перемешивания. Конвекция называется естественной, если осуществляется при
свободном движении среды за счет разности плотности холодной и горячей областей,
и принудительной, если движение среды происходит под действием внешних сил.
Теплообмен конвекцией описывается законом Ньютона-Рихмана, согласно
которому тепловой поток от поверхности твердого тела к среде или наоборот (Вт)
Фi=αic(θi-θc)Si, (6.12)
где αic - коэффициент теплообмена конвекцией между поверхностью тела и
средой, Вт/(м2*К); θi и θc - температуры поверхности тела и среды; Si -
площадь поверхности теплообмена тела, м2.
Из (6.1) и (6.12) получим
Fic=1/(αicSi). (6.13)
Если тепловой поток Фic при движении от тела к среде не меняется, то
Ric=Fic и σic=αicSi. (6.14)
Часто тепловая энергия передается от поверхности i к поверхности j через
жидкую или газообразную прослойку,тогда тепловой поток
Фi,j=ki,j(θi-θj)Si, (6.15)
где ki,j - коэффициент теплопередачи в прослойке, Вт/(м2*K).
Если между поверхностью i и j нет источников и стоков тепловой энергии, то
Ri,j=1/(ki,jSi); (6.16)
σi,j=ki,jSi. (6.17)
Коэффициенты теплообмена конвекцией αic и теплопередачи в прослойке ki,j
являются функциями физико-механических и кинематических свойств жидкости или
газа, а также параметров, характеризующих форму и размеры поверхностей.
Рассмотрим выражения для определения коэффициента αic некоторых типичных
элементов конструкции электронной аппаратуры.
При анализе процессов теплообмена конвекцией используют критерии Нуссельта,
Грасгофа, Прандтля, Рейнольдса:
Nu=αicL/λc; (6.18)
Gr=g*βc*(θi-θc)*L3/γc2; (6.19)
Pr= γc/ac; (6.20)
Re=vL/γc, (6.21)
где L - определяющий размер элемента конструкции (длина обтекания,
например, длина пластины или цилиндра. Для тел сложной конфигурации
рассчитывают
среднюю длину обтекания, зависящую от коэффициента заполнения
объема);λс,βc,γc,ac - соответственно коэффициенты теплопроводности,
объемного расширения жидкости или газа (1/К),кинематической вязкости (м2/c) ,
температуропроводности (м2/c); g - ускорение силы тяжести, м/с2 ; v -
скорость потока жидкости или газа, м/с.
Основные физические параметры и критерий Прандтля для сухого воздуха при
Н=101 кПа и воды на линии насыщения при различных температурах приведены в
таблице 3.