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.