3.2. Теплообмен естественной конвекцией.
Элементы, выделяющие теплоту, называют источниками, поглощающие – стоками, а сам процесс передачи тепловой энергии – теплообменом.
Конвекция связана с движением жидкой или газообразной среды, соприкасающейся с твердым телом – элементом конструкции. Конвекция заключается в совместном действии теплопроводности среды, запасания энергии в ней и перемешивания среды. Конвекция может быть естественной и вынужденной. Естественная – обусловлена движением среды за счет разности плотностей холодной и нагретой областей. Вынужденная (принудительная) – за счет движения среды под действием вынуждающих сил.
Конвекция описывается законом Ньютона-Рихмана:
где:
– тепловая энергия,
передаваемая от i-го
тела к среде (и наоборот);
– удельная тепловая
проводимость (зависит от теплофизических
и кинематических параметров среды, а
также от формы, размеров элементов
конструкции и их ориентации относительно
потоков среды);
– площадь i-го
тела, находящаяся в контакте со средой.
При анализе теплообмена конвекцией используются следующие критериальные уравнения.
Критерий Нуссельта |
|
Критерий Прандтля |
|
Критерий Грасгофа |
|
Критерий Рейнольдса |
|
Где:
L – определяющий размер (например, высота стенки при продольном обтекании ее потоком среды);
g = 9.8 м/с2;
– коэффициент
объемного расширения среды [1/K];
– коэффициент
кинематической вязкости [м2/c];
– коэффициент
температуропроводности [м2/c];
V – скорость движения среды.
Естественная конвекция в неограниченном пространстве.
1
.
Теплообмен неограниченного цилиндра
(проводной
или струнный монтаж l/d>100)
При ламинарном режиме движения среды
,
где
– коэффициент, учитывающий теплофизические
параметры среды и являющийся функцией
температуры (берется из справочников).
2. Теплообмен плоской и цилиндрической стенок
,
если
(1)
иначе
, (2)
где A2,A3 – аналоги A1;
– коэффициент,
учитывающий отношение давление внутри
конструкции к давлению окружающей
среды;
– коэффициент
ориентации, учитывающий ориентацию
плоскости относительно потока среды.
Теплообмен конвекцией в каналах
К
анал
– область между двумя субблоками или
субблоком и стенкой блока или рамы.
Канал считают плоским и его размеры
принимают следующими:
,
где:
– суммарный объем
деталей, установленных на платах;
– размер платы в
направлении, перпендикулярном плоскости
чертежа.
Коэффициент теплообмена конвекцией не постоянен по высоте и ширине канала. В расчетах пользуются средними значениями, считая a и V (скорость) постоянными.
Естественная конвекция в канале. Среда – воздух
Если канал
ориентирован вертикально, скорость
движения воздуха постоянна по длине
канала и
,
то коэффициент теплообмена конвекцией
не зависит от координат:
4.1 Основные тенденции развития вт, влияющие на конструирование
1. Основная тенденция – повышение уровня интеграции элементной базы и её быстродействия.
2. Рост сложности аппаратуры и плотности её компоновки.
3. Снижение относительных габаритов активных элементов и энергетического уровня сигналов.
4. Рост удельной выделяемой мощности активных элементов.
5. Увеличение потерь быстродействия из-за задержек сигналов в линиях связи.