Анализ способов распространения теплоты в эа

Различают три способа распространения теплоты в пространстве: теплопроводностью, тепловым излучением, конвекцией.

Теплопроводность – распространение тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц или тел, имеющих разную температуру.

В соответствии с гипотезой Фурье количество теплоты d²Q проходящее через элементарную площадку изотермической поверхности dS за промежуток времени dt определяется как

,

где  - теплопроводность; n₀ – единичный вектор нормали к площадке dS;

– температурный градиент. Отрицательный знак обусловлен тем, что тепло распространяется ₁ точек с большей температурой к точкам с малой температурой, т.е. противоположно градиенту температуры.

Изотермическая поверхность – где все точки имеют одинаковую температуру.

Для большинства веществ в определенном диапазоне температуры теплопроводность зависит от температуры линейно, т.е.

,

где ₀ – теплопроводность при  = ₀;  - температурный коэффициент теплопроводности.

Тепловой закон Ома

,

где Ф = Ф₀  S;  - длина пути потока Ф; R_т – термическое сопротивление.

Тепловое излучение – распространение внутренней энергии тела путем электромагнитных волн. Совокупность процессов взаимного излучения, поглощения, отражения и пропускания энергии в системе различных тел называют теплообменным излучением, лучеиспусканием или радиацией.

В общем случае плотность собственного излучения подчиняется закону Стефана-Больцмана

,

где Р – плотность теплового потока;  – коэффициент излучения тепла (0    1); Т – температура, ⁰К.

Тепло, отдаваемое телом при тепловом излучении, зависит от четверной степени абсолютной температуры нагретой поверхности.

Конвекция – распространение теплоты при перемещении объемов жидкостей или газов в пространстве из областей с одной температурой в области с другой температурой.

Различают естественную и вынужденную конвекцию. При естественной конвекции движение происходит за счет выталкивающих (Архимедовых) сил, возникающих из-за различных плотностей холодных и горячих частиц жидкости или газа. При вынужденной конвекции жидкость или газ движется за счет внешних сил (под действием насоса, вентилятора). Охлаждение воздушное, водяное. Движение ламинарное (параллельно степени канала), турбулентное (хаотическое, неупорядочное). Лучшая отдача тепла от труб с жидкостью при ее турбулентном движении.

,

где К_т – коэффициент теплоотдачи – определяется эмпирически. Он зависит от многих факторов, в том числе:

- температуры, вязкости и плотности окружающей среды;

- скорости, вынужденного движения среды;

- формы, охлаждаемой поверхности и ее расположения относительно потока охлаждающей среды;

- температуры, охлаждаемой поверхности.

Кроме допустимой температуры стандартами установлена температура окружающей среды. Для большинства ЭА при расчете длительных режимов работы температура окружающей среды (воздуха) принимается равной +40⁰С.

Для уменьшения мощности источников теплоты в ЭА:

- применяют проводниковые материалы с малым удельным сопротивлением;

- при резко выраженном поверхностном эффекте используют трубчатые проводники, чем достигается более равномерное распределение плотности тока по сечению;

- при наличии составных шин их располагают таким образом, чтобы поверхностный эффект и эффект близости оказывали возможно меньшее влияние на мощность источников потерь;

- в конструкции на токоведущих частей вместо ферромагнитных используют неферромагнитные материалы – немагнитный чугун, латунь, бронза;

- применяют к.з. витки на пути магнитного потока в ферромагнитной детале.

После возможного уменьшения мощности источников теплоты следует выявить пути уменьшения максимальной температуры в аппарате за счет увеличения коэффициента теплоотдачи – К_т или площади охлаждения – S_охл. Такой способ уменьшения температуры называется идентификацией охлаждения.

Увеличения коэффициента теплоотдачи осуществляется различными способами:

- окраской нагреваемых частей краской, имеющей больший коэффициент излучения , чем поверхность, которая не окрашена; вынужденной конвекцией, жидкостным охлаждением.

Увеличение площади охлаждения достигается увеличением геометрических размеров аппарата, или применением радиаторов охлаждения, т.е. искусственным увеличением площади охлаждающей поверхности.