2. Основные теоретические положения теплообмена

2.1. Кондуктивный теплообмен

Тепловое сопротивление кондуктивной ветви

L

R_т =  ,

* F

где : L - длина пути теплового потока,

 - коэффициент теплопроводности материала,

F - площадь поперечного сечения теплового потока.

Рис. 2.1. Изображение кондуктивной ветви.

2.2. Конвективный теплообмен

Природа конвекции - перемешивание объемов с разной температурой, плотностью. Конвективный теплообмен происходит между твердым телом и газом или жидкостью. Конвективное сопротивление R_конв зависит от температурных напоров: чем больше разница, тем интенсивнее конвективный теплообмен; чем больше площадь поверхности, тем больше интенсивность теплообмена.

Рис. 2. 2. Модели конвективного теплообмена.

Рис.2.3. Коэффициенты для учета направления теплообмена.

На рисунке 2.2 показаны электротепловая (а) и тепловая (б) модели конвективного теплообмена. В электротепловой модели температура окружающей среды задается с помощью источника ЭДС. Конвективный теплообмен зависит от ориентации поверхности в пространстве. На рисунке 2.3 представлены коэффициенты, учитывающие ориентацию поверхности. Тепловое сопротивление конвективной ветви:

1

R_конв =  ,

_к* S

где:

t₁ - t₂

_к = к A₂(t₁,t₂) ( )^m ,

L₀

S - площадь поверхности,

_к - конвективный коэффициент теплообмена,

к - коэффициент ориентации поверхности в пространстве,

A₂ - коэффициент, зависящий от температуры поверхности (t₁) и температуры среды (t₂),

L₀ - определяющий (минимальный) размер поверхности в плане,

m – показатель степени (закон степени 1/8, 1/3 или 1/4).

Закон степени 1/8 - при охлаждении тонких, длинных стержней, режим - ламинарный, теплообмен незначительный.

Закон степени 1/4 - интенсивное ламинарное движение теплоносителя, теплообмен выше, чем в предыдущем случае.

Закон степени 1/3 - вихревое движение теплоносителя, теплообмен наиболее интенсивный из рассмотренных случаев.

R_конв рассчитывается в программе итерационным методом: задаемся R_конв, подставляем, рассчитываем тепловой режим (t₁), уточняем значение R_конв и т. д. до необходимой точности.

3. Задание для моделирования

Произвести моделирование теплового режима прямоугольной текстолитовой платы с заданными (по вариантам) размерами, выделяемой тепловой мощностью и температурой окружающей среды. Ориентация платы – горизонтальная. Источник тепловой мощности находится в центре платы. В результате моделирования найти распределение температурного поля по плате (в узлах модели).

При построении модели используются типы элементов, приведенные на рис.3.1. Буква и цифры до тире обозначают тип элемента, а цифра после тире обозначает номер ветви тепловой модели.

Рис. 3.1. Элементы тепловой модели.

Рис. 2.8. Тепловая модель.

Назначение типов элементов тепловой модели, приведенных на рис. 2.7:

0-базовый (нулевой узел); 1- узел, моделирующий температуру электронного элемента или окружающей среды; R2-2 – кондуктивное тепловое сопротивление элемента платы; P101-1- источник тепловой мощности; T – источник постоянной температуры окружающей среды; R26-1 тепловое сопротивление конвективной ветви плата-окружающая среда.

Плата имеет квадратную форму (для упрощения описания размеров).

При вводе описания кондуктивных тепловых сопротивлений (по материалу платы), расположенных внутри платы первый размер сечения задается равным ½ ширины (длины) платы, второй размер задается равным толщине платы. При вводе описания кондуктивных тепловых сопротивлений, расположенных по краям платы первый размер сечения задается равным ¼ ширины (длины) платы, второй размер задается равным толщине платы.

При вводе описания конвективных тепловых сопротивлений (из узлов модели в окружающую среду), расположенных внутри платы первый размер поверхности задается равным ½ ширины (длины) платы, второй размер задается также равным ½ ширины (длины) платы.

При вводе описания конвективных тепловых сопротивлений (из узлов модели в окружающую среду), расположенных по центрам краев платы (не в углах!!!) первый размер поверхности задается равным ½ ширины (длины) платы, второй размер задается равным ¼ ширины (длины) платы.

При вводе описания конвективных тепловых сопротивлений (из узлов модели в окружающую среду), расположенных в углах платы первый размер поверхности задается равным ¼ ширины (длины) платы, второй размер задается равным ¼ ширины (длины) платы.

3. Варианты заданий

№ по списку	Размеры (X, Y, толщина)[мм]			Выделяемая тепловая мощность [Вт]	Температура окружающей среды [C0]
	250	250	2	1.5	40
	220	220	2.5	1.2	45
	200	200	2.2	1.0	50
	175	175	1.5	0.8	55
	150	150	1.5	0.7	60
	250	250	1	1.4	65
	220	220	2	1.5	40
	200	200	1.7	1.2	45
	175	175	1.4	1.0	50
	150	150	1.5	0.8	55
	250	250	1.5	1.7	60
	220	220	2.3	1.4	65
	200	200	1.2	1.5	40
	175	175	2.6	1.2	45
	150	150	1.5	1.0	50
	250	250	1.5	0.8	55
	220	220	2	0.7	60
	200	200	2	1.4	65
	175	175	2	1.5	40
	150	150	1.5	1.2	45
	250	250	1.5	1.0	50
	220	220	2	0.8	55
	200	200	2	0.7	60
	175	175	2	1.4	65
	160	160	1.5	1.0	55