Литература: 1 Алексеев В. Ф. «Принципы конструирования и автоматизации проектирования рэу» уч пос. Мн, бгуир, 2003 2 «Действие проникающей радиации на изделия электронной техники» В. М. Кулаков, Ладыгин, Шаховцов и др

Вид материала

Литература

Содержание Перенос энергии в виде теплоты Тепловое излучение Тепло- и влагостойкость элементов Практические примеры расчёта параметра лямбда Типовые задачи тепло- и массообмена в РЭА Интегральных схем Источники теплоты в РЭА Факторы, влияющие на тепловой режим Для обеспечения теплового и влажностного режимов обычно принимают следующие меры Перенос тепловой энергии конвекцией Закон Ньютона-Рихмана Коэффициент теплоотдачи α Пограничный слой Режимы движения жидкости Значения некоторых коэффициентов теплоотдачи приведены в таблице Критериальные уравнения Расчётные формулы теплоотдачи различных тел в неограниченном пространстве Естественная конвекция в ограниченном пространстве Теплообмен при кипении Теплообмен при конденсации ... Полное содержание

Подобный материал:

• Курсовой проект по дисциплине «Основы проектирования и конструирования», 63.79kb.
• Советом бгуир 25. 06, 309.69kb.
• Методические указания по выполнению лабораторно практической работы расчет надежности, 151.69kb.
• Положение по предоставлению скидок на изделия медицинской техники (мониторы медицинские, 14.01kb.
• Материалы и элементы электронной техники, 35.61kb.
• Программа составлена так, что в полном объеме представлен маршрут проектирования, 70.02kb.
• Программа дополнительной подготовки по направлению «Энерго- и ресурсосберегающие процессы, 88.13kb.
• И границы применения вы­числительной техники для автоматизации проектирова­ния определяются, 291.49kb.
• План лекции 1 (2ч.) Технология процесса проектирования и сапр. Предпосылки к автоматизации, 41.54kb.
• С. П. Алексеев; худож. Н. Андреев. М. Дрофа, 2003. 80 с ил. (Честь и отвага), 336.53kb.

Перенос энергии в виде теплоты

- теплопроводность

- конвекция

- тепловое излучение


Теплопроводность – молекулярный перенос теплоты в сплошной среде, вызванный разностью температур.


Конвекция – процесс переноса теплоты при перемещении макроскопических объёмов жидкости или газа из областей с одной температурой в область с другой, при этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом вещества.


Процессы конвекции сопровождаются теплопроводностью, этот совместный процесс называется конвективный теплообмен.


Тепловое излучение – процесс переноса теплоты, обусловленный превращением внутренней энергии вещества в энергию излучения, переносом её в вид электромагнитных волн и поглощением веществом.

Перенос вещества происходит с помощью диффузии и конвективного массообмена.


Диффузия – молекулярный перенос вещества в среде, вызванный разностью концентраций (концентрационная диффузия), температур (термодиффузия) или давлений (бародиффузия).


Конвективный массообмен – перенос вещества, вызванный совместным действием конвективного переноса вещества и молекулярной диффузии.


Тепло- и влагостойкость элементов

- радиодетали электрорадиоматериалы обладают ограниченной теплостойкостью, т.е. могут нормально работать лишь в заданном диапазоне температур.

- для практической оценки пользуются понятием надёжности, как свойства РЭА выполнять заданные функции в определённых условиях эксплуатации.

Плотность распределения наработки до первого отказа:

(1)

Для большинства элементов РЭА зависимость с учётом влияния только температуры можно аппроксимировать формулой.


Практические примеры расчёта параметра лямбда

Введём параметр изменения интенсивности отказов Δλ

(2)

-Δλ характеризует изменение интенсивности отказов элементов РЭА при изменении температуры окружающей среды на 10К

- Δλ отказов РЭА от температуры определяется также числом элементов каждого типа.

- нестабильность параметров элементов из-за воздействия температуры составляет 60-70%.

- из-за совместного воздействия температуры и влажности 95-98% от общей нестабильности.


Типовые задачи тепло- и массообмена в РЭА

1. Проектирование элементов: зависимость между габаритами, конструктивным оформлением, условиями эксплуатации элементов, электрическими (статическими и динамическими) характеристиками, условия теплового пробоя, надёжность работы.
   
2. Интегральных схем: компактное размещение пассивных и активных элементов.
   
3. Конструкция РЭА: способы охлаждения, т.е задание суммарной рассеиваемй мощности, диапазона возможного изменения температуры окружающей среды. влажности, давления, времени непрерывной работы, габаритов помещения, допустимой температуры элементов.
   

Алгоритм решения:

1. Оценочные расчёты (по условиям эксплуатации)
   
2. Выбор системы охлаждения блока РЭА (принуд. естесств.)
   
3. Выбор типа устройства охладжления:
   

- требует проведения серии тепловых и гидравлических расчётов с учётом промышленной номенклатуры устройств.

- на этапе проектирования необходимо определить влажность внутри отдельных областей блока и оценить возможность конденсации влаги на поверхностях элементов.

4. Обоснование размещения плат внутри блока и элементов на каждой плате (анализ температурного поля блока, электрические, механические, функциональные расчёты, связанные с основным назначением РЭА).

Решение подобных задач может быть осуществлено на основе системного подхода с применением системы автоматизированного проектирования.


Источники теплоты в РЭА

Потребляемая радиодеталями электроэнергия  электрические устройства и радиодетали (электромагнитная, механическая, тепловая и другие виды энергии; полезный сигнал (5-10%); теплота)


Факторы, влияющие на тепловой режим

1. Первичные
   

- изменение температуры окружающей среды

- внешние тепловые потоки

2. Вторичные

- давление внутри корпуса РЭА

- наличие невесомости

- влажность

- запыленность


Радиоэлектронные комплексы по условиям эксплуатации:

1. Стационарные (ΔТ в помещении от +5 до +50 С)
   
2. Наземные передвижные (ΔТ в -60 до +60)
   
3. Корабельные
   

–закрытые отсеки

–палубные надстройки

4. Самолётные (ΔТ ограничено кондиционерами)
   
5. Ракетно-космические
   

Понятия нормального теплового и влажного режимов РЭА

- совокупность температур всех радиодеталей, из которых собран аппарат, т.е. его температурное поле, характеризует тепловой режим аппарата.

- значение влажности воздуха в различных областях РЭА определяют его влажностный режим.


Для обеспечения теплового и влажностного режимов обычно принимают следующие меры:

- Предусматривают специальные средства охлаждения отдельных радиодеталей и аппаратуры в целом и меры для уменьшения влажности.

- термостатируют узлы и блоки, используют устройства для защиты от влаги.

- в зависимости от ожидаемых температур и влажности выбирают определённые типы радиодеталей, а также конструкции РЭА.

- изменяют схему прибора для уменьшения мощности тепловыделения на деталях.


Для обеспечения теплового режима применяют различные типовые элементы и устройства систем охлаждения, а именно: радиаторы, нагнетатели, теплообменники, тепловые трубы, вихревые трубы, микрохолодильники, термостаты, термоэлектрические и криогенные устройства.


Перенос тепловой энергии конвекцией


Теплоотдача при свободном движении жидкости

Под термином жидкость (если это специально не оговорено) будем понимать, как капельную жидкость, так и газ, причём жидкость может быть сжимаемой (газ) и несжимаемой (капельная жидкость).

Теплообмен между потоками жидкости и поверхностью соприкасающегося с ним тела называется конвективным теплообменом (конвективной теплоотдачей).


Закон Ньютона-Рихмана

Тепловой поток dФ от жидкости к элементу поверхности dA (или в обратном направлении) пропорционален площади элемента поверхности и разности температур.



α – коэффициент теплоотдачи

dФ – тепловой поток

dA – элемент поверхности

Δt – разность температур.



dФ/dA=q

Если параметры α и Δt не изменяются от точки к точке поверхности, то закон Ньютона-Рихмана записывается в интегральной форме:



Коэффициент теплоотдачи α

Величина, которая численно характеризует плотность теплового потока, которая рассеивается с поверхности твёрдого тела при разности с окружающей средой в 1°К. В СИ единицей является Вт/(м²*К) .


Пограничный слой

При соприкосновении частиц жидкости с поверхностью тела они адсорбируются телом, как бы прилипают к его поверхности. В результате около поверхности вследствие вязкостных свойств образуется тонкий слой медленно движущейся жидкости – пограничный слой.

Пограничные слои:

- гидродинамический (если температура между средой и жидкостью примерно одинакова)

- тепловой (возникают в результате взаимодействия 2х сред с различными температурами)

РИС1.4

Гидродинамический пограничный слой – это пристенный слой жидкости толщиной δ, в котором происходит изменение скорости движения жидкости от нулевой (на поверхности тела) до значения v₀ – скорости основного потока жидкости.

Пристенный слой жидкости толщиной δ, в котором происходит измeнение температуры от её значения t_п на поверхности тела до температуры t₀ основного потока жидкости, называют тепловым пограничным слоем жидкости.

δ – такое расстояние от стенки, на котором скорость потока v будет отличаться от скорости v₀ набегающего потока, например, на 1%. В общем случае величины δ и δ_t не совпадают.


Режимы движения жидкости

- ламинарный

- турбулентный

При ламинарном движении отдельные струи потока располагаются параллельно друг другу.

При турбулентном потоке отдельные струи хаотически переплетены друг с другом.

РИС1.5

Характер режима течения зависит от нескольких параметров жидкости:

- вязкость μ

- плотность ρ

- скорость течения и размер тела, вдоль которого течёт эта жидкость.

Между частицами и слоями реальной жидкости, движущимися с различными скоростями, вследствие вязкости всегда возникает сила внутреннего трения (касательные напряжения), противодействующая движению.



dn – изменение концентрации частиц

Переход из турбулентного течения в ламинарное и обратно количественно характеризуется так называемым числом Рейнольдса – Re. При обтекании пластины при значении числа Рейнольдса Re>5*10⁵ возникает турбулентность.

Зарождение турбулентности зависит от возмущений в потоке, которые могут существовать на подходе к передней кромке пластины к области самой кромки.


Значения некоторых коэффициентов теплоотдачи приведены в таблице:

Свободная конвекция:

в газах:……………………………………………………………………………2-10

в масле и других жидкостях той же плотности……………………………….200-300

в воде……………………………………………………………………………..200-600

Вынужденная конвекция:

в газах:…………………………………………………………………………...10-100

в масле и других жидкостях той же плотности………………………………300-1000

в воде…………………………………………………………………………….1000-3000

Кипение воды……………………………………………………………………….......5000-45000

Кольцевая конденсация водяных паров……………………………………………….4000-12000

Конденсация органических паров……………………………………………………..500-2000


Критериальные уравнения

Свойства среды для явления свободной конвекции описываются следующими параметрами:

- коэффициент термического расширения среды β;

- теплопроводность λ;

- теплоёмкость с_p;

- плотность ρ;

- динамическая вязкость μ или u=μ/p

На основе теории подобия можно объединить физические и геометрические параметры в безразмерные комплексы, тот же процесс можно описать не десятью, а следующими тремя комплексами: числом Нуссельта Nu, числом Грассгофа Gr, исло Прандтля Pr:







Уравнение подобия или критериальное уравнение:

Nu=F(Gr,Pr)

Расчётные формулы теплоотдачи различных тел в неограниченном пространстве

Известен ряд зависимостей для коэффициента теплоотдачи тел с одним определяющим размером (вертикальные плиты, бесконечно длинные проволоки, трубы и шары).

Широкое распространение получила формула:



Постоянные c и n зависят только от режима движения (аргумента (Gr*Pr))

(Gr*Pr)m c n Режим движения

1*10^-5 0,50 0,00 Плёночный

1,1*10^-5-5*10^-2 1,18 1/8 Переходный к ламинарному

5*10²-2*10⁷ …


Если определяющий размер L и разность температур удовлетворяют неравенству



то расчёт конвективного коэффициента теплоотдачи следует проводит по формуле:



Если неравенство не удовлетворяется


Естественная конвекция в ограниченном пространстве

Средний коэффициент конвекции

Описание процесса теплообмена в ограниченном замкнутом пространстве проводят с помощью критериального уравнения



Тепловой поток для прослоек различной формы заполненных твёрдым материалом, рассчитывается как:




Если ширина канала h существенно меньше длины участка D, то такой участок можно представить как плоский канал с гладкими стенками. На участке В движение становится более сложным и можно выделить 3 зоны:




зону 1 циркуляционного движения во впадине, зону 3 случайного движения, промежуточную зону 2 между ними.



Из рисунка видно, что для глубоких или широких впадин характерно образование вторичных циркуляционных токов.


Теплообмен при кипении

Теплообмен при кипении жидкостей на поверхностях нагрева твёрдых тел часто встречается в электронной технике.

Кипение – процесс образования пара при нагревании жидкости, при этом возникают новые свободные поверхности раздела жидкой и паровой фаз внутри жидкости.

Температура образующего газа – температура насыщения, определяется давлением, при котором находится кипящая жидкость.

На участке, неопределённо примыкающем к поверхности нагрева, температура жидкости может на расстоянии нескольких миллиметров измениться на десятки градусов.

Обычно температуру жидкости у стен принимают равной температуре стенки, а в удалённых от стенки областях – температура насыщения.

Перегрев жидкости вблизи стенки оказывается возможным из-за отсутствия постоянной поверхности раздела жидкости и пара.

На поверхности или вблизи неё возникают пузырьки. При этом центром парообразования могут служить шероховатости поверхности нагрева, пузырьки воздуха или газа, выделяющегося из жидкости, стенки, места случайного скопления молекул загрязнения и т.д.

Размеры пузырька быстро растут, и под влиянием подъёмной силы и конвективных токов он поднимается к свободной поверхности жидкости.

Температурный напор определяет механизм парообразования и интенсивность теплообмена.

Рассмотрим процесс кипения на примере опыта. Погруженная в воду при 100°С платиновая проволока нагревается проходящим через неё электрическим током.




Обоасть А – отсутствие парообразования или слабое образование пузырей. Здесь справедливы законы свободной конвекции некипящих жидкостей;


Б – пузырьковое кипение, при котором пар образуется в виде периодически зарождающихся и растущих пузырей, при этом интенсивно отводится теплота от поверхности кипения (рис. а);



В – нестабильное плёночное кипение. Как на поверхности нагрева, так и вблизи неё пузырьки сливаются между собой, образуя большие паровые полости, в отдельных местах поверхности возникают «сухие» пятна, и эти участки выключаются из теплообмена. Происходит резкое снижение теплового потока, температура проволоки повышается. Область В весьма неустойчива и не представляет большого интереса для технических приложений.

Г – стабильное плёночное кипение, вся поверхность нагрева покрывается сплошной плёнкой нара, испарение жидкости происходит на границе жидкость-пар, вызывая увеличение толщины паровой плёнки до тех пор, пока пар не отрывается от неё в виде беспорядочной массы пузырьков неправильной формы.

Максимальную тепловую нагрузку при пузырьковом кипении называют первой критической плотностью теплового потока и обозначают q_кр1, а соответствующий температурный напор – критическим температурным напором. Для воды в точке акр1 =900 кВт/м², температурный напор равен 30 кВт/(м²К).

При обратном снижении q коэффициент теплоотдачи α по-прежнему сохраняется небольшим при значительно меньшей тепловой нагрузке.

Это указывает на значительную устойчивость плёночного режима кипения жидкости при снижении тепловой нагрузки.

Можно говорить о двух критических плотностях теплового потока q_кр1 – переход от пузырьков к плёнке (а) и q_кр2 – разрушение сплошного парового слоя и восстановление пузырькового режима кипения (в).

В областях между критическими точками возможно существование обоих процессов кипения на разных частях одной и той же поверхности нагрева.

Минимальную тепловую нагрузку при плёночном режиме кипения называют второй критической плотностью теплового потока и обозначают q_кр2.



Критическая тепловая нагрузка определяется свойствами жидкости, скоростью потока, давлением, состоянием поверхности, условиями её смачиваемости и т.д.

На практике широко применяются методы отвода теплоты при кипении жидкости, движущейся внутри труб или каналов.

В этих случаях описанные выше процессы остаются в силе, но появляется ряд новых особенностей.

Важное значение приобретает характер распределения паровой и жидкой фаз внутри внутри трубы в виде однородной эмульсии (рис. а) и в виде двух самостоятельных потоков воды и пара (рис. б).



Из-за сложного взаимного влияния характера смеси, скорости движения, диаметра трубы и её ориентации, состояния поверхности тела простых и универсальных зависимостей получить не удалось.

При проектировании ракетно-космических систем, где происходят фазовые превращения жидкости, необходимо учитывать особенности теплообмена в условиях переменной гравитации.


Теплообмен при конденсации

10.11.2010

Основным элементом замкнутых испарительных систем охлаждения РЭА являются теплообменные устройства . В испарительной системе промежуточный теплоноситель (жидкий диэлектрик) превращается в пар, отбирая при этом теплоту от нагретой детали аппаратуры. Затем этот пар переносится к теплообменнику и далее в теплообменнике отдаёт теплоту при конденсации. Образовавшийся конденсат под действием силы тяжести возвращается назад в блок.


пар







θ


пар

θ






Характер конденсации пара на твёрдых поверхностях

При соприкосновении пара с твёрдой поверхностью, температура которой t_wн, происходит конденсация пара на стенках.

Выделяют капельную и плёночную конденсацию. В первом случае конденсат осаждается в виде отдельных капель, а во втором случае в виде сплошной плёнки. Характер конденсации зависит от угла смачивания (краевого угла). При θ->0 происходит полное смачивание. Если θ≤90°, происходит неполное смачивание. Если θ→180°, то происходит полное несмачивание.

Совершенно чистые поверхности металлов хорошо смачиваются водой. Загрязнённые смачиваются не полностью или вообще не смачиваются. В случае выпадения на чистую металлическую поверхность, капли воды растекаются по поверхности, и, сливаясь вместе, образуют плёнку. В стационарном режиме, фиксированном в месте поверхности, толщина плёнки постоянна. Связано это с тем, что количество стекающей жидкости равно количеству образующегося конденсата (термодинамическое равновесие), а пар при этом отделён от металлической поверхности сплошной плёнкой.

При углах θ>90°, мельчайшие капли, покрывающие поверхность, локализованы. При дальнейшей конденсации происходит образование новых капель и рост старых капель. В дальнейшем, отдельные капли сливаются, образуют ручейки, двигаются в место с наименьшей потенциальной энергией, но часть твёрдой поверхности при этом продолжает непосредственно омываться паром.

Чистая, но плохо смачиваемая металлическая поверхность, со временем покрывается оксидной плёнкой, а это в свою очередь приводит к тому, что поверхность становится смачиваемой, что приводит к плёночной конденсации.

Коэффициент теплоотдачи при капельной конденсации в 5..10 раз выше, чем при плёночной. Однако выгода капельной конденсации водяного пара реализуется на практике в редких случаях. Т.к. для водяного пара трудно предсказать, когда будет проходить капельная конденсация, то рекомендуется все расчёты производить по выражениям, полученным для плёночной конденсации. В конденсаторах (местах, куда поднимается пар) происходит плёночная конденсация паров. Исключением являются конденсаторы ртутного пара, в которых обычно имеет место капельная конденсация. У паров металлов различия в интенсивности теплообмена при плёночном и капельном типах конденсации стираются, т.к. термическое сопротивление жидкой металлической плёнки весьма мало.


1








2





δ




Плёночная конденсация на вертикальной стенке

1 – область ламинарного движения

2 – область турбулентного движения

В верхней части плёнки наблюдается ламинарное движение, в нижней может возникнуть турбулентное. Переход от ламинарного движения плёнки к турбулентному возникает тогда, когда число Рейнольдса превышает критическое значение.

_>Re_кр=400

ν – кинематическая вязкость жидкости

Для ламинарного движения жидкости было получено аналитическое выражение для коэффициента теплоотдачи при плёночной конденсации.





r – скрытая теплота парообразования. [Дж/кг]

ρ – плотность жидкости [кг/м³]

λ – коэффициент теплопроводности жидкости [Вт/м*К]

h – высота стенки, м

ν – вязкость

Δt – разность температур


При наклоне стенки следует брать вертикальную составляющую силы тяжести и формулу теплоотдачи стенки, наклонённой к горизонту.



Для горизонтальной трубы диаметром d, коэффициент теплоотдачи будет определяться выражением



,более точное выраж получ при обобщении опытных данных на основе теории подобии.