Конструювання обчислювальної техніки (стр. 3 из 14)

- коефіцієнт конвективної тепловіддачі, .

Формула Ньютона виглядає як лінійна функція, але справа в тому, що коефіцієнт конвективної тепловіддачі складним чином суттєво залежить від багатьох теплофізичних та гідродинамічних факторів. Коефіцієнт конвективної тепловіддачі розглянемо як функцію

, (1.14)

де

- температура тіла;

- температура середовища;

- коефіцієнт термічного розширення середовища;

- теплопровідність середовища;

- теплоємність середовища;

- коефіцієнт динамічної в’язкості середовища;

- густина середовища;

- визначальний розмір тіла;

- прискорення земного тяжіння.

В залежності від конкретних умов (1.14) може набути досить простого вигляду. Теорія подібності дає ряд критеріїв, які дозволяють класифікувати задачу визначення αK по значеннях цих критеріїв. Формула (1.14) в залежності від конкретних умов набуває декількох характерних форм, кожна з яких значно простіша базової формули.

1.6.2 Вільна конвекція в необмеженому просторі

Значення αK в першу чергу залежить від стану граничного шару рідини. Для тіл з одним визначальним розміром L (вертикальні плити, стінки, довгі провідники) широкого застосування набула емпірична формула:

,

деPr- число Прантля,

, ;

Gr- число Грасгофа,

;

Nu- число Нуссельта,

;

c, n – емпіричні коефіцієнти;

m – індекс, який означає, що фізичні параметри рідини беруться для середньої температури

. (1.15)

В залежності від значення комплексного критерію

розрізняють чотири типових ситуації, які характеризуються певним режимом руху рідини та значеннями С і n (таблиця 1.1).

Таблиця. 1.1.

Режими руху рідини

№	Значення	c	n	Режим руху рідини
1		0,5	0	Плівковий
2		1,18	1/8	Перехідний до ламінарного
3		0,54	1/4	Ламінарний
4		0,135	1/3	Турбулентний

Формула (1.15) універсальна в тому розумінні, що стосується різних середовищ (повітря, водень, вуглекислий газ, мастила тощо). Нас ця формула цікавить з точки зору застосування до електронних схем, тобто коли середовищем є повітря.

Форма поверхонь тіл зводиться до трьох базових поверхонь: площина, сфера, циліндр.

Ці поверхні характеризуються одним визначальним розміром L та орієнтацією поверхні в середовищі (повітрі). Орієнтація характеризується значенням параметра N. Основні випадки орієнтації поверхні наведемо у вигляді таблиці 1.2.

Чотири характерні режими конвективної тепловіддачі пов’язують зі значенням емпіричного індексу n і називають законом ступеня n. Розглянемо кожний з чотирьох законів та дамо відповідні формули визначення конвективної тепловіддачі.

Таблиця 1.2.

Орієнтація поверхні в середовищі

№	Поверхня та орієнтація	L	N
1	Горизонтальний циліндр	d – діаметр	1,0
2	Вертикальна пластина чи циліндр	H – висота	1,0
3	Горизонтальна пластина: а) нижня площинаб) верхня площина	Lmin - мінімальний розмір площини	0,71,3

Закон ступеня нуль. Біля поверхні тіла утворюється майже нерухома плівка нагрітого повітря. Теплообмін відбувається практично за рахунок теплопровідності. Такий режим теплообміну має місце при незначних перепадах температур (θ=Т-ТС) для тіл з малими розмірами та плавними формами.

Закон ступеня 1/8. Такий закон має місце при відносно невеликих перепадах температур для тіл з малими розмірами та різкими формами. Наприклад, при охолодженні тонких довгих стержнів. Режим руху теплоносія - перехідний до ламінарного. Інтенсивність теплообміну незначна. Має місце формула:

, (1.16)

де d - діаметр стержня;

. (1.17)

Закон ступеня 1/4. При цьому законі на поверхні тіла відбувається ламінарний рух. Здійснюється значний конвективний теплообмін. Така картина спостерігається біля ребер радіаторів, на поверхні плоских та циліндричних апаратів середнього розміру. Має місце формула:

, (1.18)

де L - визначальний розмір, м;

N - параметр, що визначає орієнтацію тіла;

. (1.19)

Закон ступеня 1/3. При цьому законі на поверхні тіла відбувається інтенсивний турбулентний рух теплоносія і відбувається інтенсивний теплообмін. Коефіцієнт конвективної тепловіддачі визначається за формулою

, (1.20)

. (1.21)

Для визначення коефіцієнта а3 можна скористатись спеціальною таблицею.

Найбільш часто зустрічаються саме закони ступеня 1/4 та 1/3. Тому особливого значення для плоских і циліндричних поверхонь набуває спосіб швидкого визначення ступеня n:

якщо , то n=1/4;

якщо

, то n=1/3, (1.22)

де визначальний розмір L береться в м.

Приклад 1.1. Корпус електричного приладу (рис.1.7) має розмір паралелепіпеда L1 = 0,3 м, L2 =0,4 м, Н = 0,2 м,

. Знайти теплову потужність корпусу при конвективній тепловіддачі.

а) б)

Рис.1.7. Корпус приладу та його теплова модель

Через грані паралелепіпеда паралельно протікають шість теплових потоків. Оскільки бокові поверхні мають однаковий визначальний розмір і розташовані вертикально, то їх можна об’єднати в одну поверхню. Теплове коло (рис.1.7 б) є паралельним з’єднанням трьох теплових опорів: Rбок, Rкр, Rдно.

Конвективна провідність системи визначається як сума трьох провідностей:

,

де

Розглянемо дно і кришку:

; ;

, тому n=1/4.

Оскільки визначальні розміри бокових граней менші визначального розміру дна і кришки, то теплообмін по всіх гранях має ступінь n=1/4. Отже маємо такі дані для визначення коефіцієнтів конвективної тепловіддачі бокових граней, кришки та дна відповідно:

.

Згідно формули (1.18) та формули (1.19)

;

;