传热学理论基础.ppt

电子设备热设计 第二篇传热学基础理论 2 热设计的基础理论 导热导热及其基本规律 导热的基本方程 热阻及热电模拟关系 导热问题的方程求解对流换热对流的基本概念及其影响因素 对流换热基本规律 对流换热系数的确定 对流换热的实验关系式 辐射换热热辐射的基本概念 黑体表面之间的辐射换热 形状系数的确定 灰体表面之间的辐射换热 遮 隔 热板的效用 3 传热学基本概念 温度 物体大量分子运动的宏观结果 平均动能的标志 热量 表征物体内能变化的物理量 温度场 某个瞬间 空间各点的温度分布 它属于数量场 如温度 密度 电位场 等 4 等温面 在温度场中 同一时刻温度相同的各点连线称为等温线 由等温线构成的面为等温面 温度梯度 沿等温面法线方向的温度增量与法向距离之比的极限 称为温度变化率 与面积垂直 稳定温度场与瞬态温度场 5 导热 因物质的原子和分子之间的随机运动而导致的从高能级 低能级的一种能量传输过程 简单地说 导热的产生必需具备二个条件 和相互接触 1822年法国数学家J Fourier 研究了固体的导热现象后 提出 物质在纯导热时 通过垂直于热流方向的面积 dA 的热流量 dQ 与该处的温度变化率 梯度 成正比 方向与温度梯度相反 6 导热基本定律 conduction k A t n w q k t n w m2 在纯导热问题中 单位时间内通过给定面积的热量与该点的温度梯度及垂直于导热方向的截面积A成正比 K 材料的导热系数W m oC导热特性影响因素 材料种类 温湿度 结构形式 密度 比热等 7 不同材料的导热特性 Diamond1600 2300 8 单层平壁 平壁的厚度多层平壁R R1 R2 Rn单层及多层圆筒壁的导热问题 导热基本定律 9 三维导热方程 假定 温度随时间变化 内部有热源 物性 常量 为常数 材料各向同性等 导温系数 与导热系数有别 10 稳态导热与瞬态导热 稳态 内部无热源 瞬态导热即许多电子设备在起动 停机 变负载时出现的导热问题 LPA法 LumpedParameterAnalysis 将物体中连续分布的质量和热量均视为集总于一点 11 瞬态导热影响因素 例如 一个物体表面被突然加热或冷却 物体各点温度的变化取决于二个因素 a 固体表面与周围环境的换热 辐射 条件 b 固体内部的导热性能用一个无量纲数来表示 12 影响因素 实际接触点的总面积及分布规律 接触表面粗糙度 非接触间隙平均厚度 间隙介质的种类 接触表面硬度 接触表面间压力 接触面氧化程度与清洁度 接触热阻 13 接触热阻实例 14 图2 3接触热阻与压力关系 接触热阻与压力的关系 Mpa 15 接触热阻实例 16 导热问题的数值分析技术 参见 热分析技术 专题 17 对流换热 定义 流动的流体与其相接触的物体 固体 流体 汽体 由于温差的原因所产生的能量与热量的传递过程 条件 a 质点的宏观位移 流动 b 两个物体间有存在 特点 对流换热是包括对流和导热二个过程同时存在 它既有流体分子之间 流体与固体间的导热作用 又有流体本身的对流作用 受到导热 对流两种规律的支配 18 对流产生的原因 19 流体的流动特征 图2 5紊流特征 层流 流线有规则 大都发生在贴近壁面附近的流层 导热产生的换热为主 紊流 层流底层以外 边界层以外 所发生的流体不规则流动 20 对流换热基本规律 21 影响对流换热的其他因素 流体的物性 换热面的几何条件 几何形状 截面尺寸 进 出口的长度 流道 表面的粗糙度 表面的安装位置和流动空间大小 22 对流换热影响因素总结 流体流动特征流体的物性参数换热面的几何形状流体的相变条件 沸腾 凝结 升华 以上各影响因素 使得对流换热过程变得非常复杂 要想用数学式来表达非常困难 23 对流换热基本规律 24 对流换热系数图例 25 对流换热 量纲分析法 量纲量纲是物理性能的定性标准每一种物理性能只有一个量纲 如长度 时间 单位单位是物理性能的定量标准 基本量纲可以直接测量并与其他量纲无关的量纲 导出量纲不能直接测量的量纲 并与构成该定义的其他量纲有关 无量纲量一切量纲或单位都可能相互抵消的物理量和物理常量 量纲公式用有关的基本量纲次幂的乘积表示的物理定律方程式 26 基本量纲与导出量纲 27 白汉金定律 如果某个齐次方程的物理变量有m个 则可以用 m n 个独立的无量纲的数组来支配 其中n是m个物理变量中的基本量纲数 换言之 描写物理现象的方程 一定是量纲的齐次方程 而这些齐次方程均可化为一个无量纲的乘积的形式来表示 一个有r个基本量纲的齐次方程 可以用项无量纲量来表示 28 影响对流换热的因素很多 但我们可以用一个简单的 牛顿方程 来表示 hc A tw tf 以管内强迫对流为例 hc f w cp k D w m s kg m3 动力粘度kg m s 运动粘度 cp kJ kg oC k w m oC D m 对流换热 量纲分析法 k 29 对流换热 量纲分析法 hc f w cp k D 0 30 对流换热 量纲分析法 hc f w cp k D 0 1 2 3 0 如果某个齐次方程的物理变量有7个 其中近4个基本量纲量 则该方程也可以用3个独立的无量纲数组来支配 任选hc f w cp k D 中的D k为基本变量 可得 L 31 对流换热 量纲分析法 以上是以管内强迫对流为例 而自然对流换热遵循不同的规律 Gr gD3 t 2 32 求解对流换热系数 33 对流换热中的无量纲数 34 对流换热 定性温度与特征尺寸 定性温度选择定性温度没有一定的规则 可取平均的局部温度 壁面温度和流体温度的平均值 或各点流体的平均温度 特征尺寸特征尺寸是一个代表尺寸 该尺寸对对流换热有决定性的影响 流体在管内流动时 取管内径为特征尺寸 流体横掠圆管时 取管子的外径 纵掠平板时 取其板长 在非圆截面的槽内流动时 取当量直径 槽道截面面积 流体湿边周长 m 35 自然对流换热计算 自然对流特征分析流体内各部分温度的不均匀 引起流体密度的不均匀 流体受热密度减小 形成热流体上升 冷流体下降的对流循环 其动力是受热流体上升的浮升力 流体自然对流有两种流态 即层流和紊流 36 自然对流换热计算 不同情况下的自然对流换热竖平板及竖柱体水平圆柱体水平板热面朝上水平板热面朝下例题 一个电子设备处于环境温度为25 的空气中 其表面温度为85 设备机箱外壳尺寸为 长 宽 高 试问该机箱顶部表面仅靠自然对流能散掉多少热量 Nu C Gr Pr n Gr gD3 t 2Ra Gr Pr 37 自然对流换热计算 Nu C Gr Pr n 38 判断流体流动状态的依据是雷诺数 当时 流动属层流 当时 流动由层流向紊流过渡的过渡阶段 当时 流动属紊流 不同的流动状态有不同的换热规律 管内强迫对流时 入口段流动情况对换热有明显的影响 另外还应注意压力 短管及弯管对换热的影响 强迫对流换热计算 39 强迫对流换热计算 管 槽 内层流管 槽 内紊流 定性温度分别为流体平均温度和壁面温度 特征尺寸取管道内径或当量直径 40 流体沿平板流动流体横掠圆管或管簇 强迫对流换热计算 41 说明 自然对流与强迫对流换热的区别是与流体的流动性质有关 由外力 风机 引起的流动是由Re数的大小来表征的 由引起的自然对流是由Gr数 内含浮升力 大小来表征的 各类资料提供的表达式很多 但各种关系式均是由某些学者根据自己所作的试验结果得出式中的C m n等来计算对流换热系数 因此都有一定的局限性 而针对电子机柜中的PCB上之器件的布局复杂性 经试验推导出C m n 然后提供有关的换热方程 找出对流关系式是很困难的 因此 选用什么样的方程来近似地表达各电子机柜的对流换热系数值就成为亟待解决的问题 42 物性参数的查取 物性参数 包括均可以根据定性温度值从 传热手册 查取 但应注意 手册上提供的数值均为扩大了x倍后的结果 具体计算时 需恢复原值 以水为例 43 强迫对流换热例题 44 强迫对流换热例题 45 强迫对流换热例题 46 对流换热数值分析 参见 热分析技术 一专题 47 辐射换热 48 电磁波谱 无线电波 微波 红外线 可见光 紫外线 热辐射研究的对象是波长在0 1到100范围内的热射线 它是物体中电子振动或激动的结果 温度是电子振动和激动的基本原因 故热辐射主要取决于温度 49 50 黑体辐射力计算公式 51 热辐射基本规律 52 几个术语 53 基尔霍夫定律 任何物体的辐射力和吸收率之比值与物体的性质无关 而恒等于同温度下绝对黑体的辐射力 54 辐射换热角系数 表面I发出的辐射能落到表面II的百分数 称表面I对表面II的角系数 记为 F12 55 辐射换热角系数 56 角系数图解 57 角系数的特性 58 辐射换热 有效辐射 物体的本身辐射和反射辐射之和称为有效辐射 59 平行平面间的辐射换热 两平板的有效辐射 60 隔热壁 图中所示平板III是隔热板 其两侧面的黑度为和 Q t Rt 热流量 温升 热阻 61 密闭空间内的辐射换热 62 辐射换热的网络分析 63 辐射换热的网络分析 两任意表面间的辐射换热表面辐射热阻 1 1 1A1 1 2 2A2空间辐射热阻 1 A1F12或1 A2F21 64 辐射换热 65 混合换热 66 单 多 层圆筒壁的传热 67 肋片换热 68 习题 69 本章教学要求 对各类实际问题中涉及的传热现象 过程 特点 量值应具备敏锐的判断 分析和工程求解的能力 物理量的单位 量刚分析的重要性物理量标识符的使用应该严格 规范 学会对某一实际传热现象画出其物理系统简图 控制体与控制面 由控制面围成的一个固定的空间区域 能量和物质的交换均经过这个控制面进行 70 热力学第一定律 能量守恒 热能和机械能进入控制体的速率与能量与能量离开控制体的速率之差 必等于能量在这个控制体内储存的速率 71 传热问题的基本分析方法 明确已知条件和待求物理量 画出物理系统的简图 如涉及能量守恒定律 用虚线标出控制体 面 用箭头标出相关传热过程 列出全部简化和假设条件 确定全部使用的物理量及其标识符和单位 综合应用能量守恒定律和导热 对流 辐射等热流方程 分析 求解 对结果进行分析 概括 72 习题 一直径为D 单位长度电阻为R的导电长杆原来与周围空气和环境处于热平衡 当电流I通过导体时 热平衡遭到破坏 试推导出用以计算导体温度随通电时间而变化的方程式 I L Tsur Tair 73 习题 厚度为0 15m的砖墙将炉中的热燃气与温度为25 的环境空气与热炉隔开 墙壁的导热系数为1 2W m K 黑度为0 8 在稳态状况下测得壁外表面的温度为100 该壁面附近空气的自然对流换热系数为20W m2 K 试求炉内壁的表面温度 温度为300 的空气从长0 5m 宽0 25m的平面上流过 若对流换热系数是250W m2 K 而平板温度保持40 时 求空气对所接触的平板一侧的传热速率 一个由双层玻璃构成的隔火屏将烧木柴的壁炉与房间隔开 隔火屏由垂直安装的两层玻璃构成 这两层玻璃之间保持一定的距离 可使室内空气能够从中流过 其上 下均敞开 试分析传热过程 74 习题 玻璃窗的层数强烈影响着取暖房间对外界空气的热损失 试比较两种情况下的传热过程 为求出空气流过一厚钢铸件表面时的对流换热系数 沿着与铸件表面垂直的法线方向 在铸件