Сравнение теплоотдачи радиатора в режимах естественной и вынужденной конвекции | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 29 июня, печатный экземпляр отправим 3 июля.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Физика

Опубликовано в Молодой учёный №15 (514) апрель 2024 г.

Дата публикации: 11.04.2024

Статья просмотрена: 146 раз

Библиографическое описание:

Воронцова, Т. В. Сравнение теплоотдачи радиатора в режимах естественной и вынужденной конвекции / Т. В. Воронцова, Д. Р. Никулин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2024. — № 15 (514). — С. 15-17. — URL: https://moluch.ru/archive/514/112889/ (дата обращения: 15.06.2024).



В данной работе произведена оценка коэффициента теплоотдачи в межрёберном зазоре радиатора в режиме вынужденной конвекции. Приведены анализ и сравнение теплоотдачи в различных режимах.

Ключевые слова: теплоотдача, вынужденная конвекция, естественная конвекция, ламинарный режим.

При выборе типа охлаждения, необходимого для радиоэлектронной аппаратуры (далее РЭА), стоит учитывать большое число факторов, среди которых условия окружающей среды, максимальная температура компонентов, которых в полноценных устройствах может быть сотни тысяч. В настоящее время стремление к миниатюризации ведёт к увеличению количества теплоты, выделяемой с единицы поверхности. С этим можно бороться путём выбора материала, подходящего по теплопроводности, однако это оказывается экономически невыгодным.

Применение естественной конвекции для охлаждения компонентов РЭА является наиболее простым и дешёвым методом, но доступным только при достаточно низких температурах среды. В случае замкнутых корпусов распространённым методом охлаждения является вынужденная конвекция, которая обусловлена внешним воздействием, например, работой насоса, вентилятора или другой охлаждающей системы [1, с. 34–35].

Для подтверждения того, что теплоотдача при вынужденной конвекции более эффективна, чем при естественной, сравним коэффициенты теплоотдачи в этих двух режимах.

При получении данных о теплоотдаче радиатора были использованы электрическая схема (рис. 1) с радиатором (рис. 2), на который направлен вентилятор.

Экспериментальная схема

Рис. 1. Экспериментальная схема

Схематичное изображение радиатора

Рис. 2. Схематичное изображение радиатора

Для расчёта коэффициента теплоотдачи в режиме вынужденной конвекции воспользуемся формулой:

(1)

где — число Нуссельта, — теплопроводность воздуха, — расстояние между рёбрами радиатора [2, с. 54].

Чтобы найти число Нуссельта, необходимо определить режим течения воздуха в межрёберном зазоре. Выделяют ламинарный и турбулентный режимы. Они различаются упорядоченностью слоёв: в ламинарном потоке слои жидкости или газа перемещаются параллельно стенкам канала, не смешиваясь между собой, а при турбулентном движении возникают вихри, направление и скорости движения частиц непрерывно изменяются. Переход от ламинарного к турбулентному режиму зависят от геометрических характеристик, свойств жидкости или газа и скорости движения [1, с. 35].

Как показали исследования, с помощью числа Рейнольдса можно судить о режиме течения [1, с 44–46].

(2)

где — число Рейнольдса, — скорость воздушного потока, — кинематическая вязкость воздуха.

Если <2000, имеет место ламинарное движение, если >10000, в газе возникают вихри и движение становится турбулентным. Исходя из полученного значения, число Нуссельта рассчитывается следующим образом.

Для ламинарного режима:

(3)

где высота ребра радиатора, и — число Прандтля при различных температурах [2, с. 86].

Для турбулентного режима:

(4)

где

— коэффициент, учитывающий изменение среднего коэффициента теплоотдачи по длине радиатора [2, с. 89].

Величины , , определяются при температуре :

(5)

где — температура выдуваемого воздуха, — температура окружающей среды.

Величина определяется при температуре радиатора .

При подаче напряжения 23.4 В, на транзисторе КТ-854А выделилась мощность , температура радиатора в установившемся режиме = 306 К, температура окружающей среды , температура выдуваемого воздуха .

Следовательно, по формуле (5) , тогда из табличных значений, ,

, , [3, с. 468].

Скорость воздушного потока, измеренная с помощью термоанемометра testo 410–1, . По формуле (2) число Рейнольдса равно . Исходя из этого, в межрёберном зазоре радиатора установился ламинарный режим течения воздуха. Поэтому число Нуссельта по формуле (3) составляет .

Подставив рассчитанные данные в формулу (1), был получен коэффициент теплоотдачи в режиме вынужденной конвекции .

Предыдущее исследование содержит результаты эксперимента, в ходе которого был найден коэффициент теплоотдачи в режиме естественной конвекции, он равен , мощность теплоотдачи

[4, с. 137].

Согласно закону Ньютона-Рихмана, тепловой поток в процессе теплоотдачи пропорционален площади поверхности теплообмена и разности температур поверхности радиатора среды . Площадь поверхности теплообмена, по рис.2, равна .

Для вынужденной конвекции:

(6)

Тогда тепловой поток в процессе теплоотдачи при вынужденной конвекции

Можно сделать вывод, что естественная конвекция в данных условиях в семь раз менее эффективна.

Однако отметим, что не вся мощность, выделяемая транзистором, рассеивается с помощью конвекции. Энергия передаётся также и с помощью излучения и теплопроводности. Первое играет весомую роль при естественной конвекции.

Литература:

  1. Пошехонов П. В., Соколовский Э. И. Тепловой расчёт электронных приборов.: учеб. пособие для вузов. М.: «Высш. школа», 1977–158 с.
  2. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. — 2-е изд., стереотип. — М.: «Энергия», 1977–344 с., ил.
  3. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача.: учеб. пособие для вузов — 3-е изд., перераб. и доп. М.: «Энергия», 1975–488 с., ил.
  4. Воронцова Т. В, Никулин Д. Р. Оценка влияния теплоотдачи излучением на тепловой баланс радиатора в режиме естественной конвекции и окружающей среды // «Лучшая исследовательская статья 2024»: Сборник статей Международного научно-исследовательского конкурса. — Петрозаводск: МЦНП «Новая наука», 2024. — с. 133–137.
Основные термины (генерируются автоматически): вынужденная конвекция, естественная конвекция, коэффициент теплоотдачи, окружающая среда, турбулентный режим, число, воздушный поток, ламинарный режим, межреберный зазор радиатора, тепловой поток.


Ключевые слова

теплоотдача, вынужденная конвекция, естественная конвекция, ламинарный режим

Похожие статьи

Задать вопрос