傳熱學(xué)理論基礎(chǔ)

1、 電 子 設(shè) 備 熱 設(shè) 計(jì) 第二篇 傳熱學(xué)基礎(chǔ)理論2熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論導(dǎo)熱導(dǎo)熱 導(dǎo)熱及其基本規(guī)律； 導(dǎo)熱的基本方程； 熱阻及熱電模擬關(guān)系； 導(dǎo)熱問(wèn)題的方程求解對(duì)流換熱對(duì)流換熱 對(duì)流的基本概念及其影響因素；對(duì)流換熱基本規(guī)律； 對(duì)流換熱系數(shù)的確定； 對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)系式；輻射換熱輻射換熱 熱輻射的基本概念； 黑體表面之間的輻射換熱； 形狀系數(shù)的確定； 灰體表面之間的輻射換熱； 遮（隔）熱板的效用； 3傳熱學(xué)基本概念 溫度：物體大量分子運(yùn)動(dòng)的宏觀結(jié)果（平均動(dòng)能的標(biāo)志） 熱量：表征物體內(nèi)能變化的物理量。 勢(shì)能功能傳出熱量對(duì)外作功內(nèi)能內(nèi)能的表現(xiàn)形式 溫度場(chǎng)： 某個(gè)瞬間，空間各點(diǎn)的溫度分布

2、。它屬于數(shù)量 場(chǎng)。如溫度，密度，電位場(chǎng)等。 ),(zyxft 4等溫面: 在溫度場(chǎng)中，同一時(shí)刻溫度相同的各點(diǎn)連線 稱為等溫線。由等溫線構(gòu)成的面為等溫面。溫度梯度:沿等溫面法線方向的溫度增量 與法向距離之比的極限。 00)lim( nntnttgradnnt稱為溫度變化率（與面積垂直） t 穩(wěn)定溫度場(chǎng)與瞬態(tài)溫度場(chǎng):0; 0tt5 導(dǎo)熱 因物質(zhì)的原子和分子之間的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的從高能級(jí)低能級(jí)的一種能量傳輸過(guò)程。簡(jiǎn)單地說(shuō)：導(dǎo)熱的產(chǎn)生必需具備二個(gè)條件： 和相互接觸。 t1822年法國(guó)數(shù)學(xué)家j.fourier，研究了固體的導(dǎo)熱現(xiàn)象后，提出：物質(zhì)在純導(dǎo)熱時(shí)，通過(guò)垂直于熱流方向的面積（da）的熱流量（dq）

3、，與該處的溫度變化率（梯度）成正比，方向與溫度梯度相反。6導(dǎo)熱基本定律(conduction)= k a t/ n (w)q= k t/ n (w/m2) 在純導(dǎo)熱問(wèn)題中，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)給定面積的熱量與該點(diǎn)的溫度梯度及垂直于導(dǎo)熱方向的截面積a成正比。 k材料的導(dǎo)熱系數(shù) w/moc 導(dǎo)熱特性影響因素： 材料種類、溫濕度、結(jié)構(gòu)形式、密度、比熱等 tq7不同材料的導(dǎo)熱特性 材料名稱導(dǎo)熱系數(shù)(20)w/(m) 密度(20)kg/m3比熱(20)j/(kg)鋁鋁2042707921金金29219272126銅銅3308939385鐵鐵737898452銀銀41910524234尼龍尼龍0.170.411

4、211075環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂0.41041diamond 160023008 單層平壁 平壁的厚度 多層平壁 r=r1+r2+.rn 單層及多層圓筒壁的導(dǎo)熱問(wèn)題導(dǎo)熱基本定律)(ln22112wwttrrkl9三維導(dǎo)熱方程假定：溫度隨時(shí)間變化； 內(nèi)部有熱源（ ） 物性（ 常量）為常數(shù)； 材料各向同性等q ,cktakqztytxt1222222cka（導(dǎo)溫系數(shù)） 與導(dǎo)熱系數(shù)有別 10穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱與瞬態(tài)導(dǎo)熱0t0q v 穩(wěn)態(tài)、內(nèi)部無(wú)熱源v 瞬態(tài)導(dǎo)熱 即許多電子設(shè)備在起動(dòng)、停機(jī)、變負(fù)載時(shí)出現(xiàn)的導(dǎo)熱問(wèn)題0t lpa法(lumped parameter analysis） 將物體中連續(xù)分布的質(zhì)量和熱量均視為

5、 集總于一點(diǎn)11瞬態(tài)導(dǎo)熱影響因素例如：一個(gè)物體表面被突然加熱或冷卻，物體各點(diǎn)溫度的變化取決于二個(gè)因素：a. 固體表面與周圍環(huán)境的換熱（輻射）條件； b. 固體內(nèi)部的導(dǎo)熱性能 用一個(gè)無(wú)量綱數(shù)來(lái)表示： )(/1)(/外內(nèi)hkkhbiot12 影響因素： 實(shí)際接觸點(diǎn)的總面積及分布規(guī)律； 接觸表面粗糙度； 非接觸間隙平均厚度； 間隙介質(zhì)的種類； 接觸表面硬度； 接觸表面間壓力； 接觸面氧化程度與清潔度； 接觸熱阻13接觸熱阻實(shí)例14圖2.3 接觸熱阻與壓力關(guān)系 接觸熱阻與壓力的關(guān)系mpa15在材料厚度為2.54mm（100mil）、接觸壓力為0.7kg/cm2（10psi）的條件下，導(dǎo)熱橡膠墊所呈現(xiàn)出

6、的額定導(dǎo)熱率幾乎比空氣高出60倍以上，比起常規(guī)采用的印刷電路板材料（例如環(huán)氧玻璃絲布板）高出6倍以上。這種彈性材料能夠非常方便地進(jìn)行按尺寸切割，適于在接觸壓力相對(duì)較低的情況下進(jìn)行表面接觸。接觸熱阻實(shí)例16導(dǎo)熱問(wèn)題的數(shù)值分析技術(shù)參見(jiàn)參見(jiàn) “熱分析技術(shù)熱分析技術(shù)”專題專題17對(duì)流換熱定義：定義：流動(dòng)的流體與其相接觸的物體（固體、流體、汽體），由于溫差的原因所產(chǎn)生的能量與熱量的傳遞過(guò)程。 條件：條件：a. 質(zhì)點(diǎn)的宏觀位移（流動(dòng)）； b. 兩個(gè)物體間有 存在。特點(diǎn)：特點(diǎn)：對(duì)流換熱是包括對(duì)流和導(dǎo)熱二個(gè)過(guò)程同時(shí)存在，它既有流體分子之間、流體與固體間的，又有流體本身的，受到導(dǎo)熱、對(duì)流兩種規(guī)律的支配。 t18

7、對(duì)流產(chǎn)生的原因 靠自然力靠自然力 密度差引起。密度差引起。（與 的強(qiáng)度、流體的性質(zhì)、空間、大小、壁面的大小等因素有關(guān)。） 受強(qiáng)制力（如風(fēng)機(jī)、泵）推動(dòng)而引起的流動(dòng)。受強(qiáng)制力（如風(fēng)機(jī)、泵）推動(dòng)而引起的流動(dòng)。（推力的大小、 （壓差）、流體的性質(zhì)、流道的尺寸大小等阻力因素有關(guān) t19流體的流動(dòng)特征自然對(duì)流 natural強(qiáng)迫對(duì)流 forced對(duì)流方式層流 laminar紊流 turbulent流動(dòng)狀態(tài)圖圖2.5 紊流特征紊流特征層流：流線有規(guī)則，大都發(fā)生在貼近 壁面附近的流層。 （導(dǎo)熱產(chǎn)生的換熱為主） 紊流：層流底層以外（邊界層以外） 所發(fā)生的流體不規(guī)則流動(dòng)。 20對(duì)流換熱基本規(guī)律21影響對(duì)流換熱的其

8、他因素流體的物性、cpk)ckgkj(005. 1o20cc空氣)ckgkj(1826. 4o20cc水)w/m.(1057. 2o220ckc空氣)cw/m(109 .59o220ck水換熱面的幾何條件 幾何形狀、截面尺寸 進(jìn)、出口的長(zhǎng)度（流道）； 表面的粗糙度； 表面的安裝位置和流動(dòng)空間大小。 22對(duì)流換熱影響因素總結(jié) 流體流動(dòng)特征 流體的物性參數(shù) 換熱面的幾何形狀 流體的相變條件（沸騰、凝結(jié)、升華）以上各影響因素，使得對(duì)流換熱過(guò)程變得非常復(fù)雜，要想用數(shù)學(xué)式來(lái)表達(dá)非常困難。23對(duì)流換熱基本規(guī)律24對(duì)流換熱系數(shù)圖例25對(duì)流換熱量綱分析法量綱 量綱是物理性能的定性標(biāo)準(zhǔn) 每一種物理性能只有一個(gè)量

9、綱，如長(zhǎng)度，時(shí)間 。單位 單位是物理性能的定量標(biāo)準(zhǔn) ?；玖烤V 可以直接測(cè)量并與其他量綱無(wú)關(guān)的量綱。 導(dǎo)出量綱 不能直接測(cè)量的量綱，并與構(gòu)成該定義 的其他量綱有關(guān) 。無(wú)量綱量 一切量綱或單位都可能相互抵消的 物理量和物理常量 。量綱公式 用有關(guān)的基本量綱次冪的乘積表示的物理定律方程式。 1lllgts222121lllgtv226基本量綱與導(dǎo)出量綱物 理 量 符號(hào)量綱物 理 量 符號(hào)量綱質(zhì)量 速度 長(zhǎng)度 力 時(shí)間熱量 mmlx;l1lf2ml22ml27白漢金 定律如果某個(gè)齊次方程的物理變量有 m m 個(gè)，則可以用 (m-nm-n) 個(gè)獨(dú)立的無(wú)量綱的數(shù)組來(lái)支配。其中 n n 是 m m 個(gè)物理

10、變量中的基本量綱數(shù)。 換言之：描寫物理現(xiàn)象的方程，一定是量綱的齊次方程。而這些齊次方程均可化為一個(gè)無(wú)量綱的乘積的形式來(lái)表示。 0),(21nxxxf0),(21rn一個(gè)有 r r 個(gè)基本量綱的齊次方程 可以用 項(xiàng)無(wú)量綱量來(lái)表示 )(rn 28 影響對(duì)流換熱的因素很多，但我們可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的“牛頓方程”來(lái)表示： =- hc a （tw-tf） 以管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流為例， hc= f (w , , , cp , k , d) wm/s ; kg/m3 ; 動(dòng)力粘度 kg/m s ; = / 運(yùn)動(dòng)粘度； cp kj/ kg oc ; k w/m oc ; d m 對(duì)流換熱量綱分析法k29對(duì)流換熱量綱分析法

11、kkhc - f (w , , , cp , k , d) = 030對(duì)流換熱量綱分析法hcf (w , , , cp , k , d) = 0（1，2，3）= 0如果某個(gè)齊次方程的物理變量有7個(gè)，其中近4個(gè)基本量綱基本量綱量，則該方程也可以用3個(gè)獨(dú)立的無(wú)量綱數(shù)組無(wú)量綱數(shù)組來(lái)支配。任選hc= f (w , , , cp , k , d) 中的d， , , k 為基本變量，可得：kkkwl31對(duì)流換熱量綱分析法(1，2，3)= 0以上是以管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流為例，以上是以管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流為例，而自然對(duì)流換熱遵循不同的規(guī)律。而自然對(duì)流換熱遵循不同的規(guī)律。gr = g d3t / 2對(duì)流換熱系數(shù)32求解對(duì)流換熱

12、系數(shù)33對(duì)流換熱中的無(wú)量綱數(shù)kdhc溫度梯度比2（粘性力）慣性力浮升力raprgr nurewd粘性力慣性力pr)(akcp或熱量擴(kuò)散動(dòng)量擴(kuò)散gr23tgd 粘性力與熱擴(kuò)散浮升力與慣性力名名 稱稱符符 號(hào)號(hào)數(shù)數(shù) 組組物物 理理 意意 義義努謝爾特努謝爾特?cái)?shù)數(shù)雷諾數(shù)雷諾數(shù)普朗特?cái)?shù)普朗特?cái)?shù)葛拉曉夫葛拉曉夫數(shù)數(shù)雷萊數(shù)雷萊數(shù)34對(duì)流換熱定性溫度與特征尺寸 定性溫度 選擇定性溫度沒(méi)有一定的規(guī)則,可取平均的局部溫度 ,壁面溫度和流體 溫度的平均值, 或各點(diǎn)流體的平均溫度 . 特征尺寸 特征尺寸是一個(gè)代表尺寸，該尺寸對(duì)對(duì)流換熱有決定性的影響。流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，取管內(nèi)徑為特征尺寸；流體橫掠圓管時(shí)，取管子的外徑

13、；縱掠平板時(shí)，取其板長(zhǎng)；在非圓截面的槽內(nèi)流動(dòng)時(shí)，取當(dāng)量直徑。uade4槽道截面面積( )；流體濕邊周長(zhǎng)(m)。 a2mu35自然對(duì)流換熱計(jì)算 自然對(duì)流特征分析 流體內(nèi)各部分溫度的不均勻，引起流體密度的不均勻，流體受熱密度減小，形成熱流體上升，冷流體下降的對(duì)流循環(huán)。其動(dòng)力是受熱流體上升的浮升力。 流體自然對(duì)流有兩種流態(tài)，即層流和紊流。 36自然對(duì)流換熱計(jì)算 不同情況下的自然對(duì)流換熱豎平板及豎柱體水平圓柱體水平板熱面朝上水平板熱面朝下 例題： 一個(gè)電子設(shè)備處于環(huán)境溫度為25的空氣中，其表面溫度為85，設(shè)備機(jī)箱外殼尺寸為： 長(zhǎng)， 寬， 高。試問(wèn)該機(jī)箱頂部表面僅靠自然對(duì)流能散掉多少熱量？mm 200m

14、m 200mm 300nu =c (gr *pr ) ngr = g d3t / 2 ra= gr *pr nccdkhprgr)(prakcp或37自然對(duì)流換熱計(jì)算nu =c (gr *pr ) n38判斷流體流動(dòng)狀態(tài)的依據(jù)是雷諾數(shù)，當(dāng) 時(shí)，流動(dòng)屬層流；當(dāng) 時(shí)，流動(dòng)由層流向紊流過(guò)渡的過(guò)渡階段；當(dāng) 時(shí)，流動(dòng)屬紊流。不同的流動(dòng)狀態(tài)有不同的換熱規(guī)律。管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流時(shí)，入口段流動(dòng)情況對(duì)換熱有明顯的影響，另外還應(yīng)注意 壓力壓力、短管短管 及 彎管彎管 對(duì)換熱的影響。 強(qiáng)迫對(duì)流換熱計(jì)算200 2re 410re200 2410re 39強(qiáng)迫對(duì)流換熱計(jì)算 管(槽)內(nèi)層流 管(槽)內(nèi)紊流4 . 08 . 0p

15、rre023. 0nufff14. 03/1prre86. 1nuwffffld 定性溫度分別為流體平均溫度 和壁面溫度 ； 特征尺寸取管道內(nèi)徑或當(dāng)量直徑。 wf、ftwt40 流體沿平板流動(dòng) 流體橫掠圓管或管簇強(qiáng)迫對(duì)流換熱計(jì)算5 . 0re66. 0nuff8 . 0re032. 0nuff510re 510re 41說(shuō)明 自然對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流換熱的區(qū)別是與流體的流動(dòng)性質(zhì)有關(guān)。由外力自然對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流換熱的區(qū)別是與流體的流動(dòng)性質(zhì)有關(guān)。由外力(風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī))引起的流動(dòng)是由引起的流動(dòng)是由re數(shù)的大小來(lái)表征的，由數(shù)的大小來(lái)表征的，由 引起的自然引起的自然對(duì)流是由對(duì)流是由gr數(shù)數(shù)(內(nèi)含浮升力內(nèi)含浮升力)大

16、小來(lái)表征的大小來(lái)表征的。 各類資料提供的表達(dá)式很多，但各種關(guān)系式均是由某些各類資料提供的表達(dá)式很多，但各種關(guān)系式均是由某些學(xué)者根據(jù)自己所作的試驗(yàn)結(jié)果得出式中的學(xué)者根據(jù)自己所作的試驗(yàn)結(jié)果得出式中的c,m,n等來(lái)計(jì)等來(lái)計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)，因此都有一定的局限性。而針對(duì)電子算對(duì)流換熱系數(shù)，因此都有一定的局限性。而針對(duì)電子機(jī)柜中的機(jī)柜中的pcb上之器件的布局復(fù)雜性，經(jīng)試驗(yàn)推導(dǎo)出上之器件的布局復(fù)雜性，經(jīng)試驗(yàn)推導(dǎo)出c,m,n、然后提供有關(guān)的換熱方程、找出對(duì)流關(guān)系式是然后提供有關(guān)的換熱方程、找出對(duì)流關(guān)系式是很困難的。因此，選用什么樣的方程來(lái)近似地表達(dá)各電很困難的。因此，選用什么樣的方程來(lái)近似地表達(dá)各電子機(jī)柜的對(duì)

17、流換熱系數(shù)值就成為亟待解決的問(wèn)題子機(jī)柜的對(duì)流換熱系數(shù)值就成為亟待解決的問(wèn)題42物性參數(shù)的查取、cpk物性參數(shù)，包括 均可以根據(jù)定性溫度值從“傳熱手冊(cè) ”查取，但應(yīng)注意：手冊(cè)上提供的數(shù)值均為擴(kuò)大了 x 倍后的結(jié)果，具體計(jì)算時(shí)，需恢復(fù)原值。 pr201000.54.18181.0060.5971.4307.020.18201000.54181.81.00610-60.5971.43010-77.020.1810-3)/(3mkg)/(103ckgjcpo)/(1027sma)/ 1 (103co以以 水水 為例：為例：43強(qiáng)迫對(duì)流換熱例題44強(qiáng)迫對(duì)流換熱例題45強(qiáng)迫對(duì)流換熱例題46對(duì)流換熱數(shù)值分析

18、 參見(jiàn)“熱分析技術(shù)”一專題。47輻射換熱基本特征48電磁波譜. 無(wú)線電波微波紅外線紅外線可見(jiàn)光紫外線.熱輻射研究的對(duì)象是波長(zhǎng)在0.1到100 范圍內(nèi)的熱射線。它是物體中電子振動(dòng)或激動(dòng)的結(jié)果。溫度是電子振動(dòng)和激動(dòng)的基本原因，故熱輻射主要取決于溫度。 4950黑體輻射力計(jì)算公式51熱輻射基本規(guī)律52幾個(gè)術(shù)語(yǔ)53基爾霍夫定律410067. 5tebbeeee332211任何物體的輻射力和吸收率之比值與物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)，而恒等于同溫度下絕對(duì)黑體的輻射力。 54輻射換熱角系數(shù)表面i發(fā)出的輻射能落到表面ii的百分?jǐn)?shù)，稱表面i對(duì)表面ii的角系數(shù)。記為：f f1255角系數(shù)的相對(duì)性角系數(shù)的相對(duì)性輻射換熱 角系數(shù)

19、56角系數(shù)圖解57角系數(shù)的特性58輻射換熱 有效輻射 物體的本身輻射和反射輻射之和稱為有效輻射 。59平行平面間的輻射換熱兩平板的兩平板的有效輻射有效輻射60隔熱壁圖中所示平板iii是隔熱板，其兩側(cè)面的黑度為 和 q = t / rt (熱流量溫升熱流量溫升/熱阻熱阻)61密閉空間內(nèi)的輻射換熱62輻射換熱的網(wǎng)絡(luò)分析63輻射換熱的網(wǎng)絡(luò)分析 兩任意表面間的輻射換熱 表面輻射熱阻 (1- 1)/ 1 a1 (1- 2)/ 2 a2 空間輻射熱阻： 1/ a1 f12 或 1/ a2 f212221211114241222121111212, 111110010067.5111afaattafaaee

20、bba2 t2 2a1 t1 164輻射換熱65混合換熱66單(多)層圓筒壁的傳熱67肋片換熱68習(xí)題69本章教學(xué)要求 對(duì)各類實(shí)際問(wèn)題中涉及的傳熱現(xiàn)象、過(guò)程、特點(diǎn)、量值 應(yīng)具備敏銳的判斷、分析和工程求解的能力。 物理量的單位、量剛分析的重要性 物理量標(biāo)識(shí)符的使用應(yīng)該嚴(yán)格、規(guī)范。 學(xué)會(huì)對(duì)某一實(shí)際傳熱現(xiàn)象畫出其物理系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。 控制體 與 控制面 （由控制面圍成的一個(gè)固定的空間區(qū)域，能量和物質(zhì)的交換均經(jīng)過(guò)這個(gè)控制面進(jìn)行。）70熱力學(xué)第一定律（能量守恒） 熱能和機(jī)械能進(jìn)入控制體的速率與能量與能量離開(kāi)控制體的速率之差，必等于能量在這個(gè)控制體內(nèi)儲(chǔ)存的速率。steoutegeine71傳熱問(wèn)題的基本分析方法 明確已知條件和待求物理量。 畫出物理系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖，如涉及能量守恒定律，用虛線標(biāo)出控制體（面），用箭頭標(biāo)出相關(guān)傳熱過(guò)程。 列出全部簡(jiǎn)化和假設(shè)條件。 確定全部使用的物理量及其標(biāo)識(shí)符和單位。 綜合應(yīng)用能量守恒定律和導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射等熱流方程。 分析、求解。 對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析、概括。72習(xí)題一直徑為 d , 單位長(zhǎng)度電阻為r 的導(dǎo)電長(zhǎng)桿原來(lái)與周圍空氣和環(huán)境處于熱平