傳熱學理論基礎-課件

電子設備熱設計第二篇傳熱學基礎理論1ppt課件熱設計的基礎理論導熱

導熱及其基本規(guī)律；導熱的基本方程；熱阻及熱電模擬關系；導熱問題的方程求解對流換熱

對流的基本概念及其影響因素；對流換熱基本規(guī)律；對流換熱系數(shù)的確定；對流換熱的實驗關系式；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；

2ppt課件傳熱學基本概念溫度：物體大量分子運動的宏觀結果（平均動能的標志）熱量：表征物體內能變化的物理量。

內能內能的表現(xiàn)形式溫度場：某個瞬間，空間各點的溫度分布。它屬于數(shù)量

場。如溫度，密度，電位場……等。

3ppt課件等溫面:在溫度場中，同一時刻溫度相同的各點連線

稱為等溫線。由等溫線構成的面為等溫面。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。

稱為溫度變化率（與面積垂直）

穩(wěn)定溫度場與瞬態(tài)溫度場:4ppt課件導熱因物質的原子和分子之間的隨機運動而導致的從高能級→低能級的一種能量傳輸過程。簡單地說：導熱的產(chǎn)生必需具備二個條件：和相互接觸。

1822年法國數(shù)學家J.Fourier，研究了固體的導熱現(xiàn)象后，提出：物質在純導熱時，通過垂直于熱流方向的面積（dA）的熱流量（dQ），與該處的溫度變化率（梯度）成正比，方向與溫度梯度相反。5ppt課件導熱基本定律(conduction)=－k?A?t/n(w)q=－k?t/n(w/m2)在純導熱問題中，單位時間內通過給定面積的熱量與該點的溫度梯度及垂直于導熱方向的截面積A成正比。

K—材料的導熱系數(shù)W/m?oC

導熱特性影響因素：

材料種類、溫濕度、結構形式、密度、比熱等

?tq6ppt課件不同材料的導熱特性

材料名稱導熱系數(shù)(20℃)W/(m·℃)

密度(20℃)kg/m3比熱(20℃)J/(kg·℃)鋁2042707921金29219272126銅3308939385鐵737898452銀41910524234尼龍0.17~0.411211075環(huán)氧樹脂0.41041Diamond1600~23007ppt課件

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熱問題導熱基本定律8ppt課件三維導熱方程假定：①溫度隨時間變化；②內部有熱源（）

③物性（常量）為常數(shù)；④材料各向同性等（導溫系數(shù)）

與導熱系數(shù)有別

9ppt課件穩(wěn)態(tài)導熱與瞬態(tài)導熱穩(wěn)態(tài)、內部無熱源瞬態(tài)導熱

即許多電子設備在起動、停機、變負載時出現(xiàn)的導熱問題LPA法(LumpedParameterAnalysis）

將物體中連續(xù)分布的質量和熱量均視為

集總于一點10ppt課件瞬態(tài)導熱影響因素例如：一個物體表面被突然加熱或冷卻，物體各點溫度的變化取決于二個因素：

a.固體表面與周圍環(huán)境的換熱（輻射）條件；b.固體內部的導熱性能用一個無量綱數(shù)來表示：

11ppt課件影響因素：

實際接觸點的總面積及分布規(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12ppt課件接觸熱阻實例13ppt課件圖2.3接觸熱阻與壓力關系

接觸熱阻與壓力的關系Mpa14ppt課件在材料厚度為2.54mm（100mil）、接觸壓力為0.7kg/cm2（10psi）的條件下，導熱橡膠墊所呈現(xiàn)出的額定導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行按尺寸切割，適于在接觸壓力相對較低的情況下進行表面接觸。接觸熱阻實例15ppt課件導熱問題的數(shù)值分析技術參見“熱分析技術”專題16ppt課件對流換熱定義：流動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程。

條件：a.質點的宏觀位移（流動）；

b.兩個物體間有存在。

特點：對流換熱是包括對流和導熱二個過程同時存在，它既有流體分子之間、流體與固體間的導熱作用，又有流體本身的對流作用，受到導熱、對流兩種規(guī)律的支配。17ppt課件對流產(chǎn)生的原因①

靠自然力——密度差引起。（與的強度、流體的性質、空間、大小、壁面的大小等因素有關。）②受強制力（如風機、泵）推動而引起的流動。（推力的大小、（壓差）、流體的性質、流道的尺寸大小等阻力因素有關

18ppt課件流體的流動特征自然對流natural強迫對流forced對流方式層流laminar紊流turbulent流動狀態(tài)圖2.5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。19ppt課件對流換熱基本規(guī)律20ppt課件影響對流換熱的其他因素流體的物性——換熱面的幾何條件

①

幾何形狀、截面尺寸

②

進、出口的長度（流道）；

③

表面的粗糙度；④

表面的安裝位置和流動空間大小。

21ppt課件對流換熱影響因素總結流體流動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、升華）以上各影響因素，使得對流換熱過程變得非常復雜，要想用數(shù)學式來表達非常困難。22ppt課件對流換熱基本規(guī)律23ppt課件對流換熱系數(shù)圖例24ppt課件對流換熱—量綱分析法量綱量綱是物理性能的定性標準

每一種物理性能只有一個量綱，如長度，時間。單位單位是物理性能的定量標準?；玖烤V可以直接測量并與其他量綱無關的量綱。

導出量綱不能直接測量的量綱，并與構成該定義

的其他量綱有關。無量綱量

一切量綱或單位都可能相互抵消的

物理量和物理常量。量綱公式用有關的基本量綱次冪的乘積表示的物理定律方程式。

25ppt課件基本量綱與導出量綱物

理

量

符號量綱物

理

量

符號量綱質量

速度長度

力時間熱量26ppt課件白漢金定律如果某個齊次方程的物理變量有m

個，則可以用(m-n)個獨立的無量綱的數(shù)組來支配。其中n是m個物理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無量綱的乘積的形式來表示。

一個有r個基本量綱的齊次方程

可以用項無量綱量來表示

27ppt課件

影響對流換熱的因素很多，但我們可以用一個簡單的“牛頓方程”來表示：

=-hc

?A?

（tw-tf）

以管內強迫對流為例，hc=f(w,,,cp,k,D)

w—m/s;—kg/m3;

—動力粘度kg/m?s

;=/

運動粘度；

cp—kJ/kg?

oC;k—w/m?

oC;D—m對流換熱—量綱分析法k28ppt課件對流換熱—量綱分析法kkhc-f(w,,,cp,k,D)=029ppt課件對流換熱—量綱分析法hc—f(w,,,cp,k,D)=0（1，2，3）=0如果某個齊次方程的物理變量有7個，其中近4個基本量綱量，則該方程也可以用3個獨立的無量綱數(shù)組來支配。任選hc=f(w,,,cp,k,D)中的D，,,k為基本變量，可得：kkk×WL30ppt課件對流換熱—量綱分析法(1，2，3)=0以上是以管內強迫對流為例，

而自然對流換熱遵循不同的規(guī)律。Gr

=gD3t/2對流換熱系數(shù)31ppt課件求解對流換熱系數(shù)32ppt課件對流換熱中的無量綱數(shù)名稱符號數(shù)組物

理

意

義努謝爾特數(shù)雷諾數(shù)普朗特數(shù)葛拉曉夫數(shù)雷萊數(shù)33ppt課件對流換熱—定性溫度與特征尺寸定性溫度選擇定性溫度沒有一定的規(guī)則,可取平均的局部溫度,壁面溫度和流體溫度的平均值,或各點流體的平均溫度.特征尺寸特征尺寸是一個代表尺寸，該尺寸對對流換熱有決定性的影響。流體在管內流動時，取管內徑為特征尺寸；流體橫掠圓管時，取管子的外徑；縱掠平板時，取其板長；在非圓截面的槽內流動時，取當量直徑。槽道截面面積()；流體濕邊周長(m)。

34ppt課件自然對流換熱計算自然對流特征分析流體內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，冷流體下降的對流循環(huán)。其動力是受熱流體上升的浮升力。

流體自然對流有兩種流態(tài)，即層流和紊流。

35ppt課件自然對流換熱計算不同情況下的自然對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：一個電子設備處于環(huán)境溫度為25℃的空氣中，其表面溫度為85℃，設備機箱外殼尺寸為：長，寬，高。試問該機箱頂部表面僅靠自然對流能散掉多少熱量？Nu

=C

(Gr*Pr)nGr

=gD3t/2

Ra=

Gr*Pr

36ppt課件自然對流換熱計算Nu

=C

(Gr*Pr)n37ppt課件判斷流體流動狀態(tài)的依據(jù)是雷諾數(shù)，當時，流動屬層流；當時，流動由層流向紊流過渡的過渡階段；當時，流動屬紊流。不同的流動狀態(tài)有不同的換熱規(guī)律。管內強迫對流時，入口段流動情況對換熱有明顯的影響，另外還應注意壓力、短管及彎管對換熱的影響。

強迫對流換熱計算38ppt課件強迫對流換熱計算管(槽)內層流管(槽)內紊流定性溫度分別為流體平均溫度和壁面溫度；特征尺寸取管道內徑或當量直徑。

39ppt課件

流體沿平板流動

流體橫掠圓管或管簇強迫對流換熱計算40ppt課件說明

自然對流與強迫對流換熱的區(qū)別是與流體的流動性質有關。由外力(風機)引起的流動是由Re數(shù)的大小來表征的，由引起的自然對流是由Gr數(shù)(內含浮升力)大小來表征的。

各類資料提供的表達式很多，但各種關系式均是由某些學者根據(jù)自己所作的試驗結果得出式中的C,m,n等來計算對流換熱系數(shù)，因此都有一定的局限性。而針對電子機柜中的PCB上之器件的布局復雜性，經(jīng)試驗推導出C,m,n、然后提供有關的換熱方程、找出對流關系式是很困難的。因此，選用什么樣的方程來近似地表達各電子機柜的對流換熱系數(shù)值就成為亟待解決的問題41ppt課件物性參數(shù)的查取物性參數(shù)，包括均可以根據(jù)定性溫度值從“傳熱手冊”查取，但應注意：手冊上提供的數(shù)值均為擴大了x倍后的結果，具體計算時，需恢復原值。

Pr201000.54.18181.0060.5971.4307.020.18201000.54181.81.006×10-60.5971.430×10-77.020.18×10-3以水為例：42ppt課件強迫對流換熱例題43ppt課件強迫對流換熱例題44ppt課件強迫對流換熱例題45ppt課件對流換熱數(shù)值分析

參見“熱分析技術”一專題。46ppt課件輻射換熱基本特征47ppt課件電磁波譜…..無線電波～微波～紅外線～可見光～紫外線…….熱輻射研究的對象是波長在0.1到100范圍內的熱射線。它是物體中電子振動或激動的結果。溫度是電子振動和激動的基本原因，故熱輻射主要取決于溫度。

48ppt課件49ppt課件黑體輻射力計算公式50ppt課件熱輻射基本規(guī)律51ppt課件幾個術語52ppt課件基爾霍夫定律任何物體的輻射力和吸收率之比值與物體的性質無關，而恒等于同溫度下絕對黑體的輻射力。

53ppt課件輻射換熱角系數(shù)表面I發(fā)出的輻射能落到表面II的百分數(shù)，稱表面I對表面II的角系數(shù)。記為：F1254ppt課件角系數(shù)的相對性輻射換熱角系數(shù)55ppt課件角系數(shù)圖解56ppt課件角系數(shù)的特性57ppt課件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。58ppt課件平行平面間的輻射換熱兩平板的

有效輻射59ppt課件隔熱壁圖中所示平板III是隔熱板，其兩側面的黑度為和

Q

=t/Rt

(熱流量＝溫升/熱阻)60ppt課件密閉空間內的輻射換熱61ppt課件輻射換熱的網(wǎng)絡分析62ppt課件輻射換熱

的網(wǎng)絡分析

兩任意表面間的輻射換熱

表面輻射熱阻(1-1)/1A1(1-2)/2A2

空間輻射熱阻：1/A1F12或1/A2F21A2T2

2A1T1

163ppt課件輻射換熱64ppt課件混合換熱65ppt課件單(多)層圓筒壁的傳熱66ppt課件肋片換熱67ppt課件習題68ppt課件本章教學要求

對各類實際問題中涉及的傳熱現(xiàn)象、過程、特點、量值應具備敏銳的判斷、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識符的使用應該嚴格、規(guī)范。學會對某一實際傳熱現(xiàn)象畫出其物理系統(tǒng)簡圖?？刂企w與控制面（由控制面圍成的一個固定的空間區(qū)域，能量和物質的交換均經(jīng)過這個控制面進行。）69ppt課件熱力學第一定律（能量守恒）熱能和機械能進入控制體的速率與能量與能量離開控制體的速率之差，必等于能量在這個控制體內儲存的速率。70ppt課件傳熱問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)的簡圖，如涉及能量守恒定律，用虛線標出控制體（面），用箭頭標出相關傳熱過程。列出全部簡化和假設條件。確定全部使用的物理量及其標識符和單位。綜合應用能量守恒定律和導熱、對流、輻射等熱流方程。分析、求解。對結果進行分析、概括。71ppt課件習題一直徑為D,單位長度電阻為R的導電長桿原來與周圍空氣和環(huán)境處于熱平