Файл: Методические указания по курсовому проектированию по дисциплинам Теплофизические процессы в приборах.doc

10 20 30 40 θ_s = t_s- t_c, K

Рис. 2

Область 12 относится к группе пластинчатых радиаторов с размерами ребра квадратного основания от 40 до 155мм.

На рис. 3 представлен эффективный коэффициент теплоотдачи в зависимости от скорости вынужденного потока воздуха для тех же типов радиаторов, размеры которых указаны в табл. 1. При этом шаг между штырями или ребрами обозначен S^‘_ш (сплошные кривые) и S^‘’_ш (пунктирные кривые). Размеры квадратного основания пластинчатого радиатора (область 12) L2 изменяются в пределах от 40 до 125 мм.

Методика расчета радиатора следующая[4]:

1. 
   Определяем перегрев в месте крепления компонента к радиатору по следующей формуле:
   

t ^t_c ^_^t_p ^t_c^_Ф^R_вн ^R_k , (5)

_и

где R_вн – внутреннее тепловое сопротивление прибора между рабочей областью и корпусом; R_к – тепловое сопротивление контакта; t_c – температура окружающей среды или набегающего потока; t_p – предельная температура рабочей области прибора; t_и – температура в месте крепления прибора к радиатору.

2. 
   Определяем в первом приближении средний перегрев основания радиатора. Для этого введем безразмерную величину β, связывающую среднюю температуру t_s основания радиатора и температуру t_и в месте крепления прибора к радиатору (в первом приближении β = 1,2):
   

tstc ^t^p t^c^_Ф_R^вн R^k. (6)



1 2 3 4 v, м/с

Рис. 3

3. 
   Выбираем тип радиатора. Эта процедура является эмпирической и предполагает знание сравнительной эффективности различных типов радиаторов. В первом приближении выбрать тип радиатора и условия теплообмена можно с помощью графиков изображенных на рис. 4.
   

t_s - t_c , К



Рис. 4. Графики выбора типа радиатора: при свободной конвекции - пластинчатые (1), ребристые (1…4), игольчато-

штыревые (1…5), при вынужденной конвекции – пластинчатые

(3), ребристые (6…8), петельно-проволочные (8,9), жалюзные

---

(10,11), игольчато-штыревые (11,12)



Рис. 5. Температурное поле радиатора – 1 и прибора – 2

На рис. 5 схематически изображен радиатор 1 с закрепленным на нем прибором 2, внутри которого имеются источники мощностью Ф , разогревающие рабочую область прибора (например, область p-n-перехода) и его корпус до температур t_p и t_к; в месте крепления прибора к радиатору температура t_и, а средняя температура основания радиатора ts.

При выборе радиатора предполагается, что удельная мощность рассеивания q задана и точка пересечения параметров t_s - t_c и q указывает область, которой соответствует определенный тип радиатора и условия охлаждения.

4. 
   Определяем эффективный коэффициент теплоотдачи радиатора.
   

Графики зависимости коэффициента теплоотдачи игольчато-штыревых и ребристых радиаторов приведены на рис. 19 и 20, а их конструктивные параметры в табл. 1.

В условиях принудительного воздушного охлаждения коэффициент эффективности теплоотдачи этих радиаторов выбирается в зависимости от скорости потока воздуха ν из графика изображенного на рис. 3.

Aр  ^L₁^L₂ _ ^Ф_{t t }. (7)

'эф s c

4. 
   Находим площадь основания радиатора:
   
5. 
   Определяем средний перегрев радиатора во втором приближении:
   

kAи

A

ts tc0  shФ A  2Ф/рФchФ Aи 11, (8)

 Aир сh  2   Aр  

 

    

1

 sh2 B  где Ф B_1,5 1_ ; (9)

  2 B 

 A

B ^{эф р} ; (10)



р р

λ_р – коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлен радиатор; δ_р – толщина основания радиатора; А_и и А_р площади основания прибора и радиатора соответственно.

7. Уточняем площадь основания радиатора:

^Aр0 ^_эфtФs _tc^0. (11)

Теплоотвод-пластину рекомендуется применять при рассеиваемой мощности не более 5 Вт. При значениях мощности более 5 Вт габаритные размеры теплоотвода очень велики. Теплоотводы оребренные, штыревые, петельнопроволочные, типа «Краб» целесообразно применять для отвода мощностей от 5 до 20 Вт при температуре окружающей среды до + 120ºС. При значениях рассеиваемой мощности свыше 20 Вт и температуре окружающей среды выше + 120ºС эти конструкции необходимо использовать в условиях принудительного воздушного охлаждения или применять жидкостное охлаждение. Для обеспечения равномерного температурного поля длину и ширину теплоотвода целесообразно делать близкими по величине. Соотношение сторон теплоотвода не должно быть более 2.

---

Порядок конструктивного расчета теплоотвода пластины для естественного охлаждения приведен в табл. 2. Внешний вид теплоотвода-пластины показан на рис. 6.



Рис. 6

Таблица 2 Порядок конструктивного расчета теплоотвода пластины

№	Параметр	Обозначение	Расчетная формула или способ определения	Примечания
1	Мощность, рассеиваемая п/п прибором	Р, Вт	Задается
2	Температура окружающей среды	tокр.ср ,С	Задается
3	Максимальная температура перехода	tпер , С	По ТУ
4	Тепловое сопротивление переход-корпус	Rперкор , С/Вт	По ТУ
5	Тепловое контактное сопротивление	Rкорт, С/Вт	Определяется экспериментально
6	Среднеповерхн остная температура теплоотвода	tср, С	tср  q[tпер  P(Rперкор  Rкорт)]	Для естественного охлаждения q=0.96
7	Перепад между среднеповерхн остной температурой и окружающей средой	t. C	t  tср tокр.ср
8	Высота пластины	L1, м	Задается
9	Коэффициент теплоотдачи конвекцией	к ,Вт / м2  С	к  А1(tm)*B B  (t)1 / 4 L tm  (tср tокр.ср)	А1 (tm) - определяется по графику

---

Продолжение табл. 2

10	Коэффициент теплоотдачи излучением	л , Вт / м2 	Сл f (tср,tокр.ср) -коэффициент черноты	=1
11	Коэффициент теплоотдачи	,Вт/ м2 	С к л
12	Теплообменная поверхность	F, м2	P F  2L(l )2l t
13	Толщина пластины	, м	Выбирается	Рекомендуется 3-5 мм
14	Длина пластины	L2, м	F l  2L 2(L)

Методика проведения расчета игольчато-штыревого радиатора приведена в табл. 3.

На рис. 7 изображен внешний вид и обозначение размеров игольчато-штыревого радиатора.



Таблица

Порядок конструктивного расчета штыревого теплоотвода

№	Параметр	Обозначение	Расчетная формула или способ определения	Примечания
1	Мощность рассеиваемая полупроводником прибором	Р, Вт	Задается
2	Температура окружающей среды	tокр.ср,С	Задается
3	Максимальная температура перехода	tпер , С	По ТУ
4	Тепловое сопротивление переход-корпус	Rперкор , С/Вт	По ТУ
5	Тепловое контактное сопротивление	Rкорт, С/Вт	Определяется экспериментально
6	Среднеповерхностная температура	tср, С	tср  q[tпер P(Rпер  Rкорт)]	Q=0.96 для естественного и кq=0.94 для принудительного охлаждений
7	Температурный напор	, C	t  1 t2 2	t1  tокр.ср t2  tср 3 для естественного t2  tср 10 дл я принуд.
8	Высота штыря	h, м	Выбирается	Рекомендуется 15-30 мм
9	Нижнее основание штыря	d1,м	Выбирается	Рекомендуется 2,5-3 мм
10	Верхнее основание штыря	d2 ,м	Выбирается	Рекомендуется 1-1,5 мм
11	Шаг штырей	s,м	Выбирается	Рекомендуется 5-7 мм

---

12	Толщина теплоотводящей пластины	,м	Выбирается	Рекомендуется 4-5 мм
13	Эквив. диаметр среднего сечения штыря	dэкв ,м	Задается
14	Коэфф. кинематической вязкости	м 2 , с	Справочная величина
15	Перепад температуры	t, С	t  tср tокр.ср
16	Коэффициент теплопроводност и воздуха	в,Вт / м2  С	Справочная величина
№	Параметр	Обозначение	Расчетная формула или способ определения	Примечания
17	Критерий Грасгофа	Gr	qd 3 Gr  экв2 t 	1
				 273tокр.ср
18	Критерий Нуссельта	Nu	Nu  0,47(Gr)1 4
19	Общий коэффициент теплоотдачи	,Вт/ м2  С	к л
20	Коэффициент теплоотдачи конвекцией	к,Вт/ м2 	Nu* к  в dэкв
21	Периметр поперечного сечения штыря (ср. по высоте)	u , м	udэкв
22	Площадь поперечного сечения штыря	f , м 2	f dэкв2 4
23	Коэффициент теплопроводност и материала	м,Вт/ м2  С	Задается

---