Кондуктивный теплообмен

Процесс передачи тепла теплопроводностью объясняется обменом кинетической энергии между молекулами вещества и диффузией электронов. Эти явления имеют место, когда температура вещества в различных точках различна или когда контактируют два тела с различной степенью нагрева.

Основной закон теплопроводности (закон Фурье) гласит, что количество тепла, проходящее через гомогенное (однородное) тело в единицу времени, прямо пропорционально площади поперечного сечения, нормальной к потоку тепла, и температурному градиенту вдоль потока

Р_Т = ,

где Р_Т - мощность теплового потока, передаваемого теплопроводностью, Вт;

l - коэффициент теплопроводности, ;

d - толщина стенки, м;

t₁, t₂ - температура нагретой и холодной поверхности, К;

S - площадь поверхности, м².

Из этого выражения можно сделать вывод, что при разработке конструкции РЭС теплопроводящие стенки следует делать тонкими, в соединениях деталей обеспечивать тепловой контакт по всей площади, выбирать материалы с большим коэффициентом теплопроводности.

Рассмотрим случай передачи тепла через плоскую стенку толщиной d.

Рисунок 7.2 – Передача тепла через стенку

Количество тепла, передаваемого за единицу времени через участок стенки площадью S определится по уже известной формуле

Р_Т = .

Эту формулу сравнивают с уравнением закона Ома для электрических цепей. Нетрудно убедиться в их полной аналогии. Так количество тепла в единицу времени Р_Т соответствует величине тока I, температурный градиент (t₁ - t₂) соответствует разности потенциалов U.

Отношение называют т е р м и ч е с к и м сопротивлением и обозначают через R_Т,

R_Т = , .

Рассмотренная аналогия между протеканием теплового потока и электрического тока не только позволяет отметить общность физических процессов, но и облегчает проведение расчета теплопроводности в сложных конструкциях.

Если в рассмотренном случае элемент, который нужно охладить, располагается на плоскости имеющей температуру t_СТ1, то

t_СТ1 = Р_Тd/(lS) + t_СТ2.

Следовательно, для уменьшения t_СТ1 нужно увеличить площадь теплоотводящей поверхности, уменьшить толщину передающей тепло стенки и выбирать материалы с большим коэффициентом теплопроводности.

Для улучшения теплового контакта необходимо уменьшать шероховатость контактирующих поверхностей, покрывать их теплопроводящими материалами и создавать контактное давление между ними.

Качество теплового контакта между элементами конструкции зависит также от электрического сопротивления. Чем меньше электрическое сопротивление контактной поверхности, тем меньше его термическое сопротивление, тем лучше теплоотвод.

Чем меньше теплоотводность окружающей среды, тем больше времени потребуется для установления стационарного режима теплообмена.

Обычно охлаждающей частью конструкции является шасси, корпус или кожух. Поэтому при выборе компоновочного варианта конструкции нужно смотреть, имеет ли выбранная для крепления охлаждающая часть конструкции условия для хорошего теплообмена с окружающей средой или теплостойком.