资源描述
电 子 设 备 热 设 计 第三讲 传热学基础理论热设计的基础理论热设计的基础理论导热导热 导热及其基本规律；导热的基本方程；热阻及热电模拟关系；导热问题的方程求解对流换热对流换热 对流的基本概念及其影响因素；对流换热基本规律；对流换热系数的确定；对流换热的实验关系式；辐射换热辐射换热 热辐射的基本概念；黑体表面之间的辐射换热；形状系数的确定；灰体表面之间的辐射换热；遮（隔）热板的效用；2传热学基本概念 温度：物体大量分子运动的宏观结果（平均动能的标志）热量：表征物体内能变化的物理量。内能内能的表现形式 温度场：某个瞬间，空间各点的温度分布。它属于数量 场。如温度，密度，电位场等。3等温面:在温度场中，同一时刻温度相同的各点连线 称为等温线。由等温线构成的面为等温面。温度梯度:沿等温面法线方向的温度增量 与法向距离之比的极限。称为温度变化率（与面积垂直）稳定温度场与瞬态温度场:物体各点的温度不随时间的变化，又称为定常温度场，物体各点的温度不随时间的变化，又称为定常温度场，温度分布随时间改变，又称非定常温度场。温度分布随时间改变，又称非定常温度场。4热流量：单位时间内通过某一给定面积热流量：单位时间内通过某一给定面积的热量的热量，单位，单位W。热流密度：单位时间内通过单位面积的热流密度：单位时间内通过单位面积的热流量，热流量，q，单位，单位W/m2。5 传热的基本方式 传热的基本方式有三种：传导、对流和辐射、一般来说，传热的基本方式有三种：传导、对流和辐射、一般来说，这三种形式在电子系统的热传输中分别占这三种形式在电子系统的热传输中分别占60%，20%和和20%。6 导热 因物质的原子和分子之间的随机运动而导致的从高能级低能级的一种能量传输过程。简单地说：导热的产生必需具备二个条件：和相互接触。1822年法国数学家J.Fourier，研究了固体的导热现象后，提出：物质在纯导热时，通过垂直于热流方向的面积（dA）的热流量（dQ），与该处的温度变化率（梯度）成正比，方向与温度梯度相反。7导热基本定律(conduction)=k A t/n (w)q=k t/n (w/m2)在纯导热问题中，单位时间内通过给定面积的热量与该点的温度梯度及垂直于导热方向的截面积A成正比。负号表示负号表示热量传递方向与温度升高方向相反。热量传递方向与温度升高方向相反。K材料的导热系数 W/moC 导热特性影响因素：材料种类、温湿度、结构形式、密度、比热等。tq8不同材料的导热特性 材料名称导热系数(20)W/(m)密度(20)kg/m3比热(20)J/(kg)铝铝2042707921金金29219272126铜铜3308939385铁铁737898452银银41910524234尼龙尼龙0.170.411211075环氧树脂环氧树脂0.41041Diamond 160023009导热系数随温度的依从关系 导热系数与温度相关，导热系数与温度相关，随温度的变化而变化，随温度的变化而变化，在比较广阔的温度区间在比较广阔的温度区间内大多数材料的内大多数材料的k值都容值都容许采用线性近似关系：许采用线性近似关系：导热系数对温度的依变关系导热系数对温度的依变关系10保温材料导热系数小导热系数小重量轻、隔热性能好重量轻、隔热性能好附有导热系数数据附有导热系数数据各向异性及各向同性材料各向异性及各向同性材料11 单层平壁 平壁的厚度 多层平壁 R=R1+R2+.Rn 单层及多层圆筒壁的导热问题导热基本定律12导热微分方程导热微分方程 为了查明物体温度场的数学表达式，必须根据能量守恒定律与傅立叶定律为了查明物体温度场的数学表达式，必须根据能量守恒定律与傅立叶定律来建立导热物体中的温度场应满足的数学关系式，称为导热微分方程。来建立导热物体中的温度场应满足的数学关系式，称为导热微分方程。微元平行六面体的导热分析微元平行六面体的导热分析从导热物体中取出一个任意的微元体，假定导热物从导热物体中取出一个任意的微元体，假定导热物体是各向同性的。体是各向同性的。导入微元体的总热流量微元体内热源的生成热导入微元体的总热流量微元体内热源的生成热导出微元体的总热流量微元体热力学能的增量。导出微元体的总热流量微元体热力学能的增量。笛卡儿坐标系中三维非稳态导热微分方程的一般形式如下式：笛卡儿坐标系中三维非稳态导热微分方程的一般形式如下式：(1)13下面针对一系列具体情形来导出式下面针对一系列具体情形来导出式(1)的相应简化形式。的相应简化形式。导热系数为常数：导热系数为常数：式中，式中，称为热扩散率。称为热扩散率。导热系数为常数、无内热源：导热系数为常数、无内热源：导热系数为常数、稳态：导热系数为常数、稳态：导热系数为常数、无内热源、稳态：导热系数为常数、无内热源、稳态：导热微分方程的简化导热微分方程的简化14对于圆柱坐标系及球坐标系中的导热问题，采用类似的分析方法对于圆柱坐标系及球坐标系中的导热问题，采用类似的分析方法亦可导出相应坐标系中的导热微分方程。下面给出这两种坐标系亦可导出相应坐标系中的导热微分方程。下面给出这两种坐标系中一般形式的导热微分方程。中一般形式的导热微分方程。圆柱坐标系：圆柱坐标系：圆柱坐标系导热微分方程圆柱坐标系导热微分方程15球坐标系：球坐标系导热微分方程球坐标系导热微分方程16 导热微分方程式是描写导热过程共性的数学表达式。求解导热导热微分方程式是描写导热过程共性的数学表达式。求解导热问题，实质上归结为对导热微分方程式的求解。为了获得某一具体问题，实质上归结为对导热微分方程式的求解。为了获得某一具体导热问题的导热问题的温度分布温度分布，还必须给出用以表征该特定问题的一些，还必须给出用以表征该特定问题的一些附加附加条件条件。这些使微分方程获得适合某一特定问题的解的附加条件，成这些使微分方程获得适合某一特定问题的解的附加条件，成为定解条件为定解条件。对非稳态导热问题，定解条件有两个方面，即给出初。对非稳态导热问题，定解条件有两个方面，即给出初始时刻温度分布的初始条件，以及给出导热物体边界上温度或换热始时刻温度分布的初始条件，以及给出导热物体边界上温度或换热情况的边界条件。导热微分方程及定解条件构成了一个具体导热问情况的边界条件。导热微分方程及定解条件构成了一个具体导热问题的完整的数学描述。对于稳态导热问题，定解条件没有初始条件，题的完整的数学描述。对于稳态导热问题，定解条件没有初始条件，仅有边界条件。仅有边界条件。导热微分方程的定解条件导热微分方程的定解条件17导热问题的常见边界条件可归纳为以下三类：导热问题的常见边界条件可归纳为以下三类：规定了边界上的温度值，称为第一类边界条件。规定了边界上的温度值，称为第一类边界条件。此类边界条件最简单的典型例子就是规定了边界温此类边界条件最简单的典型例子就是规定了边界温度保持常数，即度保持常数，即 tw=常量。对于非稳态导热，这类常量。对于非稳态导热，这类边界条件要求给出以下关系是：边界条件要求给出以下关系是：时导热微分方程的定解条件导热微分方程的定解条件18 规定了边界上的热流密度值，称为第二类边界条件。此类边界条件最简规定了边界上的热流密度值，称为第二类边界条件。此类边界条件最简单的典型例子就是规定边界上的热流密度保持定值，即单的典型例子就是规定边界上的热流密度保持定值，即qw=常数。对于非常数。对于非稳态导热，这类边界条件要求给出以下关系式：稳态导热，这类边界条件要求给出以下关系式：时 规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数h及周围流体的温度及周围流体的温度tf，称为第三类边界条件。第三类边界条件可表示为：，称为第三类边界条件。第三类边界条件可表示为：在非稳态导热时，式中在非稳态导热时，式中h和和tf均可为时间的函数。均可为时间的函数。式中，式中，n为表面为表面A的外法线方向。的外法线方向。导热微分方程的定解条件导热微分方程的定解条件19导热微分方程的两点讨论导热微分方程的两点讨论(1)热扩散率的物理意义。热扩散率的物理意义。(2)导热微分方程的适用范围。导热微分方程的适用范围。对于一般工程技术中发生的非稳态导热问题，常常热流密度不很对于一般工程技术中发生的非稳态导热问题，常常热流密度不很高而过程的作用时间又足够长，傅里叶导热定律及非稳态导热方程是高而过程的作用时间又足够长，傅里叶导热定律及非稳态导热方程是完全适用的（对于在极短时间内产生极大的热流密度的热量传递现象完全适用的（对于在极短时间内产生极大的热流密度的热量传递现象和极低温度时的导热问题，不再适用）。和极低温度时的导热问题，不再适用）。是导热系数，是导热系数，越大，在相同的温度梯度下可以传导更多的热量。越大，在相同的温度梯度下可以传导更多的热量。c 是单位体积物体温度升高是单位体积物体温度升高1所需的热量。所需的热量。a 越大，表示物体内部温度扯平的能力越大，材料中温度变化传播的越大，表示物体内部温度扯平的能力越大，材料中温度变化传播的越迅速。越迅速。20稳态导热与瞬态导热v 稳态、内部无热源v 瞬态导热 即许多电子设备在起动、停机、变负载时出现的导热问题 LPA法(Lumped Parameter Analysis）将物体中连续分布的质量和热量均视为 集总于一点。21瞬态导热影响因素例如：一个物体表面被突然加热或冷却，物体各点温度的变化取决于二个因素：a.固体表面与周围环境的换热（辐射）条件；b.固体内部的导热性能 用一个无量纲数来表示：内部导热热阻表面对流换热热阻 当固体内部的导热热阻远小于其表面的换热热阻时，固体内部的当固体内部的导热热阻远小于其表面的换热热阻时，固体内部的温度趋于一致，可以认为整个固体在同一瞬间均处于同一温度下，这温度趋于一致，可以认为整个固体在同一瞬间均处于同一温度下，这时所求解的温度仅是时间的函数而与坐标无关，象只有一个温度值一时所求解的温度仅是时间的函数而与坐标无关，象只有一个温度值一样。采用集总参数法进行求解。样。采用集总参数法进行求解。22 影响因素：实际接触点的总面积及分布规律；接触表面粗糙度；非接触间隙平均厚度；间隙介质的种类；接触表面硬度；接触表面间压力；接触面氧化程度与清洁度；接触热阻23接触热阻实例接触热阻实例 表面状况接触热阻104(m2k/w)金 属 与 金 属干接触高3.55中2.58低0.90涂硅脂高2.32中1.29低0.48导热衬垫高1.10中0.65低0.32垫铟片（厚0.005mm)干接触高0.58中0.45低0.3224图2.3 接触热阻与压力关系 接触热阻与压力的关系Mpa25在材料厚度为在材料厚度为2.54mm、接触压力为接触压力为0.7kg/cm2的条件下，导热橡胶垫所呈现出的额定导热率的条件下，导热橡胶垫所呈现出的额定导热率几乎比空气高出几乎比空气高出60倍以上，比起常规采用的印倍以上，比起常规采用的印刷电路板材料（例如环氧玻璃丝布板）高出刷电路板材料（例如环氧玻璃丝布板）高出6倍倍以上。这种弹性材料能够非常方便地进行按尺以上。这种弹性材料能够非常方便地进行按尺寸切割，适于在接触压力相对较低的情况下进寸切割，适于在接触压力相对较低的情况下进行表面接触。行表面接触。接触热阻实例26对流换热定义：定义：流动的流体与其相接触的物体（固体、流体、汽体），由于温差的原因所产生的能量与热量的传递过程。条件：条件：a.质点的宏观位移（流动）；b.两个物体间有 存在。特点：特点：对流换热是包括对流和导热二个过程同时存在，它既有流体分子之间、流体与固体间的导热作用导热作用导热作用导热作用，又有流体本身的对流作用对流作用对流作用对流作用，受到导热、对流两种规律的支配。27对流产生的原因 靠自然力靠自然力 密度差引起。密度差引起。（与 的强度、流体的性质、空间、大小、壁面的大小等因素有关。）受强制力（如风机、泵）推动而引起的流动。受强制力（如风机、泵）推动而引起的流动。（推力的大小、（压差）、流体的性质、流道的尺寸大小等阻力因素有关 28流体的流动特征自然对流 natural强迫对流 forced对流方式层流 laminar紊流 turbulent流动状态图图2.5 紊流特征紊流特征层流：流线有规则，大都发生在贴近 壁面附近的流层。（导热产生的换热为主）紊流：层流底层以外（边界层以外）所发生的流体不规则流动。29对流换热基本规律30影响对流换热的其他因素流体的物性换热面的几何条件 几何形状、截面尺寸 进、出口的长度（流道）；表面的粗糙度；表面的安装位置和流动空间大小。31对流换热影响因素总结 流体流动特征 流体的物性参数 换热面的几何形状 流体的相变条件（沸腾、凝结、升华）以上各影响因素，使得对流换热过程变得非常复杂，要想用数学式来表达非常困难。32对流换热基本规律33对流换热系数图例34对流换热系数对流换热系数对流传热系数的数值范围对流传热系数的数值范围 过过 程程h/W(m2k)自然对流自然对流 空气空气 水水1102001000强迫对流强迫对流 气体气体高压水蒸气高压水蒸气 水水201005003500100015000水的相变换热水的相变换热 沸腾沸腾 蒸汽凝结蒸汽凝结2500350050002500035对流换热的分类树36对流换热量纲分析法量纲 量纲是物理性能的定性标准 每一种物理性能只有一个量纲，如长度，时间。单位 单位是物理性能的定量标准。基本量纲 可以直接测量并与其他量纲无关的量纲。导出量纲 不能直接测量的量纲，并与构成该定义 的其他量纲有关。无量纲量 一切量纲或单位都可能相互抵消的 物理量和物理常量。量纲公式 用有关的基本量纲次幂的乘积表示的物理定律方程式。37基本量纲与导出量纲物 理 量 符号量纲物 理 量 符号量纲质量 速度 长度 力 时间热量 38白汉金 定律如果某个齐次方程的物理变量有 m m 个，则可以用(m-nm-n)个独立的无量纲的数组来支配。其中 n n 是 m m 个物理变量中的基本量纲数。换言之：描写物理现象的方程，一定是量纲的齐次方程。而这些齐次方程均可化为一个无量纲的乘积的形式来表示。一个有 r r 个基本量纲的齐次方程 可以用 项无量纲量来表示 39 影响对流换热的因素很多，但我们可以用一个简单的“牛顿方程”来表示：=-hc A （tw-tf）以管内强迫对流为例，hc=f(w,cp,k,D)wm/s;kg/m3;动力粘度 kg/m s ;=/运动粘度；cp kJ/kg oC ;k w/m oC;D m 对流换热量纲分析法k40对流换热量纲分析法kkhc-f(w,cp,k,D)=041对流换热量纲分析法hcf(w,cp,k,D)=0（1，2，3）=0如果某个齐次方程的物理变量有7个，其中近4个基本量纲基本量纲量，则该方程也可以用3个独立的无量纲数组无量纲数组来支配。任选hc=f(w,cp,k,D)中的D，,k 为基本变量，可得：kkkWL42对流换热量纲分析法(1，2，3)=0以上是以管内强迫对流为例，以上是以管内强迫对流为例，而自然对流换热遵循不同的规律。而自然对流换热遵循不同的规律。Gr=g D3t/2对流换热系数43求解对流换热系数44对流换热中的无量纲数名名 称称符符 号号数数 组组物物 理理 意意 义义努谢尔特努谢尔特数数雷诺数雷诺数普朗特数普朗特数葛拉晓夫葛拉晓夫数数雷莱数雷莱数45对流换热定性温度与特征尺寸 定性温度 选择定性温度没有一定的规则,可取平均的局部温度,壁面温度和流体 温度的平均值,或各点流体的平均温度.特征尺寸 特征尺寸是一个代表尺寸，该尺寸对对流换热有决定性的影响。流体在管内流动时，取管内径为特征尺寸；流体横掠圆管时，取管子的外径；纵掠平板时，取其板长；在非圆截面的槽内流动时，取当量直径。槽道截面面积()；流体湿边周长(m)。46自然对流换热计算 自然对流特征分析 流体内各部分温度的不均匀，引起流体密度的不均匀，流体受热密度减小，形成热流体上升，冷流体下降的对流循环。其动力是受热流体上升的浮升力。流体自然对流有两种流态，即层流和紊流。47自然对流换热计算 不同情况下的自然对流换热竖平板及竖柱体水平圆柱体水平板热面朝上水平板热面朝下Nu=C(Gr*Pr)nGr=g D3t/2 Ra=Gr*Pr 48自然对流换热计算Nu=C(Gr*Pr)n49强迫对流换热计算判断流体流动状态的依据是雷诺数，当 时，流动属层流；当 时，流动由层流向紊流过渡的过渡阶段；当 时，流动属紊流。不同的流动状态有不同的换热规律。管内强迫对流时，入口段流动情况对换热有明显的影响，另外还应注意 压力压力、短管短管 及 弯管弯管 对换热的影响。50强迫对流换热计算 管(槽)内层流 管(槽)内紊流 定性温度分别为流体平均温度 和壁面温度 ；特征尺寸取管道内径或当量直径。51 流体沿平板流动强迫对流换热计算52说明 自然对流与强迫对流换热的区别是与流体的流动性质有关。由外力自然对流与强迫对流换热的区别是与流体的流动性质有关。由外力(风机风机)引起的流动是由引起的流动是由Re数的大小来表征的，由数的大小来表征的，由 引起的自然引起的自然对流是由对流是由Gr数数(内含浮升力内含浮升力)大小来表征的大小来表征的。各类资料提供的表达式很多，但各种关系式均是由某些各类资料提供的表达式很多，但各种关系式均是由某些学者根据自己所作的试验结果得出式中的学者根据自己所作的试验结果得出式中的C,m,n等来计等来计算对流换热系数，因此都有一定的局限性。而针对电子算对流换热系数，因此都有一定的局限性。而针对电子机柜中的机柜中的PCB上之器件的布局复杂性，经试验推导出上之器件的布局复杂性，经试验推导出C,m,n、然后提供有关的换热方程、找出对流关系式是然后提供有关的换热方程、找出对流关系式是很困难的。因此，选用什么样的方程来近似地表达各电很困难的。因此，选用什么样的方程来近似地表达各电子机柜的对流换热系数值就成为亟待解决的问题。子机柜的对流换热系数值就成为亟待解决的问题。53物性参数的查取物性参数，包括 均可以根据定性温度值从“传热手册”查取，但应注意：手册上提供的数值均为扩大了 x 倍后的结果，具体计算时，需恢复原值。Pr201000.54.18181.0060.5971.4307.020.18201000.54181.81.00610-60.5971.43010-77.020.1810-3以以 水水 为例：为例：54强迫对流换热例题55强迫对流换热例题56辐射换热基本特征57电磁波谱.无线电波微波红外线红外线可见光紫外线.热辐射研究的对象是波长在0.1到100 范围内的热射线。它是物体中电子振动或激发的结果。温度是电子振动和激发的基本原因，故热辐射主要取决于温度。5859黑体辐射力计算公式60热辐射基本规律61几个术语灰体62基尔霍夫定律任何物体的辐射力和吸收率之比值与物体的性质无关，而恒等于同温度下绝对黑体的辐射力。63辐射换热角系数表面I发出的辐射能落到表面II的百分数，称表面I对表面II的角系数。记为：F F1264角系数的相对性角系数的相对性辐射换热角系数65角系数图解66角系数的特性67辐射换热 有效辐射 物体的本身辐射和反射辐射之和称为有效辐射。68平行平面间的辐射换热两平板的两平板的有效辐射有效辐射69隔热壁图中所示平板III是隔热板，其两侧面的黑度为 和 Q=t/Rt (热流量温升热流量温升/热阻热阻)70密闭空间内的辐射换热71混合换热72单(多)层圆筒壁的传热73肋片换热74谢谢！75
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