1、 电 子 设 备 热 设 计 第二篇 传热学基础理论1ppt课件课件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； 2ppt课件课件传热学基本概念 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。 势能功能传出热量对外作功内能内能的表现形式 温度场：
2、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。 ),(zyxft 3ppt课件课件等温面: 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。 00)lim( nntnttgradnnt称为温度变化率（与面积垂直） t 稳定温度场与瞬态温度场:0; 0tt4ppt课件课件 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。 t1822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
3、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。5ppt课件课件导热基本定律(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。 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 tq6ppt课件课件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33089
4、39385铁铁737898452银银41910524234尼龙尼龙0.170.411211075环氧树脂环氧树脂0.41041Diamond 160023007ppt课件课件 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)(ln22112wwttrrkl8ppt课件课件三维导热方程假定：温度随时间变化； 内部有热源（ ） 物性（ 常量）为常数； 材料各向同性等q ,cktakqztytxt1222222cka（导温系数） 与导热系数有别 9ppt课件课件稳态导热与瞬态导热0t0q 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
5、负载时出现的导热问题0t 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10ppt课件课件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： )(/1)(/外内hkkhBiot11ppt课件课件 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12ppt课件课件接触热阻实例13ppt
6、课件课件图2.3 接触热阻与压力关系 接触热阻与压力的关系Mpa14ppt课件课件在材料厚度为2.54mm（100mil）、接触压力为0.7kg/cm2（10psi）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60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6倍以上。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行表面接触。接触热阻实例15ppt课件课件导热问题的数值分析技术参见参见 “热分析技术热分析技术”专题专题16ppt课件课件对流换热定义：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
7、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，又有流体本身的，受到导热、对流两种规律的支配。 t17ppt课件课件对流产生的原因 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 t18ppt课件课件流体的流动特征自然对流 natural强迫对流 forced对流方式层流
8、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。 19ppt课件课件对流换热基本规律20ppt课件课件影响对流换热的其他因素流体的物性、Cpk)CkgkJ(005. 1o20CC空气)CkgkJ(1826. 4o20CC水)W/m.(1057. 2o220CkC空气)CW/m(109 .59o220Ck水换热面的几何条件 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。 21ppt课件课件对流
9、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。22ppt课件课件对流换热基本规律23ppt课件课件对流换热系数图例24ppt课件课件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
10、示的物理定律方程式。 1LLLgts222121LLLgtv225ppt课件课件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 mMLx;L1LF2ML22ML26ppt课件课件白汉金 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。 0),(21nxxxf0),(21rn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 )(rn
11、27ppt课件课件 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k28ppt课件课件对流换热量纲分析法kkhc - f (w , , , cp , k , D) = 029ppt课件课件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
12、，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：kkkWL30ppt课件课件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31ppt课件课件求解对流换热系数32ppt课件课件对流换热中的无量纲数kDhc温度梯度比2（粘性力）惯性力浮升力RaPrGr NuRewD粘性力惯性力Pr)(akCp或热量扩散动量扩散Gr23tg
13、D 粘性力与热扩散浮升力与惯性力名名 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33ppt课件课件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。UADe4槽道截面面积( )；流体湿边周长(m)。 A2mU34ppt课件课件自
14、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。 35ppt课件课件自然对流换热计算 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 例题： 一个电子设备处于环境温度为25的空气中，其表面温度为85，设备机箱外壳尺寸为： 长， 宽， 高。试问该机箱顶部表面仅靠自然对流能散掉多少热量？mm 200mm 200mm 300Nu =C (Gr *Pr ) nGr = g D3t / 2 Ra= Gr *Pr nc
15、CDkhPrGr)(PrakCp或36ppt课件课件自然对流换热计算Nu =C (Gr *Pr ) n37ppt课件课件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。 强迫对流换热计算200 2Re 410Re200 2410Re 38ppt课件课件强迫对流换热计算 管(槽)内层流 管(槽)内紊流4 . 08 . 0PrRe023. 0Nufff14. 03/1PrRe86. 1Nuwf
16、fffld 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。 wf、ftwt39ppt课件课件 流体沿平板流动 流体横掠圆管或管簇强迫对流换热计算5 . 0Re66. 0Nuff8 . 0Re032. 0Nuff510Re 510Re 40ppt课件课件说明 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
17、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
18、流换热系数值就成为亟待解决的问题41ppt课件课件物性参数的查取、Cpk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)/(3mkg)/(103CkgJCpo)/(1027Sma)/ 1 (103Co以以 水水 为例：为例：42ppt课件课件强迫对流换热例题43ppt课件课件强迫对流换热例题44ppt课件课件强迫对流换热例题45p
19、pt课件课件对流换热数值分析 参见“热分析技术”一专题。46ppt课件课件辐射换热基本特征47ppt课件课件电磁波谱. 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动的结果。温度是电子振动和激动的基本原因，故热辐射主要取决于温度。 48ppt课件课件49ppt课件课件黑体辐射力计算公式50ppt课件课件热辐射基本规律51ppt课件课件几个术语52ppt课件课件基尔霍夫定律410067. 5TEbbEEEE332211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。 53ppt课件课件辐射换
20、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 F1254ppt课件课件角系数的相对性角系数的相对性辐射换热 角系数55ppt课件课件角系数图解56ppt课件课件角系数的特性57ppt课件课件辐射换热 有效辐射 物体的本身辐射和反射辐射之和称为有效辐射 。58ppt课件课件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59ppt课件课件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)60ppt课件课件密闭空间内的辐射换热61ppt课件课件辐射换热的网络分析62ppt课件课件辐射换热的网络
21、分析 两任意表面间的辐射换热 表面辐射热阻 (1- 1)/ 1 A1 (1- 2)/ 2 A2 空间辐射热阻： 1/ A1 F12 或 1/ A2 F212221211114241222121111212, 111110010067.5111AFAATTAFAAEEbbA2 T2 2A1 T1 163ppt课件课件辐射换热64ppt课件课件混合换热65ppt课件课件单(多)层圆筒壁的传热66ppt课件课件肋片换热67ppt课件课件习题68ppt课件课件本章教学要求 对各类实际问题中涉及的传热现象、过程、特点、量值 应具备敏锐的判断、分析和工程求解的能力。 物理量的单位、量刚分析的重要性 物理量
22、标识符的使用应该严格、规范。 学会对某一实际传热现象画出其物理系统简图。 控制体 与 控制面 （由控制面围成的一个固定的空间区域，能量和物质的交换均经过这个控制面进行。）69ppt课件课件热力学第一定律（能量守恒） 热能和机械能进入控制体的速率与能量与能量离开控制体的速率之差，必等于能量在这个控制体内储存的速率。stEoutEgEinE70ppt课件课件传热问题的基本分析方法 明确已知条件和待求物理量。 画出物理系统的简图，如涉及能量守恒定律，用虚线标出控制体（面），用箭头标出相关传热过程。 列出全部简化和假设条件。 确定全部使用的物理量及其标识符和单位。 综合应用能量守恒定律和导热、对流、辐
23、射等热流方程。 分析、求解。 对结果进行分析、概括。71ppt课件课件习题一直径为 D , 单位长度电阻为R 的导电长杆原来与周围空气和环境处于热平衡，当电流I 通过导体时，热平衡遭到破坏。试推导出用以计算导体温度随通电时间而变化的方程式。ILTsurTair72ppt课件课件习题 厚度为0.15m的砖墙将炉中的热燃气与温度为25 的环境空气与热炉隔开。墙壁的导热系数为1.2W/m.K，黑度为0.8,在稳态状况下测得壁外表面的温度为100 ，该壁面附近空气的自然对流换热系数为20 W/m2.K，试求炉内壁的表面温度。 温度为300 的空气从长0.5m，宽0.25m的平面上流过。若对流换热系数是
24、250 W/m2.K ，而平板温度保持40 时，求空气对所接触的平板一侧的传热速率。 一个由双层玻璃构成的隔火屏将烧木柴的壁炉与房间隔开，隔火屏由垂直安装的两层玻璃构成，这两层玻璃之间保持一定的距离，可使室内空气能够从中流过（其上、下均敞开）。试分析传热过程。73ppt课件课件习题 玻璃窗的层数强烈影响着取暖房间对外界空气的热损失。试比较两种情况下的传热过程。 为求出空气流过一厚钢铸件表面时的对流换热系数，沿着与铸件表面垂直的法线方向，在铸件内部距表面10mm和25mm处装热电偶，当空气的温度为100 时，若热电偶测得的温度分别为50 和40 ，试求出对流换热系数。（钢的导热系数为15W/m.K）74ppt课件课件习题 在太阳能热水器中，能量由在管中循环流动的水来收集。这些管子与吸热背板要接触良好，同时吸热背板与周围要绝热，吸热板前面接收太阳辐射，而且通常用一层或多层玻璃板罩着，试分析有和没有玻璃罩板两种情况下的传热过程。 真空管式太阳能热水器可以改善集热效果，它把内管装在透明的外管中，再把两管之间抽真空，内管的外表面不透明，试分析相关的传热过程。75ppt课件课件
