1、热设计概论杭州玄冰科技Content 热设计概论 传热的基本原理为什么要进行热设计高温对电子产品的影响绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落。热设计的基本问题 电子设备的有效输出功率比所需的输入功率小得多，而这部分多余的功率则转化为热而耗散掉。随着电子技术的发展，电子元器件和设备日趋小型化，使得设备的体积功率密度大大增加 提供一条低热阻通路，保证热量顺利传递出去。热设计的目标 热设计应满足设备可靠性的要求 热设计应满足设备预期工作的热环境的要求 热设计应满足对冷却系统的限制要求 降低成本热设计应考虑的问题 太阳辐射 灰尘、纤维微粒 寿命周期费用 热瞬变 维修性 水气的
2、冷凝 冷却剂传热基本原则 凡有温差的地方就有热量的传递。热量传递的两个基本规律是:热量从高温区流向低温区;高温区发出的热量必定等于低温区吸收的热量。热量的传递过程可区分为稳定过程和不稳定过程两大类:凡是物体中各点温度不随时间而变化的热传递过程称为稳定热传递过程;反之则称为不稳定过程。传热基本原则 传热的基本计算公式为式中：热流量，W；总传热系数，W/(m2)；A 传热面积，m2；t 热流体与冷流体之间的温差，。A t 传热的基本方式 导热 对流 辐射它们可以单独出现，也可能两种或三种形式同时出现导热机理 气体导热是由气体分子不规则运动时相互碰撞的结果。金属导体中的导热主要靠自由电子的运动来完成
3、。非导电固体中的导热是通过晶格结构的振动实现的。液体中的导热机理主要靠弹性波的作用。导热计算 导热基本定律是傅里叶定律:在纯导热中，单位时间内通过给定面积的热流量，正比于该地垂直于导热方向的截面面积及其温度变化率。其计算公式为:式中：热流量，W；导热系数，W/(m)；A 垂直与热流方向的横截面面积，m2；x方向的温度变化率，/m。负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。tAx /tx可分为自然对流和强迫对流两大类可分为自然对流和强迫对流两大类对流换热采用牛顿冷却公式计算对流换热采用牛顿冷却公式计算()cwfh A tt 式中：式中：hc 对流换热系数，对流换热系数，W/(m2)；A 对流换
4、热面积，对流换热面积，m2；tw 热表面温度，热表面温度，；tf 冷却流体温度，冷却流体温度，。对流传热对流传热nNuCRa式中：式中：Nu 努谢尔特数，努谢尔特数，Nu=hD/；Ra 瑞利数，瑞利数，Ra=GrPr；Gr 格拉晓夫数，格拉晓夫数，Gr=g2D3t/2；Pr 普朗特数；普朗特数；C、n 由表由表2-1查得，定性温度取壁面温度与流体温度的算术平均值；查得，定性温度取壁面温度与流体温度的算术平均值；h 自然对流换热系数，自然对流换热系数，W/(m2)；D 特征尺寸，特征尺寸，m；流体的导热系数，流体的导热系数，W/(m)；流体的体积膨胀系数，流体的体积膨胀系数，-1；g 重力加速度
5、，重力加速度，m/s2；流体的密度，流体的密度，kg/m3；流体的动力粘度，流体的动力粘度，Pas；t 换热表面与流体的温差，换热表面与流体的温差，。自然对流换热的准则方程自然对流准则方程中的自然对流准则方程中的C和和n值值 对在海平面采用空气自然冷却的多数电子元器对在海平面采用空气自然冷却的多数电子元器件或小型设备件或小型设备(任意方向的尺寸小于任意方向的尺寸小于600mm)，可以，可以采用以下简化公式进行计算采用以下简化公式进行计算1.250.25/2.5/AC tD 式中：式中：热流密度，热流密度，W/m2；A 换热面积，换热面积，m2；C 系数，由表系数，由表2-1查得；查得；D 特征
6、尺寸，特征尺寸，m；t 换热表面与流体（空气）的温差，换热表面与流体（空气）的温差，。自然对流换热的简化计算三、强迫对流换热的准则方程三、强迫对流换热的准则方程强迫对流换热的准则方程管内流动及沿平板流动的准则方程管内流动及沿平板流动的准则方程表中的雷诺数表中的雷诺数Re定义为定义为:ReuD式中：式中：流体的密度，流体的密度，kg/m3；u 流体流速，流体流速，m/s；流体的动力粘度，流体的动力粘度，Pas；D 特征尺寸，特征尺寸，m。强迫对流换热的准则方程 当管道为短管（即管长当管道为短管（即管长l与管径与管径d之比小于之比小于50）或弯管）或弯管时，前表中的紊流准则方程右端应乘以相应的修正
7、系数时，前表中的紊流准则方程右端应乘以相应的修正系数短管修正系数短管修正系数l如下图所示如下图所示弯管修正系数弯管修正系数R为为气体：气体：1 1.77RdR 液体：液体：31 10.3RdR 其中其中R为弯管曲率半径。为弯管曲率半径。强迫对流换热的准则方程对流换热影响因素 流体流动发生的原因流体流动发生的原因(自然对流与强迫对流自然对流与强迫对流)流体流动的状态流体流动的状态(层流与紊乱流层流与紊乱流)换热面的几何形状和位置换热面的几何形状和位置(平板平板,圆管圆管,肋面肋面 与横放与横放,竖放竖放,水平或垂直等水平或垂直等)流体的物理性质流体的物理性质(导热系数导热系数,比热比热,密度密度
8、,黏度黏度等等)辐射能以电磁波的形式传递辐射能以电磁波的形式传递任意物体的辐射能力可用下式计算任意物体的辐射能力可用下式计算40AT 式中：式中：物体的表面黑度；物体的表面黑度；0 斯蒂芬斯蒂芬玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数，5.6710-8 W/(m2K4)；A 辐射表面积，辐射表面积，m2；T 物体表面的热力学温度，物体表面的热力学温度，K。辐射传热两物体表面之间的辐射换热计算公式为：两物体表面之间的辐射换热计算公式为：4412125.67100100 xtTTAF 式中：式中：T1、T2 物体物体1和物体和物体2表面的绝对温度，表面的绝对温度，K；1、2 物体物体1和物体和物体2的表面黑度；的表面黑度；xt 系统黑度；系统黑度；A 物体辐射换热表面积，物体辐射换热表面积，m2；F12 两物体表面的角系数。两物体表面的角系数。121111xt辐射传热计算
