熱設(shè)計(jì)概論課件

熱設(shè)計(jì)概論杭州玄冰科技熱設(shè)計(jì)概論杭州玄冰科技1Content熱設(shè)計(jì)概論傳熱的基本原理Content熱設(shè)計(jì)概論2為什么要進(jìn)行熱設(shè)計(jì)高溫對(duì)電子產(chǎn)品的影響絕緣性能退化；元器件損壞；材料的熱老化；低熔點(diǎn)焊縫開裂、焊點(diǎn)脫落。為什么要進(jìn)行熱設(shè)計(jì)高溫對(duì)電子產(chǎn)品的影響3熱設(shè)計(jì)的基本問題電子設(shè)備的有效輸出功率比所需的輸入功率小得多，而這部分多余的功率則轉(zhuǎn)化為熱而耗散掉。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件和設(shè)備日趨小型化，使得設(shè)備的體積功率密度大大增加提供一條低熱阻通路，保證熱量順利傳遞出去。熱設(shè)計(jì)的基本問題電子設(shè)備的有效輸出功率比所需的輸入功率小得多4熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)熱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足設(shè)備可靠性的要求熱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足設(shè)備預(yù)期工作的熱環(huán)境的要求熱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足對(duì)冷卻系統(tǒng)的限制要求降低成本熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)熱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足設(shè)備可靠性的要求5熱設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題太陽輻射灰塵、纖維微粒壽命周期費(fèi)用熱瞬變維修性水氣的冷凝冷卻劑熱設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題太陽輻射6傳熱基本原則凡有溫差的地方就有熱量的傳遞。熱量傳遞的兩個(gè)基本規(guī)律是:熱量從高溫區(qū)流向低溫區(qū);高溫區(qū)發(fā)出的熱量必定等于低溫區(qū)吸收的熱量。熱量的傳遞過程可區(qū)分為穩(wěn)定過程和不穩(wěn)定過程兩大類:凡是物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變化的熱傳遞過程稱為穩(wěn)定熱傳遞過程;反之則稱為不穩(wěn)定過程。傳熱基本原則凡有溫差的地方就有熱量的傳遞。7傳熱基本原則傳熱的基本計(jì)算公式為式中：Φ——熱流量，W；

Κ——總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

A——傳熱面積，m2；

Δt——熱流體與冷流體之間的溫差，℃。傳熱基本原則傳熱的基本計(jì)算公式為8傳熱的基本方式導(dǎo)熱對(duì)流輻射 它們可以單獨(dú)出現(xiàn)，也可能兩種或三種形式同時(shí)出現(xiàn)傳熱的基本方式9導(dǎo)熱機(jī)理氣體導(dǎo)熱是由氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果。金屬導(dǎo)體中的導(dǎo)熱主要靠自由電子的運(yùn)動(dòng)來完成。非導(dǎo)電固體中的導(dǎo)熱是通過晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。液體中的導(dǎo)熱機(jī)理主要靠彈性波的作用。導(dǎo)熱機(jī)理氣體導(dǎo)熱是由氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果。10導(dǎo)熱計(jì)算導(dǎo)熱基本定律是傅里葉定律:在純導(dǎo)熱中，單位時(shí)間內(nèi)通過給定面積的熱流量，正比于該地垂直于導(dǎo)熱方向的截面面積及其溫度變化率。其計(jì)算公式為:式中：Φ——熱流量，W；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

A——垂直與熱流方向的橫截面面積，m2；

——x方向的溫度變化率，℃/m。負(fù)號(hào)表示熱量傳遞的方向與溫度梯度的方向相反。

導(dǎo)熱計(jì)算導(dǎo)熱基本定律是傅里葉定律:在純導(dǎo)熱中，單位時(shí)間內(nèi)通過11可分為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流兩大類對(duì)流換熱采用牛頓冷卻公式計(jì)算式中：hc——對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

A——對(duì)流換熱面積，m2；

tw——熱表面溫度，℃；

tf——冷卻流體溫度，℃。

對(duì)流傳熱可分為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流兩大類對(duì)流換熱采用牛頓冷卻公式計(jì)算式12對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱13式中：Nu——努謝爾特?cái)?shù)，Nu=hD/λ；

Ra——瑞利數(shù)，Ra=Gr·Pr；

Gr——格拉曉夫數(shù)，Gr=βgρ2D3Δt/μ2；

Pr——普朗特?cái)?shù)；

C、n——由表2-1查得，定性溫度取壁面溫度與流體溫度的算術(shù)平均值；

h——自然對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

D——特征尺寸，m；

λ——流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

β——流體的體積膨脹系數(shù)，℃-1；

g——重力加速度，m/s2；

ρ——流體的密度，kg/m3；

μ——流體的動(dòng)力粘度，Pa·s；

Δt——換熱表面與流體的溫差，℃。

自然對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程式中：Nu——努謝爾特?cái)?shù)，Nu=hD/λ； 自然對(duì)流換熱14自然對(duì)流準(zhǔn)則方程中的C和n值自然對(duì)流準(zhǔn)則方程中的C和n值15

對(duì)在海平面采用空氣自然冷卻的多數(shù)電子元器件或小型設(shè)備(任意方向的尺寸小于600mm)，可以采用以下簡化公式進(jìn)行計(jì)算式中：φ——熱流密度，W/m2；

A——換熱面積，m2；

C——系數(shù)，由表2-1查得；

D——特征尺寸，m；

Δt——換熱表面與流體（空氣）的溫差，℃。

自然對(duì)流換熱的簡化計(jì)算對(duì)在海平面采用空氣自然冷卻的多數(shù)電子元器16三、強(qiáng)迫對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程強(qiáng)迫對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程管內(nèi)流動(dòng)及沿平板流動(dòng)的準(zhǔn)則方程三、強(qiáng)迫對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程強(qiáng)迫對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程管內(nèi)流動(dòng)及沿17表中的雷諾數(shù)Re定義為:式中：ρ——流體的密度，kg/m3；

u——流體流速，m/s；

μ——流體的動(dòng)力粘度，Pa·s；

D——特征尺寸，m。強(qiáng)迫對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程表中的雷諾數(shù)Re定義為:式中：ρ——流體的密度，k18

當(dāng)管道為短管（即管長l與管徑d之比小于50）或彎管時(shí)，前表中的紊流準(zhǔn)則方程右端應(yīng)乘以相應(yīng)的修正系數(shù)短管修正系數(shù)εl如下圖所示當(dāng)管道為短管（即管長l與管徑d之比小于5019彎管修正系數(shù)εR為氣體：液體：其中R為彎管曲率半徑。強(qiáng)迫對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程彎管修正系數(shù)εR為氣體：液體：其中R為彎管曲率半徑。20對(duì)流換熱影響因素流體流動(dòng)發(fā)生的原因(自然對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流)流體流動(dòng)的狀態(tài)(層流與紊亂流)換熱面的幾何形狀和位置(平板,圓管,肋面與橫放,豎放,水平或垂直等)流體的物理性質(zhì)(導(dǎo)熱系數(shù),比熱,密度,黏度等)對(duì)流換熱影響因素流體流動(dòng)發(fā)生的原因(自然對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流)21輻射能以電磁波的形式傳遞任意物體的輻射能力可用下式計(jì)算式中：ε——物體的表面黑度；

σ0

——斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；

A——輻射表面積，m2；

T——物體表面的熱力學(xué)溫度，K。

輻射傳熱輻射能以電磁波的形式傳遞任意物體的輻射能力可用下式計(jì)算式中：22兩物體表面之間的輻射換熱計(jì)算公式為：式中：T1、T2——物體1和物體2表面的絕對(duì)溫度，K；

ε1、ε2——物體1和物體2的表面黑度；

εxt——系統(tǒng)黑度；

A——物體輻射換熱表面積，m2；

F12——兩物體表面的角系數(shù)。

輻射傳熱計(jì)算兩物體表面之間的輻射換熱計(jì)算公式為：式中：T1、T223xiexie!謝謝！xiexie!謝謝！24熱設(shè)計(jì)概論杭州玄冰科技熱設(shè)計(jì)概論杭州玄冰科技25Content熱設(shè)計(jì)概論傳熱的基本原理Content熱設(shè)計(jì)概論26為什么要進(jìn)行熱設(shè)計(jì)高溫對(duì)電子產(chǎn)品的影響絕緣性能退化；元器件損壞；材料的熱老化；低熔點(diǎn)焊縫開裂、焊點(diǎn)脫落。為什么要進(jìn)行熱設(shè)計(jì)高溫對(duì)電子產(chǎn)品的影響27熱設(shè)計(jì)的基本問題電子設(shè)備的有效輸出功率比所需的輸入功率小得多，而這部分多余的功率則轉(zhuǎn)化為熱而耗散掉。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件和設(shè)備日趨小型化，使得設(shè)備的體積功率密度大大增加提供一條低熱阻通路，保證熱量順利傳遞出去。熱設(shè)計(jì)的基本問題電子設(shè)備的有效輸出功率比所需的輸入功率小得多28熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)熱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足設(shè)備可靠性的要求熱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足設(shè)備預(yù)期工作的熱環(huán)境的要求熱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足對(duì)冷卻系統(tǒng)的限制要求降低成本熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)熱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足設(shè)備可靠性的要求29熱設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題太陽輻射灰塵、纖維微粒壽命周期費(fèi)用熱瞬變維修性水氣的冷凝冷卻劑熱設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題太陽輻射30傳熱基本原則凡有溫差的地方就有熱量的傳遞。熱量傳遞的兩個(gè)基本規(guī)律是:熱量從高溫區(qū)流向低溫區(qū);高溫區(qū)發(fā)出的熱量必定等于低溫區(qū)吸收的熱量。熱量的傳遞過程可區(qū)分為穩(wěn)定過程和不穩(wěn)定過程兩大類:凡是物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變化的熱傳遞過程稱為穩(wěn)定熱傳遞過程;反之則稱為不穩(wěn)定過程。傳熱基本原則凡有溫差的地方就有熱量的傳遞。31傳熱基本原則傳熱的基本計(jì)算公式為式中：Φ——熱流量，W；

Κ——總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

A——傳熱面積，m2；

Δt——熱流體與冷流體之間的溫差，℃。傳熱基本原則傳熱的基本計(jì)算公式為32傳熱的基本方式導(dǎo)熱對(duì)流輻射 它們可以單獨(dú)出現(xiàn)，也可能兩種或三種形式同時(shí)出現(xiàn)傳熱的基本方式33導(dǎo)熱機(jī)理氣體導(dǎo)熱是由氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果。金屬導(dǎo)體中的導(dǎo)熱主要靠自由電子的運(yùn)動(dòng)來完成。非導(dǎo)電固體中的導(dǎo)熱是通過晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。液體中的導(dǎo)熱機(jī)理主要靠彈性波的作用。導(dǎo)熱機(jī)理氣體導(dǎo)熱是由氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果。34導(dǎo)熱計(jì)算導(dǎo)熱基本定律是傅里葉定律:在純導(dǎo)熱中，單位時(shí)間內(nèi)通過給定面積的熱流量，正比于該地垂直于導(dǎo)熱方向的截面面積及其溫度變化率。其計(jì)算公式為:式中：Φ——熱流量，W；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

A——垂直與熱流方向的橫截面面積，m2；

——x方向的溫度變化率，℃/m。負(fù)號(hào)表示熱量傳遞的方向與溫度梯度的方向相反。

導(dǎo)熱計(jì)算導(dǎo)熱基本定律是傅里葉定律:在純導(dǎo)熱中，單位時(shí)間內(nèi)通過35可分為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流兩大類對(duì)流換熱采用牛頓冷卻公式計(jì)算式中：hc——對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

A——對(duì)流換熱面積，m2；

tw——熱表面溫度，℃；

tf——冷卻流體溫度，℃。

對(duì)流傳熱可分為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流兩大類對(duì)流換熱采用牛頓冷卻公式計(jì)算式36對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱37式中：Nu——努謝爾特?cái)?shù)，Nu=hD/λ；

Ra——瑞利數(shù)，Ra=Gr·Pr；

Gr——格拉曉夫數(shù)，Gr=βgρ2D3Δt/μ2；

Pr——普朗特?cái)?shù)；

C、n——由表2-1查得，定性溫度取壁面溫度與流體溫度的算術(shù)平均值；

h——自然對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

D——特征尺寸，m；

λ——流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

β——流體的體積膨脹系數(shù)，℃-1；

g——重力加速度，m/s2；

ρ——流體的密度，kg/m3；

μ——流體的動(dòng)力粘度，Pa·s；

Δt——換熱表面與流體的溫差，℃。

自然對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程式中：Nu——努謝爾特?cái)?shù)，Nu=hD/λ； 自然對(duì)流換熱38自然對(duì)流準(zhǔn)則方程中的C和n值自然對(duì)流準(zhǔn)則方程中的C和n值39

對(duì)在海平面采用空氣自然冷卻的多數(shù)電子元器件或小型設(shè)備(任意方向的尺寸小于600mm)，可以采用以下簡化公式進(jìn)行計(jì)算式中：φ——熱流密度，W/m2；

A——換熱面積，m2；

C——系數(shù)，由表2-1查得；

D——特征尺寸，m；

Δt——換熱表面與流體（空氣）的溫差，℃。

自然對(duì)流換熱的簡化計(jì)算對(duì)在海平面采用空氣自然冷卻的多數(shù)電子元器40三、強(qiáng)迫對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程強(qiáng)迫對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程管內(nèi)流動(dòng)及沿平板流動(dòng)的準(zhǔn)則方程三、強(qiáng)迫對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程強(qiáng)迫對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程管內(nèi)流動(dòng)及沿41表中的雷諾數(shù)Re定義為:式中：ρ——流體的密度，kg/m3；

u——流體流速，m/s；

μ——流體的動(dòng)力粘度，Pa·s；

D——特征尺寸，m。強(qiáng)迫對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程表中的雷諾數(shù)Re定義為:式中：ρ——流體的密度，k42

當(dāng)管道為短管（即管長l與管徑d之比小于50）或彎管時(shí)，前表中的紊流準(zhǔn)則方程右端應(yīng)乘以相應(yīng)的修正系數(shù)短管修正系數(shù)εl如下圖所示當(dāng)管道為短管（即管長l與管徑d之比小于5043彎管修正系數(shù)εR為氣體：液體：其中R為彎管曲率半徑。強(qiáng)迫對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程彎管修正系數(shù)εR為氣體：液體