熱設(shè)計和熱分析的基礎(chǔ)知識培訓

1 為什么要進行熱設(shè)計
    在許多現(xiàn)代化產(chǎn)品的設(shè)計,特別是可靠性設(shè)計中,熱的問題已占有越來越重要的地位:
    電子產(chǎn)品:高溫對電子產(chǎn)品的影響:絕緣性能退化;元器件損壞;材料的熱老化;低熔點焊縫開裂、焊點脫落。從而導(dǎo)致整個產(chǎn)品的性能下降以至完全失效。這對于無論民用或軍用產(chǎn)品都是一個重要問題。
    航天產(chǎn)品,如衛(wèi)星、載人飛船等,對內(nèi)部溫度環(huán)境有非常嚴格的要求;再如宇航員的裝備,既要保證宇航員的周圍環(huán)境,又要靈活、輕便。對于處于宇宙環(huán)境中的產(chǎn)品還要考慮超低溫的影響等。
    建筑方面:環(huán)保和節(jié)能的要求,冬季的保溫和夏季的通風、降溫等。各種家電產(chǎn)品自身的熱設(shè)計和對周圍環(huán)境的影響。實際上,熱設(shè)計并不是什么新的東西,在日常生活中,在以往的產(chǎn)品中,都有意無意的使用了熱設(shè)計,只是沒有把它提高到科學的高度,僅僅憑經(jīng)驗在做。 比如:在電子產(chǎn)品的設(shè)計中,如何合理的布置發(fā)熱元件,使其盡量遠離對溫度比較敏感的其它元器件;合理的安排通風器件 (風扇等),通過機箱內(nèi)、外的空氣流動,使得機箱內(nèi)部的溫度不致太高; 還有生產(chǎn)廠房中如何合理安排通風和排氣設(shè)備,以及空調(diào)、暖氣設(shè)備等,以達到冬季的保溫和夏季的通風、降溫要求,為工人提供一個較為舒適的工作環(huán)境。家居方面,則通過暖氣、風扇、空調(diào)等為居民提供一個較為舒適的生活環(huán)境。
    各種載人的交通工具,如汽車、火車、飛機等也都需要考慮如何為乘客提供舒適的環(huán)境。 所有這些,說到底都是與熱設(shè)計有關(guān)的問題,過去要求不高,憑經(jīng)驗就可以基本滿足要求。但是,隨著技術(shù)的進步,要求越來越高,光憑經(jīng)驗就不夠了。
    1.1  熱設(shè)計的目的    
    根據(jù)相關(guān)的標準、規(guī)范或有關(guān)要求,通過對產(chǎn)品各組成部分的熱分析,確定所需的熱控措施,以調(diào)節(jié)所有機械部件、電子器件和其它一切與熱有關(guān)的組份的溫度,使其本身及其所處的工作環(huán)境的溫度都不超過標準和規(guī)范所規(guī)定的溫度范圍。 對于電子產(chǎn)品,最高和最低允許溫度的計算應(yīng)以元器件的耐熱性能和應(yīng)力分析為基礎(chǔ),并且與產(chǎn)品的可靠性要求以及分配給每一個元器件的失效率相一致。 對于航天產(chǎn)品,必須同時考慮嚴酷的空間環(huán)境 (超低溫 -269。C、太陽輻射、軌道熱等) 和內(nèi)部的熱環(huán)境,尤其是載人航天器,其熱設(shè)計的要求也更加復(fù)雜和嚴格,難度也更大。
    1.2  熱設(shè)計的基本問題
    1.2.1  發(fā)生和耗散的熱量決定了溫升,因此也決定了任一給定結(jié)構(gòu)的溫度;
    1.2.2  熱量以生熱 (其它能量形式->熱能)、導(dǎo)熱、對流及輻射進行傳遞,每種形式傳遞的熱量與其熱阻成反比;
    1.2.3  熱量、熱阻和溫度是熱設(shè)計中的重要參數(shù);
    1.2.4  所有的熱控系統(tǒng)應(yīng)是最簡單又最經(jīng)濟的,并適合于特定的電氣和機械、環(huán)境條件,同時滿足可靠性要求;
    1.2.5  熱設(shè)計應(yīng)與電氣設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、可靠性設(shè)計同時進行,當出現(xiàn)矛盾時,應(yīng)進行權(quán)衡分析,折衷解決;
    1.2.6  熱設(shè)計中允許有較大的誤差 – 源于各種熱條件的不確定性,例如同類電子元器件,其熱耗的分散性;空氣的濕度使得對流換熱的效果有較大不同;
    1.2.7  熱設(shè)計應(yīng)考慮的因素:包括結(jié)構(gòu)與尺寸、系統(tǒng)各組成部分的功耗、產(chǎn)品的經(jīng)濟性、與所要求的結(jié)構(gòu)和元器件的失效率相應(yīng)的溫度極限、(對于載人航天還要考慮人能忍受的極限條件)、結(jié)構(gòu)和設(shè)備、電路等的布局、工作環(huán)境  (外部環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境)
    1.3  熱設(shè)計應(yīng)遵循的一些原則 (主要針對電子產(chǎn)品)
    1.3.1  熱設(shè)計應(yīng)與電氣設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計同時進行,使熱設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣設(shè)計相互兼顧;
    1.3.2  熱設(shè)計應(yīng)遵循相應(yīng)的國際、國內(nèi)標準、行業(yè)標準;
    1.3.3  熱設(shè)計應(yīng)滿足產(chǎn)品的可靠性要求,以保證整個產(chǎn)品均能在設(shè)定的熱環(huán)境中長期正常工作。
    1.3.4  每個元器件的參數(shù)選擇及安裝位置及方式必須符合散熱要求;
    1.3.5  在進行熱設(shè)計時,應(yīng)考慮一定的設(shè)計余量,以免使用過程中因工況發(fā)生變化而引起的熱耗散及流動阻力的增加。
    1.3.6  在規(guī)定的使用期限內(nèi),熱控系統(tǒng)(如風扇、加熱器等)的故障率應(yīng)比元件的故障率低;
    1.3.7  熱設(shè)計應(yīng)考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟性指標,在保證熱控要求的前提下使其結(jié)構(gòu)簡單、可靠且體積最小、成本最低;
    1.3.8  熱控系統(tǒng)要便于監(jiān)控與維護。
   
2  熱設(shè)計的基本知識
    2.1某些基本概念
    (1)  溫升
    指產(chǎn)品內(nèi)部空氣溫度或結(jié)構(gòu)、零部件、元器件溫度與環(huán)境溫度的差。
    (2) 熱耗
    指電子元器件或設(shè)備正常運行時產(chǎn)生的熱量。熱耗不等同于功耗,功耗指器件或設(shè)備的輸入功率。一般電子元器件的效率比較低,大部分功率都轉(zhuǎn)化為熱量。計算元器件溫升時,應(yīng)根據(jù)其功耗和效率計算熱耗,知道大致功耗時,對于小功率設(shè)備,可認為熱耗等于功耗,對于大功耗設(shè)備,可近似認為熱耗為功耗的 75%。其實為給設(shè)計留一個余量,有時直接用功耗進行計算。但注意電源模塊的效率比較高,一般為 70%~95 %,對同一個電源模塊,輸出功率與輸入功率之比越小,效率越低。 熱耗的單位為 W。
    (3) 熱流密度
    單位面積上的傳熱量,單位 W/m2。
    (4) 熱阻
    熱量在熱流路徑上遇到的阻力,反映介質(zhì)或介質(zhì)間的傳熱能力的大小,定義為 1W 熱量所引起的溫升大小,單位為 ℃ / W 或 K / W。用熱耗乘以熱阻,即可獲得該傳熱路徑上的溫升。
    (5) 導(dǎo)熱系數(shù)
    表征材料導(dǎo)熱性能的參數(shù)指標,它表明單位時間、單位面積、負的溫度梯度下的導(dǎo)熱量 (熱量從高溫區(qū)域流向低溫區(qū)域),單位為 W/m ·K ·或W/m ·℃。
    (6) 對流換熱系數(shù)
    反映兩種介質(zhì)間對流換熱的強弱,表明當流體與壁面的溫差為 1 ℃時,在單位時間通過單位面積的熱量,單位為 W/m^2 ·K 或 W/m^2 ·℃  (熱量從高溫物體流向低溫物體) 。
    (7) 層流與紊流(湍流)
    層流指流體呈有規(guī)則的、有序的流動,換熱系數(shù)小,熱阻大,流動阻力小;
    紊流指流體呈無規(guī)則、相互混雜的流動,換熱系數(shù)大,熱阻小,流動阻力大。層流與紊流狀態(tài)一般由雷諾數(shù)來判定。在熱設(shè)計中,盡可能讓熱耗大的關(guān)鍵元器件周圍的空氣流動為紊流狀態(tài),因為紊流時的換熱系數(shù)會是層流流動的數(shù)倍。
    (8)流阻
    反映流體流過某一通道時所產(chǎn)生的靜壓差。單位 - 帕斯卡 (Pa)。
    (9) 黑度
    實際物體的輻射力和同溫度下黑體的輻射力之比,在 0~1 之間。它取決于物體種類、表面狀況、表面溫度及表面顏色。表面粗糙,無光澤,黑度大,輻射散熱能力強。
    (10) 雷諾數(shù) Re (Reynlods)
    雷諾數(shù)的大小反映了空氣流動時的慣性力與粘滯力的相對大小,雷諾數(shù)是說明流體流態(tài)的一個相似準則數(shù)。
    (11) 普朗特數(shù) Pr (Prandtl)
    普朗特數(shù)是說明流體物理性質(zhì)對換熱影響的相似準則數(shù)?？諝獾腜r數(shù)可直接根據(jù)定性溫度從物性表中查出。
    (12) 努謝爾特數(shù) Nu(Nusseltl)
    反映出同一流體在不同情況下的對流換熱強弱,是一個說明對流換熱強弱的相似準則數(shù)。
    2.2  熱量傳遞的基本方式
    簡單考慮流體情況下的正交異性瞬態(tài)熱分析的基本方程:

    其中:
    T – 溫度 T(x,y,z,t) (K 或 C);    t – 時間 (s);
    ρ - 密度 (kg / m3);
    c – 比熱 (J / kg / K);
    Kx,Ky,Kz – 三個方向的導(dǎo)熱系數(shù) (W/m · K 或 W/m · ℃);
    Vx,Vy,Vz –  三個方向的熱質(zhì)量遷移速度 (kg / s)
    q’ - 單位體積的生熱率 (W / m3)
    熱流傳遞方式:
    熱量傳遞主要有三種方式:導(dǎo)熱、對流和輻射,它們可以單獨出現(xiàn),也可能兩種或三種形式同時出現(xiàn)。
    (1) 導(dǎo)熱:
    導(dǎo)熱是在連續(xù)介質(zhì)中由于存在溫度梯度所產(chǎn)生的傳熱現(xiàn)象。對于一塊厚度 L 的平板,若兩表面保持溫差 ΔT,則平板兩表面間的熱流為:
    q = λ·A ·ΔT ·L = A ·ΔT / R           (2-2)
    λ --- 導(dǎo)熱系數(shù),W/m · K 或 W/m · ℃;
    A ---  導(dǎo)熱方向上的截面面積,m2;
    R ---  導(dǎo)熱熱阻 (1 / λ/ L), ℃/W
    根據(jù)方程的形式,可以看出,要增加熱量傳遞 q,可以增加導(dǎo)熱系數(shù),選用導(dǎo)熱系數(shù)高的材料;增加導(dǎo)熱方向上的截面積;減小導(dǎo)熱方向上的距離。
    當傳遞的熱量一定時,增加導(dǎo)熱系數(shù)、截面積或兩個表面的距離,將使溫差減小。
    (2) 對流的基本方程:
    對流是由固體與流經(jīng)其表面的流體之間存在的溫差產(chǎn)生的換熱現(xiàn)象。流入固體表面的熱流為:
    q = h·A ·(Ta-Tw)                            (2-3)
    h ---  對流換熱系數(shù),W/m2 · K 或 W/m2 · ℃;
    A ---  有效對流換熱面積,m2;
    tw --- 固體表面溫度,℃ ;
    ta ---  周圍介質(zhì)溫度,℃ ;        
    由方程可見,要增強對流換熱,可以加大換熱系數(shù)和換熱面積,或增大流體與固體之間的溫差。
    對流換熱的方式又可分為自然對流換熱和強迫對流換熱。
    (3) 輻射的基本方程:
    兩個相互發(fā)生輻射的表面之間的輻射熱交換為:       
    其中:
    εi,εj --- 分別為兩個表面黑度系數(shù);    
    Fij --- 表面 i 到表面 j 的視角系數(shù)。即表面 i 向空間發(fā)射的輻射落到表面 j 的百分數(shù)。
    Ai,Aj --- 分別為物體 i,j 的有效輻射面積,m2 ;    
    Ti, Tj --- 分別為物體 i 和物體 j 表面的絕對溫度,K ;
    σ --- Stefan-Boltzmann 常數(shù)
    由方程可見,要增加輻射換熱,可以提高熱源表面的黑度和到冷表面的視角系數(shù),增加表面積。
    關(guān)于視角因子:
    面 Ai 與 面 Aj 之間的視角因子定義為:           
    其中:
    Ai、Aj – 兩個表面的面積;分割為若干小面積 dAi、dAj;
    Ni、Nj - 小面積 dAi、dAj 的法線;
    r - 小面積 dAi、dAj 的距離;
    θi、θj – 小面積 dAi、dAj 的法線與 r 的夾角。