Отвод тепла от радиатора осуществляется излучением тепла и принудительной конвекцией



Теплоотвод конвекцией

При конвективном отводе теплоты используют воздушное естест­венное, принудительное и водо-воздушное охлаждение. При высоких требо­ваниях к стабильности параметров схем применяют термостатирование узлов и блоков.

Естественноеохлаждение используется в бытовой аппаратуре сплотностью тепловых потоков от охлаждаемых поверхностей не более 0,05 Вт/см 2 . Метод охлаждения естественной конвекцией, являясь самым простым, требует повышенного внимания конструктора к вопросам рацио­нальной компоновки по критерию обеспечения нормального теплового ре­жима. При компоновке необходимо стремиться к равномерному распреде­лению выделяемой мощности по всему объему изделия. Компоненты и узлы с большими тепловыделениями необходимо располагать в верхней части корпуса или вблизи стенок, критичные к перегреву компоненты — в нижней части, защищать тепловыми экранами.

Блестящий экран, разделяющий теплонагруженные и чувствительные к перегреву модули, снижает лучистый тепловой поток приблизительно вдвое. В целях выравнивания температуры поверхности внутри аппаратуры теплонагруженные модули должны иметь высокую степень черноты. Для этого внутренние поверхности кожухов и каркасов окрашиваются масляны­ми черными красками или лаками.

Необходимо защищать аппаратуру от прямого попадания солнечных лучей. Перегрев аппаратуры с темной окраской кожуха, освещаемой солн­цем при незначительной циркуляции воздуха, может достигать 25. 30 °С. Например, имеет место превышение температуры металлических поверхно­стей (в градусах Цельсия) в умеренном климате при отвесном падении солнеч­ных лучей: без покрытия — 24; окрашенных в белый цвет — 13; серый — 21; черный — 27.

При компоновке аппаратуры необходимо избегать образования «ло­вушек тепла», в которых отсутствуют конвективные потоки воздуха. Для выравнивания температуры в каналах, образуемых установленными рядами модулей, должны быть зазоры не менее 30 мм.

Различают конструкции с перфорированным и герметичным кожухом. В перфорированном кожухе предусматриваются вентиляционные отверстия круглой, квадратной, прямоугольной формы, жалюзи (рис. 4.19). Например, круглые отверстия имеют диаметр 4, 6, 8 или 10 мм, квадратные могут иметь размеры 4×4 мм, прямоугольные 3 х 25, 4 х 50 мм.

Суммарная площадь вентиляционных отверстий в дне (крышке) при­бора должна составлять 20. 30 % от живого сечения, под которым подра­зумевается свободная для прохода конвективных потоков воздуха площадь сечения прибора. Входные вентиляционные отверстия должны располагаться как можно ниже и лучше, если они будут в дне, выходные отверстия предпочтительнее выполнять в крышке прибора.

Рис. 4.19. Вентиляционные отверстия (а, б, в) и жалюзи (г) кожухов

Чтобы не препятствовать поступлению свободных конвективных по­токов воздуха внутрь прибора, между установочной поверхностью и дном должен быть зазор не менее 30 мм, получить который можно установкой прибора на амортизаторы опорные типа АО. С внутренней стороны кожуха вентиляционные отверстия часто закрывают защитными металлическими сетками. Вместо сеток в дне стоек устанавливают пылезащитные фильтры. Зазоры по горизонтали между модулями при естественном воздушном ох­лаждении должны быть не менее 10 мм.

Циркуляция воздуха в приборах и стойках с герметичным кожухом является следствием разности плотностей воздуха, нагретого внутри ЭА, и более холодного воздуха у стенок кожуха. Перегрев будет уменьшаться с увеличением зазора между модулями. У дна прибора с герметичным кожу­хом движение воздуха практически отсутствует.

При расчете теплового режима аппаратуры с естественным воздуш­ным охлаждением важно оценить количество теплоты, удаляемой от всех нагреваемых поверхностей изделия.

Количество теплоты, удаляемой от поверхности S естественной кон­векцией, Вт,

где S — площадь поверхности, см 2 ; Dt — перегрев, °С; hc — коэффициент конвективной теплопередачи, определяемый из hc = O,52C(55 /l) 0.25 , где

С— постоянная, зависящая от ориентации поверхности (для вертикальной плоскости С = 0,56; для верхней горизонтальной плоскости С = 0,52; для нижней горизонтальной плоскости С = 0,26); / — длина пути теплового по­тока (табл. 4.8).

Источник

Система охлаждения компьютера

Система охлаждения компьютера – набор средств для отвода тепла от нагревающихся в процессе работы компьютерных компонентов.

Проблема охлаждения компьютера становится всё более актуальной с ростом его производительности[1], которая ведет к потреблению большой мощности, что естественно приводит к увеличению температуры его компонентов.

Основные потребители энергии, а значит и источники тепла в компьютере – это центральный процессор, графический процессор и блок питания. Именно они и требуют собственных систем охлаждения.

Тепло в конечном итоге может утилизироваться:

1. В атмосферу (радиаторные системы охлаждения):

— пассивное охлаждение: отвод тепла от радиатора осуществляется излучением тепла и естественной конвекцией (вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками);

— активное охлаждение: отвод тепла от радиатора осуществляется излучением (радиацией) тепла и принудительной конвекцией (обдув вентиляторами);

2. Вместе с теплоносителем (системы жидкостного охлаждения).

3. За счёт фазового перехода теплоносителя (системы открытого испарения).

По способу отвода тепла от нагревающихся элементов системы охлаждения делятся на:

1. Системы воздушного (аэрогенного) охлаждения.

2. Системы жидкостного охлаждения.

3. Фреоновая установка.

4. Системы открытого испарения.

5. Системы каскадного охлаждения.

6. Комбинированные системы охлаждения.

— системы с использованием элементов Пельтье.

Радиатор (чипсет, видеокарта, оперативная память, блок питания и т.п.)

В качестве материала для изготовления радиатора используется серебро, медь, алюминий либо железо. Наиболее часто применяется алюминий из-за дороговизны первых двух. Иногда в алюминиевом радиаторе (зачастую большом) используются медные трубки, для равномерного распределения нагрева.

Чем больше общая площадь радиатора, тем эффективней он способен отводить тепло. Существует два способа увеличить площадь радиатора:

1. Увеличить количество рёбер при сохранении размера радиатора

2. Увеличить размер радиатора.

Первый способ позволяет улучшить теплообмен и сохранить компактность, но также из-за малого расстояния между рёбрами увеличивается гидравлическое сопротивление, что препятствует эффективному прогону воздуха через такой радиатор.

При использовании второго способа улучшается теплообмен, снижается гидравлическое сопротивление, увеличивается объём воздуха, который участвует в теплообмене, поэтому второй способ более эффективен, и он наиболее часто используется.

Часто для построения большого радиатора используют тепловые трубки (англ.: heat pipe) – герметично запаянные и специальным образом устроенные металлические трубки (обычно медные). Они очень эффективно переносят тепло от одного своего конца к другому: таким образом, даже самые дальние ребра большого радиатора эффективно работают в охлаждении, например, процессора.

В современных компьютерах просто радиаторы практически не применяются, они установлены в связке с вентилятором – кулер. При постоянном интенсивном нагреве, в конечном счете, нагреется также и система охлаждения (радиатор) и когда её температура достигнет температуры охлаждаемого тела (процессора), прекратится перенос тепла, что вызовет перегрев охлаждаемого тела (процессора). Поэтому для охлаждения радиаторов используют кулеры, которые обдувают радиаторы холодным воздухом, и тем самым охлаждают его.

Кулер – совокупность вентилятора с радиатором устанавливаемых на электронные компоненты компьютера с повышенным тепловыделением.

Вентилятор состоят из корпуса, электродвигателя, крыльчатки (лопасти) и подшипников.

Вентиляторы различаются между собой размером, частотой вращения и формой лопастей. И совсем не значит то, что чем быстрее скорость вращения вентилятора, тем эффективнее он отводит тепло. Зачастую, вентиляторы с меньшей частотой вращения, но с другой формой лопасти, переносят большие объёмы воздуха и при этом создают меньше шума.

От типа установленных подшипников зависит надёжность вентилятора. Производители заявляют такое типичное время наработки на отказ (количество лет получено из расчёта круглосуточной работы):

Тип подшипника Время наработки на отказ
часов лет
Подшипник скольжения (sleeve bearing) 10 000
Один подшипник скольжения, один подшипник качения (ball bearing) 20 000
Два подшипника качения 30 000
Гидродинамический подшипник 60 000 и больше
Читайте также:  Масляный радиатор для теплицы

С учётом морального старения компьютерной техники (для домашнего и офисного применения это 2-3 года), вентиляторы с шарикоподшипниками можно считать «вечными»: срок их работы не меньше типового срока работы компьютера. Для более серьёзных применений, где компьютер должен работать круглосуточно много лет, стоит подобрать более надёжные вентиляторы.

Многие сталкивались со старыми вентиляторами, в которых подшипники скольжения выработали свой ресурс: вал крыльчатки дребезжит и вибрирует при работе, издавая характерный рычащий звук. В принципе, такой подшипник можно отремонтировать, смазав его твёрдой смазкой.

Вентиляторы различаются по своему размеру и толщине: обычно в компьютерах встречаются типоразмеры 40×40×10 мм, для охлаждения видеокарт и карманов для жёстких дисков, а также 80×80×25, 92×92×25, 120×120×25 мм для охлаждения корпуса.

Также вентиляторы различаются типом и конструкцией устанавливаемых электродвигателей: они потребляют различный ток и обеспечивают разную скорость вращения крыльчатки. От размеров вентилятора и скорости вращения лопастей крыльчатки зависит производительность: создаваемое статическое давление и максимальный объём переносимого воздуха.

Объём переносимого вентилятором воздуха (расход) измеряется в кубометрах в минуту или кубических футах в минуту (CFM, cubic feet per minute). Производительность вентилятора, указанная в характеристиках, измеряется при нулевом давлении: вентилятор работает в открытом пространстве. Внутри корпуса компьютера вентилятор дует в системный блок определенного размера, потому он создаёт в обслуживаемом объёме избыточное давление. Естественно, что объёмная производительность будет приблизительно обратно пропорциональна создаваемому давлению. Конкретный вид расходной характеристики зависит от формы использованной крыльчатки и других параметров конкретной модели.

Для охлаждения видеокарт стали применять системы охлаждения, которые выносят горячий воздух за пределы корпуса.

Подобные системы охлаждения устанавливаются на самые мощные современные видеокарты (nVidia GeForce 8800, ATI x1800XT и старше). Такая конструкция зачастую более оправдана, с точки зрения правильной организации воздушных потоков внутри корпуса компьютера, чем традиционные схемы.

Современные стандарты по конструированию корпусов компьютеров среди прочего регламентируют и способ построения системы охлаждения. Начиная ещё с систем на базе Intel Pentium II, выпуск которых был начат в 1997 году, внедряется технология охлаждения компьютера сквозным воздушным потоком, направленным от передней стенки корпуса к задней (дополнительно воздух для охлаждения всасывается через левую стенку):

Рассмотрим системы охлаждения ПК по способу отвода тепла от нагревающихся элементов системы охлаждения:

1. Системы воздушного (аэрогенного) охлаждения

На сегодняшний день это наиболее распространенный тип систем охлаждения. Элементы данного вида охлаждения более подробно уже рассмотрены выше.

Тепло от нагревающего компонента передается на радиатор с помощью теплопроводящих материалов (может быть прослойка воздуха или специальная теплопроводящая паста). Радиатор получает тепло и отдает его в окружающее пространство, которое при этом либо просто рассеивается (пассивный радиатор), либо сдувается вентилятором (активный радиатор или кулер).

Такие системы охлаждения устанавливаются непосредственно в системный блок и практически на все греющиеся компьютерные компоненты. Эффективность охлаждения зависит от размеров эффективной площади радиатора, металла из которого он сделан (медь, алюминий), скорости проходящего потока воздуха (от мощности и размеров вентилятора) и его температуры. Пассивные радиаторы устанавливаются на те компоненты компьютерной системы, которые не очень сильно греются в процессе работы, и возле которых постоянно циркулируют естественные воздушные потоки.

Активные системы охлаждения или кулеры разработаны в основном для процессора, видеоадаптера и прочих постоянно и напряженно работающих внутренних компонентов. Для них иногда могут устанавливаться и пассивные радиаторы, но обязательно с более эффективным чем обычно отводом тепла при низкой скорости воздушных потоков. Это дороже стоит и применяется в специальных бесшумных компьютерах.

2. Системы жидкостного охлаждения

Изобретение последнего десятилетия, используется в основном для серверов, но в связи с бурным развитием техники, со временем имеет все шансы перебраться и в домашние системы.

Достаточно эффективная, но дорогая система, поскольку вода проводит тепло примерно в 30 раз быстрее воздуха. Такой системой можно практически без шума одновременно охлаждать несколько внутренних компонентов.

Над процессором помещается специальная металлическая пластинка (теплосъемник), которая собирает тепло с процессора. Поверх теплосъемника периодически прокачивается дистиллированная вода. Собирая с него тепло, вода попадает в радиатор, охлажденный воздухом, остывает и начинает свой второй круг с металлической пластины над процессором. Радиатор при этом рассеивает собранное тепло в окружающую среду, охлаждается и ждет новую порцию нагретой жидкости.

Вода в таких системах как правило специальная — дистиллированная, или, например, с бактерицидным либо антигальваническим эффектом.

Вместо воды может использоваться антифриз, масла, жидкие металлы или жидкость, обладающая высокой теплопроводностью и высокой удельной теплоемкостью, дабы обеспечить максимальную эффективность охлаждения при наименьшей скорости циркуляции жидкости.

Подобные системы состоят из помпы, теплосъемника (ватерблок или головка охлаждения), прикрепленного к процессору, радиатора (может быть как активным, так и пассивным), обычно прикрепленного к задней части корпуса компьютера, резервуара для рабочей жидкости, шлангов и датчиков потока, разнообразных измерителей, фильтров, сливных кранов и пр. (перечисленные компоненты, начиная от датчиков, опциональны).

3. Фреоновая установка

Маленький холодильник, устанавливаемый прямо на нагревающийся компонент. Они эффективны, но в компьютерах применяются в основном, исключительно для разгона.

В данной системе больше недостатков, чем достоинств. Во-первых, конденсат, который появляется на деталях, более холодных, чем окружающая среда. Второе – повышенное энергопотребление. Третье – сложность и высокая стоимость.

Ряд иностранных фирм уже выпускает серийные изделия. Как правило, это системы, смонтированные в корпусе, в котором для них предусмотрен отдельный отсек.

На данный момент известной фирмой, выпускающей серийные системы phase-change, является датская компания Asetek, продающая свои системы под торговой маркой VapoChill. Asetek выпускает на данный момент 4 модели (SE, PE, XE и LS):

Asetek VapoChill Standard Edition (SE) – позиционируется как система начального уровня, она значительно превосходит любые другие системы охлаждения, обеспечивая отвод 130Вт тепла при температуре -5 С и -26 градусов в простое.

Premium Edition – позволяет рассеивать 160Вт тепла при температуре процессора -5 градусов. Температура простоя -32 С. Основное отличие от VapoChill Standard Edition в использовании более мощного компрессора Danfoss BD50, который превосходит используемый в VapoChill SE компрессор Danfoss BD35 по производительности.

Xtreme Edition позволяет рассеивать 180Вт тепла при температуре процессора -5 градусов. В простое температура достигает -35’С. В отличие от других систем серии VapoChill, Xtreme Edition использует другой теплоноситель (R404a), с более низкой температурой кипения (-46.4 при атм. давлении).

Light Speed – новая система, представленная фирмой в начале 2004 года. Компрессор питается от 115/230В (в отличие от предыдущих систем, питавшихся от БП компьютера). Позволяет рассеивать 240 Вт тепла при температуре процессора -25 С. В простое температура достигает -48’С. Система отличается от остальных VapoChill как возросшей производительностью, так и очень высоким уровнем шума и нагрева компрессора

nVENTIV, второй датский производитель, выпускавший серийные системы c 2002 года, прекратил своё существование этим летом. Выпускаемые им модели Mach II, Mach II ST и Mach II GT были конструктивно схожи с VapoChill LS (устройство под АТХ корпусом) и отличались высокой производительностью. Так, топовая модель Mach II GT обеспечивала температуру процессора -20 С при рассеиваемой мощности 200 Вт.

Все три системы конструктивно схожи между собой, различаясь только мощностью компрессора и используемым хладагентом.

Читайте также:  Алберг радиаторы красноярск отзывы

4. Системы открытого испарения

В подобных системах используется сухой лед, жидкий азот либо гелий в специальном резервуаре (стакане), установленном прямо на охлаждаемом компоненте.

Используется для самого экстремального разгона (оверклокинга). Недостатки те же – дороговизна, сложность и «стакан» надо постоянно наполнять.

5. Системы каскадного охлаждения

Две и более последовательно включенных фреоновых установок. Для получения более низких температур требуется использовать фреон с более низкой температурой кипения. В однокаскадной холодильной машине в этом случае требуется повышать рабочее давление за счет применения более мощных компрессоров.

Альтернативный путь – охлаждение радиатора установки другой фреонкой (т. е. их последовательное включение), за счет чего снижается рабочее давление в системе и становится возможным применение обычных компрессоров. Каскадные системы позволяют получать гораздо более низкие температуры, чем однокаскадные и, в отличие от систем открытого испарения, могут работать непрерывно. Однако, они являются и наиболее сложными в изготовлении и наладке.

6. Комбинированные системы охлаждения

Такие сочетают в себе элементы охлаждения систем различных типов. В пример комбинированных можно привести Ватерчпперы: системы, совмещающие системы жидкостного охлаждения и фреоновые установки. В таких системах антифриз, циркулирующий в системе жидкостного охлаждения, охлаждается с помощью фреоновой установки в теплообменнике. Данные системы позволяют использовать отрицательные температуры, достижимые с помощью фреоновых установок для охлаждения нескольких компонентов (в обычных фреонках охлаждение нескольких компонентов затруднено). К недостаткам таких систем относится большая их сложность и стоимость, а также необходимость теплоизоляции всей системы жидкостного охлаждения.

Элемент Пельтье для охлаждения компьютерных компонентов никогда не применяется самостоятельно из-за необходимости охлаждения его горячей поверхности. Как правило, элемент Пельтье устанавливается на охлаждаемый компонент, а другую его поверхность охлаждают с помощью другой системы охлаждения (обычно воздушной или жидкостной). Так как компонент может охлаждаться до температур ниже температуры окружающего воздуха, необходимо применять меры по борьбе с конденсатом. По сравнению с фреоновыми установками элементы Пельтье компактнее и не создают шум и вибрацию, но заметно менее эффективны.

· [1] рост тактовых частот процессора, чипсета, шины памяти и прочих шин;

Источник

Конвекция и радиация при достижении теплового комфорта

Из трех известных механизмов передачи теплоты от тела более теплого более холодному (теплопроводность, конвекция и излучение (радиация)) в процессе теплоотдачи отопительных приборов конвекция и радиация играют наиболее заметную роль при формировании теплового комфорта в отапливаемом помещении.

О сновной способ передачи теплоты – конвективный. Когда молекулы воздуха, контактируя с молекулами нагретого тела, поглощают часть энергии, начинают двигаться быстрее, воздух нагревается и становится менее плотным, его потоки поднимаются, вытесняясь более холодными, и уносят с собой тепло. Остывая – отдавая часть своего тепла окружающим предметам – воздух опять уплотняется и снова опускается вниз, вытесняя менее плотные теплые массы воздуха – формируются конвективные потоки, которые «разносят» тепло по обогреваемому помещению.

При радиации (этот механизм также называют передачей тепла с помощью лучистой энергии или лучистым обогревом) энергия переносится с объекта на объект посредством электромагнитного излучения с длиной волны (λ) от 0,7 до 400 мкм – инфракрасная часть спектра. При поглощении электромагнитных волн с длиной волны из инфракрасной части спектра каким-либо телом (облучаемым объектом) происходит возбуждение молекул вещества, ускорение движения этих молекул и генерация тепловой энергии. Так, в частности, передается на Землю тепло Солнца, таким же образом мы греемся у костра или камина и, более того, таким способом мы воспринимаем часть тепла от любых предметов и сами отдаем его.

Любой традиционный отопительный прибор отдает тепло в обогреваемое помещение обоими упомянутыми способами. Однако соотношение долей указанных природных механизмов в передаче тепловой энергии окружающей среде и предметам для разных отопительных приборов будет различно. Это соотношение и послужило когда-то основой для их деления на радиаторы и конвекторы. В соответствии с преобладающим способом теплоотдачи отопительные приборы делились на следующие виды:

— радиационные, передающие излучением не менее 50% всего вырабатываемого теплового потока (обычно потолочные отопительные панели и излучатели),

— конвективно-радиационные, передающие конвекцией 50%-75% общего теплового потока (радиаторы секционные и панельные, гладкотрубные приборы, напольные отопительные панели),

— конвективные, передающие конвекцией не менее 75% общего теплового потока (конвекторы и ребристые трубы).

Радиаторы и (или) конвекторы

В быту – как в многоквартирных, так и в частных домах, коттеджах – наибольшее распространение в системах водяного отопления получили отопительные приборы, устанавливающиеся, как правило, под окнами. По упомянутой выше классификации они относятся к «конвекционно-радиационным», но принято называть их просто радиаторами и только некоторые – конвекторами. Однако, если основывать деление отопительных приборов на радиаторы и конвекторы в зависимости от того, какая составляющая, лучистая или конвекционная, преобладает в общей теплоотдаче с прибора, то все типовые отопительные приборы, которые устанавливаются под подоконником (рис. 1) надо считать конвекторами.

Рис. 1 Секционный радиатор, установленный под окном

Секционный радиатор, установленный под окном

Даже для однорядного стального панельного радиатора без оребрения (тип 10) доля лучистого тепла составляет в общей теплоотдаче около 45 % (рис. 2, 3).

Рис. 2 Типы стальных панельных радиаторов

Типы стальных панельных радиаторов

Рис. 3 Стальной панельный радиатор – тип 10

Стальной панельный радиатор – тип 10

Во всех остальных радиаторах оребрение играет главную роль в теплоотдаче, как за счет увеличения площади, так и за счет формирования конвекционных каналов. При этом оребрение само себя экранирует, препятствуя распространению тепла лучистым способом (рис. 4). Поэтому и доля конвективной отдачи с любого отопительного прибора оказывается больше.

Рис. 4 Оребрение стального панельного радиатора

Оребрение стального панельного радиатора

Конвекторами в классификации старых ГОСТО-в, как приводится выше, было принято считать приборы, доля лучистой составляющей в теплоотдаче которых не превышает 25 %. В то же время такие модели приборов, за которыми укоренилось название стальных панельных радиаторов, например, тип 22 или тип 33 не дают и 20 % лучистой энергии в общей теплоотдаче (рис. 5, 6).

Рис. 5 Стальной панельный радиатор тип 22

Стальной панельный радиатор тип 22

Рис. 6 Стальной панельный радиатор тип 33

Стальной панельный радиатор тип 33

Во избежание несуразицы, в современной редакции ГОСТов под радиатором следует понимать: «Отопительный прибор, отдающий теплоту путем конвекции и радиации», а под конвектором (рис. 7): «Отопительный прибор, отдающий теплоту преимущественно за счет свободной конвекции. Конвектор, как правило, состоит из нагревательного элемента и кожуха, образующего необогреваемый канал для естественной конвекции» (ГОСТ 31311-2005. Приборы отопительные. Общие технические условия, статьи 3.2 и 3.3 соответственно).

Рис. 7 Напольный конвектор

Напольный конвектор

Понятия радиатор и конвектор используются также в действующем пока ГОСТе 53583-2009 «Приборы отопительные. Методы испытаний». Прежде всего, это оправдано тем, что в данном нормативном документе учитывается влияние атмосферного давления на конвективную составляющую теплоотдачи и приводится соответствующий график (рис. 8) для поправки (fB) к расчету фактического значения теплового потока прибора (Q), Вт, которое при испытаниях определяют по формуле (ГОСТ 53583-2009, статья 7.3):

Qизм – тепловой поток испытуемого отопительного прибора,

S – доля теплоотдачи излучением, определяемая согласно ГОСТ-у по приводящейся там таблице.

Атмосферное давление влияет на конвективную составляющую теплоотдачи отопительного прибора, так как при этом способе отдачи теплоты основную роль играет формирование теплых воздушных потоков, а если прибор имеет существенную долю лучистой энергии в теплоотдаче, то атмосферное давление на его общей теплоотдаче сказывается меньше. В целом же изменения атмосферного давления в природных условиях оказывает влияние на значение теплоотдачи прибора обычно в пределах 2-3%.

Читайте также:  Радиаторы браво кто производитель

Рис. 8 График для поправки на атмосферное давление к расчету теплового потока

График для поправки на атмосферное давление к расчету теплового потока

Конвекция и радиация в температурном комфорте

Наиболее комплексно состояние теплового комфорта человека определяется в микроклимате помещения с помощью эквивалентно-эффективной температуры (ЭЭТ) и результирующей температуры (РТ). ЭЭТ – условно-числовая величина субъективного ощущения человека при разных соотношениях температуры, влажности, скорости движения воздуха, а РТ – и радиационной температуры. Этот параметр используется при наличии источников теплового излучения и рассчитывается, в общем случае, с помощью таблиц или номограмм по показателям сухого и радиационного термометров.

Согласно ГОСТу 30494-96 «Здания жилые и общественные параметры микроклимата в помещениях» результирующая температура при скорости движения воздуха до 0,2 м/с равна полусумме температур воздуха в помещении и средней радиационной. При скорости же 0,2–0,6 м/с она рассчитывается по формуле:

PT = 0,6 tp + 0,4 tr,

где tp и tr – соответственно температуры воздуха в помещении и средняя радиационная. Для получения последней используются показатели шарового термометра или температуры внутренних поверхностей ограждений и отопительных приборов:

где Ai – площадь внутренней поверхности ограждений и отопительных приборов, ti – их температуры, ˚С.

На степень комфортности внутреннего климата значительно влияют также тепловая радиационная асимметрия, температура поверхности пола, температурный градиент по вертикали.

По своей природе инфракрасное излучение более эффективный способ передачи тепла от его источника к окружающим предметам и именно потому, что при этом не нагревается воздух, выступающий при конвекции как промежуточный теплоноситель, доставляющий тепло к месту его потребления. При транспортировке происходят основные потери тепла. Под воздействием же инфракрасного излучения непосредственно нагревается поверхность пола, облучаемые площади стен, поверхность человеческого тела, окружающие предметы. Практически вся излученная энергия переходит в тепло обогреваемого предмета без теплопотерь, и уже впоследствии от нагретых поверхностей предметов нагревается воздух в помещении.

Кроме того, для передачи тепла лучистой энергией свойственен эффект дополнительного обогрева — находящийся под воздействием инфракрасного излучения человек ощущает температуру примерно на 3-4 градуса выше, чем реальная температура воздуха в помещении.

Однако при формировании теплового комфорта в помещении, которое обогревается прибором водяного отопления, размещенном под подоконником, наблюдается такой парадокс, что именно конвекторы оказываются более эффективны и, в том числе, за счет вклада радиационной составляющей в общий баланс для достижения температуры комфорта.

Прежде всего, условный конвектор, установленный под подоконником, создает более мощный конвекционный поток теплого воздуха, чем установленный там же условный радиатор. В результате, этот поток лучше защищает от холода, поступающего внутрь помещения от окна. Поток теплого воздуха от конвектора на 1-2 ºС лучше прогревает поверхность оконного стекла, чем поток от радиатора. А эти 2 градуса очень хорошо чувствуются, если люди сидят около окна и разница между температурами 16 ºС и 18 ºС очень заметна.

Более того, конвекторы создают большую подвижность воздуха в помещении, теплый воздух скапливается в верхней части помещения и перегревают потолок тоже на 2-3 ºС. Казалось бы, это мелочи, и такая небольшая разница перегрева не будет заметна при формировании теплового комфорта в отапливаемом помещении, но потолок обладает большой площадью и поэтому «лишние» 2-3 градуса тепла со всей его поверхности оказываются совсем не лишними и очень заметными. Причем отдается это тепло с поверхности потолка в основном уже лучистым способом. То есть улучшается радиационная составляющая.

Эффективны в повышении вклада радиационной составляющей в общий баланс температурного комфорта оказываются и плинтусные (парапетные) конвекторы, которые размещаются при отоплении больших помещений по периметру стен, особенно при сочетании с вентиляторными конвекторами, устанавливаемыми под окнами. При их работе не только перегревается потолок, но и формирующиеся у поверхности стен конвекционные потоки прогревают и сами стены. Опять на те же 2-3 °С, но в этом случае и стены начинают вносить больший вклад в радиационную составляющую общего теплового комфорта. Таким образом получается, что как бы теплопотери с промежуточного теплоносителя (воздуха) работают на более эффективное достижение комфортной температуры.

Источник

Основы теории электрических аппаратов — Отвод тепла от нагретых тел

§ 11.1. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ОТВОДА ТЕПЛА ОТ НАГРЕТЫХ ТЕЛ

Отвод тепла от нагретых тел может происходить путем теплопроводности, конвекции и теплового излучения. В отдельных случаях тепло от целого аппарата или от отдельных его частей отводится за счет совокупности двух или трех видов теплообмена; этот процесс называется сложным теплообменом.
Теплопроводность в твердых телах осуществляется передачей тепла от более нагретых частей к менее нагретым. Аналогично идет процесс распространения тепла путем теплопроводности в жидкостях. В металлах в передаче тепла принимают участие свободные электроны, что ускоряет процесс. В газах теплопроводность осуществляется с помощью диффузии молекул.
Конвекцией тепло передается благодаря движению частиц газа или жидкости около нагретого тела. Соприкасаясь с нагретым телом, эти частицы воспринимают от него тепло за счет своей теплоемкости и при дальнейшем движении отдают его более холодным частицам в окружающем пространстве. Передача тепла излучением осуществляется путем распространения от нагретого тела энергии (тепла) в виде только тепловых или тепловых и световых волн, поглощающихся окружающими предметами.
Отдельные виды теплоотвода редко наблюдаются обособленно. В большинстве случаев приходится иметь дело со сложным теплоотводом. Расчет нагревания при этом очень труден и не всегда выполним при настоящем уровне знаний. Поэтому задачу расчета нагревания аппаратов часто приходится решать приближенными методами. Широко распространен расчет теплоотвода от аппаратов с помощью формулы Ньютона:

где k — коэффициент теплоотвода; F — поверхность охлаждения тела.
Коэффициент k зависит от температур поверхности тела и окружающей среды, формы тела и других факторов. В приближенных расчетах его считают постоянной величиной, что, строго говоря, неверно.
Основными процессами теплоотвода от аппаратов являются отвод тепла посредством конвекции и излучения, а в отдельных случаях — посредством теплопроводности. Как будет показано далее, коэффициент теплоотвода путем конвекции может быть выражен равенством:
где k1— коэффициент, зависящий от свойства среды и формы тела;
τ — превышение температуры; η — показатель, изменяющийся в пределах 0-:-0.33.
Коэффициент теплоотвода посредством излучения

где — коэффициент, зависящий от формы и состояния поверхности тела и его расположения относительно окружающих предметов, Т и Т0— абсолютная температура тела и окружающих тел.
Суммарный коэффициент теплоотвода при отсутствии влияния теплопроводности k = kK+ kи. Очевидно, что он является очень сложной функцией температуры.

Рис.III.1 Зависимость коэффициента суммарного теплоотвода с поверхности проводников разных размеров от превышения их температуры

Поэтому только при небольших пределах изменения температуры можно считать без большой погрешности k const. Поясним сказанное.
Па рис. 11.1 показана зависимость суммарного коэффициента теплоотвода от превышения температуры и определяющего размера охлаждаемого тела (понятие об определяющем размере дано в § II.6). Из рисунка видно, что, например, при изменении превышения температуры от 30° до 60° коэффициент теплоотвода изменяется на 20%. При изменении определяющего размера от 1 до 10 см коэффициент теплоотвода падает приблизительно на 30%. Поэтому пользоваться формулой Ньютона и считать коэффициент теплоотвода величиной постоянной можно только при небольших пределах изменения температуры. При определении величины коэффициента теплоотвода необходимо принимать во внимание определяющий размер охлаждаемого тела.

Источник