CC BY
4
Исследование процессов теплообмена в керамических материалах для обеспечения нормального теплового режима электронной аппаратуры
М.В. Поклонская Донской государственный технический университет
Аннотация: В данной статье рассматривается возможность применения керамических материалов с высоким коэффициентом теплопроводности в качестве материала теплоотвода для решения проблемы отвода тепла в теплонагруженных элементах электронной аппаратуры, что позволит значительно улучшить тепловые характеристики приборов и надежность их работы.
Ключевые слова: нормальный тепловой режим, тепломассоперенос, высокие температуры, коэффициент теплопроводности, керамика.
Введение
В настоящее время керамические материалы с высоким коэффициентом теплопроводности широко применяются в многочисленных областях науки и техники. Фактически, они особенно интересны для приложений, требующих многофункциональности. Благодаря своим термомеханическим свойствам они могут быть реализованы в различных системах, таких, как легковесные структуры [1], системы поглощения ударной и взрывной энергии [2], звукопоглотители [3], компактные теплотеплообменники [4], экраны электромагнитных волн и др. Нас, в рамках данного исследования, будет интересовать возможность применения керамики в качестве материала теплоотвода.
Количество опубликованных исследований, экспериментально или теоретически описывающих тепловые свойства керамических материалов при высоких температурах, относительно невелико. Поэтому целью данной статьи является разработка и описание математической модели для оценки тепловых свойств керамических материалов на основе полной численной модели сопряженной теплопередачи [5, 6].
Описание исследования
Знание свойств теплопередачи материала имеет первостепенное значение для определения размеров теплоотводящей конструкции. С тепловой точки зрения, при температуре окружающей среды в теплопередаче преобладает теплопроводность, поэтому механизмы теплопередачи в керамических материалах достаточно хорошо идентифицируются и характеризуются. При повышении температуры в электронной аппаратуре эти механизмы остаются идентичными, но радиационный перенос тепла начинает играть более значительную роль, поскольку излучаемая тепловая энергия возрастает пропорционально четвертой степени температуры [7, 8].
Определение интенсивности теплопередачи в керамических материалах с использованием стандартных методов при повышенных температурах является достаточно трудной задачей, поскольку требует дополнительных расчетов. В связи с этим рассматриваемая проблема представляет собой крупную область исследований, в том числе, и для будущих ученых [9, 10].
Для количественной оценки теплопроводности обычно используют обычное уравнение тепловой диффузии:
<2 = кс ■ дгайТ., где Q - количество теплоты,
кс - эффективный коэффициент теплопроводности Т - температура
Аналитическая модель нахождения значения температуры направлена на получение представления исследователями и специалистами о тепловом поведении керамического материала при повышенных температурах. При этом ставится задача расчета совмещенной теплопередачи в присутствии излучения, в соответствии с уравнениями энергии и радиационного переноса:
V (Чс) = - V (Чс + Чг) = (кс х 0 + £ + - V (Чг),
где ч с» Ч с, Чг - плотности излучательного, теплопроводного и полного тепловых потоков
кс - эффективный коэффициент теплопроводности Т - температура
) + ^) = кя/о(Т) д _> д) х /я (г,Лф' ,
где - направление интенсивности излучения,
- спектральная интенсивность излучения,
- коэффициент поглощения излучения,
- коэффициент рассеяния излучения,
- фазовая функция рассеяния излучения, Значение чг берем из формулы (1)
описывающей изменения координаты 7.
Данная система уравнений может быть решена с использованием численных методов, таких как итеративный метод регулирования объема для уравнения энергии и метод дискретных ординат. В случае с керамическими материалами, на основании многочисленных результатов, полученных на различных структурах с различными оптическими свойствами, общая плотность теплового потока передается через поверхность. Отводимую тепловую мощность можно точно оценить сложением теплопроводного и излучательного тепловых потоков, вычисляемых независимо.
Синтез полученных численных результатов, рассчитанных с помощью аналитической модели, дает возможность оценить теплопроводные и излучающие проводимости для температур в диапазоне от температуры
г? (г) = 2тг/0СЛ/_11/я(г,^)дф^Я.
(1)
М Инженерный вестник Дона, №12 (2022) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl2y2021/8081
окружающей среды до повышенной рабочей температуры электронной аппаратуры.
Сравнение значений, предсказанных нашей аналитической моделью, эффективных теплопроводностей, полученных для различных керамических материалов, с крупной зернистой структурой (Э/ё=1) и мелкой зернистой структурой (Б/ё=4) показано на рисунке.
а Ь
15
10
5
0 .
0
С
15
2 ю
5
5
О
О 0,05 0,1 0,15
^=1 -Е
Рисунок 1. - Сравнение значений аналитических и эмпирических эффективных теплопроводностей
Теплопроводность керамического материала и воды, используемых для расчетов при температуре окружающей среды, составляет, соответственно, 218 Вт/м/К и 0,6 Вт/м/К, в то время как теплопроводность воздуха составляет 0,003 Вт/м/К.
Заключение
В заключение следует отметить, что керамические материалы обладают достаточно широким диапазоном термических и механических свойств, благодаря своей композитной природе. Именно поэтому они эффективно или потенциально широко используются, и, в частности, могут быть применены в качестве материала теплоотводящей системы.
Для обоснования выбора материала и его применения требуется точное знание теплового поведения, которое можно получить аналитически и эмпирически. Эти соотношения были построены, основываясь на результатах, полученных благодаря использованию численной модели, учитывающей реальную морфологию зернистой структуры материала.
Литература
1. Карнаух В.В., Гинкул С.И., Бирюков А.Б. Теплообмен. Теория и практика - Инфра-Инженерия, 2021, 332 с. - С. 204.
2. Лариков Н.Н. Теплотехника. Учебное пособие - М.: Стройиздат, 1985, 432 с. - С. 406.
3. Бажан П.И. Справочник по теплообменным аппаратам - М.: Машиностроение, 1989, 200 с. - С. 126.
4. Вулис Л.А. Тепловой режим горения - Л.: Госэнергоиздат, 1954, 288 с. - С. 25.
5. Салахов А.М., Салахова Р.А. Керамика: исследование сырья, структура, свойства - Издательство КНИТУ, 2013, 316 с. - С. 84.
6. Сидоров В.В. Сетчатая керамика - Археология евразийских степей, 2017 - Сс. 304-315.
7. Преснов В.А., Якубеня М.П. Спаивание керамики с металлом -Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 1956, Том 91 - Сс. 437-452.
8. Карпов А.Г. Титан или керамика? - Экспозиция Нефть Газ, 2012, №1 -Сс. 9-10.
9. Бердников И.М., Лохов Д.Н. Сетчатая керамика аплинского типа -Известия Иркутского государственного университета. Серия: Геоархеология. Этнология. Антропология, 2013, №2 - С. 72-83.
10. Красуцкая Н.С., Чижова Е.А., Бусель Т.С., Кладынюк А.И. Термоэлектрические свойства керамики - Труды БГТУ. №3. Химия и технология неорганических веществ, 2013, №3 - Сс. 38-42.
References
1. Karnaux V.V., Ginkul S.I., Biryukov A.B. Teploobmen. Teoriya i praktika [Heat exchange. Theory and practice]. Infra-Inzheneriya, 2021, 332 p. P. 204.
2. Larikov N.N. Teplotexnika. Uchebnoe posobie [Heat engineering. Tutorial]. M.: Strojizdat, 1985, 432 p. P. 406.
3. Bazhan P.I. Spravochnik po teploobmennym apparatam [Handbook of heat exchangers]. M.: Mashinostroenie, 1989, 200 p. P. 126.
4. Vulis L.A. Teplovoj rezhim goreniya [Thermal regime of combustion]. L.: Gose'nergoizdat, 1954, 288 p. P. 25.
5. Salaxov A.M., Salaxova R.A. Keramika: issledovanie syYya, struktura, svojstva [Ceramics: research of raw materials, structure, properties]. IzdateFstvo KNITU, 2013, 316 p. P. 84.
М Инженерный вестник Дона, №12 (2022) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl2y2021/8081
6. 81ёогоу У.У. Агхео1о§1уа еугагуБЙх Б1ере], 2017, рр. 304-315.
7. РгеБпоу У.А., УакиЬепуа М.Р. ЬуеБЙуа ТошБко§о роШехшсЬевко§о ишуеге^а. 1п7Ытгт§ §еогевигвоу, 1956, Тош 91, рр. 437-452.
8. Karpov A.G. Fkspozitiya Gaz, 2012, №1, рр. 9-10.
9. Бегёшкоу 1.М., Ьохоу Б.М ^еБЙуа 1гки1Бко§о §овиёагв1уепдо§о universiteta. Seriya: Geoarxeologiya. E,tnologiya. Antropologiya, 2013, №2, рр. 72-83.
10. КгаБис7кауа N.8., СЫ7Иоуа Е.А., БшеГ Т.Б., К1аёулпуик А.1. Тгиёул BGTU. №3. Ximiya i texnologiya neorganicheskix veshhestv, 2013, №3, рр. 3842.
