Зависимость сопротивления от расхода: Гидравлическое сопротивление труб — описание и характеристики

Содержание

Гидравлическое сопротивление

Гидравлическое сопротивление или гидравлические потери – это суммарные потери при движении жидкости по водопроводящим каналам. Их условно можно разделить на две категории:

Потери трения – возникают при движении жидкости в трубах, каналах или проточной части насоса.

Потери на вихреобразование – возникают при обтекании потоком жидкости различных элементов. Например, внезапное расширение трубы, внезапное сужение трубы, поворот, клапан и т. п. Такие потери принято называть местными гидравлическими сопротивлениями.

Содержание статьи

Коэффициент гидравлического сопротивления

Гидравлические потери выражают либо в потерях напора Δh в линейных единицах столба среды, либо в единицах давления ΔP:

Δh= ΔP/(ρg)

где ρ — плотность среды, g — ускорение свободного падения.

В производственной практике перемещение жидкости в потоках связано с необходимостью преодолеть гидравлическое сопротивление трубы по длине потока, а также различные местные сопротивления:
гидравлическое сопротивление  Поворотов
гидравлическое сопротивление  Диафрагм
гидравлическое сопротивление  Задвижек
гидравлическое сопротивление  Вентилей
гидравлическое сопротивление  Кранов
гидравлическое сопротивление  Различных ответвлений и тому подобного

На преодоление местных сопротивлений затрачивается определенная часть энергии потока, которую часто называют потерей напора на местные сопротивления. Обычно эти потери выражают в долях скоростного напора, соответствующего средней скорости жидкости в трубопроводе до или после местного сопротивления.

Аналитически потери напора на местные гидравлические сопротивления выражаются в виде.

hr = ξ υ2 / (2g)

где ξ – коэффициент местного сопротивления (обычно определяется опытным путем).

Данные о значении коэффициентов различных местных сопротивлений приводятся в соответствующих справочниках, учебниках и различных пособиях по гидравлике в виде отдельных значений коэффициента гидравлического сопротивления, таблиц, эмпирических формул, диаграмм и т.д.

Исследование потерь энергии (потери напора насоса), обусловленных различными местными сопротивлениями, ведутся уже более ста лет. В результате экспериментальных исследований, проведенных в России и за рубежом в различное время, получено огромное количество данных, относящихся к разнообразнейшим местным сопротивлениям для конкретных задач. Что же касается теоретических исследований, то им пока поддаются только некоторые местные сопротивления.

В этой статье будут рассмотрены некоторые характерные местные сопротивления, часто встречающиеся на практике.

Местные гидравлические сопротивления

Как уже было написано выше, потери напора во многих случаях определяются опытным путем. При этом любое местное сопротивление похоже на сопротивление при внезапном расширении струи. Для этого имеется достаточно оснований, если учесть, что поведение потока в момент преодоления им любого местного сопротивления связано с расширением или сужением сечения.

Гидравлические потери на внезапное сужение трубы

Сопротивление при внезапном сужении трубы сопровождается образованием в месте сужения водоворотной области и уменьшения струи до размеров меньших, чем сечение малой трубы. Пройдя участок сужения, струя расширяется до размеров внутреннего сечения трубопровода. Значение коэффициента местного сопротивления при внезапном сужении трубы можно определить по формуле.

ξвн. суж = 0,5(1- (F2/F1))

Значение коэффициента ξвн. суж от значения отношения (F2/F1)) можно найти в соответствующем справочнике по гидравлике.

Гидравлические потери при изменении направления трубопровода под некоторым углом

В этом случае вначале происходит сжатие, а затем расширение струи вследствие того, что в месте поворота поток по инерции как бы отжимается от стенок трубопровода. Коэффициент местного сопротивления в этом случае определяется по справочным таблицам или по формуле

ξ поворот = 0,946sin(α/2) + 2.047sin(α/2)2

где α – угол поворота трубопровода.

Местные гидравлические сопротивления при входе в трубу

В частном случае вход в трубу может иметь острую или закругленную кромку входа. Труба, в которую входит жидкость, может быть расположена под некоторым углом α к горизонтали. Наконец, в сечении входа может стоять диафрагма, сужающая сечение. Но для всех этих случаев характерно начальное сжатие струи, а затем её расширение. Таким образом и местное сопротивление при входе в трубу может быть сведено к внезапному расширению струи.

Если жидкость входит в цилиндрическую трубу с острой кромкой входа и труба наклонена к горизонту под углом α, то величину коэффициента местного сопротивления можно определить по формуле Вейсбаха:

ξвх = 0,505 + 0,303sin α + 0,223 sin α2

Местные гидравлические сопротивления задвижки

На практике часто встречается задача расчета местных сопротивлений, создаваемых запорной арматурой, например, задвижками, вентилями, дросселями, кранами, клапанами и т.д. В этих случаях проточная часть, образуемая разными запорными приспособлениями, может иметь совершенно различные геометрические формы, но гидравлическая сущность течения при преодолении этих сопротивлений одинакова.

Гидравлическое сопротивление полностью открытой запорной арматуры равно

ξвентиля = от 2,9 до 4,5

Величины коэффициентов местных гидравлических сопротивлений для каждого вида запорной арматуры можно определить по справочникам.

Гидравлические потери диафрагмы

Процессы, происходящие в запорных устройствах, во многом похожи на процессы при истечении жидкости через диафрагмы, установленные в трубе. В этом случае также происходит сужение струи и последующее её расширение. Степень сужения и расширения струи зависит от ряда условий:
гидравлическое сопротивление  режима движения жидкости
гидравлическое сопротивление  отношения диаметров отверстия диафрагмы и трубы
гидравлическое сопротивление  конструктивных особенностей диафрагмы.

Для диафрагмы с острыми краями:

ξдиафр = d02 / D02

Местные гидравлические сопротивления при входе струи под уровень жидкости

Преодоление местного сопротивления при входе струи под уровень жидкости в достаточно большой резервуар или в среду, не заполненную жидкостью, связано с потерей кинетической энергии. Следовательно, коэффициент сопротивления в этом случае равен единице.

ξвхода = 1

Видео о гидравлическом сопротивлении

На преодоление гидравлических потерь затрачивается работа различных устройств (насосов и гидравлических машин)

Для снижения влияния гидравлических потерь рекомендуется в конструкции трассы избегать использования узлов способствующих резким изменениям направления потока и стараться применять в конструкции тела обтекаемой формы.

Даже применяя абсолютно гладкие трубы приходится сталкиваться с потерями: при ламинарном режиме течения(по Рейнольдсу) шероховатость стенок не оказывает большого влияния, но при переходе к турбулентному режиму течения как правило возрастает и гидравлическое сопротивление трубы.

В дополнение к статье «Гидравлическое сопротивление» Вам может быть интересно:

17 Гидравлическое сопротивление трубопроводов. Основные зависимости и принципы расчетов

Гидравлический
расчет простого трубопровода производится
с помощью уравнения Бернулли:

Здесь h1-2
– потери напора (энергии) на преодоление
всех видов гидравлического сопротивления,
приходящиеся на единицу веса движущейся
жидкости.

ht
– потери напора на трение по длине
потока,

Σhм
– суммарные потери напора на местном
сопротивлении Потери напора на трение
по длине потока определяются по формуле
Дарси-Вейсбаха

где L
–длина
трубопровода,

d
-диаметр участка трубопровода,

v
— средняя скорость течения жидкости,

λ -коэффициент
гидравлического сопротивления, в общем
случае зависящий от числа Рейнольдса
(Re=v*d/ν),
и относительной эквивалентной
шероховатости труб (Δ/d).

Значения эквивалентной
шероховатости Δ
внутренней поверхности различных труб
представлены в таблице 2. А зависимости
коэффициента гидравлического сопротивления
λ
от числа Re
и относительной шероховатости Δ/d
приведены в таблице 3.

Если режим движения
ламинарный, то для труб некруглого
сечения коэффициент гидравлического
сопротивления λ определяется по частным
для каждого случая формулам (табл. 4).

При развитом
турбулентном течении с достаточной
степенью точности при определении λ
можно пользоваться формулами для круглой
трубы с заменой диаметра d
на 4 гидравлических радиуса потока Rг
(d=4Rг)

Rг
=w/c,

где w–
площадь «живого» сечения потока,

c-
«смоченный» его периметр (периметр
«живого» сечения по контакту жидкость
– твердое тело)

Потери напора в
местных сопротивлениях определяются
по формуле Вейсбаха

Где ς– коэффициент
местного сопротивления, зависящий от
конфигурации местного сопротивления
и числа Рейнольдса.

При развитом
турбулентном режиме ς= const,
что позволяет ввести в расчеты понятие
эквивалентной длины местного сопротивления
Lэкв,
т.е. такой длины прямого трубопровода,
для которого ht= hм.
В этом случае потери напора в местных
сопротивлениях учитываются тем, что к
реальной длине трубопровода прибавляется
сумма их эквивалентных длин

Lпр
=L
+ Lэкв,

где Lпр
– приведенная длина трубопровода.

Зависимость потерь
напора h1-2
от расхода называется характеристикой
трубопровода
.

Если движение
жидкости в трубопроводе обеспечивается
центробежным насосом, то для определения
расхода в системе насос – трубопровод
строится характеристика трубопровода
h
=h(Q)
с учетом разности отметок ∆z
(h1-2
+ ∆z 
при z1<
z2
и h1-2
— ∆z
при z1>z2)
накладывается на напорную характеристику
насоса H=H(Q),
которая приводится в паспортных данных
насоса (см. рис.). Точка пересечения этих
кривых указывает на максимально возможный
расход в системе.  

18 Категории трубопроводов тэс по Госгортехнадзору. Основные требования «Правил устройства и безопасной эксплуатации» по проектированию и устройству трубопроводов.

В зависимости от
параметров (давления и температуры)
транспортируемой среды станционные
трубопроводы делятся на две основные
группы – высокого и низкого давления.
В целях унификации отдельных деталей
и элементов станционных трубопроводов
и обеспечения изготовления и поставки
их специализированными заводами
разработаны отраслевые стандарты на
основные детали и элементы трубопроводов.
Учитывая особенности условий работы и
поставки трубопроводов, отраслевые
стандарты выпускают отдельно для
трубопроводов высокого и низкого
давлений.

Все станционные
трубопроводы должны отвечать требованиям
соответствующих правил и норм, а также
требованиям положений, технических
условий, противоаварийных циркуляров
и других нормативных документов. Одним
из основных обязательных документов,
определяющих правила проектирования
станционных трубопроводов являются
«Правила устройства и безопасной
эксплуатации трубопроводов пара и
горячей воды. ПБ 10-573-03».

Правила устанавливают
требования к проектированию, конструкции,
материалам, изготовлению, монтажу,
ремонту и эксплуатации трубопроводов,
транспортирующих водяной пар с рабочим
давлением более 0,07 МПа (0,7 кгс/см2)
или горячую воду с температурой свыше
115 град. С.

В соответствии с
указанными правилами, трубопроводы
пара и горячей воды, в зависимости от
параметров транспортируемой среды,
делятся на категории и группы.

В трубопроводах
должны максимально использоваться
стандартизированные детали и элементы
по отраслевым стандартам и ГОСТ,
допустимым для условий работы станционных
трубопроводов. Требования этих документов
обязательно должны учитываться, начиная
со стадии выполнения проектной
документации. Нормативные документы,
правила, ОСТ, ГОСТ подвергаются
периодическим пересмотрам, исправлениям
и переизданиям, поэтому при проектировании
трубопроводных систем, обязательно
следует пользоваться актуальными
материалами на момент их применения.

Гидравлическое сопротивление трубопроводов — Студопедия

С целью определения необходимой движущей силы для транспортирования жидкостей по каналам различной геометрии необходимо знать потерянный напор hп, который выражает потерю энергии при движении жидкостей и который складывается из потерь напора на трение и на преодоление местных сопротивлений.

Потери напора на трение. Очевидно, зная особенности структур ламинарного и турбулентного потоков, можно предположить, что потери напора на трение для этих двух случаев будут различными. При ламинарном режиме:

1. Затраты энергии на преодоление сил трения можно оценивать либо по потере давления Δ𝑃тр, либо по потерянному напору hтр (что абсолютно равнозначно).

2. Затраты энергии на преодоление сил трения определяются как доля от затрат на создание скорости Δ𝑃ск и hск.

3. Значения коэффициента трения λ и коэффициента сопротивления трению ξ обусловливаются величиной критерия Рейнольдса 𝑅𝑒: λ = 𝑓 (𝑅𝑒) ; ξ = 𝑓(𝑅𝑒,𝐿/d) .

Для оценки затрат энергии на преодоление сил трения для турбулентных потоков используют методы теории подобия.

Для каналов некруглого сечения при проведении расчѐтов вместо диаметра трубы используют эквивалентный диаметр dэ. Следует помнить, что все вышеприведѐнные рассуждения и выводы касались только изотермического потока. При неизотермических течениях, когда в процессе течения происходит нагревание или охлаждение жидкости при теплообмене со стенкой канала, в практике инженерных расчѐтов вводят поправочные коэффициенты, которые учитывают изменение вязкости пограничного со стенкой слоя жидкости. Однако, для более точных расчѐтов, необходимо учитывать влияние температуры не только на вязкость пограничного слоя, но и еѐ влияние на плотность и вязкость всего потока в целом, т.к. от величины указанных параметров в конечном итоге зависит и структура всего потока. Кроме того, часто при перемещении упругих жидкостей (газов и паров) обязательным является учѐт не только изменения температуры, но и изменения давления, т.к. при транспортировании существенная часть абсолютного давления затрачивается на преодоление сил трения. На практике обычно жидкости двигаются по трубам со стенками, которые по поверхности имеют различной природы неровности, или шероховатости. Эти шероховатости характеризуются средней величиной выступов. Природа шероховатостей может быть самой различной: это материал изготовления каналов, способ изготовления, условия эксплуатации и т.д. Так, например, в процессе эксплуатации трубопроводов возможно не только отложение различных загрязнений, но и протекание процессов коррозии (химической и электрохимической) и эррозии. Наличие шероховатостей может в существенной мере ухудшить всю гидравлическую обстановку, повышая затраты энергии на преодоление сил трения.





Опытами установлено, что влияние шероховатости на трение различно при различных гидродинамических режимах течения. Например, ламинарный поток: толщина вязкого пограничного слоя относительно велика и выступы шероховатостей не выходят за пределы этого слоя. Жидкость при своѐм течении плавно огибает все выступы и последние не оказывают практического влияния на трение. Турбулентный поток: толщина вязкого пограничного слоя значительно меньше и выступы выходят своими вершинами за пределы этого слоя, тем самым повышая силы трения. При повышении же степени турбулизации происходит т.н. «вырождение» критерия Рейнольдса, когда главной определяющей становится не скорость течения, а только величина шероховатостей.

Потери напора на преодоление местных сопротивлений. К местным сопротивлениям относятся различного рода задвижки, краны, вентили, диафрагмы, отводы, сужения и т.д. – т.е. все местные устройства, устанавливаемые в трубопроводах, и в которых происходит изменение средней скорости как по абсолютной величине, так и по направлению. Потери напора нам преодоление местных сопротивлений hмс, так же, как и потери на трение hтр выражают как долю от скоростного напора . Отношение потери напора в данном местном сопротивлении к скоростному напору называют коэффициентом местного сопротивления.

Если на трубопроводе установлен последовательно ряд n местных сопротивлений, то общее сопротивление определяется суммой всех n сопротивлений. Значения коэффициентов местных сопротивлений определяются экспериментально и приводятся в справочных материалах. Точно так же, как и при расчѐте сопротивлений трения, потеря энергии движущейся жидкости на преодоление местных сопротивлений может быть выражена и через потерю давления.

Расчѐт трубопроводов для транспорта жидкостей

Одной из распространѐнных операций на всех химических и нефтехимических предприятиях, в том числе и на площадках месторождений нефти, является транспорт разнообразных жидкостей. Транспорт жидкостей осуществляется обычно при помощи закрытых трубопроводов (металлических или неметаллических), протяженность которых варьируется в очень широких пределах: от нескольких метров до многих километров. Объемы транспортируемых жидкостей зависят от масштаба производства и измеряются значениями, начиная с л/с до тысяч м3/с. Во всех случаях необходимо рассчитать диаметр трубопровода, обеспечивающий транспорт требуемого объема жидкости (объемный расход) на заданное расстояние при минимальных затратах энергии и материалов. Рассмотрим несколько наиболее распространенных вариантов поставленной задачи. Простой трубопровод. Простым называется трубопровод, соединяющий источник с потребителем жидкости, но не имеющий на пути никаких ответвлений. Такой трубопровод , пространственно расположенный во всех трех измерениях, обычно состоит из ряда прямолинейных участков разной длины ( 𝑙1 ,𝑙2,𝑙3,…), соединенных друг с другом отводами и коленами для изменения направления потока. Трубопровод может быть еще снабжен запорными и регулирующими устройствами (задвижки, вентили, краны, обратные клапаны). Кроме того, предполагается, что диаметры трубопровода во всасывыющей и в напорной магистралях одинаков. Суммарный гидростатический напор Н (сумма разностей нивелирных и пьезометрических высот) равен потерянному напору hп. В свою очередь, величина hп затрачивается на преодоление сил трения на прямолинейных участках и преодоление местных гидравлических сопротивлений hмс. К числу местных сопротивлений относятся также потери напора, возникающие при входе жидкости из расходного сосуда в трубопровод (резкое сужение потока) и при выходе из последнего в приемный сосуд (резкое расширение потока).

Требуемый расход жидкости V в трубопроводе заданной длины и конфигурации может быть достигнут при разных его диаметрах в зависимости от значения напора Н, т.к. произведение Н·d в этом случае должно оставаться на постоянном уровне: отсюда правило — чем больше напор Н, тем меньше требуемый диаметр трубопровода d.

Удельные сопротивления труб — Водоснабжение, Водоотведение, Гидравлика

Для расчета трубопроводов необходимо знать удельные сопротивления труб из различных материалов.

Справочные данные

Таблица 1. Удельное сопротивление S0 железобетонных и бывших в употреблении чугунных водопроводных труб, с26

Таблица 2. Удельное сопротивление S0 бывших в употреблении стальных водопроводных труб, с26

Пример расчета

Определить потерю напора в стальном трубопроводе диаметром 250 мм, длиной 2300 м, с расходом воды Q=50 л/с.

1. Рассчитываем скорость движения воды в трубе. Расход выражаем в м3/с, диаметр в м.

2. По таблице 2 (для стальных труб) определяем удельное сопротивление S0 для диаметра 250 мм и скорости 1,01 м/с.

Интерполируя, получаем значение S0 = 2,65 с26 .

3. Рассчитываем потерю напора:

Итого, потеря напора составила 15,24 метра.

11 Местные сопротивления

Местные
сопротивления

11-5

Общая классификация
сопротивлений: сопротивление трения
(по длине) и местные.

Суммируемость
гидравлических сопротивлений.

Местные сопротивления.

Общая методика их
учета.

Коэффициент
местного сопротивления и факторы,
влияющие на его величину.

Зависимость
коэффициентов местных сопротивлений
от числа Рейнольдса.

Рассмотрим
трубопровод, состоящий из нескольких
прямых участков постоянного диаметра
и местных сопротивлений: обратного
клапана, задвижки и двух плавных
поворотов на 90.

Для сечений 1-1 и 2-2 потока может
быть записано уравнение Бернулли, из
которого выразим потери полного напора:

.

Это общие потери от сечения 1-1 до
сечения 2-2 , которые могут рассматриваться
как сумма потерь по длине прямолинейных
участков постоянного диаметра и потерь
в местных сопротивлениях.

(*)

Такое разделение – основное допущение
при расчете потерь в трубопроводах.

Забегая вперед, отметим, что эти два
типа потерь рассчитываются отдельно.

Потери по длине по экспериментальной
формуле Дарси1
(Дарси-Вейсбаха)

, (*)

здесь

– коэффициент гидравлического
сопротивления (коэффициент Дарси).

Потери в местных сопротивлениях есть
сумма отдельных потерь, каждая из которых
вычисляется по формуле Вейсбаха:

, (*)

здесь

– коэффициент местного сопротивления
номер
,
определяется из справочников.

(
«дзета», греч. не путать

«кси», греч.)

– места потока, в которых происходит
резкая его деформация, скорость изменяется
по величине и по направлению.

Для
того чтобы измерить потери напора в
местном сопротивлении поступают так:

1. производят замер
потерь напора
на
местном сопротивлении, причем пьезометры
устанавливают не рядом с ним, а на
расстоянии не менее
,
где поток невозмущенный.

2.
производят замер потерь

на участке того же трубопровода длиной

без местного сопротивления

3.
вычисляют

4. Учитывая, что
,
находят коэффициент местного сопротивления

Такой способ замера позволяет выделить
отдельно влияние местного сопротивления.

Расчетным путем найти коэффициент
местного сопротивления не удается,
единственное исключение – внезапное
расширение потока.

Составим уравнение Бернулли для сечений
3-3 и 2-2, принимая скорость потока
в сечении 3-3 равной

и учитывая, что
.

здесь

потери напора на внезапном расширении.

Принимаем
,
находим потери

Применим к массе жидкости, заключенной
между сечениями 3-3 и 2-2 теорему
о количестве движения, согласно которой
изменение количества движения в единицу
времени равно сумме внешних сил.
Допускаем, что во всем сечении 3-3
действует давление
.

Отсюда выразим


и подставим в выражение для потерь

Формула Бордá
: потери напора при внезапном
расширении потока пропорциональны
квадрату «потерянной» скорости2

Приведем это выражение к виду формулы
Вейсбаха для местных сопротивлений:

По уравнению неразрывности для потока


т.е.

Коэффициент сопротивления (отнесенный
к скорости до расширения)

В предельном случае, когда
,
имеем выход из трубопровода в резервуар
больших размеров,
.

Так как скорость до расширения

не равна скорости после него
,
то для данного местного сопротивления
существует два различных значения
коэффициента сопротивления, расчет
потерь напора с использованием которых,
разумеется, приводит к одинаковому
результату.

.
Легко показать, что

Другие коэффициенты местных
сопротивлений:

Коэффициенты местных сопротивлений
приводятся в справочниках

И.Е. Идельчик Справочник по гидравлическим
сопротивлениям

Справочник по гидравлическим расчета
под ред. П.Г. Киселева

Плавный поворот на 90
при

( Идельчик, стр. 184)

В расчетах, если не задан радиус поворота,
принимать

потери по длине трубы добавлять.

Диафрагма (диск с отверстием диаметра
меньше, чем диаметр трубы)

0,1

0,5

0,9

1

245

4

0,13

0

Внезапное сужение потока
,

и
диаметры
трубы до и после.

Вход из бака в трубу, когда
>>,
.

Влияние числа Re
на коэффициенты местных сопротивлений

Коэффициенты в справочниках даются для
квадратичной области сопротивления
турбулентного режима (не зависят от
Re).

Для ламинарного режима

Re – число Рейнольдса, А
– коэффициент, характеризующий тип
местного сопротивления, приводится в
справочниках

Сопротивление

Пробочный
кран

150

0,4

Колено
90

130

0,2

Выход
из трубы в бак

30

1

Вход
из бака в трубу

30

0,5

Плавный поворот
потока

При
изменении направления потока появляются
центробежные силы,
направленные от центра кривизны к
внешней стенке трубы.

Давление
в пределах поворота у
внешней стенки больше, чем у внутренней.
Соответственно скорости у внешней
стенки меньше, чем у внутренней.
Вследствие этого вдоль боковых стенок
трубы, вблизи поверхности которых
скорость невелика, будет происходить
движение жидкости от внешней стенки
к внутренней, т.е. возникает
поперечная циркуляция в потоке.

В результате образуется так называемый
парный (двойной) вихрь, который
накладывается на поступательное
движение. Линии тока становятся
винтообразными. Эпюра скоростей в связи
с этим перестраивается.

Если местные
сопротивления расположены на близком
расстоянии друг от друга, то они влияют
друг на друга.

Так
например, при последовательном
соединении двух отводов (отвод-поворот
на 90о,
рисунок VI-2)
суммарный коэффициент сопротивления

в
случае а)

,

а
в случае б) 3

Здесь

– коэффициент сопротивления изолированного
поворота на 90,
зависит от отношения радиуса поворота

к диаметру трубопровода
.
В справочниках приводятся коэффициенты
сопротивления для отвода без учета
потерь по длине трубы, которые
рассчитываются дополнительно, причем
длина считается по средней линии потока.

Длина зоны влияния
,

где

диаметр трубопровода;

коэффициент потерь для данного местного
сопротивления в квадратичной области;

– коэффициент Дарси.

В обычных условиях длина прямолинейного
участка трубопровода между сопротивлениями,
равная
,
оказывается достаточной для стабилизации
потока. В ответственных случаях, например
при установке расходомерных устройств,
эта длина определяется правилами
установки и составляет
.

Эквивалентная длина. Для упрощения
расчета трубопроводов часто используют
понятие о эквивалентной длине местного
сопротивления, т.е. об участке данного
трубопровода такой длины, на которой
потери напора по длине равны местной
потере напора:

=>

=>

В заключение раздела о местных
сопротивлениях отметим, что в гидравлически
длинных трубопроводах (или просто
длинных) потери по длине настолько
превышают потери в местных сопротивлениях,
что последние не вычисляют, а принимают
как некоторую часть потерь по длине
(добавляют 5 % – 10 %).

1
Эту формулу называют формулой
Дарси-Вейсбаха, однако во избежание
путаницы оставим только первую часть,
опираясь на то, что коэффициент

называют коэффициентом Дарси.

2
БОРДА (Borda), Жан
Шарль (4.5.1733-19.2.1799)

Французский
физик и геодезист. Член Парижской АН.
Служил офицером сначала в армии, а затем
во флоте. Участвовал в разработке
метрической системы мер. Определил в
1792 длину секундного маятника в Париже
и нашел способ точного определения
периода качаний маятника. Предложил в
1766 особую насадку, названную его именем,
для увеличения расхода жидкости,
вытекающей из сосуда, при заданном
сечении выходного отверстия. Доказал
носящую его имя теорему в гидравлике
об ударе струи жидкости или газа.

3
Идельчик
И.Е.
Справочник
по
гидравлическим
сопротивлениям,
стр. 188, табл. 6-7, 6-8

И МЕСТНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ — Студопедия

Лабораторная работа 5

ИЗУЧЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

НАПОРНОГО ТРУБОПРОВОДА С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ

КОЭФФИЦИЕНТОВ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ

И МЕСТНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Вводная часть.Экспериментальными исследованиями установлено, что при движении жидкости часть полного напора (энергии) затрачивается на преодоление работы сил вязкости и инерции, т.е. возникают потери напора.

При равномерном движении жидкости гидравлическое сопротивление, проявляющееся равномерно по всей длине потока, называют сопротивлением по длине, а вызываемые им потери напора — потерями напора по длине ( hl ).Эти потери в круглых трубопроводах, работающих полным сечением, вычисляют по формуле Дарси-Вейсбаха:

(1)

где l — безразмерный коэффициент, называемый коэффициентом гидравлического трения (коэффициентом Дарси). Величина коэффициента l характеризует гидравлическое сопротивление трубопровода и зависит в общем случае от числа Рейнольдса Re и относительной шероховатости Dэ/d трубопровода, т.е. l=f(Re, Dэ/d);

l, d – длина и внутренний диаметр трубопровода;

– средняя скорость движения потока жидкости.

Величину коэффициента l при гидравлических экспериментах вычисляют по опытным данным из формулы (1). При гидравлических же расчетах – по эмпирическим и полуэмпирическим формулам, например, при ламинарном режиме lл=64/Re, а при турбулентном режиме движения и работе трубопровода в области доквадратичного сопротивления – по формуле А.Д. Альтшуля:



. (2)

Величину абсолютной эквивалентной шероховатости Dэ при расчетах берут из справочной литературы в зависимости от материала трубопровода и состояния его внутренней поверхности. Например, для труб из органического стекла Dэ=0,006 мм, а для стальных водопроводных умеренно заржавленных труб Dэ=0,20…0,50 мм.

Область гидравлического сопротивления при расчетах определяют или непосредственно по графикам l=f(Re,Dэ/d), полученным опытным путем для труб из различных материалов и приведенным в справочной литературе, или же с помощью соотношений и , предложенных А.Д. Альтшулем на основе использования упомянутых графиков. В последнем случае вычисляют соотношения и и сравнивают их с числом Рейнольдса . При этом, если , трубопровод работает в области квадратичного сопротивления. Если , трубопровод работает в области гидравлически гладких труб. Если же , трубопровод работает в области доквадратичного сопротивления.


Следует иметь в виду, что для каждой области гидравлического сопротивления предложены и используются при гидравлических расчетах свои формулы для вычисления коэффициента l.

Другой вид гидравлических сопротивлений, возникающих в местах резкого изменения конфигурации потока – изменение скорости потока по величине или направлению, называют местными сопротивлениями, а вызываемые ими потери напора — местными потерями напора (hм).

При прохождении через любое местное сопротивление поток жидкости деформируется, вследствие чего движение становится неравномерным, резко изменяющимся, для которого характерны :

а) значительное искривление линий тока и живых сечений

потока;

б) отрывы транзитной струи от стенок трубопровода (ввиду

действия закона инерции) и возникновение в местах отрыва

устойчивых водоворотов;

в) повышенная (по сравнению с равномерным движением)

пульсация скоростей и давлений;

г) изменение формы ( переформирование ) эпюр скоростей.

Местные потери напора при гидравлических расчетах вычисляют по формуле Вейсбаха :

, (3)

где — безразмерный коэффициент, называемый коэффициентом местного сопротивления;

— средняя скорость потока в сечении за местным сопротивлением, т.е. ниже по течению (если скорость , как исключение, принимается перед местным сопротивлением, это обязательно оговаривается).

Величина коэффициента зависит в общем случае от числа Рейнольдса и от конфигурации, т.е. формы проточной части местного сопротивления. В частном случае, когда трубопровод, на котором расположено местное сопротивление, работает в области квадратичного сопротивления, величина коэффициента от не зависит.

Величину для каждого вида местного сопротивления определяют по данным гидравлических экспериментов, пользуясь формулой (3). Полученные таким образом значения коэффициентов для различных видов местных сопротивлений берутся при гидравлических расчётах (обычно при квадратичной области сопротивления) из справочной и специальной литературы. Исключением являются резкое расширение и резкое сужение трубопровода, для которых численные значения коэффициентов определяются по формулам, полученным теоретически и полуэмпирически. При резком расширении трубопровода, когда средняя скорость в формуле (3) взята перед местным сопротивлением, т.е. ,

. (4)

Если же скорость берется за местным сопротивлением, т.е. , то

(5)

Коэффициент сопротивления при резком сужении трубопровода ( ) принято относить к скорости после сужения. При этом

, (6)

где — коэффициент сжатия струи.

Описание установки. Установка представляет собой напорный трубопровод с последовательно расположенными на нем гидравлическими сопротивлениями (по длине и местными). К каждому гидравлическому сопротивлению подключено по два пьезометра (перед и за ним). Все пьезометры для удобства работы выведены на щит. Для регулирования расхода воды в системе служит вентиль. Величина измеряется с помощью мерного бака и секундомера. Подача воды в систему осуществляется из питающего резервуара по трубе открытием задвижки. Постоянный уровень воды в питающем резервуаре ( для обеспечения установившегося движения в системе) поддерживается переливным устройством.

    
 
 
  

Рис.1. Схема установки для изучения гидравлических сопротивлений

Цель работы: 1. Определить по опытным данным, воспользовавшись формулами (1) и (3), значения коэффициента гидравлического трения и величины коэффициента для трех видов местных сопротивлений;

2. Установить, воспользовавшись соотношениями А.Д. Альтшуля области гидравлического сопротивления, в которых работали участки напорного трубопровода;

3. Вычислить значения коэффициентов гидравлического трения по соответствующим эмпирическим формулам;

4. Найти справочные значения коэффициентов местных сопротивлений;

5. Оценить сходимость и с их расчетными (справочными) значениями.

6. Построить по опытным данным ( в масштабе) график напоров для участка предложенного преподавателем.

Порядок выполнения работы. Открыть питающую задвижку и наполнить установку водой. После наполнения водой резервуара и стабилизации уровня воды в нем ( переливное устройство должно при этом работать) следует открытием регулирующего вентиля подать воду в систему трубопроводов. Далее, необходимо измерить: отметки уровней воды в пьезометрах, расход воды в системе ( с помощью мерного бака и секундомера), а также ее температуру (термометром в питающем резервуаре). Результаты измерений для одного опыта (при одном расходе воды) записать в таблицу.

Обработать опытные данные и результаты представить в виде таблицы. Сформулировать выводы по результатам работы.

При закрытом вентиле 2 и задвижке 6 включить насос и обеспечить

Основные контрольные вопросы

1. Напишите и поясните формулы Дарси-Вейсбаха и Вейсбаха.

2. Поясните, как опытным путем определяют величины коэффициентов l и z.

3. Что характеризуют коэффициенты l и z, от каких факторов в общем случае они зависят и как их определяют при гидравлических расчетах?

4. Объясните, что такое Dэ и Dэ/d, как найти величину Dэ при гидравлических расчетах?

5. Назовите области гидравлического сопротивления трубопроводов и объясните, как определяют область сопротивления при гидравлических расчетах.

6. Изобразите схемы движения жидкости при резком повороте трубы на 900, а также при резком расширении и резком сужении трубопровода и дайте пояснения к ним, указав, что характерно для движения потока при протекании его через любое местное сопротивление.

7. Изобразите схему графика Никурадзе и дайте пояснения.

8. Поясните понятия “ гидравлически гладкая труба ” и “шероховатая труба”.

9. Назовите фактор, обуславливающие повышение потери напора при прохождении потока жидкости через местные сопротивления.

10. Докажите, воспользовавшись Дарси-Вейсбаха и Блазиуса, что при работе трубопроводов в области гидравлически гладких труб hl = f(V1,75)

Учебная литература к работе 5

1.(с.159…167, с.186…193), 2.(с.147, с.168…174, с.201…213), 3.(с.48…57, с.87…91, с.93..96, с.100…101), 4.(с.98..106), 5.(с.160..166, с.174…176, с.189..198)

Разница между сопротивлением и удельным сопротивлением со сравнительной таблицей

Одно из основных различий между сопротивлением и удельным сопротивлением материала состоит в том, что сопротивление противодействует потоку свободных электронов, тогда как удельное сопротивление — это свойство материала, которое определяет сопротивление материала, имеющего определенные размеры. Другие различия между ними описаны ниже в сравнительной таблице.

Содержание: Сопротивление V / S Удельное сопротивление

  1. Таблица сравнения
  2. Определение
  3. Ключевые отличия

Сравнительная таблица

Основа для сравнения Сопротивление Удельное сопротивление
Определение Свойство вещества, благодаря которому оно противодействует потоку электронов. Определяется как сопротивление материала определенных размеров.
Формула equation-1 equation-2
Единица СИ Ом Ом-метр
Символ R ρ
Зависимость Длина, площадь поперечного сечения проводника и температура. Температура

Определение сопротивления

Сопротивление — это свойство материала, которое препятствует прохождению тока.Когда к проводнику прикладывается напряжение, свободные электроны начинают двигаться в определенном направлении. При движении эти электроны коллапсируют с атомами или молекулами и, следовательно, выделяют тепло. Эти атомы или молекулы препятствуют движению свободных электронов в материале.

resistance

Это противостояние известно как сопротивление. Он представлен формулой

equation-1

Где l — длина жилы
a — площадь поперечного сечения жилы
ρ — удельное сопротивление материала.

Единица измерения материала в системе СИ — ом, который обозначается как Ω при кΩ.

Факторы, влияющие на сопротивление

Сопротивление провода зависит от следующих факторов.

  1. Сопротивление провода увеличивается с увеличением длины проводника.
  2. Он обратно пропорционален площади поперечного сечения проводника.
  3. Зависит от материала проволоки.
  4. Стойкость материалов зависит от их температуры.

Определение удельного сопротивления

Удельное сопротивление также известно как удельное сопротивление. Удельное сопротивление представляет собой сопротивление материала, который имеет определенные размеры, то есть материал имеет длину 1 метр и площадь поперечного сечения 1 квадратный метр.

specific-resistance

Формула представляет собой удельное сопротивление материала

equation-2

Где l — длина жилы
a — площадь поперечного сечения жилы
R — сопротивление материала

Единица измерения удельного сопротивления в системе СИ — омметр.Удельное сопротивление прямо пропорционально температуре материала. Удельное сопротивление куба со стороной один метр определяется как сопротивление между двумя противоположными фазами куба длиной один метр.

Ключевые различия между сопротивлением и удельным сопротивлением

  1. Сопротивление — это свойство материала, которое препятствует прохождению тока, тогда как удельное сопротивление дает сопротивление материала фиксированного размера.
  2. Сопротивление — это отношение длины и площади поперечного сечения проводника, тогда как удельное сопротивление материала — это отношение произведения сопротивления и площади к длине проводника.
  3. Сопротивление обозначается символом R, тогда как удельное сопротивление обозначается символом ρ.
  4. Единица измерения сопротивления в системе СИ — ом, а в системе СИ — ом-метр.
  5. Сопротивление материала зависит от длины, поперечного сечения и площади проводника, тогда как удельное сопротивление зависит от природы и температуры материала.

Сопротивление, обратное сопротивлению, называется проводимостью материала.

,

Простая модель термического сопротивления — Isoflux против изотермической

Сегодня в большинстве случаев тепловое проектирование электронных изделий выполняется с помощью сложных вычислительных программ гидродинамики и теплопередачи. Тем не менее, все еще могут быть случаи, когда проектировщику теплового оборудования требуется быстрая оценка внешнего теплового сопротивления корпуса или радиатора, что не гарантирует использования мощных компьютерных программ. В таких случаях часто используется почти интуитивно понятная двухрезисторная модель теплового потока.

Рисунок 1. Простая тепловая модель с двумя резисторами для передачи тепла от
нагретой поверхности к охлаждающей жидкости, текущей по поверхности.

Как изображено на рисунке 1, такая модель включает конвективное тепловое сопротивление, R conv , и тепловое сопротивление калорийной или кажущейся жидкости, R fluid , которые объединены последовательно, чтобы представить тепловое сопротивление тепловому потоку от корпус или поверхность теплоотвода для охлаждающей жидкости на входе.Тогда базовая температура поверхности корпуса или радиатора, T sfc , определяется по формуле:

, где T f-in — температура жидкости на входе, а q — скорость теплового потока. , Конвективное тепловое сопротивление просто определяется как:

, где h — коэффициент теплопередачи, а A — эффективная площадь теплопередачи от поверхности корпуса или радиатора к воздуху.

Предполагается, что конвективное тепловое сопротивление находится между температурой на поверхности (которая считается изотермической) и средней объемной температурой жидкости, текущей по поверхности. С учетом первого закона термодинамики (т. Е. Сохранения энергии) средняя объемная температура жидкости, T f-avg , равна температуре жидкости на входе плюс половина от общего повышения температуры жидкости согласно формуле

.

где

— массовый расход жидкости, а c p — удельная теплоемкость жидкости при постоянном давлении.Соответственно, термическое сопротивление жидкости (R fluid ) составляет 1/2 ° c p .

Хотя нагретая поверхность считается изотермической, строго говоря, представленная выше модель верна только для изотермической поверхности. Чтобы понять, почему это так, необходимо рассмотреть температурные профили, которые будут получены в зависимости от того, является ли граничное условие на границе раздела жидкость-поверхность одним из однородного теплового потока или одним из однородных температур. Пример изменения температуры поверхности и средней объемной температуры охлаждающей жидкости при ее прохождении по нагретой поверхности показан на рисунке 2 как для изотермических граничных условий, так и для изотермических.


Рис. 2. Сравнение температурных профилей при прохождении охлаждающей жидкости по изотермическим и изотермическим нагретым поверхностям.

Для случая изофлюкса подвод тепла на единицу площади постоянен, поскольку жидкость движется по поверхности. В результате скорость увеличения средней объемной температуры охлаждающей жидкости по отношению к длине потока X является постоянной по мере его движения вдоль поверхности, что приводит к линейному профилю температуры как для жидкости, так и для поверхности. В этом случае средняя температура поверхности точно такая, как определено уравнением (3).Для случая изотермической поверхности, когда жидкость движется по поверхности и нагревается, разница температур между поверхностью и жидкостью начнет уменьшаться, как и тепловой поток на поверхности.

Примеры профиля температуры охлаждающей жидкости в осевом направлении потока по изотермической поверхности показаны на рисунке 3. Эти профили основаны на результатах, полученных с использованием простой конечно-разностной модели. Для модели предполагалось, что температура жидкости на входе составляет 25 ° C, а температура поверхности теплопередачи постоянна и составляет 50 ° C.Значение теплового сопротивления жидкости поддерживалось постоянным на уровне 0,02 ° C / Вт. Это соответствует объемному расходу воздуха 45 куб. Футов в минуту (0,021 м 3 / с) или расходу воды 0,096 галлонов в минуту (0,006 л / с). Конвективное тепловое сопротивление постепенно уменьшалось со значения 0,04 ° C / Вт, чтобы обеспечить тепловое сопротивление текучей среды с соотношениями конвективного теплового сопротивления в диапазоне от 0,05 до 3,0.


Рис. 3. Влияние отношения сопротивления жидкости к сопротивлению конвективному тепловому сопротивлению на температуру охлаждающей жидкости, проходящей по изотермической нагреваемой поверхности.

Физически это аналогично тому, как начать с радиатора с заданным количеством ребер и фиксированной скоростью потока охлаждающей жидкости, а затем увеличить количество ребер без попытки увеличения скорости потока. По мере того, как добавляется все больше и больше ребер, коэффициент теплопередачи и площадь теплопередачи будут увеличиваться, уменьшая конвективное сопротивление, в то время как сопротивление теплоносителя остается постоянным, что приводит к увеличению отношения жидкости к конвективному сопротивлению. Изучая рисунок 3, можно увидеть, что для отношений меньше 0.5 профили являются линейными или почти линейными. В этой области модель сопротивления изотопу даст разумные результаты, даже если поверхность изотермическая. По мере увеличения отношения свыше 0,5 профили становятся все более нелинейными. Расчеты теплового сопротивления, основанные на модели изофлюса, начнут недооценивать общее тепловое сопротивление, которое будет относиться к изотермической поверхности, и будут постепенно ухудшаться по мере увеличения отношения.

Естественно возникает вопрос, как правильно рассчитать полное тепловое сопротивление, если поверхность предполагается изотермической.К счастью, может быть получено соотношение, которое связывает общее тепловое сопротивление для изотермической поверхности с двумя составляющими сопротивления (то есть R fluid и R conv ), представленными при обсуждении модели изофлюкс. Это соотношение:

где R * — полное тепловое сопротивление от изотермической поверхности к жидкости на входе.


Рис. 4. Отношение теплового сопротивления изотермического потока к изотермическому тепловому сопротивлению.

На рисунке 4 показано отношение теплового сопротивления изотермического потока к изотермическому сопротивлению как функция отношения теплового сопротивления жидкости к общему тепловому сопротивлению из модели изотермического потока. Как можно видеть, если вклад повышения температуры флюида мал по сравнению с общим тепловым сопротивлением изотекучести, тепловое сопротивление изотермического потока и изотермическое тепловое сопротивление, вычисленное с использованием уравнения (4), почти одинаковы. Если вклад повышения температуры жидкости становится большим по сравнению с общим тепловым сопротивлением изотермической поверхности, то модель изотермического потока может серьезно недооценивать общее тепловое сопротивление изотермической поверхности.В пределе, когда отношение теплового сопротивления жидкости к общему тепловому сопротивлению из модели изофлюса приближается к 1 (т. Е. R жидкость >> R conv ), модель изотермического потока занижает изотермическое тепловое сопротивление на 50%.

К счастью, в большинстве практических применений тепловое сопротивление жидкости будет намного меньше общего теплового сопротивления, и модель isoflux может быть безопасно использована. Однако, поскольку увеличенные тепловые потоки делают необходимым конструкцию радиатора с воздушным охлаждением и холодных пластин с водяным охлаждением с все более низким конвективным тепловым сопротивлением, было бы разумно использовать либо рисунок 4, либо уравнение (4), чтобы гарантировать это при выполнении Быстрая оценка общего теплового сопротивления не недооценивается.

.

Страница не найдена Американское общество инженерного образования

МЕНЮ

  • ASEE Logo

  • Дайте

    $ 10
    Дайте

    Пожертвования ASEE …

    Classified
    доброволец

    Войти

    Присоединиться

  • Присоединиться
    Авторизоваться
    доброволец
    Classified

    Дайте

    Дайте

    Пожертвования ASEE…

Около

  • обзор

    • Миссия, видение, цели
    • Заявления о государственной политике
    • конституция
    • устав
    • Организационная структура
    • Инвестиционная политика
    • Финансовая политика
  • Наша история
  • Контакты персонала
  • руководство

    • Совет директоров
    • Академия стипендиатов
    • Бывшие члены Совета
    • Консультативные комитеты
    • Представители сторонних организаций
    • Обращение исполнительного директора
    • Протокол заседаний
  • доброволец
  • Карьера в ASEE
  • Заявление о конфиденциальности

Я А…

  • член

      Требуется вход в систему

    • Ваша страница участника
    • Справочник членства
    • Financials
    • Вход не требуется

    • Награды
    • Подразделения, сотрудники и представители университетского городка
    • Разделы и зоны
    • Ресурсы
  • Предполагаемое физическое лицо / член организации

    • О ASEE
    • Индивидуальное членство
    • Институциональное членство
    • Основные виды деятельности
  • даритель
  • Предполагаемый партнер или спонсор
  • рекламодатель
  • Соискатель стипендий

    • О стипендиях
    • Старшие классы средней школы
    • студент
    • Выпускной
    • Пост-докторские
    • Другие программы

События

  • Конференции и встречи

    • Ежегодная конференция и выставка 2021 года
    • Виртуальная ежегодная конференция и выставка 2020
    • Встречи секций и зон
  • События Совета

    • Конференция по сотрудничеству в области промышленности и образования
      (CIEC)
    • Институт инженерных деканов (EDI)
    • Институт лидерства в исследованиях (RLI) (ранее ERC)
    • Институт лидеров инженерных технологий (ETLI)
    • Коллоквиум EDC по государственной политике (PPC)
  • Избранные события

    • Границы образования
    • NETI
    • CoNECD
    • Первый год инженерного опыта
    • Саммит рабочей силы
  • Будущие даты конференции

Публикации

  • Новости

    • Информационные бюллетени
    • eGFI
    • Публикации отдела
  • Журналы и доклады конференций

    • обзор
    • Журнал инженерного образования
    • Достижения в инженерном образовании
    • Материалы конференций
    • Раздел работы
    • Zone Proceedings
    • PEER
    • Плагиат
  • Монографии и отчеты
  • Журнал «Призма»
  • Данные

    • Профили колледжей E&ET
    • Серия тематических исследований: Гуманитарное образование с инженерно-техническим обеспечением

Удар

  • Заявления о государственной политике
  • Анализ данных
  • Ежегодные отчеты
  • разнообразие

Образование и карьера

  • Возможности академической работы
  • Непрерывное образование

    • Вебинары
    • Курсы и семинары

      • NETI
  • Инженерное образование, исследования и инновации

.

Как выбрать радиатор

С увеличением тепловыделения от устройств микроэлектроники и уменьшением общих форм-факторов управление температурным режимом становится более важным элементом дизайна электронных продуктов.

И надежность работы, и ожидаемый срок службы электронного оборудования обратно пропорциональны температуре компонентов оборудования. Взаимосвязь между надежностью и рабочей температурой типичного кремниевого полупроводникового устройства показывает, что снижение температуры соответствует экспоненциальному увеличению надежности и ожидаемого срока службы устройства.Следовательно, длительный срок службы и надежная работа компонента могут быть достигнуты путем эффективного управления рабочей температурой устройства в пределах, установленных инженерами-разработчиками устройства.

Радиаторы — это устройства, которые улучшают отвод тепла от горячей поверхности, обычно в случае тепловыделяющего компонента, в более прохладную окружающую среду, обычно воздух. Для следующих обсуждений в качестве охлаждающей жидкости предполагается воздух. В большинстве случаев теплопередача через границу раздела между твердой поверхностью и охлаждающим воздухом является наименее эффективной в системе, а граница раздела твердое тело-воздух представляет собой наибольший барьер для рассеивания тепла.Радиатор снижает этот барьер, главным образом, за счет увеличения площади поверхности, непосредственно контактирующей с охлаждающей жидкостью. Это позволяет рассеивать больше тепла и / или снижает рабочую температуру устройства. Основная цель радиатора — поддерживать температуру устройства ниже максимально допустимой температуры, указанной производителями устройства.

Тепловой контур

Прежде чем обсуждать процесс выбора радиатора, необходимо определить общие термины и установить концепцию теплового контура.Цель состоит в том, чтобы предоставить основные основы теплопередачи для тех читателей, которые не знакомы с предметом. Обозначения и определения терминов следующие:

Q : общая мощность или скорость рассеивания тепла в Вт, представляют собой скорость рассеивания тепла электронным компонентом во время работы. С целью выбора радиатора выдавалась максимальная рассеиваемая рабочая мощность.

T j : максимальная температура перехода устройства в ° C.Допустимые значения T j находятся в диапазоне от 115 ° C в типичных приложениях микроэлектроники до 180 ° C для некоторых электронных устройств управления. В специальных и военных приложениях от 65 ° C до 80 ° C не редкость.

T c : температура корпуса устройства в ° C. Поскольку температура корпуса устройства зависит от места измерения, она обычно представляет собой максимальную местную температуру корпуса.

T с : температура понижения в ° C.Опять же, это максимальная температура радиатора в ближайшем к устройству месте.

T a : температура окружающего воздуха в ° C.

Используя температуру и скорость рассеивания тепла, количественная мера эффективности теплопередачи в двух местах теплового компонента может быть выражена в терминах теплового сопротивления R , определяемого как

R =

T / Q

Были

T разница температур между двумя местоположениями.Единица теплового сопротивления — ° C / Вт, что указывает на повышение температуры на единицу скорости рассеивания тепла. Это тепловое сопротивление аналогично электрическому сопротивлению R e , определяемому законом Ома:

R e =

В / I

, где

В — это разница напряжений, а I — ток. Рисунок 1: Схема теплового сопротивления

Рассмотрим простой случай, когда радиатор установлен на корпусе устройства, как показано на рисунке 1.Используя понятие термического сопротивления, можно нарисовать упрощенную тепловую схему этой системы, как это также показано на рисунке. В этой упрощенной модели тепло последовательно течет от соединения к корпусу, затем через интерфейс в радиатор и, наконец, рассеивается от радиатора в воздушный поток.

Термическое сопротивление между переходом и корпусом устройства определяется как

R jc = (T jc ) / Q = (T j — T c ) / Q

Это сопротивление указывается производителем устройства.Хотя значение R jc данного устройства зависит от того, как и где используется охлаждающий механизм над корпусом, оно обычно дается как постоянное значение. Также считается, что R jc находится вне возможностей пользователя изменять или контролировать.

Аналогичным образом, сопротивление опусканию корпуса в раковину и погружение в окружающую среду определяется как

R cs = (

T cs ) / Q = (T c — T s ) / Q

R sa = (

T sa ) / Q = (T s — T a ) / Q

соответственно.Здесь R cs представляет тепловое сопротивление на границе раздела между корпусом и радиатором и часто называется сопротивлением интерфейса. Это значение может быть существенно улучшено в зависимости от качества сопрягаемой поверхности и / или выбора материала интерфейса. R sa — тепловое сопротивление радиатора.

Очевидно, что полное сопротивление перехода к окружающей среде является суммой всех трех сопротивлений:

R ja = R jc + R cs + R sa = (T j — T a ) / Q

Требуемое тепловое сопротивление радиатора

Чтобы начать выбор радиатора, первым делом необходимо определить тепловое сопротивление радиатора, необходимое для удовлетворения тепловых критериев компонента.Изменив предыдущее уравнение, можно легко получить сопротивление радиатора как

R sa = ((T s — T a ) / Q) — R jc — R cs

In это выражение, T j , Q и R jc предоставляются производителем устройства, а T a и R cs являются параметрами, определяемыми пользователем.

Температура окружающего воздуха T a для охлаждения электронного оборудования зависит от рабочей среды, в которой предполагается использовать компонент.Как правило, она составляет от 35 до 45 ° C, если используется наружный воздух, и от 50 до 60 ° C, если компонент находится в закрытом помещении или находится за другим тепловыделяющим оборудованием.

Сопротивление интерфейса R cs зависит от отделки поверхности, плоскостности, приложенного монтажного давления, площади контакта и, конечно же, типа материала интерфейса и его толщины. Трудно получить точное значение этого сопротивления даже для заданного типа материала и толщины, поскольку оно может широко варьироваться в зависимости от давления монтажа и других параметров, зависящих от конкретного случая.Однако более надежные данные можно получить непосредственно от производителей материалов или от производителей радиаторов. Типичные значения для общих материалов интерфейса приведены в таблице 1.

9020 Dux

Материал Проводимость
Вт / дюйм ° C
Толщина
дюймов
Сопротивление 2 ° C / Вт
There-O-Link
Thermal Compound
0.010 0,002 0,19
Высокопроизводительный
Термический состав
0,030 0,002 0,07
Kon-Dux 0,030 0,005 0,030 0,008 0,004 0,48
1070 Ther-A-Grip 0,014 0,006 0,43
1050 Ther-A-Grip 0.009 0,005 0,57
1080 Ther-A-Grip 0,010 0,002 0,21
1081 Ther-A-Grip 0,019 0,00 0,019 0,00 -Phi 220 @ 20psi 0,074 0,020 0,27
1897 в Sil-8 0,010 0,008 0,81
1898 в Sil-8 0,008006 0,78
Таблица 1: Термические свойства интерфейсных материалов 1

После определения всех параметров на правой стороне выражения R sa оно становится требуемым максимальным термическим сопротивлением радиатора для приложения. Другими словами, значение теплового сопротивления выбранного радиатора для данного приложения должно быть равно или меньше значения R на , чтобы температура перехода поддерживалась на уровне или ниже указанного значения T j .

Выбор радиатора

При выборе подходящего радиатора, отвечающего требуемым тепловым критериям, необходимо изучить различные параметры, которые влияют не только на характеристики самого радиатора, но также и на общую производительность системы. Выбор конкретного типа радиатора во многом зависит от теплового баланса, предусмотренного для радиатора, и внешних условий вокруг радиатора. Следует подчеркнуть, что для данного радиатора никогда не может быть одного значения теплового сопротивления, поскольку тепловое сопротивление изменяется в зависимости от внешних условий охлаждения.

При выборе радиатора необходимо классифицировать воздушный поток как естественный, смешанный поток с низким потоком или принудительную конвекцию с высоким потоком. Естественная конвекция возникает, когда нет потока, индуцированного извне, а теплопередача зависит исключительно от свободного всплывающего потока воздуха, окружающего радиатор. Принудительная конвекция возникает, когда поток воздуха вызывается механическими средствами, обычно вентилятором или нагнетателем. Нет четкого различия по скорости потока, разделяющего смешанный и принудительный режимы течения.В приложениях принято считать, что влияние выталкивающей силы на общую теплопередачу уменьшается до незначительного уровня (менее 5%), когда скорость индуцированного воздушного потока превышает 1 2 м / с (от 200 до 400 лфм).

Следующим шагом является определение требуемого объема радиатора. В таблице 2 показаны приблизительные диапазоны объемного теплового сопротивления типичного радиатора при различных условиях потока.

30 500-800

Условия потока
м / с (lfm)
Объемное сопротивление
см3 ° C / Вт (дюйм 3 ° C / Вт)
естественная конвекция (30-50)
1.0 (200) 150-250 (10-15)
2,5 (500) 80-150 (5-10)
5,0 (1000) 50-80 (3-5)
Таблица 2: Диапазон объемного теплового сопротивления

Объем радиатора для данного низкого состояния можно получить, разделив объемное тепловое сопротивление на требуемое тепловое сопротивление. Таблицу 2 следует использовать только в качестве руководства для целей оценки в начале процесса отбора.Фактические значения сопротивления могут отличаться за пределами указанного диапазона в зависимости от многих дополнительных параметров, таких как фактические размеры радиатора, тип радиатора, конфигурация потока, ориентация, качество поверхности, высота и т. Д. Меньшие значения, показанные выше, соответствуют объем теплоотвода примерно от 100 до 200 см 3 (от 5 до 10 дюймов 3 ), а более крупные — примерно до 1000 см 3 (60 дюймов 3 ).

Приведенные выше табличные диапазоны предполагают, что конструкция оптимизирована для заданных условий потока.Несмотря на то, что при оптимизации теплоотвода следует учитывать множество параметров, одним из наиболее важных параметров является плотность ребер. В плоском радиаторе с ребрами оптимальное расстояние между ребрами сильно зависит от двух параметров: скорости потока и длины ребер в направлении потока. Таблица 3 может использоваться в качестве руководства для определения оптимального расстояния между ребрами плоского радиатора в типичных приложениях.

Длина ребра, мм (дюймы)
Условия потока
м / с (lfm)
75
3.0
150
6,0
225
9,0
300
12,0
Естественная конвекция 6,5 6,5 0,30 10
0,38
13
0,50
1,0 (200) 4.0
0,15
5,0
0,20
6,0
0,24
7,0
0,27
2,5 (500) 2,5 (500) 3,3
0,13
4,0
0,16
5,0
0,20
5,0 (1000) 2.0
0,08
2,5
0,10
3,0
0,12
3,5
0,14
16 мм Шаг ребер 900 мм в зависимости от расхода и длины ребра

Средняя производительность типичного радиатора линейно пропорциональна ширине радиатора в направлении, перпендикулярном потоку, и приблизительно пропорциональна квадратному корню из длины ребра в направлении параллельно потоку.Например, увеличение ширины радиатора в два раза увеличит способность рассеивания тепла в два раза, тогда как и повысит способность рассеивания тепла в 1,4 раза. Следовательно, если есть выбор, желательно увеличить ширину радиатора, а не длину радиатора. Кроме того, эффект радиационной теплопередачи очень важен при естественной конвекции, так как на нее может приходиться до 25% общего рассеивания тепла. Если компонент не находится рядом с более горячей поверхностью, необходимо обязательно покрасить или анодировать поверхности радиатора для усиления излучения.

Типы радиаторов

Радиаторы можно классифицировать с точки зрения методов производства и их окончательной формы. К наиболее распространенным типам радиаторов с воздушным охлаждением относятся:

    1. Штамповки : медные или алюминиевые листы штампуются в желаемые формы. они используются для традиционного воздушного охлаждения электронных компонентов и предлагают недорогое решение тепловых проблем с низкой плотностью. Они подходят для крупносерийного производства, поскольку усовершенствованная оснастка с высокоскоростной штамповкой снизит затраты.Дополнительные трудосберегающие опции, такие как краны, зажимы и материалы интерфейса, могут быть применены на заводе, чтобы помочь снизить затраты на сборку платы.
    2. Экструзия : они позволяют формировать сложные двухмерные формы, способные рассеивать большие тепловые нагрузки. Их можно резать, обрабатывать и добавлять дополнительные опции. Поперечная резка приведет к образованию всенаправленных радиаторов с прямоугольными штифтовыми ребрами, а включение зубчатых ребер повысит производительность примерно на 10–20%, но с меньшей скоростью экструзии.Пределы экструзии, такие как высота ребра до толщины зазора ребра, обычно определяют гибкость вариантов конструкции. Типичное соотношение высоты ребра к зазору до 6 и минимальная толщина ребра 1,3 мм достигаются при стандартной экструзии. Соотношение сторон 10: 1 и толщина ребра 0,8 дюйма могут быть достигнуты с помощью специальных конструктивных особенностей штампа. Однако по мере увеличения соотношения сторон допуск на экструзию ухудшается.
    3. Склеенные / сборные ребра : Большинство радиаторов с воздушным охлаждением ограничены конвекцией, и общие тепловые характеристики радиатора с воздушным охлаждением часто могут быть значительно улучшены, если большая площадь поверхности может быть подвергнута воздействию воздушного потока.В этих высокоэффективных радиаторах используется теплопроводящая эпоксидная смола с алюминиевым наполнением для приклеивания плоских ребер к рифленой экструзионной базовой пластине. Этот процесс позволяет добиться гораздо большего соотношения высоты ребра к зазору от 20 до 40, что значительно увеличивает охлаждающую способность без увеличения требований к объему.
    4. Отливки : Доступны процессы литья под давлением, литья под давлением с использованием вакуума или без него, из алюминия или меди / бронзы. Эта технология используется в радиаторах с ребристыми штырями высокой плотности, которые обеспечивают максимальную производительность при использовании ударного охлаждения.
    5. Гнутые ребра : гофрированный лист из алюминия или меди увеличивает площадь поверхности и, следовательно, объемные характеристики. Радиатор затем прикрепляется либо к опорной плите или непосредственно к поверхности нагрева с помощью epoxying или пайки твердым припоем. Он не подходит для радиаторов с высоким профилем из-за доступности и эффективности ребер. Следовательно, он позволяет изготавливать радиаторы с высокими эксплуатационными характеристиками для различных приложений.

На рисунке 2 показан типичный диапазон функций стоимости для различных типов радиаторов с точки зрения требуемого теплового сопротивления.

Рисунок 2: Стоимость в зависимости от требуемого теплового сопротивления

Эффективность различных типов радиаторов сильно зависит от потока воздуха, проходящего через радиатор. Для количественной оценки эффективности различных типов радиаторов, объемная эффективность теплопередачи может быть определена как

, где м, — массовый расход через радиатор, c — теплоемкость жидкости, и T sa — средняя разница температур между радиатором и окружающим воздухом.Эффективность теплопередачи была измерена для широкого диапазона конфигураций радиатора, и их диапазоны перечислены в таблице 4.

штифтовое ребро,
Склеенные и загнутые ребра

Тип радиатора n диапазон, %
Штамповка и плоские пластины 10-18
Ребристые профили 15-22
Ударный поток
Теплоотводы с вентилятором
25-32
Полностью вытяжные экструзии 45-58 45-58 78-90
Таблица 4: Диапазон эффективности теплопередачи

Улучшенные тепловые характеристики обычно связаны с дополнительными затратами на материал или производство, или и то, и другое.

График тепловых характеристик

Графики рабочих характеристик можно использовать для определения теплоотвода и, для приложений с принудительной конвекцией, для определения минимальной скорости потока, которая удовлетворяет тепловым требованиям. Если требуемое тепловое сопротивление в приложении принудительной конвекции составляет, например, 8 ° C / Вт, приведенная выше кривая зависимости теплового сопротивления от скорости потока показывает, что скорость должна быть не ниже 2,4 м / с (470 лфм). Для приложений с естественной конвекцией требуемое термическое сопротивление R sa можно умножить на Q , чтобы получить максимально допустимое значение

T sa .Превышение температуры выбранного радиатора должно быть равным или меньше максимально допустимого T sa при том же Q .

Напоминаем читателям, что кривые естественной конвекции предполагают необязательную ориентацию радиатора по отношению к силе тяжести. Кроме того, скорость потока на графике принудительной конвекции представляет скорость набегающего потока без учета влияния обхода потока. Было проведено ограниченное количество исследований 2,3 на предмет перепуска потока.Эти исследования показывают, что байпас потока может снизить эффективность радиатора на целых 50% при той же скорости потока на входе. Для получения дополнительной информации по этому вопросу читатели могут обратиться к цитированным источникам.

Когда устройство существенно меньше базовой пластины радиатора, возникает дополнительное тепловое сопротивление, называемое сопротивлением растеканию, которое необходимо учитывать в процессе выбора. Графики производительности обычно предполагают, что тепло равномерно распределяется по всей базовой площади радиатора, и, следовательно, не учитывают дополнительное повышение температуры, вызванное меньшим источником тепла.Это сопротивление растеканию обычно может составлять от 5 до 30% от общего сопротивления радиатора и может быть оценено с помощью простого аналитического выражения, разработанного в ссылке 4.

Другой критерий проектирования, который необходимо учитывать при выборе радиатора. это эффект высоты. Хотя температура воздуха в помещении обычно контролируется и не зависит от изменения высоты, давление воздуха в помещении меняется с высотой. Поскольку многие электронные системы устанавливаются на большой высоте, необходимо снизить характеристики радиатора, в основном из-за более низкой плотности воздуха, вызванной более низким давлением воздуха на большей высоте.В таблице 5 показаны коэффициенты снижения характеристик для типичных радиаторов на большой высоте. Например, чтобы определить фактические тепловые характеристики радиатора на высотах, отличных от уровня уплотнения, значения теплового сопротивления, считанные с графиков рабочих характеристик, следует разделить на коэффициент снижения номинальных характеристик до того, как эти значения будут сравнены с требуемым тепловым сопротивлением. ,

Высота
м / футов
Фактор
0, уровень моря 1.00
1000 3000 0,95
1500 5000 0,90
2000 7000 9020 7000 0,86 0,80
3500 12000 0,75
Таблица 5: Коэффициенты снижения номинальных характеристик на высоте

Ссылки

    1. Aavid Engineering, EDS # 117, Интерфейсные материалы , январь 1992 г.
    2. R.A. Виртц, В. Чен и Р. Чжоу, Влияние обхода потока на характеристики радиаторов с продольными ребрами , ASME Journal of Electronic Packaging », Vol. ~ 116, pp. ~ 206-211, 1994.
    3. S. Lee, Оптимальный дизайн и выбор радиаторов , Proceedings of 11th IEEE Semi-Therm Symposium, pp. 48-54, 1995.
    4. S. Song, S. Lee, and V. Au, Closed Формируйте уравнение для термических сопротивлений сужению / растеканию с переменным граничным условием сопротивления , Труды технической конференции IEPS 1994 г., стр.111-121,1994.

.