أهمية الإشعاع الحراري في تصميم المبرد

غالبًا ما يتم التغاضي عن دور الإشعاع الحراري في تصميم الرادياتير. هناك العديد من الإشارات إلى نسبة الحرارة المفقودة بواسطة المبرد. كما هو الحال مع معظم الظواهر في الفيزياء والهندسة، لا يمكن تلخيص تأثيرات الإشعاع بثابت.

يتم تحديد تأثير الإشعاع الحراري على أداء الرادياتير من خلال عدة عوامل. وقبل دراسة هذه العوامل، لا بد من تقديم مقدمة مختصرة عن الإشعاع الحراري.

الإشعاع الحراري هو الموجة الكهرومغناطيسية المنبعثة من جميع المواد ذات درجة حرارة أعلى من 0K (الصفر المطلق). يتم تحديد الحد الأقصى للحرارة (W) التي يمكن للإشعاع أن يطلقها من السطح بالصيغة التالية:

ج: مساحة سطح السطح المشع;

σ=5.67*10 ^-8واط/م ²ك ⁴، ثابت ستيفان بولتزمان؛

T _s : درجة حرارة السطح (K).

يعتبر هذا السطح مشعًا أو جسمًا أسودًا مثاليًا. عند نفس درجة الحرارة، يشع سطح المبرد غير المثالي طاقة أقل من الجسم الأسود. تسمى الخصائص الإشعاعية لهذه الأسطح بالانبعاثية. تعتبر الابتعاثية، التي تتراوح قيمتها بين 0 و1، مقياسًا لمدى كفاءة سطح ما في تبديد الحرارة مقارنة بالجسم الأسود. تظهر قيم المعالجات والمواد السطحية للرادياتير الشائعة في الجدول 1:

الجدول 1. ه عدم صلاحية مواد الرادياتير الشائعة والمعالجات السطحية

عندما يتعلق الأمر بسطحين أو أكثر، يمتص كل سطح ويطلق الطاقة الإشعاعية. أحد أبسط أشكال التبادل الإشعاعي يتم على سطح واحد في غلاف أكبر بكثير. درجة حرارة السطح أعلى من القشرة، ومساحة السطح A، والانبعاثية ε. في هذه الحالة، يتم اشتقاق صافي سعر صرف الطاقة بسبب الإشعاع من الصيغة 1. انظر الشكل 1:

الشكل 1: انتقال الحرارة المتدفق بين سطح صغير ساخن وداخل مبيت كبير

نظرًا لأن المبرد يتكون من أسطح متعددة تمتص وتبعث الإشعاع مع بعضها البعض ومع الغلاف، فإن المعادلة التي تمثل هذه التفاعلات ليست واضحة مثل المعادلة 1. لكن المبدأ العام الذي تمثله المعادلة 1 لا يزال ساريًا. انظر [1] للحصول على شرح مفصل لحسابات الإشعاع والمعادلات المقابلة للمشعات ذات الزعانف.

تتطلب الحسابات الواردة في [1] استخدام معادلات متعددة ويمكن أن تكون عملية الحساب شاقة. لتقدير فقدان الحرارة الإشعاعية بشكل معقول للمشعاع ذي الزعانف، لا يزال من الممكن استخدام المعادلة 2 لحساب مساحة السطح الإشعاعي الظاهرة. يتم حساب المساحة السطحية المشعة الظاهرة على افتراض أن المبرد عبارة عن كتلة صلبة لها نفس الأبعاد الخارجية. يتم بعد ذلك حساب مساحة سطح الكتلة الموضحة في الشكل 2 باستخدام الصيغة 3 واستخدامها في الصيغة 2. ولا يأخذ هذا الحساب في الاعتبار اختلاف درجة الحرارة بين الجزء السفلي من المبرد وطرف الزعانف، والذي يمكن أن يكون ملحوظًا جدًا في الحمل الحراري القسري، أو الزعانف الطويلة، أو المشعات المصنوعة من مواد منخفضة الموصلية، أو مزيج مما سبق. بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام مساحة السطح المشع الظاهرة لا يحسب بدقة مساحة سطح المشتت الحراري. ولذلك، لا ينبغي استخدام هذه الطريقة إذا كانت هناك حاجة إلى نتائج دقيقة للغاية.

L : l طول زعنفة المشتت الحراري.

الشكل 2. أبعاد المبرد

هناك طريقتان يستخدمهما المبرد لتبديد الحرارة (الطاقة) إلى البيئة المحيطة، وهما الإشعاع والحمل الحراري. صيغة تبديد الحرارة بالحمل الحراري هي 4:

ح: ج معامل الحمل الحراري;

T _amb : درجة حرارة الهواء المحيط.

تتراوح قيم معامل الحمل الحراري h في الهواء من 2 إلى 10 واط/م2 كلفن للحمل الحراري الطبيعي ومن 20 إلى 100 واط/م2 كلفن للحمل الحراري القسري بواسطة المروحة. نظرًا لأن الحمل القسري له قيمة h أعلى بكثير، فإن نسبة الحرارة المفقودة بواسطة المبرد عادة ما تكون أكبر بكثير عن طريق الحمل الحراري مقارنة بالحمل القسري. عادة ما يكون هذا البيان صحيحًا عندما تكون درجة حرارة المبرد أقل من 150 درجة مئوية. من المعادلتين 1 و 2، يمكن ملاحظة أن كمية الحرارة المفقودة بالإشعاع ترتبط ارتباطًا وثيقًا بدرجة حرارة المشتت الحراري، لأن الحرارة المشعة ترتفع إلى القوة الرابعة.

من أجل مقارنة تأثيرات الإشعاع على أداء المشعاعات ذات الزعانف، قمنا بتحليل مثالين باستخدام HeatSinkCalculator. الأول هو المبرد الذي يتم تبريده بالحمل القسري. كما هو موضح في الشكل 2، يغطي مصدر الحرارة الجزء السفلي بالكامل من المبرد. يمر تدفق الهواء عبر المشتت الحراري بالتوازي مع المشتت الحراري وأسفل المشتت الحراري. يتدفق كل الهواء عبر زعانف الرادياتير ولا يوجد تجاوز للهواء. ويبين الجدول 2 نتائج التحليل لمدخلات الطاقة المختلفة. أبعاد الرادياتير، مادة الرادياتير، ومعدل التدفق عبر الرادياتير مذكورة أدناه.

الجدول 2. نتائج تحليل المشتت الحراري بالحمل الحراري القسري

وكما هو متوقع، مع زيادة درجة حرارة المبرد، تزداد أيضًا نسبة الحرارة المفقودة بالإشعاع. في درجات الحرارة المرتفعة، تتجاوز الحرارة المفقودة من خلال الإشعاع 5٪ من إجمالي الحرارة. في بعض الحالات الحرجة، قد يعني هذا الفرق بين الوصول أو عدم الوصول إلى درجة الحرارة المقدرة للعنصر الذي يتم تبريده.

المثال الثاني هو المبرد الذي يتم تبريده بالحمل الحراري الطبيعي، مع وضع قاعدة المبرد والزعانف عموديًا. كما هو موضح في الشكل 2، يغطي مصدر الحرارة الجزء السفلي بالكامل من المبرد. الأبعاد ومواد الرادياتير موضحة في الجدول التالي. ويبين الجدول 3 نتائج التحليل في ظل ظروف مدخلات الطاقة والانبعاثية السطحية المختلفة.

الجدول 3. نتائج تحليل مشعات الحمل الحراري الطبيعية

وفي الحمل الحراري الطبيعي، تكون نسبة الحرارة المفقودة بالإشعاع أعلى بكثير. في هذا المثال، نسبة تبديد الحرارة الإشعاعية تقترب أو تتجاوز 30%. ترتبط الحرارة المفقودة من خلال الحمل الحراري الطبيعي أيضًا ارتباطًا وثيقًا بدرجة حرارة سطح المبرد. وهذا ما يفسر زيادة معدل تبديد الإشعاع مع انخفاض درجة حرارة المصدر. عندما يتم تقليل انبعاثية السطح إلى 0.09، يكون التأثير على درجة حرارة المشتت الحراري قريبًا من 30 درجة مئوية.

تسلط الأمثلة المذكورة أعلاه الضوء على أهمية الإشعاع في عملية تبريد المشعاعات. على الرغم من أن تأثير الإشعاع على تبريد المبرد بالحمل القسري أقل، إلا أن تأثيره لا يزال كبيرًا إذا كانت هناك حاجة إلى بضع درجات إضافية لضمان تلبية المنتج للمواصفات. من الواضح أن تأثير الإشعاع على المشعات المبردة بالحمل الحراري الطبيعي مهم للغاية. يمكن تقليل درجة الحرارة بشكل كبير عن طريق أكسدة أو طلاء سطح الرادياتير وزيادة قيمة انبعاثية السطح.