Плавник (расширенная поверхность) - Fin (extended surface) - Wikipedia

Некоторые ребристые элементы

При изучении теплопередача, плавники представляют собой поверхности, которые отходят от объекта для увеличения скорости передачи тепла в окружающую среду или из нее за счет увеличения конвекция. Количество проводимость, конвекция, или же радиация объекта определяет количество тепла, которое он передает. Увеличение температура градиент между объектом и среда, увеличивая конвекцию коэффициент теплопередачи, или увеличивая площадь поверхности объекта увеличивает теплоотдачу. Иногда это не так достижимый или же экономичный чтобы изменить первые два параметра. Таким образом, добавление ребра к объекту увеличивает площадь поверхности и иногда может быть экономичным решением проблем теплопередачи.

Цельные радиаторы с оребрением производятся экструзия, Кастинг, зуботаж, или же фрезерование.

Общий случай

Чтобы создать управляемое уравнение теплопередачи ребра, необходимо сделать множество предположений:

1. Устойчивое состояние
2. Постоянные свойства материала (независимо от температуры)
3. Отсутствие внутреннего тепловыделения
4. Одномерная проводимость
5. Равномерная площадь поперечного сечения
6. Равномерная конвекция по всей площади поверхности

При этих предположениях сохранение энергии может быть использовано для создания баланса энергии для дифференциального поперечного сечения ребра:^[1]

${\displaystyle {\dot {Q}}(x+dx)={\dot {Q}}(x)+d{\dot {Q}}_{conv}.}$

Закон Фурье гласит, что

${\displaystyle {\dot {Q}}(x)=-kA_{c}\left({\frac {dT}{dx}}\right),}$

куда ${\displaystyle A_{c}}$ - площадь поперечного сечения дифференциального элемента. Кроме того, конвективный тепловой поток можно определить через определение коэффициента теплопередачи h,

${\displaystyle q''=h\left(T-T_{\infty }\right),}$

куда ${\displaystyle T_{\infty }}$ это температура окружающей среды. Тогда дифференциальный конвективный тепловой поток можно определить по периметру поперечного сечения ребра P,

${\displaystyle d{\dot {Q}}_{conv}=Ph\left(T-T_{\infty }\right)dx.}$

Уравнение сохранения энергии теперь можно выразить через температуру,

${\displaystyle -kA_{c}\left.\left({\frac {dT}{dx}}\right)\right\vert _{x+dx}=-kA_{c}\left.\left({\frac {dT}{dx}}\right)\right\vert _{x}+Ph\left(T-T_{\infty }\right)dx.}$

Преобразуя это уравнение и используя определение производной, получаем следующее дифференциальное уравнение для температуры:

${\displaystyle k{\frac {d}{dx}}\left(A_{c}{\frac {dT}{dx}}\right)-Ph\left(T-T_{\infty }\right)=0}$;

производная слева может быть разложена до наиболее общего вида уравнения плавника,

${\displaystyle kA_{c}{\frac {d^{2}T}{dx^{2}}}+k{\frac {dA_{c}}{dx}}{\frac {dT}{dx}}-Ph\left(T-T_{\infty }\right)=0.}$

Площадь поперечного сечения, периметр и температура могут зависеть от x.

Равномерная площадь поперечного сечения

Если плавник имеет постоянное поперечное сечение по длине, площадь и периметр постоянны, и дифференциальное уравнение для температуры значительно упрощается до

${\displaystyle {\frac {d^{2}T}{dx^{2}}}={\frac {hP}{kA_{c}}}\left(T-T_{\infty }\right).}$

куда ${\displaystyle m^{2}={\frac {hP}{kA_{c}}}}$ и ${\displaystyle \theta (x)=T(x)-T_{\infty }}$. Константы ${\displaystyle C_{1}}$ и ${\displaystyle C_{2}}$ теперь можно найти, применив соответствующие граничные условия.

Решения

Основание ребра обычно устанавливается на постоянную эталонную температуру, ${\displaystyle \theta _{b}(x=0)=T_{b}-T_{\infty }}$. Есть четыре обычно возможных наконечника плавника (${\displaystyle x=L}$), однако: наконечник можно подвергать конвективной теплопередаче, изолировать, поддерживать при постоянной температуре или так далеко от основания, чтобы достичь температуры окружающей среды.

Для первого случая вторым граничным условием является наличие свободной конвекции на вершине. Следовательно,

${\displaystyle hA_{c}\left(T(L)-T_{\infty }\right)=-kA_{c}\left.\left({\frac {dT}{dx}}\right)\right\vert _{x=L},}$

что упрощает

${\displaystyle h\theta (L)=-k\left.{\frac {d\theta }{dx}}\right\vert _{x=L}.}$

Теперь два граничных условия можно объединить для получения

${\displaystyle h\left(C_{1}e^{mL}+C_{2}e^{-mL}\right)=km\left(C_{2}e^{-mL}-C_{1}e^{mL}\right).}$

Это уравнение можно решить для постоянных ${\displaystyle C_{1}}$ и ${\displaystyle C_{2}}$ чтобы найти распределение температуры, приведенное в таблице ниже.

Аналогичный подход можно использовать для нахождения констант интегрирования для остальных случаев. Во втором случае предполагается, что наконечник изолирован или, другими словами, имеет нулевой тепловой поток. Следовательно,

${\displaystyle \left.{\frac {d\theta }{dx}}\right\vert _{x=L}=0.}$

В третьем случае температура на наконечнике поддерживается постоянной. Следовательно, граничное условие:

${\displaystyle \theta (L)=\theta _{L}}$

В четвертом и последнем случае плавник предполагается бесконечно длинным. Следовательно, граничное условие:

${\displaystyle \lim _{L\rightarrow \infty }\theta _{L}=0\,}$

Наконец, мы можем использовать распределение температуры и закон Фурье в основании ребра, чтобы определить общую скорость теплопередачи,

${\displaystyle {\dot {Q}}_{\text{total}}={\sqrt {hPkA_{c}}}(C_{2}-C_{1}).}$

Результаты процесса решения приведены в таблице ниже.

Распределение температуры и скорость теплопередачи для ребер с равномерной площадью поперечного сечения

Дело	Состояние наконечника (x = L)	Распределение температуры	Скорость теплопередачи ребра
А	Конвекционная теплопередача	${\displaystyle {\frac {\theta }{\theta _{b}}}={\frac {\cosh {m(L-x)}+\left({\frac {h}{mk}}\right)\sinh {m(L-x)}}{\cosh {mL}+\left({\frac {h}{mk}}\right)\sinh {mL}}}}$	${\displaystyle {\sqrt {hPkA_{c}}}\theta _{b}{\frac {\sinh {mL}+{\frac {h}{mk}}\cosh {mL}}{\cosh {mL}+{\frac {h}{mk}}\sinh {mL}}}}$
B	Адиабатический	${\displaystyle {\frac {\theta }{\theta _{b}}}={\frac {\cosh {m(L-x)}}{\cosh {mL}}}}$	${\displaystyle {\sqrt {hPkA_{c}}}\theta _{b}\tanh {mL}}$
C	Постоянная температура	${\displaystyle {\frac {\theta }{\theta _{b}}}={\frac {{\frac {\theta _{L}}{\theta _{b}}}\sinh {mx}+\sinh {m(L-x)}}{\sinh {mL}}}}$	${\displaystyle {\sqrt {hPkA_{c}}}\theta _{b}{\frac {\cosh {mL}-{\frac {\theta _{L}}{\theta _{b}}}}{\sinh {mL}}}}$
D	Бесконечная длина плавника	${\displaystyle {\frac {\theta }{\theta _{b}}}=e^{-mx}}$	${\displaystyle {\sqrt {hPkA_{c}}}\theta _{b}}$

Спектакль

Работоспособность плавников можно описать тремя разными способами. Во-первых, эффективность плавников. Это отношение скорости теплопередачи ребер (${\displaystyle {\dot {Q}}_{f}}$) к скорости теплоотдачи объекта, если у него не было ребра. Формула для этого:

${\displaystyle \epsilon _{f}={\frac {{\dot {Q}}_{f}}{hA_{c,b}\theta _{b}}},}$

куда ${\displaystyle A_{c,b}}$ - площадь поперечного сечения ребра у основания. Рабочие характеристики плавников также можно охарактеризовать их эффективностью. Это отношение скорости теплопередачи ребра к скорости теплопередачи ребра, если бы все ребро было при базовой температуре,

${\displaystyle \eta _{f}={\frac {{\dot {Q}}_{f}}{hA_{f}\theta _{b}}}.}$

${\displaystyle A_{f}}$ в этом уравнении равна площади поверхности ребра. Эффективность ребра всегда будет меньше единицы, так как предположение, что температура по всему ребру соответствует базовой температуре, повысит скорость теплопередачи.

Третий способ описания характеристик плавников - это общая эффективность поверхности,

${\displaystyle \eta _{o}={\frac {{\dot {Q}}_{t}}{hA_{t}\theta _{b}}},}$

куда ${\displaystyle A_{t}}$ это общая площадь и ${\displaystyle {\dot {Q}}_{t}}$ представляет собой сумму теплопередачи от неизолированного основания и всех ребер. Это эффективность для множества плавников.

• 

  Алюминиевый радиатор с низкоэффективными охлаждающими ребрами

• 

  Алюминиевый радиатор с высокоэффективными охлаждающими ребрами.

Перевернутые плавники (полости)

Открытые полости определяются как области, образованные между соседними ребрами, и представляют собой основные промоторы пузырькового кипения или конденсации. Эти полости обычно используются для отвода тепла от различных тепловыделяющих элементов. С 2004 года по настоящее время многие исследователи были заинтересованы в поиске оптимальной конструкции полостей.^[2]

Использует

Ребра чаще всего используются в теплообменных устройствах, таких как радиаторы в машинах, компьютере ЦПУ радиаторы, и теплообменники в электростанции.^[3][4] Они также используются в более новых технологиях, таких как водородные топливные элементы.^[5] Природа также воспользовалась феноменом плавников. Уши зайцы и фенек действуют как плавники, выделяя тепло из крови, которая течет через них.^[6]

Смотрите также

• Плавник

Рекомендации

1. Линхард, Джон Х. IV; Линхард, Джон Х. V (2019). Учебник по теплопередаче (5-е изд.). Минеола, Нью-Йорк: Dover Pub.
2. Lorenzini, G .; Biserni, C .; Роча, Л.А.О. (2011). «Геометрическая оптимизация изотермических полостей по теории Бежана». Международный журнал тепломассообмена. 54 (17–18): 3868–3873. Дои:10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2011.04.042.
3. «Машина или оборудование для ребер радиатора». FinTool International. Получено 2006-09-18.
4. «Проектирование диаграммных теплообменников». Диаграмма. Архивировано из оригинал на 2006-10-11. Получено 2006-09-16.
5. «VII.H.4 Разработка системы управления тепловыми и водными ресурсами для топливных элементов PEM» (PDF). Гильермо Понт. Получено 2006-09-17.
6. Hill, R .; Вегте, Дж. (1976). «Уши зайца: температура поверхности и сосудистые реакции». Наука. 194 (4263): 436–438. Bibcode:1976Научный ... 194..436H. Дои:10.1126 / science.982027. PMID  982027.

• Incropera, Франк; ДеВитт, Дэвид П .; Бергман, Теодор Л .; Лавин, Адриенн С. (2007). Основы тепломассообмена (6 изд.). Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. стр.2 –168. ISBN  978-0-471-45728-2.