Размещено на http://www.allbest.ru/

Теплофизическое конструирование приборов

Содержание

• 1. Общие вопросы охлаждения радиоаппаратуры
• 1.1 Проблема охлаждения РЭА
• 1.2 Предварительная оценка тепловой нагрузки РЭА
• 1.3 Общий случай отвода тепла от блока РЭА
• 2. Расчёт охлаждения при естественной конвекции внутри герметичного кожуха
• 2.1 Тепловая характеристика
• 2.2 Определение тепловых проводимостей кожуха, прослойки между кожухом и нагретой зоной
• 2.3 Пример расчета тепловой характеристики блока при естественной конвекции

1. Общие вопросы охлаждения радиоаппаратуры

1.1 Проблема охлаждения РЭА

Подавляющее большинство маломощных радиотехнических устройств лишь небольшую долю потребляемой от источников питания энергии выдают в виде полезной энергии сигналов, остальная часть преобразуется в тепловую энергию и передаётся в окружающую среду. Общий температурный фон устройства будет определяться удельной мощностью тепловыделения и плотностью теплового потока, проходящего сквозь кожух (корпус) устройства.

Широкое использование микросхем и микросборок позволило значительно увеличить плотность компоновки и сократить обьём РЭА. Это привело к повышению удельной мощности рассеяния и к повышению температуры внутри РЭА по сравнению с аппаратурой, построенной на дискретных радиоэлементах. Чтобы снизить температуру внутри блока, конструктор вынужден принимать дополнительные меры к охлаждению РЭА.

Под охлаждением радиоэлектронной аппаратуры понимают процесс отвода и переноса тепла от элементов РЭА к среде, температура которой остаётся неизменной или поддерживается в необходимых пределах с целью термостабилизации РЭА.

Тепловой режим РЭА есть пространственно-временное распределение температуры в РЭА, соответствующее определённому пространственно-временному распределению тепловыделения в РЭА. Под заданным тепловым режимом в РЭА понимают такой тепловой режим, при котором температура каждого из элементов РЭА равна заданной или не выходит за пределы, указанные для этого элемента.

Все системы охлаждения, используемые в РЭА, по виду теплоносителя делятся на воздушные, жидкостные и испарительные. Наибольшей интенсивностью передачи тепла обладают испарительные системы охлаждения, в которых охлаждение РЭА происходит за счёт изменения агрегатного состояния теплоносителя.

По характеру движения теплоносителя системы охлаждения делятся на системы принудительного и естественного движения охлаждающей среды. Основная доля переноса тепла в этих системах происходит за счёт конвекции. В реальных условиях в конструкциях РЭА всегда наблюдается перенос тепла за счёт лучеиспускания (радиационное охлаждение) и теплопроводности (кондуктивное охлаждение). Применение принудительного воздушного, жидкостного и испарительного охлаждения приводит к усложнению конструкции, увеличивает обьём и стоимость РЭА.

Точный анализ температурного состояния РЭА связан с большими трудностями, которые объясняются сложностью конструкции и происходящих в ней процессов, поэтому при изучении теплового режима РЭА применяют приближённое физико-математическое исследование и расчёт теплоотвода в РЭА носит оценочный характер, необходимый для установления исходных параметров конструкции.

Комплекс мероприятий, направленный на снижение температуры, часто связан с дополнительными материальными затратами, поэтому в процессе разработки РЭА необходимо уделять внимание экономически обоснованному решению конструкции при приемлемом перепаде температур. По соображениям экономичности, прежде всего, необходимо стремиться к естественному охлаждению, принимая конструктивные меры к интенсификации передачи тепла в окружающее пространство или на другие части конструкции.

В конструкциях РЭА при нормальных климатических условиях и естественном охлаждении около 70% тепла отводится за счёт конвекции, приблизительно 20% - за счёт излучения и 10% - за счёт теплопроводности.

По тепловому режиму блоки и узлы РЭА можно разделить на теплонагруженные и нетеплонагруженные. Оценка тепловой нагрузки проводится по тепловому потоку, проходящему через единицу поверхности. Для определённости тепловую нагрузку до 0,05 Вт/см ² условимся считать малой, а свыше 0,05 Вт/см ² - большой.

Перед началом проработки конструкции РЭА, при анализе принципиальной схемы необходимо установить тепловыделение всех элементов, а затем обеспечить такую структуру конструкции, при которой теплочувствительные элементы были бы изолированы от теплонагруженных. Если возможно, то теплонагруженные и теплочувствительные элементы должны размещаться в отдельных блоках (отсеках).

Как показывает практика, в блоках с малой тепловой нагрузкой при естественной конвекции температура среды внутренних объемов не превышает окружающую температуру более чем на ?t=30°С. Теплонагруженные блоки требуют принудительного охлаждения, вид и способ которого зависит от плотности теплового потока.

Системы естественно-воздушного охлаждения позволяют отводить тепловые потоки плотностью q0,2 Вт/см²; принудительно-воздушного охлаждения - плотностью q1 Вт/см²; жидкостного охлаждения - плотностью q20 Вт/см² и испарительного охлаждения - плотностью q20 Вт/см².

Обеспечение тепловых контактов в конструкциях РЭА. Улучшить передачу тепла от теплонагруженных элементов к более холодным и теплоёмким деталям конструкции можно за счёт снижения тепловых сопротивлений. Малые тепловые сопротивления внутренних участков блока от корпуса ко всем элементам конструкции способствует выравниванию температуры внутри блока, что приводит к повышению надёжности РЭА.

В некоторых случаях передача тепла теплопроводностью единственно возможна (например, в герметичных блоках при высокой плотности заполнения). Большое значение имеют контакты в соединительных узлах мощных транзисторов с радиаторами. Если между металлическими поверхностями находится изоляционная прокладка, лак, краска, то тепловое сопротивление увеличивается в сотни раз.

Приводим контактное тепловое сопротивление R_уд (в см² К/Вт) некоторых пар материалов при шероховатости R_z 20 и удельной нагрузке 1000 Н/см²:

Медь - алюминий……………………………..0,08

Медь - медь……………………………………0,1

Медь - латунь………………………………….0,18

Медь - сплав Д 16Т……………………………0,2

Сплав Д 16Т - сплав Д 16Т……………………0,25

Сталь - медь……………………………………0,8

Сталь - сплав Д 16……………………………..1,2

Сталь - сталь…………………………………...2,5

Металл - краска - металл……………………..20,0

В конструкционном соединении теплопроводность контакта будет зависеть от шероховатости поверхностей соединяемых элементов, от контактного давления и соединяемых материалов. Загрязнения, неровности, образующие воздушные прослойки, ухудшают тепловой контакт.

Контактное тепловое сопротивление может быть уменьшено за счёт: применения материалов с большей теплопроводностью, выбора более пластичных материалов (или гальванических покрытий), уменьшения шероховатости соединяемых поверхностей с одновременным увеличением давления, применения пластичных прокладок с большой теплопроводностью.

Металлами, обеспечивающими малое контактное тепловое сопротивление, являются медь и алюминий. В качестве металлов покрытий целесообразно применять кадмий и олово. Достаточно пластичными прокладками являются свинцовые, медные и алюминиевые, которые значительно снижают контактное тепловое сопротивление. Заполнение воздушных прослоек теплопроводной пастой (например, КПТ-8) снижает тепловое сопротивление примерно в 1,5 раза.

Винтовые соединения обеспечивают хороший тепловой контакт при больших нагрузках, в связи, с чем предпочтительно использовать винты большого диаметра (более 4 мм), допускающие большие усилия свинчивания. Хорошие тепловые контакты обеспечиваются самонарезающими винтами.

Достаточно хороший тепловой контакт в электрически изолированных узлах обеспечить трудно.

Примем теплопроводность некоторых изоляционных материалов относительно теплопроводности меди, принимаемой за единицу:

Вакуум-плотная керамика брокерит (на основе оксида бериллия) - 0,2

Вакуум-плотная керамика алюмоксид (на основе оксида алюминия) - 0,02

Слюда щипанная (флогопит) - 0,0005

Однако следует иметь в виду, что применение этих материалов в конструкциях неоднозначно. Слюда представляет собой слоистую структуру, и прокладки из слюды способны выдерживать большие механические нагрузки. Микронеровности контактирующих поверхностей не вызывают разрушения слюдных прокладок даже при толщине 0,1 - 0,2 мм. Прокладки из керамических материалов такой толщины изготовить трудно. Прессование с последующим обжигом приводит к короблению керамических пластин, поэтому необходимо использовать шлифовальные керамические пластины. Этот технологический процесс трудоёмок. Кроме того, керамика - хрупкий материал и при малых толщинах легко разрушается. Поэтому, чтобы обеспечить механическую прочность прокладки, толщину её приходится увеличивать, что в свою очередь, приводит к увеличению теплового сопротивления и сводит, на нет разницу в теплопроводности керамики и слюды. На практике в качестве изоляционной прокладки чаще используют слюду.

Применение сопрягаемых деталей из анодированного алюминия позволяет использовать в качестве электроизоляционной прокладки плёнку из окиси алюминия толщиной 50 мкм. Столь малая толщина прокладки приводит к малому тепловому сопротивлению.

Отвод тепла от теплонагруженных элементов, установленных на печатных платах, затруднён вследствие низкой теплопроводности изоляционного основания платы. Из-за малого поперечного сечения металлизированных участков отвод тепла по печатному проводнику составляет малую часть. Поэтому возникает необходимость в дополнительных теплоотводящих массивных шинах, имеющих тепловые контакты с теплонагруженными элементами и корпусом блока. Лучшие результаты даёт использование металлических печатных плат.

Тепловые контакты элементов конструкции с корпусом имеют особое значение в герметичных устройствах. В такой конструкции должны быть хорошие тепловые контакты между внутренними элементами и корпусом или передней панелью. При наличии между корпусом и передней панелью герметизирующих резиновых прокладок дополнительно применяют упругие соединения - шнуры из латунных или бронзовых проволочек; тепловые контакты в виде плоских бронзовых пружин используют для обеспечения теплового контакта шасси с внутренней поверхностью корпуса.

Рассмотренные элементы улучшают не только тепловой, но и электрический контакт между разъёмными частями конструкции, что важно при экранировании. Для герметичных конструкций сравнительно больших размеров вместо резиновых прокладок иногда используют свинцовые. В этом случае обеспечивается хороший тепловой контакт.

Основные приёмы, позволяющие снизить температурный фон в блоке при естественном воздушном охлаждении:

1. обеспечить хорошее обтекание холодным воздухом всех элементов конструкции, особенно теплонагруженных;

2. теплонагруженные элементы должны располагаться ближе к стенкам блока;

3. теплочувствительные элементы должны защищаться от обтекания нагретым воздухом;

4. при воздействии лучистой энергии теплочувствительные элементы должны защищаться экранами;

5. все теплонагруженные элементы должны иметь хорошие тепловые контакты с несущими узлами (шасси, платы, кожухи и т.п.).

Естественное воздушное охлаждение возможно только при атмосферном давлении окружающего воздуха не ниже 53 - 60 кПа и при относительно высокой температуре. В самолётной РЭА, расположенной вне гермоотсека, с увеличением высоты полёта резко падает эффективность конвективного охлаждения. Для РЭА, предназначенной для работы в жарком климате, этот способ охлаждения оказывается малоэффективным.

Недостатком естественного воздушного охлаждения является запыление внутреннего объема. Конвективное охлаждение без вентиляционных отверстий в кожухе применяется в РЭА с небольшими тепловыми нагрузками (до 0,05 Вт/см²).

1.2 Предварительная оценка тепловой нагрузки РЭА

Для ориентировочной оценки естественного воздушного охлаждения предположим, что РЭА должна быть выполнена в виде стойки с блоками, в которых шасси расположены горизонтально либо вертикально. Предварительная оценка производится по диаграмме, представленной на рис. 6-3. По оси абсцисс отложена мощность, приходящаяся на единицу поверхности, а по оси ординат - допустимый перегрев внутри блока

= t_доп. - t_c,

где t_доп. - допустимая температура нагретых зон внутри блоков, °С;

t_c - температура окружающей среды, °С.

Если мощность, рассеиваемая в блоках, одинакова (различие не более 15%), то удельная мощность вычисляется как

Р_уд. = ,

где - суммарная мощность источников тепла внутри стойки, Вт;

L₁, L₂, L₃, - габаритные размеры стойки, м.

Рис. 6-3. Диаграмма для приближённой оценки теплового режима РЭА при воздушном охлаждении.

Если мощность распределена между блоками с неравномерностью, превышающей 15%, то удельная мощность определяется выражением

Р_уд. = ,

где Р_{i max} - тепловая мощность наиболее нагруженного блока, Вт;

H_i - высота этого блока, м.

Для сообщающихся блоков с вертикальным шасси при расчёте Р_уд следует к мощности каждой нагретой зоны P_i прибавлять 10% суммарной мощности всех зон, расположенных ниже данной.

Для заданных Р_уд и на диаграмме (рис. 6-3) находят соответствующую точку. При этом возможны три случая.

1. Найденная точка лежит выше линии а (шасси вертикальное) или линии а' (шасси горизонтальное). В этом случае возможна пылезащитная или герметичная конструкция стойки (или блока, если расчёт ведётся относительно блока).

2. Точка на диаграмме попадает в область, лежащую между кривыми а, б (горизонтальное шасси) или между кривыми а', б' (вертикальное шасси). В этом случае возможно использование перфорированных кожухов (корпусов) и расчёт теплового состояния следует производить по методике.

3. Точка оказывается ниже линии б (горизонтальное шасси) или ниже линии б' (вертикальное шасси); при этом требуется принудительное охлаждение.

Рис. 6-4. Зависимость отводимой мощность от площади перфорации.

Перфорация (жалюзи) обеспечивает протекание воздуха внутри блока. Дополнительная часть мощности будет уноситься протекающим воздухом за счёт естественной конвекции. Количество протекающего воздуха будет зависеть от площади перфорации и разницы между плотностью воздуха на входе и выходе блока. Однако увеличение мощности, отводимой в протекающий воздух при увеличении площади перфорационных отверстий, будет наблюдаться только до определённых пределов. Увеличение площади отверстий приводит к уменьшению площади кожуха и, следовательно, к уменьшению мощности лучеиспускания. Уменьшение поверхности контактирования с окружающим воздухом в конечном итоге может привести к снижению мощности, отводимой протекающим воздухом.

Как показывает практика, оптимальное соотношение между площадью отверстий и поверхностью кожуха лежит в пределах 20 - 30%. На рис. 6-4 приведена зависимость мощности, передаваемой в протекающий воздух, от площади перфорации. Для приближённых оценок можно принять, что при введении вентиляционных отверстий и рациональном их размещении в кожухе перегревы внутри блока снижаются на 20%.

Отверстия (перфорацию) и жалюзи для принудительной вентиляции располагают в нижних, верхних и боковых частях кожуха, стойки или шкафа. Принудительная воздушная вентиляция может отводить до 60 - 80% тепла. Поэтому важно обеспечить необходимое число вентиляционных отверстий и их правильное расположение.

Скорость движения воздуха в блоке определяется разностью температуры и аэродинамическим сопротивлением, зависящим от заполнения объема элементами конструкции, формы элементов и взаимного расположения. радиотехнический мощность тепловыделение конвекция

Увеличение площади перфорации до 30% существенно влияет на отвод тепла. Заметное влияние на отвод тепла оказывает коэффициент заполнения объёма, увеличение которого в 1,5 раза ухудшает теплообмен на 10%. Коэффициент перфорации

k_пер. =

должен быть около 20 - 25%.

Расположение отверстий зависит от распределения теплонагруженных элементов в объёме. Когда это распределение равномерное, то вентиляционные отверстия должны быть тоже равномерно расположены на боковых и нижней частях кожуха. Форма отверстий может быть различной, но при квадратных отверстиях увеличивается отношение между площадью отверстий и площадью перемычек, что благоприятно сказывается на эффективности охлаждения. Для небольших блоков с общей площадью поверхности до 3000 см² диаметр вентиляционных отверстий выбирают около 6 мм, а блоков с площадью поверхности 6000 см² и более - 12 мм. Отверстия располагают в шахматном порядке.

Когда толщина стенок кожуха не обеспечивает необходимой жёсткости, вместо отверстий применяют жалюзи. Размеры и форма жалюзи унифицированы. Если отверстия уменьшают жёсткость кожуха, то жалюзи увеличивают её. Использование жалюзи ухудшают теплообмен примерно на 10% по сравнению с отверстиями.

В верхней части кожуха вместо перфорации или жалюзи часто делают окно, занимающее до 70% всей площади этой части кожуха. Окно закрывают крышкой, приподнятой над кожухом на 10 мм.

Конструкция, в которой используется принудительная воздушная вентиляция, должна отвечать следующим требованиям:

1. обладать малым аэродинамическим сопротивлением протекающему воздуху;

2. обеспечивать хороший доступ воздуха к теплонагруженным элементам;

3. предотвращать попадание нагретого воздуха на теплочувствительные элементы;

4. защищать внутренний объём от пыли;

5. обеспечивать резервирование принудительного воздушного потока;

6. осуществлять автоматическое отключение блока при выходе из строя системы принудительной вентиляции.

1.3 Общий случай отвода тепла от блока РЭА

Рассмотрим расчёт теплового режима одиночного блока, в котором охлаждение происходит за счёт конвекции и лучеиспускания. Для начала, предположим, что кожух не имеет жалюзи и перфорации, т.е. отсутствует сток тепла за счёт протекающего воздуха. Нагретую зону представим как изотермическую поверхность. Это допущение позволяет считать, что все источники тепловыделения в нагретой зоне распределены равномерно.

Таблица 6-1. Основные формулы теплопередачи.

Определяемая величина	Формула
Мощность теплоотдачи конвекции
Мощность теплоотдачи лучеиспусканием
Мощность теплопередачи теплопроводностью через плоскую стенку толщиной
Тепловое сопротивление плоской стенки толщиной и площадью S
то же, цилиндрической стенки длиной L и толщиной r2 - r1
Коэффициент теплоотдачи конвекцией по закону степени 1/8	(11)
То же, по закону степени 1/4	(12)
То, же по закону степени 1/3	(13)
Конвективно-кондуктивный коэффициент теплопередачи в ограниченном пространстве по закону степени 1/4	, где (20)
Критериальное уравнение для ламинарного течения среды при Re<4 *104
То же, для воздуха при Re<4*104
То же, для турбулентного течения среды при Re>4*104
То же, для воздуха при Re>4*104
Приведённая степень черноты нагретого тела с площадью поверхности S1, окружённого оболочкой с площадьюS2
То же, двух тел, находящихся в состоянии лучистого теплообмена
Коэффициент теплоотдачи излучением между телами 1 и 2
Функция температуры

Примечание. В таблице приняты следующие обозначения: Р - мощность тепловых потерь, Вт; - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м²К); t₁,t₂ - температура нагретой и холодной поверхности, °С; S - площадь поверхности, м²; S₁ и S₂ - площади поверхности нагретого и холодного тела, м²; - приведённая степень черноты;- коэффициент взаимной облучённости тел 1 и 2; - теплопроводность, Вт/(мК); - толщина прослойки, м; L - определяющий размер, м; r₁, r₂ - внутренний и наружный радиусы цилиндрической стенки, м; - коэффициент объёмного расширения, К^-1; g - ускорение силы тяжести, м/с²; - кинематическая вязкость, м²/с; а - температуропроводность, м²/с; t_c - температура окружающей среды, °С; N - коэффициент, учитывающий ориентацию нагретой поверхности относительно горизонтали; l₁, l₂ - геометрические размеры поверхности, м; - степень черноты тел 1 и 2; индекс m означает, что теплофизические параметры берутся при средней температуре нагретого тела и окружающей среды; индекс f означает вынужденное движение среды; индекс означает, что теплофизические параметры при вычислении критерия Прандтля определяются для температуры стенки; R - тепловое сопротивление, Вт/(м²К).

Будем, кроме того, считать, что известна суммарная мощность источников Р, задана температура окружающей среды t_c, а также известны все геометрические размеры конструкции РЭА.

Составим систему уравнений теплового баланса. Мощность Р, выделяемая источниками тепловыделения, частично передаётся жидкости, а частично - кожуху и рассеивается в окружающую среду (Р'):

P = Q + P'

P = P' (1)

Тепловой поток от нагретой зоны к кожуху выразим через тепловую проводимость :

P' = (t₃ - t_к), (2)

где t₃ - средняя температура нагретой зоны; t_к - температура кожуха.

Количество энергии, передаваемое в единицу времени от нагретоё зоны кожуху и рассеиваемое в окружающую среду,

P' = (t₃ - t_к) = (t_к - t_с), (3)

где - тепловая проводимость участка между кожухом и средой.

Решим систему уравнений относительно t₃, t_к:

(4)

(5)

Отсюда легко найти связь между температурой нагретой зоны и кожуха:

(6)

2. Расчёт охлаждения при естественной конвекции внутри герметичного кожуха

2.1 Тепловая характеристика

Естественное воздушное охлаждение РЭА - самый простой способ отвода тепла в окружающее пространство, осуществляемый за счёт естественной конвекции и лучеиспускания. Естественное воздушное охлаждение в герметичных блоках позволяет отводить тепло при плотностях теплового потока до 0,05 Вт/см², при этом перегрев внутри блока не превышает 30⁰С. Такой перегрев допустим для аппаратуры, работающей в условиях, близких к нормальным.

Расчёт охлаждения при естественной конвекции сводится к определению тепловой характеристики кожуха и нагретой зоны РЭА. Тепловой характеристикой зоны (кожуха) называется функциональная зависимость перегрева её от мощности тепловыделения. В большинстве РЭА выходная мощность составляет незначительную часть потребляемой, поэтому можно считать, что мощность тепловых потерь равна потребляемой от сети мощности. Связь между мощностью Р, потребляемой изделием, и средним перегревом поверхности выражается равенством

Р =

где = t_к - t_с,

t_к - температура кожуха, °С; t_с - температура окружающей среды, °С; - тепловая проводимость участка от кожуха в среду, Вт/К.

Кожух РЭА изготовляется из листового алюминиевого сплава либо из листовой стали. Эти материалы обладают достаточно большой теплопроводностью; кроме того, тепловая энергия, передаваемая от нагретой зоны кожуху, приблизительно распределена по всей поверхности, поэтому с достаточным основанием кожух можно считать изотермической поверхностью.

2.2 Определение тепловых проводимостей кожуха, прослойки между кожухом и нагретой зоной

Тепловая проводимость кожуха определяется как сумма тепловой проводимости верхней и нижней поверхностей и боковых стенок:

= + +

или

= S_В + S_H + S_Б (7)

где , , - полные коэффициенты теплоотдачи верхней, нижней и боковой поверхностей, Вт/(м²К); S_В, S_H, S_Б - площади верхней, нижней и боковой наружных поверхностей, м².

Полный коэффициент теплоотдачи i-й поверхности равен сумме конвективного коэффициента и коэффициента лучеиспускания :

= + (8)

В общем виде коэффициент лучеиспускания:

= (9)

где - приведённая степень черноты i-й наружной поверхности кожуха; если блок находится в неограниченном пространстве, то = (степень черноты соответствующей стенки); - коэффициент взаимности облучённости i-й поверхности кожуха и j-го тела. Если вблизи нет никаких тел, то коэффициент взаимной облученности равен 1. Функция температуры для одиночного блока [в Вт/(м²К)]:

, (10)

где - температура кожуха, °С; - температура окружающей среды, °С.

Значения функции температуры приведены в табл. 6-2.

При известной температуре кожуха и известных геометрических размерах блока коэффициент однозначно определяется формулами (11), (12), (13) в табл. 6-1.

Определяющим размером для вертикальной поверхности является высота, для горизонтальной - наименьшая сторона.

В большинстве радиоэлектронных устройств отвод тепла подчиняется закону степени 1/3 или 1/4. Для нахождения закона теплообмена можно воспользоваться неравенством:

,

где и - допустимая температура кожуха и среды;

L - определяющий размер, мм.

Таблица 6-2. Значения функции температуры f (, )

, °С	Значения f (, ) при различных , °С
	10	15	20	25	30	35	40	45	50	60
15	5,32
20	5,45	5,59
25	5,59	5,76	5,90
30	5,76	5,90	6,05	6,20
35	5,90	6,05	6,20	6,35	6,51
40	6,06	6,20	6,35	6,51	6,60	6,82
45	6,20	6,35	6,51	6,60	6,83	7,00	7,14
50	6,35	6,51	6,60	6,83	7,00	7,17	7,35	7,50
60	6,70	6,87	7,04	7,19	7,35	7,51	7,69	7,87	8,05
70	7,06	7,21	7,39	7,55	7,72	7,86	8,05	8,24	8,42	8,80
80	7,44	7,59	7,75	7,80	8,07	8,26	8,45	8,65	8,83	9,20
90	7,82	7,98	8,13	8,31	8,49	8,67	8,86	9,04	9,25	9,65
100	8,19	8,37	8,53	8,72	8,91	9,09	9,28	9,46	9,66	10,08

При выполнении неравенства наблюдается закон степени 1/4, а если неравенство не выполняется, - закон степени 1/3.

Расчет охлаждения сводится к определению тепловой характеристики графоаналитическим методом. Задаются температурой кожуха и вычисляют значения и . После этого находят Р согласно выражению

.

Получают первую точку будущей характеристики

, .

Затем задаются вторым значением температуры, повторяют расчет и находят вторую точку характеристики. Третьей точкой будет начало координат. Из полученного графика по известной фактической мощности рассеяния находят перегрев кожуха, соответствующий данной мощности. Таким образом, определяется температура кожуха при известной температуре окружающей среды. Дальнейшая задача сводится к определению температуры нагретой зоны по найденной температуре кожуха.

С целью упрощения решения конструкция РЭА заменяется ее физической моделью, в которой шасси с расположенными на нем конструктивными элементами заменяется областью, называемой нагретой зоной.

Рис. 6-15. Схема блока в виде параллелепипеда с горизонтальным шасси и его нагретая зона.

Тепловой характеристикой нагретой зоны называется зависимость среднеповерхностной температуры нагретой зоны t_з от мощности тепловых потерь Р, рассеиваемой всеми элементами конструкции,

t_з - t_с = f(P).

Перенос тепловой энергии от нагретой зоны к кожуху происходит конвекцией и лучеиспусканием. При расчете конвективной составляющей надо иметь в виду, что теплообмен конвекцией внутри блока происходит в замкнутом пространстве, поэтому расчет должен вестись по формулам, отражающим теплопередачу конвекцией в замкнутом пространстве. Это выражение учитывает теплопередачу не только за счет конвекции, но и за счет кондукции.

Интенсивность теплообмена излучением между деталями и кожухом зависит от площади и формы поверхностей, участвующих в теплообмене, от взаимного расположения элементов конструкции, степени черноты поверхности шасси, кожуха и других элементов.

Нагретую зону представляют в виде параллелепипеда, построенного на шасси. Определяющими размерами нагретой зоны являются исходные размеры шасси l₁ и l₂ и высота зоны h₃ (рис. 6-15), определяемая по формуле:

h₃ = h_{ш 1} + h_{ш 2} + l_ш,

где h_{ш 1 -} часть нагретой зоны, расположенная над шасси: h_{ш 2 -} часть нагретой зоны, расположенная под шасси; 1_ш - толщина шасси.

Рис. 6-16. Схема блока в виде параллелепипеда с вертикальным шасси и его нагретая зона.

Нагретая зона делит объем физической модели блока на несколько частей. В каждой части характер теплообмена различен в зависимости от ориентации поверхностей. Обозначим объем над нагретой зоной цифрой 1 и всем параметрам, характеризующим этот объем, будет присваивать индекс 1. Объем под нагретой зоной обозначим цифрой 2, 3-й областью назовем объем нагретой зоны, а 4-й - объем между нагретой зоной и боковыми поверхностями кожуха.

Из полученного ранее выражения (4) определяют температуру нагретой зоны t_з, а из выражения (5) - температуру кожуха t_k .

Тепловую проводимость нагретой зоны (см. рис. 6-15) можно определить как:

, (14)

Задача сводится к нахождению коэффициентов лучеиспускания и конвекции в замкнутом пространстве. Коэффициент лучеиспускания между 1-й частью нагретой зоны и кожухом находится по формуле (15). В ней коэффициент взаимной облученности приравнивается единице, так как поверхность кожуха полностью охватывает условную нагретую зону; поэтому получаем

; (15)

где - приведенная степень черноты i-й поверхности нагретой зоны и кожуха - определяется выражением (16),

С учетом этого находим

=, i = 1,2; (16)

здесь

S_3i = l₁l₂; S_ki = 2h_i(L₁ + L_{2 -} 4L₄) + (L_{1 -} 2L₄)(L_{2 -} 2L₄),

и - степень черноты реальной нагретой зоны и внутренних поверхностей кожуха в i-й области; S_3i и S_Ki-площади поверхностей условной нагретой зоны и внутренней части кожуха в i-и области.

Боковая поверхность условной нагретой зоны может значительно отличаться от реальной, поэтому приведенную степень черноты определяют как

= (17)

где - степень черноты боковой поверхности реальной нагретой зоны; - степень черноты внутренней боковой поверхности кожуха в нагретой зоне.

Перейдем к расчету конвективно-кондуктивного коэффициента . В области 2 у блоков с горизонтальным шасси (см. рис. 6-15) тепловые слои воздуха располагаются выше холодных и конвекция отсутствует. В этом случае коэффициент теплопередачи области связан с теплопроводностью воздуха зависимостью

= , (18)

,

Коэффициент теплопередачи приравнивается к для блоков с горизонтальным шасси. Полные коэффициенты теплопередачи от поверхностей условной нагретой зоны к кожуху определяются формулами:

для блоков с горизонтальным шасси

(19)

Рассчитать коэффициенты теплопередачи можно, используя выражение (20);

i = 1,2, (20)

где N=1,3 для горизонтальной нагретой стороны, обращённой вверх; N=0,7 для горизонтальной нагретой стороны, обращённой вниз; N=1 для боковых поверхностей.

Расчет тепловой характеристики блока проводится методом последовательного приближения. Исходя из реальной конструкции, рассчитывают условную нагретую зону. Задаются температурой условной нагретой зоны, находят перегрев нагретой зоны относительно окружающей среды , рассчитывают все тепловые проводимости участков от зоны к кожуху и от кожухов к среде (4) и (5).

При расчете в первом приближении можно использовать выражение для ориентировочного определения тепловой проводимости участка от нагретой зоны к кожуху

, (21)

По формуле

находят мощность P₁. В координатах (t₃ - t_K; P) получают одну точку, соответствующую принятому перегреву и найденной мощности P₁. Далее задаются другим значением перегрева нагретой зоны и определяют Р₂. Получают вторую точку на тепловой характеристике. Третьей точкой будет начало координат. По трем точкам строят тепловую характеристику, и из нее находят перегрев нагретой зоны при заданной мощности, рассеиваемой блоком.

Если в результате расчета тепловой характеристики получен перегрев нагретой зоны, превышающий допустимый, то решают вопрос об изменении конструкции блока (введение перфорации, жалюзи) либо системы охлаждения (принудительное перемешивание воздуха внутри блока, принудительное охлаждение).

2.3 Пример расчета тепловой характеристики блока при естественной конвекции

Исходные данные. Блок изготовлен в форме прямоугольного параллелепипеда. Габариты блока: длина L₁=319 мм, ширина L₂=258 мм, высота L₃=194 мм. Размеры шасси l₁ и l₂ равны внутренним размерам кожуха блока. Шасси расположено в блоке горизонтально. Расстояние от верхней стенки кожуха до нагретой зоны h₁=40 мм, от нижней стенки до шасси h₁=20 мм. Высота нагретой зоны h₃=130 мм, толщина стенок кожуха L₄=2 мм. Все внутренние и наружные поверхности блока окрашены черной глифталевой эмалью, степень черноты которой =0,92. Температура окружающей среды t_с=20°С. Мощность, потребляемая блоком от сети, Р=130 Вт.

Решение. 1. Предварительно рассчитаем геометрические размеры блока. Площадь крышки (дна) кожуха блока

S_B = Sн = L₁L₂ = 0,319 - 0,258 = 0,082 м ².

Площадь боковой поверхности блока

S_б = Lз - 2_*(L₁ + L₂) = 0,194 _*2_*(0,319 + 0,258) = 0,339 м ².

Размеры шасси:

l₁ = L₁ - 2L₂ = 0,319 - 2 _* 0,002 = 0,315 м;

l₂ = L₂ - 2L₄ = 0,258-2 _* 0,002 = 0,254 м.

Площадь поверхности нагретой зоны в области 1 и 2 (верхняя в нижняя области на рис. 6-15)

S₃₁ = S₃₂ = l₁ l₂ = 0,315 _* 0,254 = 0,080 м².

Площадь поверхности внутренней части кожуха в области 1 и 2

S_ki = 2h₁ (L₁ + L₂ - 4L₄) + (L₁ - 2L₄) _* (L₂ - 2L₄) =

S_k1 = 2 _* 0,040 _*(0,319 + 0,258 - 4 _* 0,002) + (0,319 - 2 _* 0,002) (0,258-2 _* 0,002) = 0,126 м²;

S_K2 = 2 _* 0,020 _* (0,319 + 0,258- 4 _* 0,002) + (0,319 - 2 _* 0,002) _* (0,258-2 _* 0,002) = 0,103 м².

Площадь поверхности нагретой зоны в области 4

S₃₂ = h_{2 *} 2(l₁ + l₂) = 0,130 _* 2_*(0,315 + 0,254) = 0,569 м ².

Определяем по формуле (16) приведенную степень черноты нагретой зоны в областях 1 и 2:

=;;

=.

По формуле (17) определяем степень черноты нагретой зоны в области 2

= 0,87 _* 0,865 = 0,75.

2. Используя формулу (21) для ориентировочного определения тепловой проводимости участка от нагретой зоны к кожуху, определяем в первом приближении:

= 23(L₁ - 2L₄)(L₂ - 2L₄) = 23 _*(0,319- 2 _* 0,002) (0,258-2 _* 0,002) = 1,84 Вт/К.

3. Задаемся перегревом кожуха =10°С; при этом температура кожуха будет t_к=30°С. Определяющая температура

t_m = (t_{к -} t_с)/2 = 25⁰C.

4. По формуле (12) находим конвективные коэффициенты теплоотдачи верхней (), нижней () и боковой () поверхности кожуха. Определяющий размер для верхней и нижней стенок кожуха L₁ = 0,258 м. Необходимое для вычислений значение A₁ находим из следующих данных для воздуха:

tm, °С	10	20	30	40	60	80	100	120	140	150
A1	1,4	1,38	1,36	1,34	1,31	1,29	1,27	1,26	1,25	1,24

Размещено на Allbest.ru