§3.8. Способы поглощения теплоты. Технологичность конструкции сотр

На параметры СОТР в значительной степени влияют используемые способы поглощения теплоты, которые основаны на способности к теплоаккумуляции окружающей среды и материалов конструкции, а также на использовании термоэлектрического эффекта. При теплоаккумуляции происходит нагрев окружающей среды или конструкции, могут произойти фазовые превращения в материалах конструкции (плавление, испарение). Количество теплоты (кал), которое может поглотить среда или материал конструкции при нагреве, определяется соотношением , где С_р — удельная теплоемкость материала среды или конструкции, ккал/(г • К); m — масса среды или конструкции, г; —перегрев среды или конструкции по отношению к начальной температуре, °С. Если нагреву подвергается окружающая среда (воздух, вода), массу которой можно считать прак­тически бесконечной, то коли­чество поглощаемой теплоты также бесконечно.

Для примера определим перегрев алюминиевого корпуса массой 570 г, в котором в течение 180 с выделяется мощность 40 Вт. Удельная теплоемкость алюминия 0,22 ккал/(кг • °С). Учитывая, что 1 Дж=1 Вт-с=0,24 кал, получаем =40*180*0,24/(570*0,22)=13,76⁰С.

В тех случаях, когда РЭС работает в режиме повторно-кратковременных включений, для поглощения теплоты могут быть использованы вещества, об­ладающие относительно большой теп­лотой обратимых фазовых превращений (табл. 3.12).

Рис. 3.30. Конструкция термостата:

1 — термостатируемый объем с РЭС; 2—плавящееся ве­щество; 3 — обмотка обогре­ва; 4 — изоляция; 5— сильфон; 6—микровыключатель; 7—крышка; 8—заправочная трубка

Во время работы теплота поглощается за счет скрытой удельной теплоты плавления вещества Ь_пл, а после отключения происходит остывание и за­твердевание вещества (по истечении до­статочного времени). Наиболее распро­странены два способа взаимного рас­положения охлаждаемых элементов РЭС и плавящихся веществ: 1) компоненты находятся вне объема с плавящимся веществом (рис. 3.29), в этом случае при ремонте не требуется удаления вещества; 2) компоненты находятся внутри плавя­щегося вещества, в этом случае ремонт затруднен, но условия теплоотвода луч­ше. Первый способ применяют чаще, но требуется обеспечить хороший тепловой контакт компонента с контейнером, содержащим плавящееся вещество. Иногда пла­вящиеся вещества используют для построения активного термо­стата (рис. 3.30).

Если тепловая энергия, выделяемая в РЭС, поглощается внешней средой (газом или жидкостью) и расходуется только на изменение теплосодержания среды (без фазовых превращений), то отводимая на нагрев мощность (Вт) , где С_р — удельная теплоемкость хладоагента, Дж/(кг-К); — его плотность, кг/м³; — объемный расход газа или жидкости, м³/с; и — средняя температура хладоагента на входе и выходе ' системы.

Таблица 3.12 Характеристики некоторых плавящихся веществ, предназначенных для охлаждения РЭС, работающих в режиме кратковременно-повторных включений

Вещество	Химическая формула, состав	Температура плавления, °С	Удельная те­плота плавле­ния, LПЛ-10^-3, Дж/кг
Парафин		40...56	156
Кислота: элаидиновая лауриновая		45 44	214 180
Кристаллический азотнокислый никель	(NiNO3)26H2O _	56,7	155
Дифенил		69,5	120
Нафталин		79,5	157
Сплав By да	Bi - 50%; Cd -12,5% Sn—12,5; Pb--25%	65	35

Если не только изменяется теплосодержание, но и происходят фазовые изменения, то необходимо учитывать дополнительные затраты теплоты (кал ;

где и —массы плавящегося и испаря­ющегося вещества соответственно, г: и — удельная теплота плавления и испарения соответственно, кал/г. Зная время плавления или испарения, можно определить затрачиваемую дополнительную мощность Р_пл или Р_исп.

Технологичность теплонапряженной РЭС с СОТР сильно зависит от технологичности СОТР, которая обеспечивается макси­мально простой конструкцией СОТР, ее отработанностью в производстве, недефицитностью покупных узлов. При обеспечении теплового режима с использованием конвекции наиболее техноло­гичной является система естественной воздушной конвекции, менее технологичны принудительная воздушная, жидкостная и испарительная. Наиболее технологичным способом кондуктивного теплоотвода является заполнение воздушных зазоров более теплопроводными материалами (клеем, компаундом, прокладкой из слюды и т. д.). Менее технологично использование тепловых шин и тепловых труб. При изготовлении тепловых труб применя­ют такие операции, как вакуумирование, заполнение теплоноси­телем, герметизация. Эти операции усложняются, если корпус тепловой трубы одновременно является частью несущей конст­рукции РЭС. Ввиду сложности изготовления компоненты системы термоэлектрического и жидкостного охлаждения чаще всего приобретаются по кооперации, что требует учета степени их освоенности и дефицитности.

При выборе СОТР без использования систем автоматизирован­ного проектирования предварительная их оценка может быть осуществлена по диаграмме, представленной на рис. 3.14. Для этого необходимо определить условную поверхность охлаждаемой аппаратуры по формуле , где — габаритные размеры аппаратуры, м; К₃ — коэффициент заполнения, определяемый отношением суммарного объема элементов к полному объему РЭС. Затем вычисляется удельная тепловая мощность g=P/S, где Р—в Вт; S—в м². Откладывая по оси ординат допустимый перегрев, а по оси абсцисс — g, можно определить область, соответствующую тому или иному способу теплоотвода. Далее производится разработка конструкции РЭС и СОТР, составляется тепловая модель (определяются наиболее значимые способы теплоотвода для различных уровней иерархии), составляется тепловая схема РЭС и отдельных узлов (тепловыесопротивления элементов конструкции), рассчитывается темпера­тура компонентов и узлов. Критерием правильности выбора СОТР является отсутствие перегревов в конструкции. При расчете используются отраслевые нормативные и руководящие техниче­ские материалы.

При выборе типа СОТР с использованием систем автоматизи­рованного проектирования, например системы ПРАМ-9, в ЭВМ вводятся сведения об используемых уровнях разукрупнения РЭС, мощности и размещении источников теплоты; система выбирает способ охлаждения и определяет температуру всех компонентов с выдачей результатов в виде карты тепловых режимов компонентов и узлов, таблицы перегретых элементов (если они имеются).

Вопросы для самоконтроля

1. Чем характеризуется тепловой режим РЭС?

2. Как влияет тепловой режим на качество РЭС?

3. Что такое нормальный тепловой режим РЭС?

4. Когда в РЭС имеет место нестационарный тепловой режим?

5. Назовите причины тепловых внезапных отказов.

6. Назовите причины тепловых параметрических отказов.

7. Что такое СОТР?

8. Какие Вам известны виды СОТР?

9. В каких случаях целесообразно применять термостатирующие устройства?

10. Назовите способы передачи теплоты.

11. Что такое конвективный теплообмен? Когда он применяется? 12. Что такое «тепловые трубы»? Когда они применяются?

13. Что такое теплообмен теплопроводностью? Какова его применимость?

14. Что такое теплообмен излучением? Какова его применимость?

15. Назовите преимущества и недостатки термобатарей.

16. Назовите известные способы поглощения теплоты. В каких случаях они применяются?

17. Как выбрать тип СОТР на начальных этапах конструирования?

260