- •Тепловое проектирование радиоэлектронных средств
- •Введение
- •1. Влияние тепла и влаги на рэс и их элементы
- •1.1. Влияние температуры
- •1.2. Влияние влаги
- •2. Основы теплообмена
- •2.1. Теплообмен конвекцией
- •2.1.1. Основные положения
- •2.1.2. Теплообмен при естественной конвекции
- •2.1.2.1. Коэффициент теплоотдачи неограниченных цилиндров
- •2.1.2.2. Коэффициент теплоотдачи плоской (цилиндрической) поверхности
- •2.1.2.3. Коэффициент теплопередачи между двумя поверхностями
- •2.1.2.3.1. Коэффициент теплопередачи плоских неограниченных прослоек
- •2.1.2.3.2. Коэффициент теплопередачи ограниченных прослоек
- •2.1.3. Теплообмен при вынужденном движении жидкости
- •2.1.3.1. Коэффициент теплоотдачи при движении жидкости вдоль плоской поверхности
- •2.1.3.2. Коэффициент теплоотдачи при движении жидкости в трубах
- •2.1.3.3. Определяющий размер тел, принудительно омываемых потоком жидкости
- •2.2. Лучистый теплообмен (теплообмен излучением)
- •2.2.1. Основные понятия и определения
- •2.2.2. Законы теплового излучения
- •2.2.3. Лучистый теплообмен между телами
- •2.2.3.1. Лучистый теплообмен неограниченных поверхностей
- •2.2.3.2. Теплообмен излучением ограниченных поверхностей
- •2.2.3.4. Влияние экранов на теплообмен излучением
- •2.3. Теплообмен кондукцией (теплопроводностью)
- •2.3.1. Основные понятия. Закон Фурье
- •2.3.2. Уравнение теплопроводности Фурье
- •2.3.3. Тепловой поток через стенки
- •2.3.3.1. Плоская стенка
- •2.3.3.2. Цилиндрическая стенка
- •2.3.4. Температурное поле тел с внутренними источниками тепла
- •2.3.4.1. Плоская неограниченная стенка
- •2.3.4.2. Параллелепипед
- •3. Сложный теплообмен
- •3.1. Тепловой поток через стенки, разделяющие две среды
- •3.2. Тепловой поток в стержнях и пластинах
- •3.2.1.Тепловой поток в стержнях
- •3.2.2. Тепловой поток в пластинах
- •3.2.2.1. Пластина в виде диска
- •3.2.2.2. Прямоугольная пластина
- •3.3. Особенности теплообмена в условиях невесомости и пониженного атмосферного давления
- •4. Основные закономерности стационарных температурных полей
- •4.1. Принцип суперпозиции температурных полей
- •4.2. Температурный фон
- •4.3. Принцип местного влияния
- •4.4. Тепловые модели радиоэлектронных средств
- •4.5. Тепловые схемы системы тел
- •5. Анализ и расчет стационарных тепловых режимов рэс
- •5.1. Расчет теплового режима рэс в герметичном кожухе с крупными деталями на шасси
- •5.1.1. Расчет среднеповерхностной температуры кожуха
- •5.1.2. Расчет среднеповерхностной температуры нагретой зоны
- •5.2. Расчет теплового режима рэс с внутренней принудительной циркуляцией воздуха
- •5.3. Расчет теплового режима рэс кассетной конструкции
- •5.3.1. Расчет теплового режима рэс кассетной конструкции (группа а)
- •5.3.2. Расчет теплового режима рэс с воздушными зазорами между кассетами (группа б)
- •5.4. Расчет теплового режима вентилируемых рэс
- •6. Расчет нестационарных тепловых процессов
- •6.1. Охлаждение (нагревание) тел и системы тел без источников тепла
- •6.2. Охлаждение (нагревание) тел и системы тел c источниками энергии
- •6.3. Длительность начальной стадии
- •7. Системы обеспечения тепловыхрежимов рэс
- •7.1. Классификация сотр
- •7.2. Системы охлаждения рэс
- •7.2.1. Воздушные системы охлаждения рэс
- •7.2.2. Жидкостные системы охлаждения рэс
- •7.2.3. Испарительные системы охлаждения рэс
- •7.2.4. Кондуктивные системы охлаждения рэс
- •7.2.5. Основные элементы систем охлаждения рэс
- •7.2.5.1. Теплоносители
- •7.2.5.2. Теплообменники
- •7.2.5.3. Вентиляторы и насосы систем охлаждения
- •8. Специальные устройства охлаждения рэс
- •8.1. Тепловые трубы
- •8.2. Вихревые трубы
- •8.3. Турбохолодильники
- •8.4. Термоэлектрические охлаждающие устройства
- •9. Интенсификация теплообмена в рэс. Радиаторы и их расчет
- •9.1. Особенности теплообмена оребренных поверхностей
- •9.2. Рекомендации по конструированию радиаторов
- •9.3. Проектирование и расчет радиаторов
- •10. Теплообмен при кипении жидкостей и конденсации паров
- •10.1. Теплообмен при кипении жидкости
- •10.2. Теплообмен при конденсации паров
- •11. Влагообмен в рэс
- •11.1. Механизм поглощения влаги материалами
- •11.2. Основные закономерности переноса паров воды через полимерные материалы
5.2. Расчет теплового режима рэс с внутренней принудительной циркуляцией воздуха
В герметичных аппаратах для интенсификации отвода тепла от ЭРЭ к кожуху можно применить принудительную циркуляцию воздуха во внутреннем объеме. Эта циркуляция создаётся с помощью малогабаритных вентиляторов. Потоки воздуха, создаваемые вентилятором, имеют направленное движение, которое обеспечивается наличием шасси и специальных направляющих (рис. 5.2.1,а).
Пусть известны все геометрические размеры аппарата, производительность вентилятора и мощность, рассеиваемая ЭРЭ. Аппарат представляется в виде нагретой зоны и кожуха (рис. 5.2.1,б). Все выделяющееся в нагретой зоне тепло конвекцией при обтекании ЭРЭ воздухом и излучением передается кожуху, которым рассеивается в окружающее пространство.
Лучистый теплообмен будет проходить точно так же, как и в герметичном блоке, отличия будут только в размерах области, занимаемой нагретой зоной, она будет меньше из-за наличия зазоров у боковых стенок для прохождения воздуха. Площадь нагретой зоны, участвующая в лучистом теплообмене, будет равна
. (5.2.1)
Рис. 5.2.1.Радиоэлектронный аппарат с внутренней принудительной циркуляцией воздуха (а) и его тепловая модель (б)
Соответственно, коэффициент теплоотдачи и проводимость будут равны
; .
Конвективную составляющую находят из выражения
,
где - конвективный коэффициент теплоотдачи между нагретой зоной и кожухом; - полная поверхность нагретой зоны (поверхность ЭРЭ, шасси), омываемая потоком воздуха и участвующая в конвективном теплообмене:
, (5.2.2)
здесь - площадь поверхности - ого ЭРЭ, - количество ЭРЭ (с двух сторон шасси).
Коэффициент теплоотдачи находят из выражения, полученного эмпирически [9]
, (5.2.3)
где , - коэффициенты, характеризующие соответственно теплофизические параметры воздуха и геометрические размеры аппарата; - средняя скорость воздушного потока; - определяющий размер, - размер шасси в направлении потока воздуха.
Коэффициенты , находят из выражений:
; (5.2.4)
. (5.2.5)
В выражении и через обозначен эквивалентный гидравлический диаметр кожуха, равный
, (5.2.6)
где , - среднее значение площади и периметра поперечного сечения, свободного для потока воздуха, которые рассчитывают по формулам , , - объем аппарата, не занятый ЭРЭ, - полная поверхность нагретой зоны и кожуха, омываемая потоком воздуха, которая равна .
Среднюю скорость воздушного потока , входящую в уравнение (5.2.3), находят из выражения
,
где - объемная производительность вентилятора.
Снижение температуры нагретой зоны будет вызвано увеличением конвективного коэффициента теплоотдачи из-за перехода на вынужденную конвекцию и увеличением площади нагретой зоны, участвующей в конвективном теплообмене.
Расчет температуры кожуха приведен в разделе 5.1.1. Алгоритм расчета температуры нагретой зоны приведен ниже:
1. Задаются температурой нагретой зоны первого приближения .
2. Определяют среднюю температуру .
3. Определяют функцию .
4. Вычисляют приведенную степень черноты
,
при этом вычисление производится исходя из размеров зоны .
5. Вычисляют лучистый коэффициент теплоотдачи
.
6. Лучистая проводимость вычисляется по формуле
.
7. Находят из таблиц теплофизические характеристики , , воздуха при температуре.
8. Вычисляют коэффициент
.
9. Вычисляют площадь поперечного сечения аппарата, свободную для прохождения воздуха,
.
10. Площадь аппарата, участвующая в конвективном теплообмене, равна
.
11. Периметр поперечного сечения аппарата, свободного для прохода воздуха, равен .
12. Вычисляют эквивалентный диаметр
.
13. Вычисляют коэффициент
.
14. Конвективный коэффициент теплоотдачи равен
.
15. Проводимость конвективная вычисляется по формуле
.
16. Полная проводимость участка зона – кожух будет равна .
17. Вычисляют перегрев второго приближения для нагретой зоны .
18. Определяют температуру зоны второго приближения
.
19. Определяют разброс температур и
.
Если разброс больше 5 %, то принимают и повторяются расчеты, начиная с пункта 2.