- •Тепловое проектирование радиоэлектронных средств
- •Введение
- •1. Измерение температуры
- •2. Основы теплообмена
- •2.1. Теплообмен конвекций
- •2.1.1. Основные положения
- •2.1.2. Теплообмен при естественной конвекции
- •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 (теплопроводстью)
- •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. Основные закономерности стационарных температурных полей
- •3.1. Принцип суперпозиции температурных полей
- •3.2. Температурный фон
- •3.3. Принцип местного влияния
- •3.4. Тепловые модели радиоэлектронных средств
- •3.5. Тепловые схемы системы тел
- •3.6. Методика расчетов тепловых режимов рэс
- •3.7. Особенности теплообмена в условиях невесомости и пониженного атмосферного давления
- •4. Анализ и расчет стационарных тепловых режимов рэс
- •4.1. Расчет теплового режима рэс в герметичном кожухе с крупными деталями на шасси
- •4.1.1. Расчет среднеповерхностной температуры кожуха
- •Расчет температуры поверхности кожуха герметичного блока
- •4.1.2. Расчет среднеповерхностной температуры нагретой зоны
- •4.2. Расчет теплового режима рэс с внутренней принудительной циркуляцией воздуха
- •Пример расчетов
- •4.3. Расчет теплового режима рэс кассетных конструкций
- •4.3.1. Расчет теплового режима рэс кассетной конструкции (группа а)
- •4.3.2. Расчет теплового режима рэс с воздушными зазорами между кассетами (группа б)
- •Пример расчетов
- •4.4. Расчет теплового режима вентилируемых рэс
- •Пример расчетов
- •4.5. Расчет теплового режима аппарата с теплостоком
- •5. Системы обеспечения тепловых режимов рэс
- •5.1. Классификация сотр
- •5.2. Системы охлаждения рэс
- •5.2.1. Воздушные системы охлаждения рэс
- •5.2.2. Жидкостные системы охлаждения рэс
- •5.2.3. Испарительные системы охлаждения рэс
- •5.2.4. Кондуктивные системы охлаждения рэс
- •5.2.5. Система охлаждения, основанная на скрытой теплоте плавления
- •5.2.6. Основные элементы систем охлаждения рэс
- •5.2.6.1. Теплоносители
- •5.2.6.2. Теплообменники
- •5.2.6.3. Вентиляторы и насосы систем охлаждения (нагнетатели)
- •6. Специальные устройства охлаждения рэс
- •6.1. Тепловые трубы
- •6.2. Вихревые трубы
- •6.3. Турбохолодильник
- •6.4. Термоэлектрические охлаждающие устройства
- •7. Интенсификация теплообмена в рэс. Радиаторы и их расчет
- •7.1. Пластинчатые радиаторы
- •7.2. Пластинчатый радиатор в форме диска
- •7.3. Прямоугольная пластина
- •7.4.Тепловой поток в стержнях
- •7.5. Радиаторы
- •7.6. Влияние теплового контактного сопротивления на тепловой режим приборов
- •7.6.1. Влияние паст, смазок, усилия прижатия на значение теплового контактного сопротивления
- •7.6.2. Влияние электроизоляционных прокладок на тепловое контактное сопротивление
- •7.7. Рекомендации по конструированию радиаторов
- •8. Расчет нестационарных тепловых процессов
- •8.1. Охлаждение (нагревание) тел и системы тел без источников тепла
- •8.2. Охлаждение (нагревание) тел и системы тел c источниками энергии
- •8.3. Длительность начальной стадии
- •9. Влияние тепла и влаги на рэс и их элементы
- •9.1. Влияние температуры
- •9.2. Влияние влаги
- •10. Теплообмен при кипении жидкостей и конденсации паров
- •10.1. Теплообмен при кипении жидкости
- •10.2. Теплообмен при конденсации паров
- •Библиографический список
- •Содержание
- •Тепловое проектирование радиоэлектронных средств
- •119454, Москва, пр. Вернадского, 78
3.6. Методика расчетов тепловых режимов рэс
Рассматриваемая ниже методика может быть распространена на большинство одноблочных конструкций РЭС с последовательно-составными тепловыми схемами (герметичные блоки) и некоторые конструкции с разветвленными тепловыми схемами (вентилируемые аппараты).
Расчет теплового режима может быть проведен для реально существующего аппарата или для разрабатываемого изделия, существующего в чертежах. Для получения алгоритма расчета теплового режима аппарата нужно провести следующие мероприятия:
1. Анализируются физические процессы в аппарате, приводящие к переносу тепловой энергии из аппарата в окружающую среду. На основании анализа составляется тепловая модель аппарата.
2. По тепловой модели составляется тепловая схема, учитывающая все тонкости переноса тепловой мощности. При любом изменении в конструкции или условий эксплуатации на тепловой схеме должен присутствовать элемент, реагирующий на эти изменения. Каждый элемент тепловой схемы должен иметь четкое математическое описание. В разделе 4.1 по этой схеме проведены указанные мероприятия, в результате чего получена точная тепловая схема герметичного блока с крупными деталями на шасси (рис. 4.1.3).
Так как мощность, выделяющаяся в нагретой зоне, без потерь проходит через кожух и рассеивается им в окружающей среде, особенности расчетов рассмотрим на участке кожух-среда.
Если известна температура , то каждая из проводимостей на рис. 3.6.1 рассчитывается в уже рассмотренном ранее порядке, затем рассчитывается проводимостьгдеi– поверхности кожуха верх, бок, дно. Далее по формуле Ньютона рассчитывается мощность, рассеиваемая в окружающую среду
. (3.6.1)
Эту процедуру условно можно назвать как решение прямой теплотехнической задачи, т.е. расчет мощности по известной температуре поверхности.
Рис. 3.6.1. Тепловая схема герметичного блока участка
кожух-среда
На практике чаще приходится рассчитывать температуру поверхности по известной подводимой мощности и эту процедуру также условно можно назвать как решение обратной теплотехнической задачи. Так как коэффициент теплоотдачи зависит от температуры поверхности, то прямое использование формулы Ньютона невозможно, так как нельзя рассчитать его, если неизвестна температура поверхности. Решать обратную теплотехническую задачу можно методом тепловой характеристики и методом последовательных приближений.
При использовании метода тепловой характеристики задаются двумя значениями температуры поверхности и. Для этих температур по формуле Ньютона рассчитываются мощностии. Так как при перегревемощность, уходящая с поверхности, будет равна нулю, то по трем точкам строится тепловая характеристика (рис. 3.6.2). Наложив на эту характеристику заданную мощность , получают соответствующий этой мощности перегрев поверхности. Расчеты будут более точными, если заданная мощность будет находиться в промежутке…. Поэтому после первого расчета проводят коррекцию величины.
Рис. 3.6.2. Расчет методом тепловой характеристики
Расчет методом последовательных приближений может осуществляться с автоматическим схождением процесса вычислений или с помощью заложенных в алгоритм вычислений программных решений.
Автоматическое схождение вычислений основано на нелинейности тепловой характеристики. Задаются перегревом поверхности первого приближения , вычисляют. Тогда формула (3.6.1) может быть записана в виде. Перегрев второго приближениябудет равен.
Так как расчетная мощность остается постоянной, то истинная величина будет находиться в диапазоне перегревов…. Необходимость продолжения вычислений оценивают по величине разброса температур
. (3.6.2)
Если разброс больше допустимой величины (), принимают=и повторяют описанный процесс вычислений для нового значения температуры. Расчеты прекращают, когда наступает условие. Динамика изменения числовых величин от цикла к циклу представлена на рис. 3.6.3. Разброс величин () уменьшается, причем величинавсегда будет находится внутри диапазона.
Рис. 3.6.3. Расчет методом последовательных приближений
Автоматического схождения процесса вычислений очень часто реализовать нельзя, например, в случае конструкций РЭС с разветвленными тепловыми схемами. В этом случае в алгоритме вычислений надо закладывать процедуру принудительной коррекции температуры первого приближения. При расчете задаются температурными границами расчетной температуры и. Они могут выбираться произвольно, например, ‑50 ОС и +100 ОС. Первый цикл вычислений проводят для температуры. В результате вычислений получаем величину рассеиваемой поверхностью мощности. Если>, то считают, что=, в противном случае=. Далее повторяют вычисления для температурыв новых температурных границах. С каждым циклом вычислений температурный диапазонбудет уменьшаться, а решение об окончании процесса вычислений принимают по величине разброса температурили по расхождению мощностейи. Следует отметить, что процесс схождения при описанном алгоритме более длительный по сравнению с использованием автосхождения. При использовании ЭВМ длительность вычислений особой роли не играет, но если нужно обучить тонкостям расчетов студентов, то программу следует упростить настолько, чтобы особенности расчетов можно было усвоить за 1-2 цикла, при этом степень упрощения следует обязательно оговорить.