3.7. Особенности теплообмена в условиях невесомости и пониженного атмосферного давления

В условиях невесомости, что имеет место на космических герметизированных объектах, критерий , характеризующий подъемную силу, вызывающую свободно конвективное движение воздуха (жидкости) у поверхности нагретого тела, равен нулю. Последнее объясняется тем, что напряженность поля тяготения, количественно характеризуемая ускорениемg, равна нулю.

Поскольку критерий равен нулю, будут равны нулю, как это видно из критериальных уравнений, критерий и конвективный коэффициент теплоотдачи.

Таким образом, в условиях невесомости теплообмен за счет естественной конвекции практически отсутствует. В этих условиях теплообмен между телами, а также телами и окружающей средой, осуществляется, в основном, за счет теплового излучения.

Лучистый коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формулам, приведенным в разделе 2.2. Теплообмен между телами происходит и кондукцией, если эти тела имеют между собой тепловой контакт. Теплообмен же между телами за счет теплопроводности среды (диффузии частиц воздуха, газа) мал, им в большинстве случаев можно пренебречь.

Конвективный теплообмен в условиях невесомости, если аппаратура находится в герметичном отсеке, достигается принудительным продувом или перемешиванием воздуха у поверхности нагретых тел.

Особенностью теплообмена при пониженном атмосферном давлении является то, что с увеличением разряжения газа, в частности с подъемом на высоту, уменьшается его плотность и теплоемкость. При этом уменьшается критерий Pr

,

и, как видно из критериального уравнения (2.1.3), уменьшается конвективный коэффициент теплоотдачи (теплопередачи), входящий в критерий .

В работе [1] дается зависимость конвективного коэффициента теплоотдачи от атмосферного давления Р, которая в диапазоне изменения давлений в пределах отПа (1 мм рт ст соответствует 133,322 Па [22]) имеет вид

, (3.7.1)

где и- конвективные коэффициенты теплоотдачи соответственно при нормальном давленииР₀и давлении Р,n- показатель степени критериального уравнения.

Так, например, при давлении 100 Па, что соответствует высоте примерно 50 км, конвективный коэффициент теплоотдачи составляет только 3% от его значения при нормальном атмосферном давлении.

Лучистый коэффициент теплоотдачи практически не зависит от давления. Следовательно, при давлениях Р<100Патеплообмен определяется, как и в случае невесомости, только тепловым излучением.

4. Анализ и расчет стационарных тепловых режимов рэс

В данном разделе рассмотрены наиболее распространенные одноблочныеконструкции радиоэлектронных аппаратов и особенности расчета их тепловых режимов.

4.1. Расчет теплового режима рэс в герметичном кожухе с крупными деталями на шасси

Радиоэлектронный аппарат, кожух которого герметичен и имеет форму прямоугольного параллелепипеда с размерами , представлен на рис. 4.1.1. На рисунке отмечены особенности конвективного теплообмена при разной ориентации шасси.

Рис. 4.1.1. Тепловые процессы в аппаратах с герметичным кожухом и крупными деталями на шасси

Под герметичностью кожуха будем понимать отсутствие в нем отверстий, через которые могли бы проходить конвективные потоки воздуха из внутренних областей аппарата в окружающую среду. На шасси такого аппарата установлены ЭРЭ, рассеивающие суммарную мощность .

Мощность, выделяемая ЭРЭ, передается на кожух, с которого уходит в окружающую среду. Обобщенная тепловая схема такого блока представлена в виде, изображенном на рис. 4.1.2.

Рис. 4.1.2. Обобщенная тепловая схема герметичного блока

Так как с поверхности кожуха будет рассеиваться тепло с помощью конвекции, лучеиспускания и кондукции, то участок кожух-среда может быть представлен тепловой моделью первого вида. Поверхность кожуха принимается изотермической, а тепло с кожуха может уходить в среду указанными выше видами теплообмена. Доля тепла через кондуктивный канал весьма незначительна (через изоляторы, амортизаторы или через нижнюю поверхность, которая на практике бывает практически холодной), поэтому кондуктивным каналом можно пренебречь. Особенности лучистого теплообмена таковы, что интенсивность теплообмена с отдельных поверхностей не зависит от ориентации этих поверхностей в пространстве. Вследствие этого на тепловой схеме этот канал представлен одним сопротивлением . Интенсивность конвективного теплообмена зависит от ориентации поверхностей кожуха в пространстве, вследствие чего можно выделить три характерных поверхности: верх, дно и бок (четыре боковых поверхности имеют одинаковую интенсивность теплообмена). Тепловая схема участка кожух-среда представлена на рис. 4.1.3.

Рис. 4.1.3. Тепловая схема герметичного блока

Шасси с установленными на нем ЭРЭ образуют в аппарате нагретую зону. Мощность, выделяемая в нагретой зоне, кондукцией, конвекцией и излучением передается кожуху, который рассеивает ее в окружающую среду.

При большой плотности упаковки деталей конвективное движение воздуха во внутренних областях нагретой зоны практически отсутствует, конвективные потоки развиваются только на периферии нагретой зоны, проникая вглубь ее в тех местах, где расстояние между деталями достаточно велики. При горизонтальном расположении шасси такая картина имеет место в верхнем отсеке аппарата. В нижнем отсеке (под шасси) конвекция практически отсутствует, т.к. здесь нагретые слои воздуха расположены выше холодной поверхности дна кожуха. В аппаратах с вертикально ориентированным шасси конвективное движение воздуха имеет место в обоих отсеках, занимая прослойки между стенками кожуха и периферийными поверхностями нагретой зоны.

При большой плотности компоновки и в лучистом теплообмене с корпусом участвуют только периферийные поверхности нагретой зовы. Излучение с поверхностей ЭРЭ и шасси, расположенных в глубине нагретой зоны, экранируются соседними ЭРЭ, поэтому оно практически не достигает кожуха аппарата.

Кондуктивные связи шасси с корпусом, как показывает практика, слабо влияют на тепловой режим нагретой зоны.

Указанные особенности теплообмена позволяют представить нагретую зону в виде прямоугольного параллелепипеда, отделенного от кожуха сверху и снизу плоскими зазорами, заполненными воздухом, а зазор между боковыми поверхностями кожуха и зоны считается бесконечно малым (рис. 4.1.4).

Рис. 4.1.4. Тепловая модель аппарата с горизонтальным шасси

Температура поверхности условной нагретой зоны принимается равной среднеповерхностной температуре реальной нагретой зоны, а температура всех точек кожуха также принимается одинаковой, равной его среднеповерхностной температуре.

Размеры основания условной нагретой зоны считаются равными размерам шасси ,, а высота зоны вычисляется по формуле

,

где и - суммарный объем деталей с обеих сторон шасси; - объем шасси.

Высоту нагретой зоны можно выразить также через коэффициент заполнения аппарата

,

где .

Толщина прослоек между кожухом и нагретой зоной будет равна .

На основании особенностей теплообмена участка зона-кожух, можно составить тепловую схему этого участка, входящую в общую схему, представленную на рис. 4.1.3.

Нужно найти среднеповерхностную температуру кожуха и нагретой зоны, приняв температуру среды, известной и равной . Так как мощность, подводимая к зоне, равна мощности, уходящей с кожуха, представляется целесообразным провести расчет температуры кожуха, не принимая во внимание конструктивных особенностей нагретой зоны, полученную температуру кожуха далее следует использовать при расчете температуры нагретой зоны.

Расчет температуры кожуха можно провести методом тепловой характеристики и методом последовательных приближений. Наиболее часто используют второй метод, удобный для выполнения расчетов с применением ЭВМ [6].