4.2. 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 создается с помощью малогабаритных вентиляторов. Потоки воздуха, создаваемые вентилятором, имеют направленное движение, которое обеспечивается наличием шасси и специальных направляющих (рис. 4.2.1,а).
Рис. 4.2.1. Радиоэлектронный аппарат с внутренней принудительной циркуляцией воздуха (а) и его тепловая модель (б)
Пусть известны все геометрические размеры аппарата, производительность вентилятора и мощность, рассеиваемая ЭРЭ. Аппарат представляется в виде нагретой зоны и кожуха (рис. 4.2.1,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
.
(4.2.1)
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:
,
(4.2.2)
здесь
- площадь поверхности
-ого
ЭРЭ,
- количество ЭРЭ (с двух сторон шасси).
Коэффициент теплоотдачи
находят из выражения, полученного
эмпирически [1]
,
(4.2.3)
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:
;
(4.2.4)
.
(4.2.5)
В выражении
и
через
обозначен эквивалентный гидравлический
диаметр кожуха, равный
,
(4.2.6)
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 (4.2.3), 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 4.1.1. 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.