- •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
6.2. Вихревые трубы
Вихревой холодильник используется при создании миниатюрных устройств для охлаждения небольших объектов с массой около нескольких граммов до температуры порядка -50. Он прост и надежен в работе и требует сравнительно небольших расходов воздуха и давления газа (1…5) Па (несколько атмосфер). В нем используется эффект вихревого температурного расширения сжатого газа, открытого немецким физиком Ранком в 1931.Известно, что при изменении объема газа без теплообмена с окружающей средой (адиабатический процесс) изменение температуры идеального газа определяется уравнением
,
где ,и,- температура и давление, соответственно, на входе и выходе,- показатель адиабаты.
Вихревая труба (рис. 6.2.1) представляет собой цилиндр 1, в который через отверстие 2 (сопло), расположенное по касательной к его внутренней поверхности, вводится сжатый воздух, образующий внутри трубы вихрь.
Рис. 6.2.1. Устройство вихревой трубы
Прилегающий к соплу конец трубы закрыт диафрагмой 3 с центрально расположенным в ней отверстием, а на другом конце трубы установлен дроссель 4.
Сжатый газ при выходе из сопла расширяется, при этом уменьшается его давление и, как следствие, температура. Внутри трубы расширяющийся газ движется вихреобразно и поступательно, причём его угловая скорость в поперечном сечении трубы у сопла не одинакова - наибольшей скоростью обладают центральные слои, наименьшей наружные. В результате трения внутренние слои газа, имеющие большую скорость, часть своей энергии будут передавать наружным слоям, вследствие чего внутренние слои дополнительно охлаждаются, угловые скорости слоев сглаживаются и у дросселя они практически одинаковы во всем сечении.
При определенной степени расширения газовый поток в вихре разделяется на две составляющие: газ, выходящий через отверстие в диафрагме, будет иметь более низкую температуру, чем газ, выходящий из сопла после его расширения; а газ, выходящий через дроссель, наоборот, будет более горячим. Такое разделение газовых потоков называется эффектом Ранке.
Вихревая труба может работать по противоточной и прямоточной схемам. При противотоке направление горячего и холодного воздуха противоположно, как в рассмотренном случае. Если же конец трубы у сопла полностью закрыть и холодный воздух отводить через дроссель по центрально расположенной трубе, то такая труба будет работать по прямоточной схеме (рис. 6.2.2).
Основными факторами, определяющими эффективность работы вихревой трубы, являются величина отверстия диафрагмы , давление газа перед соплом, размеры трубыи, размеры и конструкция сопла.
Рис. 6.2.2. Конструкция прямоточной вихревой трубы
На практике диаметр отверстия диафрагмы берут в пределах , где- внутренний диаметр горячей трубы.
Диаметр диафрагмы холодного потока, если нужно получить максимальную холодопроизводительность, составляет 0,6 от диаметра горячей трубы и 0,3, если нужно получить наибольшее понижение температуры.
Эквивалентную площадь сопла выбирают в зависимости от поперечного сечения горячей трубы: .
Вихревые трубы отличаются главным образом конструктивным оформлением соплового входа. Наиболее простой конструкцией является цилиндрическое сопло, расположенное тангенциально внутренней поверхности вихревой трубы (рис. 6.2.3,а).
Однако лучшие результаты дает лотковое сопло (рис. 6.2.3,б), представляющее одну или две лотковые канавки, плавно сопрягающиеся с профилем вихревой трубы на дуге .
Рис. 6.2.3. Конструкции сопел вихревых труб
Длина вихревой зоны трубы зависит от ее диаметра и принимается равной примерно .
На холодопроизводительность и температуру холодного воздуха существенное влияние оказывает давление воздуха на входе: с увеличением давления эффективность трубы увеличивается.
При изготовлении вихревого холодильника для уменьшения тепловых потерь материал сопла, диафрагмы и патрубка холодного потока следует брать с малым коэффициентом теплопроводности.
Следует отметить, что получение холода в вихревом холодильнике требует больших энергетических затрат по сравнению с другими методами. Например, для получения понижения температуры на величину -40°С вихревой холодильник даже при небольших холодопроизводительностях (около 100 Вт) требует в 10 раз больше расхода энергии, чем компрессионные холодильные машины. Существенным преимуществом вихревой трубы является простота ее конструкции, надежность в работе, практически неограниченный ресурс и небольшие размеры и масса. Поэтому они находят широкое применение там, где имеются источники сжатого воздуха.