7 ТЕПЛОВОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ ЭС

7.1 Понятия и определения

Тепловым конструированием называют ту часть конструирования ЭС, которая имеет своей целью обеспечение нормального теплового режима разрабатываемой конструкции.

Общий баланс энергии в эс и его коэффициент полезного действия (кпд) можно представить следующим образом:

Е_П = Е₁ + Е₂ + Е₃,

где Е_П – энергия, отбираемая устройством от источников питания;

Е₁ – полезная электрическая энергия;

Е₂ – энергия, рассеиваемая в окружающее пространство;

Е₃ – тепловая энергия, вызывающая нагревание деталей и узлов.

Большинство аналоговых и цифровых узлов ЭС имеют низкие значения КПД − порядка 0,2…0,3. Исключением являются импульсные блоки питания и некоторые другие мощные ключевые схемы, которые могут иметь КПД в пределах 0,75…0,95.

При низких значениях КПД большая доля потребляемой энергии идет на нагревание элементов и узлов конструкции, и они могут сильно нагреваться. Повышение температур приводит к росту интенсивности отказов радиоэлементов, вызывает ускоренное старение конструкционных материалов. Для того чтобы они имели допустимые значения необходимо обеспечить хороший теплообмен аппарата с окружающей средой.

Тепловой режим (ТР) ЭС – пространственно-временное распределение температуры в пределах завершенной конструкции.

Тепловой режим является стационарным, если температуры во всех точках конструкции постоянны во времени.

Тепловой режим ЭС считается нормальным, когда температуры всех деталей и узлов конструкции при заданных условиях эксплуатации не превышают предельно – допустимых значений установленных ТУ на них.

При расчетах часто удобнее оперировать не температурами, а перегревами. Перегрев – разность между температурой некоторой точки (области) конструкции ЭС и температурой окружающей среды:

t = t (x,y,z) - t_c

Элементы конструкции, выделяющие теплоту, называют источниками, поглощающие – стоками, а сам процесс передачи тепла – теплообменом. Теплообмен происходит вследствие разности температур между телами, а также между телами и средой.

Часть конструкции ЭС, в которой сосредоточенны источники тепловой энергии, называется нагретой зоной (шасси с расположенными на нем элементами, блоки функциональных узлов, и др.).

В конструкциях можно выделить поверхности (объемы), во всех точках которых температуры одинаковы или условно одинаковы. Такие поверхности (объемы) принято называть изотермическими.

Теплообмен между нагретыми телами и окружающей средой количественно характеризуется тепловым потоком или плотностью теплового потока.

Тепловым потоком Р называется количество тепла Q передаваемое от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой (в общем случае к среде) в единицу времени τ, т. е.

P = Q / τ .

Различают три физических процесса передачи тепла: теплопроводность (кондукция), конвекция, излучение.

7.2 Процессы передачи тепла

Теплопроводность – перенос тепловой энергии при соприкосновении между собой частиц вещества или отдельных тел, имеющих разные температуры.

Теплопроводность может происходить в твердых телах, газах и жидкостях. Рассмотрим одномерный процесс, когда тепло передается от изотермической поверхности S₁ к изотермической поверхности S₂ (рис. 7.1). Этот случай описывается уравнением Фурье:

P_Т = (· S / l) · (t₁ – t₂), (7.1)

P_Т - тепловой поток, передаваемый кондукцией между поверхностями S₁ и S_2;

 - коэффициент теплопроводности материала;

S = 0,5 ( S₁ + S₂ ) – площадь средней изотермической поверхности;

t₁, t₂ - температуры изотермических поверхностей S₁, S_2,

l - расстояние между изотермическими поверхностями.

Произведя замену  / l =  _T из (7.1 ) получим:

P_T = _T·S (t₁ – t₂), (7.2)

где _T - коэффициент теплопередачи кондукцией.

Рисунок 7.1- Пояснение к закону Фурье

Конвекция – процесс передачи тепла, происходящий между поверхностью твердого тела с температурой и некоторой газообразной или жидкой средой с температурой , обусловленный естественным или принудительным перемешиванием среды около поверхности.

Полный тепловой поток, отдаваемый изотермической поверхностью среде за счет конвекции, определяется в соответствии с законом Ньютона:

P_К = _К·S (t₁ – t₂), (7.3)

где _К - коэффициент конвективного теплообмена;

S - площадь теплоотдающей поверхности.

Коэффициент _К представляет собой тепловой поток между единицей поверхности твердого тела и средой при разности температур между телом и средой в один градус.

В общем случае _К зависит от температур t₁ и t₂ и ряда физических констант среды и геометрических параметров:

_{К =} f ( t₁, t₂, , , C_p, , Ф, a, g ),

где  - коэффициент объемного расширения среды (жидкости или газа) 1 / С;

 - коэффициент теплопроводности среды, Вт / м ·С

С_р - удельная теплоемкость среды при определенном давлении, Дж/ кг·С;

 - коэффициент кинетической вязкости среды, м² / с;

g – ускорение силы тяжести, м / с²

a =  / C_p  - коэффициент температуропроводности среды, м² /с;

 - плотность среды, кг / м³

Ф - совокупность параметров, характеризующих форму и поверхность тел.

Многие из этих параметров взаимосвязаны, и зависят от температуры. В связи с этим практически единственным способом определения коэффициента теплоотдачи _к для различных условий является эксперимент. То есть, для того чтобы рассчитать тепловой режим изделия его надо сначала испытать. Проблему расчета _к помогает решить теория подобия, которая позволяет распространить результаты единичного опыта на целую группу подобных явлений.

Согласно этой теории сложные процессы можно характеризовать не отдельными частными параметрами, а обобщенными, представляющими собой безразмерные комплексы размерных физических величин. Комплексы называются критериями или числами подобия. Уравнение, связывающее между собой критерии, называют критериальным уравнением.

В теории массотеплообмена известно более 10 критериев, мы рассмотрим только четыре из них. Знание этих критериев позволяет производить расчет ТР конструкций ЭС с естественным и принудительным охлаждением.

Критерий Нуссельта записывается следующим образом:

N_u = _к · L / , (7.4)

где L - определяющий геометрический размер тела (внутренний диаметр трубы, высота цилиндра или вертикальной стенки, наименьшая сторона горизонтально расположенной поверхности и т.п.).

Критерий Нуссельта характеризует соотношение интенсивностей конвективного теплообмена и теплопроводности в пристеночном слое среды.

Критерий Грасгофа:

Gr =  ·g · (L³ / ²) · (t₁ – t₂). (7.5)

Этот критерий характеризует соотношение подъемной и вязкой сил в потоке среды при естественной конвекции, иначе говоря, насколько велика «тяга» при естественной конвекции (как в печной трубе).

Критерий Прандтля:

Pr = /a . (7.6)

Показывает, насколько быстро среда нагревается вглубь (в какой мере глубинные слои участвуют в теплообмене).

Критерий Рейнольдса:

Re = v·L /  (7.7)

где v- скорость движения газа или жидкости при вынужденной конвекции (скорость обтекания, обдува)

Критерий Рейнольдса используется только при расчетах принудительной конвекции.

Теплообмен излучением основан на способности твердых, жидких и газообразных тел излучать и поглощать тепловую энергию в виде электромагнитных волн инфракрасного диапазона.

Для двух тел, участвующих во взаимном теплообмене излучением (или для тела, помещенного в газовую среду), результирующий тепловой поток, направленный от изотермической поверхности S₁ первого тела с температурой t₁ ко второму телу (или газовой среде) с температурой t₂ определяется соотношением, полученным на основании закона Стефана-Больцмана:

P_Л = C_o ε_пp _1,2 S₁ {[(t₁ + 273) / 100 ]⁴ - [(t₂ + 273) / 100]⁴ }, (7.8)

где С_о = 5,673 Вт / м²·град⁴ - коэффициент излучения абсолютно черного тела;

ε_пp - приведенная степень черноты поверхностей тел, участвующих в теплообмене;

_{1, 2} - коэффициент взаимной облученности тел (фактор экранирования). Он показывает, какая часть теплового потока, испускаемая нагретым телом, поглощается холодным.

Параметр ε_пp определяется по-разному в зависимости от расчетной модели. Например, при теплообмене неограниченных плоскопараллельных пластин, поверхности которых характеризуются степенями черноты ε₁ и ε₂, приведенная степень черноты определяется по формуле:

ε_пр = 1 / (1 / ε ₁ + 1 / ε₂ - 1) (7.9)

Значения степени черноты для различных материалов приводятся в папке «Справочники».

Необходимо заметить, что в оптическом смысле коэффициент черноты от цвета поверхности не зависит, а зависит в основном от ее состояния.

Для практических расчетов выражение (7.8) преобразуется к виду:

P_л = _л S₁ (t₁ - t₂ ), (7.10)

где _л = ε_пр ₁₂ f ( t₁, t₂ ) - коэффициент теплопередачи излучением,