Водно-воздушная система охлаждения

В стоечных конструкциях, отвод теп­ла от модулей осуществляется поступающим в стойку от центрального кондицио­нера или автономных вентиляторов воздухом или хладагентом, протекающим по трубам к охладителям. Охладитель выполняется в виде системы горизонтально ориентированных параллельно проходящих трубок, расположенных под каждым модулем.

Для эффективного смешивания воздуха и быстрой передачи теплоты охла­ж­дающей жидкости в стойку вводится вентилятор.

Проточная схема охлаждения конструктивно проста, но требует большого рас­хода жидкого хладагента. Введение в схему охлаждения теплообменника, в кото­ром происходит охлаждение жидкого хладагента, позволяет получить замкнутую систему охлаждения и снизить расход хладагента.

Выбор системы охлаждения На выбор способа охлаждения влияют

1. режимы работы РЭС

2. конструктивное исполнение

3. рассеиваемая мощность

4. объект установки

5. окружающая среда.

Режим работы РЭС характеризует длительности включенного и выключенного состояния. Различают три режима работы:

- длительный;

- кратковременный;

- кратковременно-повторный.

Длительный режим характерен для стационарных РЭС, которые находятся во вклю­ченном состоянии в течение многих часов.

Кратковременный режим характерен для бортовых РЭС, время работы, которых не превышает нескольких минут.

При проектировании РЭС с длительным временем включенного состояния воз­никает необходимость в разработке принудительной системы охлаждения. Для ап­паратуры разового использования с кратковременным режимом работы, можно обойтись без принудительной системы охлаждения.

Предварительные данные о системе охлаждения позволяет получить тепловой анализ платы. Для этого по каждой плате составляется перечень тепловыделяющих ком­понентов, устанавливаются рассеиваемые мощности и максимально допустимые температуры. Рассчитываются плотности q_s и q_v тепловых потоков компонентов. На основе этих данных выделяются критичные к перегреву компоненты, которые ставятся на теплоотводы. Выбираются системы охлаждения.

Допустимая плотность теплового потока негерметичного РЭС:

Способ охлаждения	Плотность теплового потока qs Вт/см^2 не более
Естественная конвекция и излучение	0,05
Вынужденная конвекция	0,5
Водо-воздушное охлаждение	0,65

Допустимая плотность теплового потока при внутреннем охлаждении

герметичной РЭС:

Способ охлаждения	Плотность теплового по­тока qv Вт/см^2 не более
Естественная конвекция и излучение	0,02
Вынужденная конвекция	0,45
Водно-воздушное охлаждение	0,6

Для каждого блока составляется перечень входных печатных плат. Платы раз­мещаются по критерию минимального их перегрева. Определяется хладагент. Если хладагентом является воздух, то надо установить его количество, максимально возможную температуру на выходе системы охлаждения, проверить запыленность и наличие в нем агрессивных примесей. Поставить фильтры.

Воздух на входе системы охлаждения может оказаться теплым. Для охлажде­ния воздуха до необходимой температуры в систему охлаждения вводится конди­ционер.

При отсутствии на объекте воздуха в необходимом количестве можно исполь­зовать хладагент (вода) по схеме водно-воздушного охлаждения.

Отсутствие на объекте воздуха или жидкости требует отвода тепла на холодные массивные элементы несущих конструкций. Параметры и ха­рактеристики технических средств систем охлаждения должны быть согласованы с энергетическими возможностями объекта эксплуатации.

Если на объекте не ока­жется источников электропитания требуемых напряжений и мощности, то возникает необходимость во введении в конструкцию источников питания систем охлажде­ния.

Тепловыми расчетами подтверждается выбранный способ охлаждения.

Существующие методики тепловых расчетов разнообразны, но в большинстве из них теплонагруженные компоненты совместно с конструктивными элементами, на которые они установлены, моделируются условной нагретой зоной.

Нагретая зона РЭС конструктивно выполнена в виде набора печатных плат.

Тепловой режим элементов в блоках

Для расчета теплового режима элементов, находящихся внутри блочной конст­рукции, необходимыми исходными данными являются

1. число теплопроводящих элементов N, каждый из которых (с номером i) ха­рактеризуется определяющей высотой h_i

2. поверхностью охлаждения S_oi

3. мощностью тепловыделения P_i

4. площадью основания шасси S_ш на котором располагаются элементы.

Элемент – это любой источник тепловой энергии (процессор, конденсатор и т.д.).

Определение основных параметров эквивалентной модели

Коэффициент заполнения блока:

,

где 

- V_i – объем i-го элемента;

- N число теплопроводящих элементов.

Нагретой зоной называется та часть внутреннего пространства, в которой рас­полагаются тепловыделяющие элементы.

Высота нагретой зоны (эквивалентной)

Эквивалентная поверхность охлаждения расчетной модели элемента:

Расчетная модель элемента представляет собой параллепипед с выстой h_э и квадратным основанием.

Сторона основания расчетной модели элемента:

Величина промежутков между расчетными моделями элементов:

Определение температурного режима блока, имеющего герметичный ко­рпус

При выборе герметичного корпуса для устройства необходимо учитывать ряд требований:

Критическая величина промежутков между элементами:

где dкр величина промежутков между расчетными моделями элементов

h_э – высота расчетной модели элемента.

Эффективная поверхность охлаждения элемента:

Превышение температуры нагретой зоны над температурой

о кружающей среды блока равно

,

где R_ск – тепловое сопротивление между окружающей средой и поверхностью корпуса

R_зк – тепловое сопротивление между нагретой зоной и корпусом (нагретая зона ограничена с одной стороны поверхностью S_эфф, а с другой – поверхностью шасси S_ш).

При этом:

,

где  - коэффициент теплоотдачи для воздушной среды

S_об – полная поверх­ность охлаждения блока

S_об1 и S_об2 – поверхности блока, расположенные над и под шасси

h_б1 и h_б2 – расстояния от верхней и нижней крышек корпуса до шасси.

Превышение температуры воздуха в корпусе над температурой окружающей среды равно:



где  - коэффициент теплоотдачи для воздушной среды.

Определение теплового режима блока, имеющего перфорированный корпус

Р.ы. Данный расчет основывается на предположении, что рассматриваемая система состоит из следующих зон

1. корпуса _к

2. воздуха в нижней части кожуха ₁

3. воздуха в верхней части кожуха ₂

4. нагретой зоны ₃

5. окружающей среды _с.

При этом,

₁=0,5(_с+_ш) ₂=0,5(_вых +_ш),

где _ш и _вых – температура шасси и выходящего из блока воздуха.

Теплосодержание воздуха, поступающего в нижнюю и верхнюю части кожуха, обусловлено потоком тепла, идущего от кожуха и нагретой зоны

Q₁ = _к[S_ш(_ш-₁)+S_об2 (_к-₁)]

Q₂ = _к[S_эфф(₃-₂)+S_об1 (_к-₂)],

где Q₁ – теплосодержание воздуха в нижней части кожуха,

Q₂ – теплосодержа­ние воздуха в верхней части кожуха,

S_об2 – поверхность блока под шасси,

S_об1 – по­верхность блока над шасси,

S_эфф – эффективная поверхность охлаждения элемента,

- конвективная составляющая коэффициента теплоотдачи, Втсм^-2 град^-1,

∆ - превышение температуры нагретой зоны над температурой окружающей среды.

Q₁=2с(₁-₂)

Q₂=2с(_вых-₂),

где,  - массовый расход воздуха кгс^-1,

с – удельная теплоемкость воздуха.

Мощность, поступающая посредством излучения от нагретой зоны к ко­рпусу, передается от него конвекцией внутрь блока, а также конвекцией и излучением в окружающую среду

где S_об – полная поверхность охлаждаемого блока,

 - коэффициент теплоот­дачи для воздушной среды,

- коэффициент теплоотдачи, соответст­вующий излучению, Втсм^-2 град^-1.

Полная мощность, выделяемая нагретой зоной, передается окружающей среде посредством теплоотдачи с поверхности блока S_об и выходящим из блока возду­хом

P = (_к-_с)S_об+2с(₂-₁).

Расход воздуха через блок равен:

,

где k_р = 0,69 – коэффициент, зависящий от формы отверстия, для круглых и квадратных отверстий k_р = 0,64

_с – плотность воздуха

S₁,S₂,S₃ – площадь отверстий в верхней и нижней частях корпуса и в шасси

h₁, h₂ – расстояния от шасси до отверстий в корпусе

Тс - символ абсолютной температуры.

Рекомендации по теплообмену при конструировании блоков РЭС

Рекомендации, относящиеся к конструированию блока, сводятся к следующему

1. площадь отверстий в корпусе должна составлять 20-30 полной поверхности корпуса

2. отверстия на крышке и основании должны иметь одинаковую площадь

3. высота корпуса должна быть по возможности наибольшей

4. основание корпуса (если в нем есть отверстия) должно быть максимально удалено от поверхности, на которую устанавливается корпус

5. оптимальная ширина отверстий в корпусе рекомендована 5 мм.

Перечисленные рекомендации уменьшают перегрев РЭС внутри перфорированного корпуса на 30%, в отличии от перегрева РЭС в герметичном корпусе.

Определение теплового режима блока, имеющего принудительную вентиляцию

Теплосодержание воздуха, поступающего в блок, обусловлено потоками тепла, идущего от нагретой зоны и от корпуса. Мощность, поступающая к корпусу от нагретой зоны посредством излучения, передается в окружающую среду и охлаждающему воздуху.

Для интенсификации условий теплообмена в блочных конструкциях необходимо придерживаться следующих рекомендаций

- наносить на внутренние и наружные поверхности корпуса и шасси лакокрасочные покрытия (перегрев снижается на 10-15% по сравнению с неокрашенными)

- использовать оребрение или перфорирование поверхностей охлаждения (перегрев снижается на 10%)

- располагать наиболее критичный к перегреву блок в нижней части стойки

- не допустить застойных зон со слабой циркуляцией воздуха. Такие зоны образуются при подводе воздуха через отверстия малого диаметра или одного отверстия

- стремиться к обеспечению выравнивания подачи воздуха с помощью, например, перфорированных решеток

- стремиться к расположению элементов таким образом, чтобы между ними образовывались бы каналы примерно одинакового сечения

- размещать элементы в шахматном или близком к нему порядке по ходу воздуха

- стремиться к заполнению блока элементами, характеризующемуся коэффициентом заполнения k_з = 0,40,6, что обеспечивает оптимальный его тепловой режим.

Тепловой режим при повторно-кратковременной работе

Повторно-кратковременный режим работы элемента характеризуется равномерно повторяющимися процессами нагревания и охлаждения.

После длительного времени работы наступает установившийся периодический режим. В этом режиме температура (или перегрев) будет колебаться между двумя крайними значениями. При этом максимальная величина температурного перепада при повторно-кратковременном режиме определяется как:



,

где - установившиеся значения температурного перепада в непрерывном режиме

P – номинальная нагрузка

Т = с(S_о)^-1 – постоянная времени

с – эквивалентная теплоемкость элемента

- скважность.

Эквивалентная теплоемкость элемента вычисляется по формуле:

,

где c_c, c_м и c_и – удельные теплоемкости стали, меди и изоляции

_с, _м и _и – масса стали, меди и изоляции.

Величина нагрузки для эквивалентного непрерывного режима определяется как:

.