Book5 (Учебник Конструирование РЭС), страница 7

234

Обратимся к конструкции блока РЭС с принудительным воздушным охлаждением, схематично изображенного на рис. 5.46, а. Поток охлаждающего воздуха протекает между поверхностью нагретой зоны 2 и кожухом 1 и осуществляет внешний обдув нагретой зоны. Температура воздуха на входе системы охлаждения t _вх, на выходе — t_вых. Поверхности нагретой зоны и кожуха считаются изотермическими и имеют среднеповерхностные температуры t₃ и t _K . Предполагается, что воздушный поток прозрачен для излучения.

Рис. 5.46. Тепловая модель блока РЭС с принудительным воздушным охлаждением:
а — упрощенное изображение конструкции; б — тепловая схема

Теплообмен в блоке происходит следующим образом. Тепловой поток Р, выделяемый элементами нагретой зоны, разделяется на две составляющие, одна из которых (Р1) конвекцией передается воздушному

потоку, вторая составляющая (Р2) — излучением на кожух блока. С
кожуха часть тепла Р ₃ рассеивается в окружающей среде (конвекция и
излучение), другая часть Р ₄ уносится воздушным потоком (конвективная теплопередача).

Тепловая схема процесса теплообмена блока приведена на рис. 5.46, б.
На схеме приняты следующие обозначения: σ_{3 к} — тепловая проводи-
мость между нагретой зоной и кожухом блока; σ_{к с} — тепловая прово-
димость кожух—окружающая среда; σ_зв, σ_кв— тепловые проводимости от нагретой зоны и кожуха к воздушному потоку.

По тепловой схеме составляются алгебраические уравнения, связывающие показатели теплового режима:

Р = Р₁₊Р₂; Р₂ = Р₃₊Р₄; (5.49)

P=σ_з.в(t_з-t_в)+σ_з.к(t_з-t_к);

(5.50)

σ_з.к(t_з-t_к)=σ_кc(t_k-t_c)+σ_з.в(t_к-t_в)

235

где t _B = 0,5 (t _BX+t _вых) — среднее значение температуры охлаждающего воздуха.

Третье уравнение, необходимое для получения решения, записывается в предположении, что все тепло, кроме рассеиваемого в окружающем пространстве, расходуется на повышение теплосодержания воз-
душного потока:

P=σ_к._с(t_к-t_с) +w(t_вых-t_вх). (5.51)

где w = GvρСp — условная тепловая проводимость воздушного потока (G v — объемный расход воздуха в системе охлаждения; ρ , С _р-плотность и удельная теплоемкость воздуха при температуре t _B).

Неизвестными в уравнениях (5.49)—(5.51) являются среднеповерх-
ностные температуры корпуса t _к и нагретой зоны t₃ , а также темпера-
тура воздуха на выходе системы охлаждения t _вых. Совместное решение
уравнений дает возможность выразить эти температуры, если бы от них
не зависели тепловые проводимости. Поэтому задача может быть реше-
на методом последовательных приближений или тепловой характери-
стики. Конвективные коэффициенты теплопередачи от нагретой зоны
и внутренней поверхности кожуха находят, используя модели продоль-
ного или поперечного обтекания тел воздушным потоком, конвектив-
ный коэффициент теплопередачи от кожуха в окружающее простран-
ртво — для случая естественной конвекции в неограниченном про-
странстве.

Наличие в нагретой зоне блока каналов для протекания воздуха из-
меняет подход к построению тепловой модели и усложняет саму мо-
дель. Чтобы убедиться в сказанном, обратимся к блоку кассетной кон-
струкции с принудительным воздушным охлаждением. Схематическое
изображение конструкции приведено на рис. 5.47, а. Охлаждающий
воздух поступает через воздухораспределитель 3 в межплатные зазоры,
поглощает рассеиваемое платами 2 тепло и выходит за пределы кожуха блока 1.

Особенностью процесса теплообмена в блоках этого типа является
неравномерность температурного поля как в направлении движения
воздуха, так и в поперечном сечении блока. Тем не менее предполага-
ется, что каждая плата представляет собой нагретую зону с изотерми-
ческой поверхностью. Воздух, проходящий через блок, прозрачен для
теплового излучения, коэффициенты конвективного теплообмена по-
верхностей нагретой зоны и кожуха внутри блока одинаковы.

Оценка стационарного теплового режима блока кассетной конст-
рукции с принудительным воздушным охлаждением является тепло-

236

Рис. 5.47. Тепловая модель блока кассетной конструкции с принудительным

воздушным охлаждением: а — упрощенное изображение конструкции;

б — фрагмент тепловой схемы

физической задачей расчета конвективного теплообмена в плоском ка-
нале, образованном поверхностью платы и поверхностью нагретой зоны
со стороны тепловыделяющих элементов. При этом ширина канала
δ _к =b - h з , где b — шаг установки функциональных ячеек в блоке,h ₃ — высота нагретой зоны.

Исследование принудительного конвективного теплообмена в кана-
лах, образованных платами с установленными на них радиоэлементами
(каналы с незначительной шероховатостью), привело к следующим
критериальным зависимостям [20]:

Nu = 0,35Red₃/l_n при Red_s/l_n< 11,3;
Nu = l,5(Red₃/l_n)^0.33 при Re<2200; (5.52)

Nu = 0,029Rе^0.8(d_э/l_п)^0.054 при Re>2200,

где d_Э = 2(b — h₃) = 2δ_К — эквивалентный гидравлический диаметр;l _п — длина платы в направлении движения охлаждающего воздуха.

Теплофизические параметры воздуха в критериальных уравнениях оп-
ределяются при температуре t _BX.

Фрагмент тепловой схемы блока для трех функциональных ячеек
приведен на рис. 5.47, б. Каждая из трех ячеек отдает тепло воздушно-
му потоку (тепловая проводимость σ _{з в} ), кожуху (σ_зк ), часть тепла с кожуха уносится воздушным потоком (σ _кв), оставшаяся часть рассеи-

237

вается в окружающем пространстве (σ _{к с}). Кроме того, осуществляется

взаимный теплообмен между функциональными ячейками через тепло-
вые проводимости σ _б.

Тепловая проводимость σ_зв=α_звS₃ . Конвективный коэффициент теплопередачи α_3в находят с помощью критериальных уравнений
(5.52). Проводимость σ_3к характеризует теплопередачу излучением с
торцевых поверхностей нагретых зон на кожух: σ_3к=α_злSзл , где α_3л — коэффициент теплопередачи излучением, S_3л — площадь торцевой поверхности нагретой зоны. Тепловая проводимость конвективной теплопередачи кожуха воздушному потоку σ_KB=α_KBS_k, где
α _{к в} ≈ α_{3 в}. Проводимость σ _кс характеризует теплопередачу наружной

поверхности кожуха окружающей среде конвекцией и излучением.
Тепловую проводимость взаимного теплообмена а _б находят в резуль-
тате представления пакета функциональных ячеек однородным анизот-
ропным телом.

5.7. Тепловое моделирование конструкций РЭС
с принудительным жидкостным охлаждением

Принудительное жидкостное охлаждение применяется в теплонаг-
руженных конструкциях. Тепло отбирается в результате прокачки че-
рез аппаратуру охлаждающей жидкости. Наибольшее распространение
этот способ получил при охлаждении больших элементов, представля-
ющих собой локализованные источники тепла. Охлаждающая жид-
кость прокачивается насосом через специальные каналы, выполненные
в платах или кожухе аппаратуры.

Одной из важных задач проектирования системы принудительного
жидкостного охлаждения является выбор теплоносителя, который дол-
жен отвечать следующим требованиям:

при выбранном режиме движения не должно происходить закипания теплоносителя на охлаждаемых поверхностях;

теплоноситель в системе охлаждения должен быть пожаробезопасным;

если охлаждаемые поверхности, контактирующие с теплоносителем, находятся под электрическим потенциалом, то теплоноситель
должен обладать высокими электроизоляционными свойствами;

физические свойства теплоносителя не должны изменяться в диа-
хшоне ргбочта. темщшуо охлаждаемого объекта.

238

В качестве теплоносителей обычно применяются вода, водоспирто-
вые смеси (антифризы), кремнийорганические и фторорганические
жидкости. В системах принудительного жидкостного охлаждения воз-
можны все три режима движения теплоносителя: ламинарный, пере-
ходный и турбулентный.

В блоках РЭС принудительное жидкостное охлаждение применяет-
ся для отвода тепла от кожухов или нагретых зон. При охлаждении ко-
жухов трубопровод прокладывается по наружной или (чаще) по внут-
ренней поверхности кожуха. Конструкция системы принудительного
жидкостного охлаждения нагретой зоны блоков зависит от ее структу-
ры. Так, в блоках с шасси трубопровод с теплоносителем прокладыва-
ется по верхней или нижней поверхности шасси между элементами и
связан с шасси сваркой или пайкой. В блоках с интенсивным тепловы-
делением часто используются теплообменники «воздух — жидкость»,
через которые нагретый воздух продувается малогабаритными венти-
ляторами. Значительная часть тепловой энергии, рассеиваемой нагре-
той зоной, уносится жидким теплоносителем из теплообменников.
Блоки кассетного типа с принудительным жидкостным охлаждением
конструктивно аналогичны блокам с воздушным охлаждением. Отлича-
ются они более массивным герметичным кожухом и наличием межплат-
ных каналов для прокачки охлаждающей жидкости. Из входного пат-
рубка теплоноситель через жидкостный распределитель попадает в
межплатные каналы. Отбирая из нагретой зоны блока тепло, теплоно-
ситель выходит через другой патрубок, который может располагаться
как со стороны входного патрубка, так и с противоположной стороны.

Упрощенное представление конструкции с системой принудитель-
ного жидкостного охлаждения дано на рис. 5.48, а. Трубопровод с теп-
лоносителем 2 припаян к теплостоку в нагретой зоне 3, температура
жидкости на входе системы t_ex, на выходе — t _вых. Тепло, выделяемое

Рис. 5.48. Тепловая модель блока с принудительным жидкостным охлаждением:
а — схематическое изображение конструкции; б — тепловая схема

239

в нагретой зоне, через стенку трубопровода передается охлаждающей
жидкости (конвективная теплопередача), конвекцией и излучением —
на кожух 1 и с наружной поверхности кожуха — окружающей блок сре-
де. Поверхности кожуха, нагретой зоны с трубопроводом считаются
изотермическими, тепловое сопротивление между теплостоком и тру-
бопроводом мало. Не учитывается из-за малой величины и тепловое со-
противление стенки трубопровода.

Тепловая схема блока приведена на рис. 5.48, б. По схеме составля-
ется система уравнений, связывающих обозначенные переменные:

Р=Р₁₊Р₂;
P₁ =σ_з.ж(t_з-t_ж): (5-53)

P₂ ⁼ σ_з.к(t_з-t_k) =σ_к.с(t_к-t_с)

где σ_3ж— тепловая проводимость конвективной теплопередачи от на-
гретой зоны к жидкости; σ _{3 к}— тепловая проводимость теплопередачи конвекцией и излучением через воздушную прослойку от нагретой
зоны к кожуху; σ_кс — тепловая проводимость, характеризующая теплообмен кожуха с окружающей средой; t₃, t _к — среднеповерхностные
температуры нагретой зоны и кожуха; t_ж = 0,5(t _BX+t _вых) — средняя
температура охлаждающей жидкости.

Дополнительное уравнение получают исходя из условия, что все
тепло, кроме рассеиваемого в окружающей среде, расходуется на повы-
шение теплосодержания охлаждающей жидкости:

Pσ_к._с(t_к-t_с)+w_ж(t_вых-t_вх) (5.54)

где w _Ж = G _Vρ С_p — условная тепловая проводимость жидкости.

Плотность ρ и удельная теплоемкость С_P жидкости берут для сред-
ней температуры t _ж.

Тепловая проводимость σ_3ж=α_зжS_тр ,где α_зж— конвективный
коэффициент теплопередачи от стенки трубопровода к жидкости; S_ТР

— площадь внутренней поверхности трубопровода.

Определение α _3ж производится для условий принудительного кон-
вективного теплообмена в трубах.

Тепловые проводимости σ_{3 к} и σ_кс характеризуют теплообмен с
окружающей средой при естественной воздушной конвекции.

240

Для определения неизвестных среднеповерхностных температур на-
гретой зоны t₃, кожуха t _K и температуры жидкости на выходе системы

охлаждения t_вых можно воспользоваться методами последовательных
приближений или тепловой характеристики.

5.8. Тепловые трубы

Рис. 5.49. Конструкция тепловой трубы

Тепловая труба (ТТ) — испарительно-конденсационное герметич-
ное устройство с использованием капиллярных сил, служащее для пе-
редачи тепла и работающее по замкнутому ,циклу. Конструктивно пред-
ставляет собой герметичный объем, ограниченный корпусом трубы 1
(рис. 5.49), внутренняя поверхность которого выложена капиллярно-по-
ристой структурой, насыщенной смачивающей жидкостью. Капиллярно-пористая структура может быть реализована в виде
металлической сетки,спеченных гранулированных материалов ,металловолокна, стеклоткани и системы канавок на внутренней стенке корпуса. Смачивающая жидкость является теплоносителем, и в зависимости от уровня температуры в зоне источника тепла в качестве теплоносителя выбираются жидкие металлы, ртуть, аммиак, вода, ацетон, спирты, фреоны и др. При температурах свыше 750 К используются жидкие металлы, для
диапазона температур 550 К ≤Т ≤ 750 К — ртуть (высокотемпературные
ТТ). В области средних температур (200 К< Т<550 К) в качестве теп-
лоносителя применяются органические жидкости, вода (низкотемпера-
турные ТТ), при температурах ниже 200 К теплоносителем служат сжи-
женные газы (криогенные ТТ).

Тепловая труба делится на три зоны: испарительную а, транспорт-
ную б и конденсационную в. При подводе тепла к испарительной зоне
теплоноситель в этой части капиллярно-пористой структуры начинает
испаряться. Пары теплоносителя, пройдя транспортную зону, поступа-
ют в конденсационную зону, где в результате конденсации паров выде-
ляется тепло, а жидкость под действием капиллярных и гравитацион-
ных сил возвращается в зону испарения.