Тема 6 Основы обеспечения нормальных тепловых режимов РЭА (Конспект лекций ОКТРЭС)

6. ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НОРМАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХРЕЖИМОВ РЭАКонструкции РЭС как преобразователи электрической энергии вбольшинстве случаев обладает низкими коэффициентами полезного действия. Поэтому в процессе работы РЭС большая часть подводимой электрической энергии преобразуется в тепло, которое расходуется на нагреваниеузлов и деталей и частично рассеивается в окружающее пространство. Общий баланс энергии в РЭС можно выразить уравнением:Еп=Е1+Е2+Е3,где Еп - энергия, отбираемая устройством от источников питания, Е1 полезная энергия, Е2 - энергия, рассеиваемая в окружающее пространство,Е3 - тепловая энергия, вызывающая нагревание деталей и узлов.Известно, что повышение температуры способствует росту интенсивности отказов радиоэлементов, вызывает ускоренное старение конструкционных материалов. По этой причине при разработке инструкций РЭС стремятся обеспечить хороший теплообмен аппарата с окружающей средой, т.е.в пределах возможного снизить величину Е3 или улучшить отношениеЕ2/Е3.Миниатюризация РЭС способствует значительному снижению потребления от источников питания.

Однако уменьшение габаритов РЭС вконечном счете ведет к росту отношения выделяемой тепловой энергии иэнергии рассеиваемой в окружающее пространство. Поэтому проблемаобеспечения тепловых режимов в современных РЭС не утрачивает своейостроты. Напротив, допустимый нагрев элементов конструкции становитсяодним из основных ограничивающих факторов на пути дальнейшего улучшения маccо-габаритных характеристик РЭС.6.1. Основы теории теплообмена в РЭСТеплообмен между нагретыми телами и окружающей средой, конструкциями и средой количественно характеризуется тепловым потоком и егоплотностью.Тепловым потоком называется количество тепла Q передаваемое оттела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой (вобщем случае к среде) в единицу времени τ ,т.е.Р=Q/τТепловой поток, отнесенный к площади изотермической поверхностиназывают плотностью теплового потока:q=Q/(τS)=Р/S ,2где S - площадь изотермической поверхности.

В общем случае теплообмен осуществляется с помощью трех способов видов тепла: теплопроводностью (кондукцией), конвекцией и излучением.6.2. Передача тепла теплопроводностьюТеплопроводностью (кондукцией) называют перенос тепловой энергии при соприкосновении между собой частиц вещества или отдельных тел,имеющих разные температуры.Полный тепловой поток Рт передаваемый от изотермической поверхности S1 к изотермической поверхности S2 выражается какPт =λSl( t 1 − t 2) ,(6.1)где : γ - коэффициент теплопроводности материала, S=0,5(S1+S2) - площадь средней изотермической поверхности , t1 ,t2 - температуры изотермических поверхностей S1,S2, l=x1-x2 - расстояние между изотермическимиповерхностями.Произведя заменуиз (6.1) получим:λ/l=αTРT=αTS(t1-t2),(6.2)где αT - коэффициент теплопередачи кондукций. Значения коэффициентов теплопроводности наиболее распространенных конструкционных материалов приведены в таблице 6.1.Таблица 6.1Наименование материалаα вт/м град1.

Алюминевые сплавы160-1802. Бракеритовая керамика180-2003. Воздух0,0254. Германий52-585. Гетинакс0,15-1,186. Кремний120-1307. Ковар Н29К18218. Керамика 22ХС18-209. Латунь100-20010. Магниевые сплавы120-12711. Медь380-390312. Олово6413. Пенопласт=0,05-0,2 кг/см0,04-0,0614. Резина0,11-0,166.3. Передача тепла конвекциейПроцесс теплообмена между поверхностью твердого тела с температурой t1 и некоторой газообразной или жидкой средой с температурой t2=tc,обусловленной естественным или принудительным перемешиванием средыоколо поверхности носит название конвективного теплообмена.Полный тепловой поток Рк , отдаваемый изотермической поверхностью S среде за счет конвекции как:Рк=αкS(t1-t2),(6.3)где αк- коэффициент конвективного теплообмена. Коэффициент αкпредставляет собой тепловой поток между единицей поверхности твердоготела при разности температур между телом и средой в один градус.В общем случае αк зависит от температур t1 и t2 и ряда физическихконстант среды:αк=f(t1, t2, b, λ, Сp, ν, а, g, Ф),где b - коэффициент объемного расширения среды (жидкости или газа)1/oС,λ - коэффициент теплопроводности среды, Вт/моС,Сp - удельная теплоемкость среды при определенном давлении, Дж/кгoС,ν - коэффициент кинематической вязкости среды, м2/с,g - ускорение силы тяжести, м/с2,а=λ/ Сp ρ - коэффициент температуропроводности среды, м2/с,ρ - плотность среды, кг/м3 ,Ф - совокупность параметров, характеризующих форму и поверхностьтел.Зависимость физических констант среды от температур t1 и t2 и бесконечное разнообразие возможных форм поверхности нагретых тел исключает возможность получения табличных значений конвективных коэффициентов теплопередачи как теоретическими, так и экспериментальнымиметодами.4Поэтому для определения αkиспользуются основные положениятеории подобия.

Согласно этой теории сложные процессы характеризуютсяобобщенными параметрами, представляющими собой безразмерные комплексы размерных физических величин. Если значения обобщенных параметров находятся в определенном диапазоне величин, то процессы (явления) считаются подобными. В теории теплообмена используются четыреобобщенных параметра (критерия), каждый из которых выражается черезопределенное количество физических параметров среды. Знание критериевпозволяет без особых затруднений найти αk.Критерии подобия (критериальные уравнения).Для определения конвективного коэффициента теплопередачи в условиях естественной и принудительной (вынужденной) конвекции достаточноопределить:„ критерий НуссельтаNu =α L,λ(6.4)kгде L - определяющий геометрический размер тела (внутренний диаметртрубы, высота цилиндра или вертикальной стенки, наименьшая сторона горизонтально расположенной поверхности и т.п.),„ критерий Грассгофа3Gr = βg L (t − t ),„ критерий ПрандитляνPr =„ критерий РейнольдсаRe =221(6.5)ν , (6.6)avLν, (6.7)где v - скорость движения газа или жидкости при вынужденной конвекции.Из (5.4) видно, что коэффициент αk выражается через критерий Нуссельта.6.4.

Передача тепла излучением5Процесс теплообмена излучением основан на способности твердых,жидких и газообразных тел излучать и поглощать тепловую энергию в видеэлектромагнитных волн инфракрасного диапазона.Для двух тел, участвующих во взаимном теплообмене излучением(или для тела, помещенного в газовую среду), результирующий тепловойпоток, направленный от изотермической поверхности S1 первого тела стемпературой t1 ко второму телу (или газовой среде) с температурой t2 определяется соотношением:Pл=Coεпрϕ12S1{[(t1+273)/100]4-[(t2+273)/100]4},(6.8)где Co=5.673 Вт/м2град4 - коэффициент излучения абсолютно черноготела, εпр - приведенная степень черноты поверхностей тел, участвующих втеплообмене, ϕ12 - коэффициент взаимной облученности тел.При теплообмене неограниченных плоскопараллельных пластин, поверхности которых характеризуются степенями черноты ε1 и ε2, приведенная степень черноты:εпр=1/(1/ε1+1/ε2-1)(6.9)Для теплообмена в замкнутом пространстве:εпр=1/[1/ε1+(1/ε2-1)S1/S2],(6.10)где S1, S2 - площади поверхностей первого и второго тел, Значениястепени черноты некоторых материалов приводятся в справочных данных.Коэффициент φ12 показывает, какая часть теплового потока, испускаемаянагретым телом, поглощается холодным.

Как правило, в расчетах тепловыхрежимов РЭС полагают φ12 =1 .Для практических расчетов выражение (5.32) преобразуется к виду:Pл=αлS1(t1-t2),(6.11)где αл= εпр φ12 f(t1, t2)- коэффициент теплопередачи излучением,f(t1, t2)= 5.637 {[(t1+273)/100]4-[(t2+273)/100]4 }/( t1-t2) (6.12)66.5. Определение конвективногои лучевого коэффициентовтеплопередачи по номограммамМоделирование процесса теплообмена между конструкциями РЭС исредой для меняющихся в широких пределах исходных данных, позволилонайти аппроксимирующие выражения конвективных и лучевых коэффициентов теплопередачи в виде функций конструктивных параметров, по которым построены номограммы, позволяющие легко находить эти коэффициенты.Многообразие номограмм определяется различием в подходах к решению задачи расчета теплообмена. Применяются номограммы для определения отдельно αк и αл, и номограммы позволяющие найти эквивалентные коэффициенты теплопередачи, учитывающие перенос тепла одновременно конвекцией и излучением.Структура номограммы и схема определения конвективного коэффициента теплопередачи αк в условиях естественной конвекции в неограниченном пространстве изображена на рис.6.1.Рис.6.1Рис.6.2Для определения αк необходимо задать начальный перегрев поверхности теплообмена ∆t=t1-t2, где t1 - температура на поверхности теплообмена, t2 - температура окружающей среды, вычислить среднее значениетемпературы окружающей среды tср=0.5(t1+t2) и определяющий размер7нагретого тела (конструкции)L=(S/6)1/2 , где S - площадьповерхности теплообмена.