Book5 (1000295), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

t0j=ts+RojP

Экспериментальный метод теплового моделирования заключается в создании макета конструкции РЭС, воспроизводящего процесс
теплообмена реальной конструкции. Степень приближения макета к
конструкции зависит от конкретной задачи исследования. Так, напри-
мер, для моделирования температурного поля кожуха блока нет необ-
ходимости в воссоздании на макете структуры нагретой зоны.

На макете можно изучить динамику тепловых процессов, а также
снять распределение температур в пределах конструкции в стационар-
ном режиме.

Измерение температур производится с помощью температурных
датчиков, установленных в различных точках макета. Датчики должны

199

Рис. 5.21. Схема измерения
температурного нагрева в блоке

иметь малую теплоемкость и, следова-
тельно, массу и объем, по возможности
широкий диапазон измеряемых темпе-
ратур и линейную характеристику. В ка-
честве температурных датчиков могут
использовать терморезисторы, термо-
пары и обратно смещенные p-n-перехо-
ды полупроводниковых приборов (диоды и транзисторы в диодном включении). Однако предпочтение отдается термопарам, выполненным из микропровода. Схема измерения темпе-
ратуры с помощью термопар приведена на рис. 5.21. Применяется
встречное включение двух термопар, что дает возможность произвести
измерение перегрева Δ tj = tj,-tc .

5.2.2. Методы расчета тепловых режимов конструкций РЭС

*
Для конструкций РЭС наиболее жестким является стационарный

тепловой режим, когда температуры и перегревы в конструкции дости-
гают максимальных значений. Поэтому одной из основных задач расче-
та показателей теплового режима является определение температур в
некоторых критических точках конструкции или построение тепловой
характеристики.

Как уже отмечалось, под тепловой характеристикой конструкций
РЭС в стационарном режиме понимают зависимость температуры или
перегревау'-й точки (области конструкции) от теплового потока при за-
данной температуре окружающей среды t _c :

tj = t_c+f(P), Δtj = tj-t_c=f(P).

При передаче тепла теплопроводностью, конвекцией и излучением

Δtj=P/σ_z,

где σ_Σ; =σ_T+σ_K+σл — эквивалентная тепловая проводимость между
j-й точкой конструкции и окружающей средой.

Ввиду того что составляющие σ_Σ зависят как от температуры tj •, так
и от температуры окружающей среды t _с , задача расчета tj, и Δ t, в об-
щем случае является неопределенной. Для исключения неопределен-
ности используются специальные приемы, положенные в основу трех
методов расчета показателей теплового режима: метода последова-
тельных приближений, метода тепловой характеристики и коэффици-
ентного метода.

200

Метод последовательных приближений представляет собой ите-
ративный процесс установления соответствия с некоторой наперед за-
данной точностью между температурой t_j или перегревом Δt , эквива-
лентной тепловой проводимостью σ_t и тепловым потоком Р.

Начальное значение перегрева Δt_j^’ (температуры t_j^’ ) j-й точки или
области конструкции задают произвольно, после чего находят σ'_Σ и
расчетное значение перегрева Δt_jp^’ (температуры t_jp^’), в первом при ближении:

Δt_jp^’ =P/σ^’_Σ ; t'_jp = t_oc + P/σ^’_Σ .

При выполнении неравенства | Δt_j^’- Δt_jp^’| ≤δ, где δ = (1 ...2)° С,
за истинное значение перегрева принимают Δt_j^’ или Δt_jp^’ Если нера-
венство не выполняется, то расчет повторяется во втором приближении
при Δt_j^’’= Δt_jp^’

Более подробно порядок решения задачи можно представить следу-
ющим образом:

задают значение перегрева Δt_j в первом приближении;

для среднего значения температуры окружающей среды t_cp' =
= 0,5[t _c + (t _c + Δt'_j )]c помощью критериальных уравнений или по но-
мограмме определяют конвективный коэффициент теплопередачи α '_к;

для температуры t_j'=t_c+Δt'_j находят коэффициент теплопередачи излучением α '_л;

определяют коэффициент теплопередачи теплопроводностью α_т и
эквивалентную тепловую проводимость σ'_Σ=α_TS_cp+α'_кS+α'_лS,где S— площадь поверхности теплообмена;

находят расчетное значение перегрева для заданного теплового по-
тока Δt'_jp = P/σ'_Σ ;

проверяют условие | Δt_j^’- Δt_jp^’| ≤δ, где δ — допустимое отклонение расчетного значения перегрева от принятого в первом приближении; если неравенство не выполняется, то повторяют расчет во втором

приближении при Δt_jp^’’= Δt_jp^’.

Количество приближений зависит от величины δ и того, насколько удачно задано значение перегрева в первом приближении.

Пример 5.3. Определить среднеповерхностную температуру корпуса блока РЭС с геометрическими размерами 50x100x150 мм при тепловом потоке Р = 10 Вт и температуре окружающей среды t _c = 60°С. Корпус окрашен серой эмалевой краской.

201

Поверхность корпуса считаем изотермической со среднеповерхно-
стной температурой t_K. Тепло от корпуса к окружающей среде передается конвекцией и излучением. Площадь поверхности корпуса (тепло-
обмена) S_K = 2(0,05•0,1 + 0,05•0,2+0,1•0,15) = 0,06 м². Характерный

размер конструкции L = . Задаем перегрев корпуса в первом при-
ближении Δt'_K= 10° С. Температура корпуса в первом приближении

t'_K=t_c+Δt'_K=60+10=70"С.Среднее значение температуры окружающей среды t^‘_ср=0,5(t_с+t'_K)=0,5(60+70)=65°С.Из табл.115 теплофизических параметров сухого воздуха находим: коэффициент теплопроводности λ '_в=2,93•10^-2 Вт/(м • с), коэффициент кинематической вязкости ν'=19,5•10^-6 м²/с. Коэффициент объемного расширения воздуха β'=1/(t’_ср+ 273 )=1/(65+ 273) = 2,96•10^-3 К^-1; критерий Грасгофа

критерий Прандтля Рr' = 0,7; произведение Gr'• Pr' = 53,5 • 10 ⁴.

Из табл. 5.1 определяем, что режим движения воздуха — переходный, коэффициенты теплообмена С = 0,54, л = 0,25. Критерий Нуссельта Nu ' = С ( Gr'• Pr')ⁿ = 0,54(53,5 • 10 ⁴) ^0.25= 14,6.

Конвективный коэффициент теплопередачи в первом приближении

α'_к=Nu'λ'_в/L = 14,6•2,93•10^-2/0,1 =4,28 Вт/(м²•К).

По номограмме рис. 5.10 находим α '_{л н} = 7,2 Вт/(м² • К).

Из табл. П.4 определяем степень черноты поверхности корпуса для
эмалевых красок ε _к = 0,92. Тогда

α '_л = α_{л н} ε _к /ε_н = 7,2 • 0,92/0,8 = 8,3 Вт/(м ² • К).

Эквивалентная тепловая проводимость между корпусом и средой
α '_Е = ( а '_к + а '_д) S _к = (4,28 + 8,28) • 0,06=0,753 Вт/К.

Расчетное значение перегрева корпуса в первом приближении

Δt’_KP = Р/σ'_Σ= 10/0,753= 13,3 ^○С.
Разность температурных перегревов

| Δt’_K - Δt’_KP | = | 10- 13,3 |=3,3 °С> (1 ...2) "С.

Следовательно, требуется выполнить расчет во втором приближе-
нии.

Перегрев корпуса во втором приближении Δt"_K = Δt' =13,3°C.

Температура корпуса t"_K=60+13,3=73,3°С. Среднее значение темпе-

202

ратуры окружающей среды t"_CP= 0,5 (60 + 73,3) = 66,7 ^○С. Теплофизиче-

ские параметры воздуха для t"_CP =66,7^○С: λ"_в=2,95Вт/м•^○С ;

ν"=19,67•10^-6м²/с; β"=2,94•10^-31/°С.Критерий Gr"=98,96•10⁴, критерий Рr " = 0.7, Gr "• Pr " = 69,28 • 10 ⁴. Коэффициенты теплообмена

C=0.54, n=0,25. Критерий Nu"=0,54(69,28-10⁴)^0,25=15,6. Конвективный коэффициент теплопередачи во втором приближении

α"_к = 15,6 • 2,96 • 10 ^-2 /0,1 = 4,59 Вт/( м ² •˚С); коэффициент теплопередачи излучением а"_л = 8,18 Вт/(м -°С), эквивалентная тепловая проводимость

σ "_Σ = (4,59+ 8,18) 0,06 = 0,766 Вт/°С. Расчетное значение
перегрева во втором приближении Δt"_кр = 10/0,766= 13,05°С. Расхождение расчетного значения перегрева во втором приближении с заданным составляет 0,25°С. Следовательно, можно принять, что перегрев
корпуса блока Δt_K= 13 °С, среднеповерхностная температура

t_K = t_c + Δt_K=60+13 = 73°C.

Метод тепловой характеристики состоит в построении по рас-
чётным данным зависимости Δt_j =f(P), по которой для любого значения теплового потока Р можно найти перегрев и температуру j-й точки
или области конструкции.

Для построения тепловой характеристики задают произвольное зна-
чение перегрева Δt’_j , как и в мето-
де последовательных приближений; находят эквивалентную тепловую проводимость между j-й точкой и окружающей средой σ’_Σ, затем тепловой поток Р' = σ’_Σ,Δt’_j, который способна рассеять конструкция при данных усло-
виях теплообмена. Значения Δt’_j и

Рис. 5.22. Общий вид тепловой характеристики

Р' являются координатами одной
точки, лежащей на тепловой харак-
теристике, второй точкой служит начало координат. Таким образом, тепловая характеристика представляет собой прямую, проходящую через начало координат и точку с ко-
ординатами Δt’_j и Р' (рис. 5.22). По тепловой характеристике может быть найден перегрев и температура j'-й точки или области конструкции при любом заданном значении теплового потока.

203

Пример 5.4. По условиям примера 5.3 методом тепловой характери-
стики определить среднеповерхностную температуру корпуса блока.

В примере 5.3 для начального
перегрева корпуса Δ t_K' =10 °С была

Рис. 5.23. Тепловая характеристика
блока РЭС

найдена эквивалентная тепловая
проводимость «корпус — окружающая среда» σ'_Σ = 0,753 Вт/°С. Тепловой поток, который может рассеять поверхность корпуса блока, Р' = 0,753 • 10 = 7,53 Вт.

Тепловая характеристика блока
приведена на рис. 5.23. По характеристике для заданного теплового потока Р = 10 Вт находим Δt_K = 13,1˚С, t_K =60+13,1 = 73,1 °С.

Исследования показывают, что тепловые режимы РЭС характеризу-
ются достаточно высокой стабильностью и зависят от ряда факторов,
относящихся к самой конструкции (геометрических размеров, коэффициента заполнения, структуры нагретой зоны, значения теплового потока) и к условиям эксплуатации (температуры и давления окружающей среды).

Изучение влияния на показатели теплового режима определяющих
факторов с помощью физических и теоретических тепловых моделей
конструкции (при изменении этих факторов в широких пределах) по-
зволило установить закономерности, положенные в основу коэффици-
ентного метода расчета тепловых режимов конструкций РЭС опреде-
ленных классов.

Математической базой этого метода служат следующие выкладки.

Пусть для некоторой типовой конструкции при номинальных значе-
ниях определяющих параметров х ₀₁, х ₀₂, ..., х_0n тепловая характеристика имеет вид

t₀ = t₀(X₀₁, X₀₂, ..., X_0n) .

При бесконечно малых изменениях каждого параметра показатель
теплового режима получит приращение или в конечных приращениях

204

Характеристики

Список файлов книги