Гелль П.П., Иванов-Есипович Н.К. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры (1984) (1092053), страница 69
Текст из файла (страница 69)
При принудительном перемешивании паровой пузырек, образующийся иа нагретой поверхности, отрывается от нее, не достигнув критического диаметра г(; это приводит к увеличению площади контактврования нагретой поверхности и жидкости. Интенсивность тсплообмеиа возрастает. Дальнейшего повышения интенсивности теплообмена можно достичь по схеме на рис. 6-31,г.
В таких системах жидкость прн температуре Газе ОтВОДИтСЯ Из бЛОКа, ОХЛажДаЕтСЯ Н ПОДаЕтСЯ ОбРатиО В бЛОК ПРН темпеРатУРе Гз <гвзм ПРи некотоРом соотношении междУ йж и Газа могут наступить условия, при которых оторвавшийся от нагретой поверхности пузырек вара, не достигнув верхней границы жидкости, конденсируется. В таких системах, где имеется принудительное перемеши. ванне жидкости н поступающая жидкость имеет температуру ниже ь;:: температуры насыщения 1вве, процесс теплоотдачп идет наиболее интенсивно. Изделие не перегреется до тех пор, пока не будет рассеивать так много тепла, что между ннм и жидкостью образуется теплоизолнрующая прослойка пара Если охлаждающав жидкость имеет более низкую температуру кипения. то максимум кривой кипении смещается влево (см.
рис. 4-27). Следовательно, жидкости с низкой температурой кипения (иапркмер, фреоны) более пригодны для охлаждения РЭА, работающей в ннзкотемпературвом режиме. Кривая иа рис. 4-26 получена без принудитель- ваго перемешиваиия жидкости. Если же кипящую жидкосп принудительно перемсшиватгь поток тепла значительно возрастет, До снх пор предполагалось, что корпус, в котором находится жид- Р «Й кость, плохо отводит тепло.
Повтому тепло, выделяемое изделием, будет накапливаться в жидиости. Лаже прн малом уровне поступающей мощности жидкость приблизится к точке кипения, если не обеспечить теплоотвод от стенок корпуса. Равновесие прн отводе тепла от стенок может быть установлено при той нли иной температуре в зависимости от ъ рассмотренных ранее условий теплоотвода от тела в воздушной среде, закрепленного на теплоотводящем конструктивном основании. Следователыю, надо принимать меры для отвода тепла от наружной оболочки герметичного корпуса, в который залита жидкость и помещено изделие. В процессе роста пузырька температура охлаждаемого участка поверхности повышается, а затем резко падает при отрыве пузырька и замещении его жидкостью.
Задержка пузырька на участке поверхности приводит к тому, что средняя температура этого участка оказывается чрезмерно высокой, так как большую часть времени этот участок будет покрыт паром. Поэтому рассматриваемый метод применим ие для ма- лых, а для больших охлаждаемых поверхностей (небольшие поверх- ности соизмеримы с пузырьками).
Определение критической плотности теплового потока. Основной задачей при конструировании теплоотдающих поверхностей с испари- тельным охлаждением ивляется обеспечение докризисного режима. Нельзя допускать, чтобы тепловой поток с единицы поверхности бьш больше критического. На практике это означает, что необходим запас по температуре. Критическая плотность теплового потока (в Вт/мт) при кипении жидкости иа теплаотдающей поверхности, погруженной в большой объ- ем этой экидкостн, когда благодаря естественной циркуляции кипящей жидкости ее температура равна температуре кипения при данном дав- лении, определяется выражением д. =!470грел (а(р' р ))ОДЭ(1+30[бр э(э — р«)О,Э)О,4), (6-130) где г — теплота парообраэовання, Дж/кг; р" — плотность сухого насы- щенного пара, кг)м'1 р' — плотность жидкости, кипящей при данном давлении, кг/и'; и†поверхностное натяжение, Н/и; д — ускорение си- лы тяжести, м)с'-, )т' — динамическая вязкость жидкости, кипящей при данном давлении,Па.с, Если жидкость имеет температуру ниже, а охлаждаемая поверх- ность — выше температуры кипения прн данном давлении, то отрываю- щиеся от поверхности пузырьки пара, входя в более холодные слои жидкости, конденсируют.
При этом критическая плотность теплового потока значительно возрастает н может быть рассчитана по формуле э„,1, +, — э„,),, ~1+0,066 " ' ' ' ) ~, (6-13Н где 㠄— температура насыщения при данном давлевин, 'С; 1м — тем- пература жидкости, 'С; с„ — удельная теплоемкость теплоносителя, Дж1(кг. К) . Если конфигурация теплоотдакчцей поверхности такова, что есть опасность образования застойных аон, откуда вузырьки пара не имеют свободного выхода, кризис кипения может наступить прн значительно меньшей плотности теплового потока, чем та, что устанавливается по формуле (6-130) или (6-131). Охлаждающая жидкость должна иметь большую электрическую прочность, малую диэлектрическую проницаемость, хорошо смачивать поверхность, иметь малую вязкость н низкую температуру загустения.
Процесс кипения должен происходить без отложений на охлаждае- мой стенке в результате термического разложения жидкости или выпа- дения в осадок содержащихся в ней солей. Жидкостьдолжна бытьхн- мическн инертной к материалам, из которых выполнены охлаждаемые поверхности. Во многих случаях требуется иметь малые диэлектрические потери на рабочей частоте.
Преимущество использования фреонов для охлаждения состоит в том, что онн имеют низкую температуру затвердеваиия, невысокую тем пературу кипения (имеются фреоны с температурой кипения +25 С), достаточно высокую теплоемкость п теплопроводностгь химически инерт- ны и нетоксичны. В тех саучаях охлаждения РВА, когда возникает необходимость отводить тепловой поток столь большой плотностя, что она превышает 366 Рнс. 6-32. Форма оребренной поверхности радиаторов для иснаритель- ного охлаждения: а — ребристая понерхвостгн б — зубцовая о„р, теплоотдающую поверхность следует оребрить для снижения поверхностной плотности теплового потока (рис.
6-32). Прн плотности тепловых потоков (отнесенной к гладкой теплоот. дающей поверхности), меньшей ц,ю интенсивное пузырьковое кипение происходит в основном у основания ребер (эубцов). Если д>д,,р, то между ребрами или зубцами возникает местный кризис теплообменз, Локальная плотность теплосъема с этих участков, достигнув й,ю начинает снижаться, а область пузырькового кипения смещается по высоте ребра.
Однако кризис не приводит к катастрофическому скачку температуры, так как резкое локальное уменьшение коэффициента теплоотдачи компенсируется высокой теплопроводностью ребер или зубцов, В таких случаях необходимо, чтобы размер ребер, зубцов н зазоров между ними значительно превышал диаметр парового пузырька в мо.
мент его отрыва от теплоотдвющей поверхности (дли воды, кипящей при втмосферном давлении, г)=2 мм). Кроме того. конфигурация ребер н пх размещение по поверхности должны способствовать удалению пара нз зоны кипения, а оребреиная стенка должна быть достаточной толщины, обеспечивающей растекание тепла к основаниям ребер. Подобный режим теплообмеиа соответствует смешанному кипению, т. е. одновременному существованию пузырькового и пленочного кипения на теп.
лсютводящей поверхности. При дальнейшем увеличении теплового потока зона пленочного кипения расширяется, в зона пузырькового кипения сдвигается дальше по высоте зубцов или ребер. При этом пропесс продолжает оставаться устойчивым, пока интенсивное кипение не достигнет оконечностей оребрення. 361 Рис. 6-33. Форма каналов для протекания жидкости: а — канал с глад- кой поверхностью; б — канал с оребрением Итак, нвлеаие устойчивого смешанного кипения характеризуется широким диапазоном плотности отводимых тепловых потоков, что представляет большой интерес. Пластинчатые радиаторы характеризуются коэффициентом оребреиня, который равен отношению площади оребренной поверхаости радиатора к площади поверхности без оребрения.
Обычно козффициентореб. рения равен 10. Более эффективна поверхность (см. рис. 6-33), имеющая зубцы, расположенные в шахматном порядке. Зубцы имеют форму усеченной четырехгранной пирамиды, диагонали основании которой расположены одна вертикально, а другая горизонтально относительно направления движения жидкости. Подобное оребрение позволяет отводить (относительно тепловоспринимающей поверхности) в кипящую воду тепловые потоки, плотность которых достигает 400 Вт/смз. Прц таких тепловых потоках температура у основания зуоцов может доходить до аоо С. Удельная мощность рассеяния (в Вт/смз), передаваемая теплоносителю, определяется по уравнению теплообмена (6-1Л) тв где й㄄— удельная мощность рассеивания, Вт/см', гг,— коэффициент теплсютдачи конвекцией, Вт)(мз К); 1г,— средняя температура тепло- отдающей поверхности, 'С; ~„, — средняя температура теплоносителя, 'С' 3 ь — площадь теплоотдающей поверхности, м', 5„ — площадь тепловоспринимающей поиерхности, м'.
Конструирование испарительного радиатора начинается с выбора формы каналов для прохода жидкости (рис, 6.33). Как видно из выражении (6-132), целесообразно развивать теплоотдающую поверхность, оставляя неизменной теплоаоспринимающую. Для кольцевого аазора (рис. 6-33, а) это приводит к увеличению наружного диаметра трубы и толщины стенки, через которую передается тепловой поток, что, в свою очередь, приводит к повып1ению температуры теплоиоспринимающей поверхности вследствие увеличения перепада температуры в стенке: й)ст = ' 1П вЂ” г 4300Рхд.п бтв '(то (6-133) птв 368 где Мер — равность температур тепловоспринимающей и теплоотдающей поверхности, 'С; Ае — диаметр тепловоспринимающей поверхности, м; а,е — диаметр теплоотдающей поверхности, м; Х вЂ” теплопроводность материала степин при средней температуре стенка, Вт/(м К).
Эффективная высота ребра. Увеличение площади поверхности при выполнении охлаждающего устройства по схеме рис. 6-33, б приводит к увеличению высоты ребер йр, разграничивающих каналы, или числа каналов. Чрезмерное увеличение высоты ребер нежелательно, так как некоторая часть поверхности ребра будет работать неэффективно вследствие рассеивания тепла по высоте ребра и снижения его температуры. Эффективно участвующая в теплаобмене высота ребра определяется по формуле Ье,~, = 2 ) ),бр/сгр (6-! 34) где бр — толщина ребра, м; ехр — коэффициент теплоотдачи на поверхФй ности ребра, Вт/(м'.К).
В зависимости от размеров, теплопроводности материала и условий охлаждения ребра радиатора могут не улучшать, а ухудшать процесс рг/:: отвода тепловой энергии, являясь участками тепловой изоляции на теплоотводящей поверхности. Условием улучшения теплаотдачи является неравенство ) + (6-135) а„й 2ар Ье где а„.— коэффициент теплоотдачи на участках гладкой теплоотдающей поверхности между ребрами; 6, — геометрический размер, характеризующий тепловое сопротивление тела ребра, равный средней длине пути во всех направлениях, по которым может передаваться тепло от основания ребра до его охлаждаемых поверхностей (для приближенных вычислений можно принять б,=бр/2); йе — расчетная высота ребра: Ье/ йее при бее<А; йе/ й при бее>й' Ь вЂ” высота ребра в данной В~:; конструкции радиатора. При охлаждении жидкостью без изменения ее агрсгапюго состояния (без кипения) сер=се, Коэффициент теплоотдачн при поверхностном кипении между ребрами может быть определен как а — 6-136 кпп ( ) сгн(/нас /тел)~ +/пас + /тер где 4 — тепловой поток в охлаждающем устройстве; С вЂ” константа, определяемая видом охлаждаемой поверхности и родом охлаждающей жидкости; ие — коэффициент теплоотдачи конвекцией; 㠄— темпера- тура насыщения при данном давлении; Я, — средняя температура теплоносителя в охлаждающем пространстве.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
