Назаров_Конструирование_РЭС (560499), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Степень приближения макета кконструкции зависит от конкретной задачи исследования. Так, например, для моделирования температурного поля кожуха блока нет необходимости в воссоздании на макете структуры нагретой зоны.На макете можно изучить динамику тепловых процессов, а такжеснять распределение температур в пределах конструкции в стационарном режиме.Измерение температур производится с помощью температурныхдатчиков, установленных в различных точках макета. Датчики должны199иметь малую теплоемкость и, следовательно, массу и объем, по возможностиширокий диапазон измеряемых температур и линейную характеристику. В качестве температурных датчиков могутиспользоватьтерморезисторы,термопары и обратно смещенные p-n-переходы полупроводниковых приборов (диоды иРис.
5.21. Схема измерениятемпературного нагрева в блоке транзисторы в диодном включении). Однакопредпочтениеотдаетсятермопарам,выполненнымизмикропровода.Схемаизмерениятемпературы с помощью термопар приведена на рис. 5.21. Применяетсявстречное включение двух термопар, что дает возможность произвестиизмерение перегрева Δ tj = tj,-tc .5.2.2. Методы расчета тепловых режимов конструкций РЭС*Для конструкций РЭС наиболее жестким является стационарныйтепловой режим, когда температуры и перегревы в конструкции достигают максимальных значений. Поэтому одной из основных задач расчета показателей теплового режима является определение температур внекоторых критических точках конструкции или построение тепловойхарактеристики.Как уже отмечалось, под тепловой характеристикой конструкцийРЭС в стационарном режиме понимают зависимость температуры илиперегревау'-й точки (области конструкции) от теплового потока при заданной температуре окружающей среды t c :tj = tc+f(P), Δtj = tj-tc=f(P).При передаче тепла теплопроводностью, конвекцией и излучениемΔtj=P/σz,где σΣ; =σT+σK+σл — эквивалентная тепловая проводимость междуj-й точкой конструкции и окружающей средой.Ввиду того что составляющие σΣ зависят как от температуры tj •, таки от температуры окружающей среды t с , задача расчета tj, и Δ t, в общем случае является неопределенной.
Для исключения неопределенности используются специальные приемы, положенные в основу трехметодов расчета показателей теплового режима: метода последовательных приближений, метода тепловой характеристики и коэффициентного метода.200Метод последовательных приближений представляет собой итеративный процесс установления соответствия с некоторой наперед заданной точностью между температурой tj или перегревом Δt , эквивалентной тепловой проводимостью σt и тепловым потоком Р.Начальное значение перегрева Δtj’ (температуры tj’ ) j-й точки илиобласти конструкции задают произвольно, после чего находят σ'Σ ирасчетное значение перегрева Δtjp’ (температуры tjp’), в первом при ближении:Δtjp’ =P/σ’Σ ; t'jp = toc + P/σ’Σ .При выполнении неравенства | Δtj’- Δtjp’| ≤δ, где δ = (1 ...2)° С,за истинное значение перегрева принимают Δtj’ или Δtjp’ Если неравенство не выполняется, то расчет повторяется во втором приближениипри Δtj’’= Δtjp’Более подробно порядок решения задачи можно представить следующим образом:задают значение перегрева Δtj в первом приближении;для среднего значения температуры окружающей среды tcp' == 0,5[t c + (t c + Δt'j )]c помощью критериальных уравнений или по номограмме определяют конвективный коэффициент теплопередачи α 'к ;для температуры tj'=tc+Δt'jнаходят коэффициент теплопередачиизлучением α ' л ;определяют коэффициент теплопередачи теплопроводностью α т иэквивалентную тепловую проводимость σ'Σ=αTScp+α'кS+α'лS,где S— площадьповерхности теплообмена;находят расчетное значение перегрева для заданного теплового потока Δt'jp = P/σ'Σ ;проверяют условие | Δtj’- Δtjp’| ≤δ, где δ — допустимое отклонениерасчетного значения перегрева от принятого в первом приближении;если неравенство не выполняется, то повторяют расчет во второмприближении при Δtjp’’= Δtjp’.Количество приближений зависит от величины δ и того, насколько удачнозадано значение перегрева в первом приближении.Пример 5.3.
Определить среднеповерхностную температуру корпуса блокаРЭС с геометрическими размерами 50x100x150 мм при тепловом потоке Р =10 Вт и температуре окружающей среды t c = 60°С. Корпус окрашен серойэмалевой краской.201Поверхность корпуса считаем изотермической со среднеповерхностной температурой tK.
Тепло от корпуса к окружающей среде передаетсяконвекцией и излучением. Площадь поверхности корпуса (теплообмена) SK = 2(0,05•0,1 + 0,05•0,2+0,1•0,15) = 0,06 м2. Характерныйразмер конструкции L = S K / 6 . Задаем перегрев корпуса в первом приближении Δt'K= 10° С. Температура корпуса в первом приближенииt'K=tc+Δt'K=60+10=70"С.Среднее значение температуры окружающей средыt‘ср=0,5(tс+t'K)=0,5(60+70)=65°С.Из табл.115 теплофизических параметровсухого воздуха находим: коэффициент теплопроводности λ 'в=2,93•10-2Вт/(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 ГрасгофаGr ' = β ' gL3(0.1) 3−3(t'−t')=2.96•10•9.81• 10 = 76.4 • 10 4KC2−6 2ν(19.5 • 10 )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 приближенииα'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 дляэмалевых красок ε к = 0,92. Тогдаα 'л = αл н ε к /εн = 7,2 • 0,92/0,8 = 8,3 Вт/(м 2 • К).Эквивалентная тепловая проводимость между корпусом и средойα 'Е = ( а 'к + а 'д) S к = (4,28 + 8,28) • 0,06=0,753 Вт/К.Расчетное значение перегрева корпуса в первом приближенииΔt’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 приближении.Перегрев корпуса во втором приближении Δt"K = Δt' =13,3°C.Температура корпуса t"K=60+13,3=73,3°С. Среднее значение темпе202ратуры окружающей среды t"CP= 0,5 (60 + 73,3) = 66,7 ○С.
Теплофизические 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 теплообменаC=0.54, n=0,25. Критерий Nu"=0,54(69,28-104)0,25=15,6. Конвект и в н ы йк оэ ф ф и ц и ен т т еп л оп ер еда ч и в о в т ор ом п р и бл и ж ен и иα"к = 15,6 • 2,96 • 10 -2 /0,1 = 4,59 Вт/( м 2 •˚С); коэффициент теплопередачиизлучением а"л = 8,18 Вт/(м -°С), эквивалентная тепловая проводимостьσ "Σ = (4,59+ 8,18) 0,06 = 0,766 Вт/°С.
Расчетное значениеперегрева во втором приближении Δt"кр = 10/0,766= 13,05°С. Расхождениерасчетного значения перегрева во втором приближении с заданнымсоставляет 0,25°С. Следовательно, можно принять, что перегревкорпуса блока ΔtK= 13 °С, среднеповерхностная температураtK = tc + ΔtK=60+13 = 73°C.Метод тепловой характеристики состоит в построении по расчётным данным зависимости Δtj =f(P), по которой для любого значениятеплового потока Р можно найти перегрев и температуру j-й точкиили области конструкции.Для построения тепловой характеристики задают произвольное значение перегрева Δt’j , как и в методе последовательных приближений;находят эквивалентную тепл овуюпроводимость между j-й точкой иокружающей средой σ’Σ, затем тепловойпоток Р' = σ’Σ,Δt’j, который способнарассеять конструкция при данных условиях теплообмена.
Значения Δt’j иР' являются координатами однойРис. 5.22. Общий видтепловой характеристикиточки, лежащей на тепловой характеристике, второй точкой служит началокоординат. Таким образом, тепловая характеристика представляет собойпрямую, проходящую через начало координат и точку с координатами Δt’j и Р' (рис.
5.22). По тепловой характеристике может бытьнайден перегрев и температура j'-й точки или области конструкции прилюбом заданном значении теплового потока.203Пример 5.4. По условиям примера 5.3 методом тепловой характеристики определить среднеповерхностную температуру корпуса блока.В примере 5.3 для начальногоперегрева корпуса Δ tK' =10 °С быланайденаэквивалентнаятепловаяпроводимость «корпус — окружающаясреда» σ'Σ = 0,753 Вт/°С. Тепловой поток,который может рассеять поверхностькорпуса блока, Р' = 0,753 • 10 = 7,53 Вт.Тепловая характеристика блокаРис.
5.23. Тепловаяприведенана рис. 5.23. По характеристике дляхарактеристиказаданного теплового потока Р = 10 Вт находимблока РЭСΔtK = 13,1˚С, tK =60+13,1 = 73,1 °С.Исследования показывают, что тепловые режимы РЭС характеризуются достаточно высокой стабильностью и зависят от ряда факторов,относящихся к самой конструкции (геометрических размеров, коэффициентазаполнения, структуры нагретой зоны, значения теплового потока) и кусловиям эксплуатации (температуры и давления окружающей среды).Изучение влияния на показатели теплового режима определяющихфакторов с помощью физических и теоретических тепловых моделейконструкции (при изменении этих факторов в широких пределах) позволило установить закономерности, положенные в основу коэффициентного метода расчета тепловых режимов конструкций РЭС определенных классов.Математической базой этого метода служат следующие выкладки.Пусть для некоторой типовой конструкции при номинальных значениях определяющих параметров х 01, х 02, ..., х0n тепловая характеристикаимеет видt0 = t0(X01, X02, ..., X0n) .При бесконечно малых изменениях каждого параметра показательтеплового режима получит приращение или в конечных приращениях204nni =1i =1∆t0 = ∑ Ai ∆x0 i = ∑ ∆t0iили в конечных приращенияхгде Ai .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
