Назаров_Конструирование_РЭС (560499), страница 41
Текст из файла (страница 41)
В блоках с интенсивным тепловыделением часто используются теплообменники «воздух — жидкость»,через которые нагретый воздух продувается малогабаритными вентиляторами. Значительная часть тепловой энергии, рассеиваемой нагретой зоной, уносится жидким теплоносителем из теплообменников.Блоки кассетного типа с принудительным жидкостным охлаждениемконструктивно аналогичны блокам с воздушным охлаждением. Отличаются они более массивным герметичным кожухом и наличием межплатных каналов для прокачки охлаждающей жидкости. Из входного патрубка теплоноситель через жидкостный распределитель попадает вмежплатные каналы. Отбирая из нагретой зоны блока тепло, теплоноситель выходит через другой патрубок, который может располагатьсякак со стороны входного патрубка, так и с противоположной стороны.Упрощенное представление конструкции с системой принудительного жидкостного охлаждения дано на рис.
5.48, а. Трубопровод с теплоносителем 2 припаян к теплостоку в нагретой зоне 3, температуражидкости на входе системы tex, на выходе — t вых. Тепло, выделяемоеРис. 5.48. Тепловая модель блока с принудительным жидкостнымохлаждением:а — схематическое изображение конструкции; б — тепловая схема239в нагретой зоне, через стенку трубопровода передается охлаждающейжидкости (конвективная теплопередача), конвекцией и излучением —на кожух 1 и с наружной поверхности кожуха — окружающей блок среде.
Поверхности кожуха, нагретой зоны с трубопроводом считаютсяизотермическими, тепловое сопротивление между теплостоком и трубопроводом мало. Не учитывается из-за малой величины и тепловое сопротивление стенки трубопровода.Тепловая схема блока приведена на рис. 5.48, б. По схеме составляется система уравнений, связывающих обозначенные переменные:Р=Р1+ Р2;P 1 = σз.ж(tз-tж):(5-53)P 2 = σз.к(tз-tk) =σк.с(tк-tс)где σ3ж — тепловая проводимость конвективной теплопередачи от нагретой зоны к жидкости; σ 3 к— тепловая проводимость теплопередачиконвекцией и излучением через воздушную прослойку от нагретойзоны к кожуху; σкс — тепловая проводимость, характеризующаятеплообмен кожуха с окружающей средой; t3, t к — среднеповерхностныетемпературы нагретой зоны и кожуха; tж = 0,5(t BX+t вых) — средняятемпература охлаждающей жидкости.Дополнительное уравнение получают исходя из условия, что всетепло, кроме рассеиваемого в окружающей среде, расходуется на повышение теплосодержания охлаждающей жидкости:Pσк.
с(tк-tс)+wж(tвых-tвх)(5.54)где w Ж = G Vρ Сp — условная тепловая проводимость жидкости.Плотность ρ и удельная теплоемкость СP жидкости берут для средней температуры t ж.Тепловая проводимость σ3ж=αзжS тр ,где αзж — конвективныйкоэффициент теплопередачи от стенки трубопровода к жидкости; SТР— площадь внутренней поверхности трубопровода.Определение α 3ж производится для условий принудительного конвективного теплообмена в трубах.Тепловые проводимости σ3 к и σкс характеризуют теплообмен сокружающей средой при естественной воздушной конвекции.240Для определения неизвестных среднеповерхностных температур нагретой зоны t3, кожуха t K и температуры жидкости на выходе системыохлаждения tвых можно воспользоваться методами последовательныхприближений или тепловой характеристики.5.8.
Тепловые трубыТепловая труба (ТТ) — испарительно-конденсационное герметичное устройство с использованием капиллярных сил, служащее для передачи тепла и работающее по замкнутому ,циклу. Конструктивно представляет собой герметичный объем, ограниченный корпусом трубы 1(рис. 5.49), внутренняя поверхность которого выложена капиллярно-пористойструктурой,насыщеннойсмачивающейжидкостью.Капиллярно-пористаяструктураможет быть реализована в видеметаллическойсетки,спеченныхгранулированныхматериалов,металловолокна,стеклотканиисистемы канавок на внутреннейстенке корпуса.
Смачивающаяжидкость является теплоносителем, Рис. 5.49. Конструкция тепловой трубыи в зависимости от уровнятемпературы в зоне источника тепла в качестве теплоносителя выбираютсяжидкие металлы, ртуть, аммиак, вода, ацетон, спирты, фреоны и др. Притемпературах свыше 750 К используются жидкие металлы, длядиапазона температур 550 К ≤Т ≤ 750 К — ртуть (высокотемпературныеТТ). В области средних температур (200 К< Т<550 К) в качестве теплоносителя применяются органические жидкости, вода (низкотемпературные ТТ), при температурах ниже 200 К теплоносителем служат сжиженные газы (криогенные ТТ).Тепловая труба делится на три зоны: испарительную а, транспортную б и конденсационную в. При подводе тепла к испарительной зонетеплоноситель в этой части капиллярно-пористой структуры начинаетиспаряться.
Пары теплоносителя, пройдя транспортную зону, поступают в конденсационную зону, где в результате конденсации паров выделяется тепло, а жидкость под действием капиллярных и гравитационных сил возвращается в зону испарения.Таким образом, ТТ является элементом системы охлаждения, способным транспортировать тепло из одной части конструкции в другую241при минимальной разности температур между источником тепла итеплостоком. Другими словами, ТТ аналогична стержню,передающему тепло кондукцией, изготовленному из материалов скоэффициентомтеплопроводностиλ=104Вт/(м•К).Высокаяэффективность ТТ обеспечивается при условии, что в конденсационнойзоне осуществляется отбор тепла, выделяемого при конденсации, спомощью теплообменника, а тепловые сопротивления междуисточником тепла и трубой в зоне испарения, а также между трубой итеплообменником в конденсационной зоне малы.Тепловые трубы могут быть круглые, плоские, гибкие, Y-образные,змеевидные и др.
(рис. 5.50). В конструкциях РЭС тепловые трубы выполняют следующие функции: снижение теплового сопротивлениямежду источником и стоком тепла; отвода тепла из труднодоступныхзон конструкций с высокой плотностью тепловых потоков; выравнива-Рис. 5.50, Разновидности конструкции тепловых труб:а — цилиндрическая; б — плоская; в — гибкая; г — змеевидная; д — Yобразнаяние тепловых потоков в пределах конструкции РЭС; сбор тепла от многих источников, расположенных в различных зонах конструкции, кединому стоку тепла, где созданы оптимальные условиятеплообмена, и ДР.Рис.
5.51. Охлаждениетеплонагруженного элементас помощью тепловой трубы:1 — охлаждаемыйэлемент;2 — радиатор; 3 —тепловая труба242Рис. 5.52. Вариант конструкциифункциональной ячейкис тепловой трубой:/ — плата с металлическим теплостоком;2 — микросхемы; 3 — металлическая рамка;4 — теплоприемник; 5 — тепловая трубаПримериспользования ТТдляотводатеплаоттеплонагруженного элемента приведен на рис. 5.51. На рис. 5.52показанодинизвозможныхвариантовконструкциифункциональной ячейки с отводом тепла при помощи тепловойтрубы.5.9. Термоэлектрическое охлаждение конструкций РЭСТермоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье, заключающегося в том, что на границе (спае) двух различных проводников при протеканииэлектрического тока в зависимости от егонаправления выделяется или поглощается тепло. Эффект Пельтье проявляетсятем сильнее, чем больше термоэлектродвижущая сила в контакте выбранных материалов.
Наибольшая термоэлектродвижущая сила возникает на спае двух полупроводников с р- и n-проводимостыо.Поэтому спай полупроводников с электронной и дырочной проводимостью является термоэлементом (рис. 5.53). Объединение термоэлементов в батарею позво- Рис. 5.53.ляет получить термоэлектрические холо- Полупроводниковыйтермоэлементдильники.Если источник напряжения включен всоответствии с рис. 5.53, то верхний спай 1 поглощает тепло(холодный спай), на нижнем спае 2 тепло выделяется (горячий спай).К холодному спаю подводится поток Р х от окружающей среды илиохлаждаемого объекта, от горячего спая за счет теплопроводностипередается поток РТ г При протекании электрического тока черезтермоэлемент часть электрической энергии преобразуется в тепловуюРД (джоулевы потери).
„В стационарном режиме сумма поступающих к холодному спаю тепловых потоков компенсируется за счет эффекта Пельтье, т.е.243Р П =Р Х +Р Т +Р Д Если пренебречь теплопередачей в окружающее пространство сбоковых поверхностей термоэлемента, то Р т = σ TΔ.t, где σт — тепловаяпроводимость термоэлемента между горячим и холодным спаями; Δ t—разность температур горячего и холодного спаев.Учитывая, что коэффициенты теплопроводности р- и п- полупроводника приблизительно равны, σт = 2λS/l где S — площадь поперечного сечения полупроводниковых элементов; l— их длина.Предполагая, что джоулево тепло распределяется поровну междухолодным и горячим спаями, можно записать РД = 0,5I2 R , где I— ток,протекающий через термоэлемент; R — электрическое сопротивлениетермоэлемента.Поскольку Р п = ± ПI , где П — коэффициент Пельтье, холодопроизводительность термоэлементаР х = ПI-0,5I2R-σтΔt;(5.55)тепловой поток, который требуется отводить с горячего спая,PГ = ПI+0,5I2R-σТΔt .Коэффициент полезного действия термоэлемента определяют какη = Р х /Р, где Р — полная электрическая мощность, отбираемая от источника электропитания.
Ввиду того что Р = UI, U=IR + Е т, где Е т == γ Δ t — термоэлектродвижущая сила, возникающая на спае при разности температур горячего и холодного спаев Δ t (γ— коэффициент Зеебека), коэффициент полезного действияη = (ПI-0,5I2R-σтΔt)/(γIΔt+I2R).Различают два экстремальных режима работы термоэлемента: максимального коэффициента полезного действия и максимальной холодопроизводительности.
Первый из режимов обеспечивает минимальные затраты энергии, второй — позволяет при прочих равных условияхснимать большую тепловую нагрузку. Как следует из графическогорешения уравнения (5.55), представленного на рис. 5.54, максимальнойхолодопроизводительности соответствует некоторое оптимальноезначение тока I O P T , прот екающего ч ерез термоэлем ент.Термоэлектрические батареи получают путем последовательногоили параллельного включения отдельных элементов. При создании системы охлаждения объекта с помощью термоэлектрической батареи 1244Рис. 5.54. Определениеоптимального значениятока термоэлементаРис. 5.55.
Использованиетермоэлектрической батареидля охлаждения объектапредусматривается электрическая изоляция объекта 2 и теплообменника 4 диэлектрическими прокладками 3, выполненными из материала свысоким коэффициентом теплопроводности (рис. 5.55).Разработанные в настоящее время конструкции термобатарей рассчитаны на площадь охлаждаемых объектов 2...31 мм ; имеют массу0,01...62 г, объем — 2...760 мм . Потребление от источников электропитания составляет 0,15...8 Вт. Время выхода термобатареи на рабочий режим лежит в пределах 2...5 с.6.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
