Л1-Савельев, Овчинников - Конструирование ЭВМ и систем - 1984 год (999411), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Основные теплофизнческие задачи, возникающие при конструировании ЭВМ. На начальной стадии проектирования конструкции необходимо решить вопрос о выборе способа ее охлаждения. Такой выбор может быть выполнен по результатам расчета температурного режима конструкции при каждом из возможных способов охлаждения. Однако этот подход требует значительных затрат времени конструктора.
Способ охлаждения конструкции ЭВМ можно ориентировочно выбрать по ыа а гмб где Ф -- мощность, рассеиваемая блоком или элементом, Вт. Затем определяем зону, в которой лежит точка с координатами ЛО „„и Фт. Если точка попадает в зону с несколькими возможными способами охлаждения, то для уточнения рассчитываем тепловой режим. При принудительном охлаждении конструкции основной является задача определения расхода хладагента для обеспечения нормального температурного режима комплектующих элементов. При заданном расходе хладагента, а также при естественном охлаждении может быть поставлена задача определения коэффициента заполнения и геометрических размеров типовой конструкции и.ш ее элементов или максимально допустимой выделяемой тепловой энергии, прп которой обеспечивается нормальный температурнь~й режим.
Обычно при таких расчетах в качестве опредетяющего использует. ся средиеобъемный пли среднеповерхпостиып перегрев нскогороя тп- диаграмме, показанной на рис. 6.14.(ОСТ 4Г0.012.032). Область изменения параметров: перегрев конструкции — удельная тепловая энергия, рассеиваемая ею, разделена на зоны, соответствующие каждому способу охлаждения: естественным — воздушному (1) и испарительному (4); принудительным — воздушному (2), жидкостному (3) и пспарительному (б), Нижняя часть рис. 6.14 относится к блокам, верхния — к индивидуальным элементам.
Методика выбора способа охлаждения следующая. Рассчитываем минимальное значение допустимого перегрева (К) нагретой зоны ЬО„ов -:: О„ч, — Ов с„„,, где О„,„— допустимая температура нагретой зоны, К; Ов „аа,— максима.тьная температура окружающей средьп К. Расчетная поверхность нагретой зоны (м)а 0В,К 000 5а 2 (Е,Еа ', — (Е, + ьа) ь зКв) г00 где 1.п Аа — горизонтальные б50 ааб б,б бб 70 б 4ЮВ размеры корпуса, м; 1.
3 100 высота корпуса, м; К, — коэффициент заполнения, равный отношению объема функциональных и монтажныхэле- МЕНТОВ ВНУТРИ КОРПУСа К ЕГО 500бввбб5000',всм 4550 55 50 55:дэбв~/ч' внутреннему объему. Для блок Рвс. бл4. Диаграмма выбора системы ох. ля локон при жидкост- лажасвня ном и испарительном охлаждении значение 5а рассчитывают по геометрическим размерам охлаждаемой поверхности, находящейся в контакте с теплоносителем. Находим величину удельной мощности нагретой зоны (Вт1ма): Фх .— Ф15а, новой конструкции.
Поэтому нередко необходимо решать задачу поверочного характера — определять перегрев отдельного комплектующего элемента, находящегося в наихудших температурных условиях, и проверять для него выполнение условия нормального теплового режима. К этому же классу относится и задача определения среднего перегрева нагретой зоны при заданном способе охлаждения и ее геометрических размерах. в 6.6. АНАЛИЗ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ОДНОБЛОЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ ПРИ ЕСТЕСТВЕННОМ ОХЛАЖДЕНИИ Одноблочная конструкция с вертикально ориентированными субблоками (см. рис.
6.12, а) довольно часто используется для нестационарных ЭВМ. В связи с этим представляет интерес анализ ее теплового режима. При переходе к тепловой модели б качестве нагретой зоны будем рассматривать субблок, причем б) примем следующие ограничения и до- о х а вущеиия: нагретые зоны и корпус ЭВМ являются изотермическими поверхностями с температурами О, и О,.; давление внутри корпуса больше 133 кПа, есть гравитация, эффектив- в ная ширина каналов между субблоками больше 2 — 3 мм, т. е.
возможен ! а теплообмен за счет естественной конь д„дд векции; платы субблоков имеют одирнс. Бяб. Тепловая модель одно- наковый размер, причем баб Ьао»» блочной ЭВЛТ с вертннально-орн- »» 1.а, Еу, ~, (рис. 6.15), ширина заентнрованнммн субблонамн (а) н вора между крайними платами и корраспределенне температурного по. пусом больше Ь,; скорость движеля по осям х, у, а (б) аФ ния воздуха постоянна по длине канала, образованного субблоками.
Тепловая модель с необходимымн размерами показана на рис. 6.15, а При естественном охлаждении такой конструкции температурное поле неравномерно распределено по осям ох, оу, ог. На рис. 6.15, б показан характер кривых зависимости температуры пакета плат от координат х, у, г. Рассмотрим механизмы передачи тепловой энергии от нагретых зон в окружающую среду. В ЭВМ с субблоками бескаркасной конструкции без теплоотводящих шин можно пренебречь передачей теплоты кондукцией по элементам крепления и монтажа. Тепловая энергия, выделяемая (-й нагретой зоной (субблоком), передается излучением с боковых поверхностей на соседние (1 : 1)-ю и (а — 1)-ю нагретые зоны (тепловые сопротивления )ха;;ч., и я; а,) и с торцовых поверхностей к корпусу (тепловые сопротивления й;в).
От боковых поверхностей 1-й и (х)-й плат тепловая'энергия передается излучением к корпусу (тепловые сопротивления Я,„б и Рм „а). Тепловая энергия от плат передается воздуху за счет естественной конвекции в каналах между нагретыми зонами, а также между 1-й и )х(-й платами и боковыми стенка- 110 ми корпуса (тепловые сопротивления Я,,). Передачей тепловой энергии конвекцией от торцовых поверхностей плат будем пренебрегать из-за малой площади поверхности. Тепловая энергия, воспринятая воздухом, конвекцией передается корпусу (тепловое сопротивление Р„в), который рассеивает ее в окружающую среду в общем случае за счет кондукции, конвекции и излучения (тепловое сопротивление )с я.е).
Ва Рнс. бдб. Тепловая схема одноблочной ЭВМ с естест- венным охлаждением Тепловая схема, составленная на основании выполненного анализа механизмов передачи тепловой энергии, показана на рис. 6.16. Уравнения теплового баланса будут иметь вид: Ф,=-(0,— О„) (о,„+о,„.,)+(О,— О,) о,д+(9,— 0,) а„; — О ) о;я; 1= 2, 3, ..., Ьà — 1; Фм = (Ом — Ов) (ом„+ам„,)+(Ол — 1 — Он) ам= ы м+ (6.62) + (Π— 0,) о~,; где Ф, „Х (О, — О,) о,„— суммарная тепловая энергия, переда- а 1 ваемая конвекцией зонами воздуху и затем воздухом корпусу; Ф— лР ХФ, — суммарная тепловая энергия, выделяемая платами. 1=1 Тепловые проводимости, входящие в (6.62), зависят от температур плат, воздуха внутри ЭВМ, корпуса и окружающей корпус среды. В связи с этим уравнения теплового баланса — нелинейные.
Дальнейшее изложение будем вести в предположении, что решение этих уравнений выполняется методом итераций, исходя из предполагаемых значений неизвестных перегревов. Основные этапы метода следующие: 1. Задаются начальные значения неизвестных перегревов корпуса, воздуха и нагретых зон.
2. Для данных перегревов определяются тепловые проводимости. 3. Решаются уравнения теплового баланса относительно неизвестных перегревов. 4. Текущие значения перегревов сравниваются с предыдущими, т. е. проверяется условие (ЛОаа— — 59'! †') ( а, где е — точность приближения; н — шаг итерации. Если данное условие выполнимо, то реп»ение получено, в противном случае продолжаем вычисления, начиная с этапа 2. Тепловые проводимости для теплообмена конвекцией в каналах определяются по (6.14), в которой коэффициент а;к подсчитывают по (6,32). Таким образом, а»,: 4,12.ЛкЕ»»Е, Ькр, (6.63) где Ьыр находится по (6.31); Л, — берут из табл.
6.1. Тепловая проводимость а„ „ равна сумме трех составляющих: от двух пар плоских вертикальных стенок площадью соответственно 2Е,Е,, и 2ЕзЕ, и двух горизонтальных стенок площадью Е,Ез каждая. Длн предполагаемого перегрева ΄— Ок проверяется условие (6.23). В зависимости от выполнения этого условия находится коэффициент теплообмеиа а»' к по (6.24) или (6.25). Если, например, условие (6.23) вьпюлняется, то коэффициент а» „определяется по закону степени 1,4 и будет равен: для вертикальных стенок а",„А, [(О, — 0,) .'Ез)1»4 К»» и для горизонтальных, отдающих тепловую энергию вверх и вниз, соответственно: Результирующая тепловая проводимость акк=-~Аз( " "' (2Е,,Е1-02ЕзЕ1) - 2Аз " "' Е1Ез1Кп окончательно Е1»4 (/ / 11/4 Коэффициент теплообмена излучением для тепловых проводимостей а/,;; а,к г, акк з определяется по (6.48), где грг „; 181 .о 11ткл.г .
1, а пРиведеннаЯ степень чеРноты -- по (6.49). Тепловая проводимость, например. (6.65) Е»,— 01 Гдс 5; , Ес/,; В КаЧЕСтВЕ 01., Н Н» бЕрутСя ПрЕдПОЛаГаЕМЫЕ тЕЧ- нературы (1 — 1)-й и 1'-й нагретых зон. Диалогично находЯтсЯ тепловые пРоводимости а;к. В пеРвом пРиближеиии при й 1 можно считать площадь излучающей поверхности 5т 26„„(( к — Ес). Если корпус ЭВМ установлен на амортизаторах, передачей теплоты от него кондукцией можно пренебречь, Конвективная составляющая тепловой проводимости ак, определяется аналогично азы При справедливости закона степени 1!4 она будет а".- с 24, (Ок — Ос)'»" ((Е1Е,э ЕзЕ,) Е! /'+ Е,Ез гп»п (Е1 Е )'''! Ки, (6.66! вз в, где ак к =-. аз б 11 ав к=- Оз з аз к»(аз в+ гэзк)1 го к =- ак к 'эз к. К 1 Л Эти уравнения будем решать последовательно, начиная с первого, методом итераций. Р е ш е н и е.
Первый этап расчета заключается в определении среднеповерхностной температуры корпуса. П е р вы й ш з г и т е р а ц и и. 1. Задаемся перегревом корпуса от. носительно окружающей среды бек со = 10 К. 2. Определяем конвективную составляющую тепловой проводимости ак „,. Проверяем условие (6.23): 60к.со«Г !840:Ез)з/ ЬЕк.со~((840/270)з! 10 < 3 11з Так как неРавенство соблюдается, теплообмен конвекцией подчиняется закону степени 1»4. По табл.
6А для Вм .= 0,5 (293 + 303) = 298 К находим Аз = 1,37 и по (6.66) определяем ок ==2.137!О'/' ' ' '1/4 ' +02022»02 =-1086ВТ/К. 1/4 0,2.0,27-, '0,22.0,27, 1/4 к.с 0,27 / 3. Из табл. 6.5 ек = 0,92, тогДа по (6.67) опРеДелЯем лУчевУю составлЯюпгУю тепловой проводимости о„' =-0,92 5,67 1О-" 2(0,2 0,2з2+0,2 0.27+0,22 0,27) =-! 7Вт'Кл 3034 — 2934 10 113 Коэффициент тенлообмена излучением от корпуса к среде опреде- лЯЕтсЯ по (6.48) пРн гук с =- 1 и зкр „, ек. Тогда лУчеваЯ составляющая тепловой проводимости корпус — среда а'„, = к с 5,6?.10-' ((Ок — Ос)'(О, — О,)! 5ьо (6,6?) ГДЕ Ок — ПРЕДПОЛаГаЕМаЯ тЕМПЕРатУРа КОРПУСа; 5к - 2 (Е,(.т + Еэ ;, Ео + Е.,Ез) -- плогцадь поверхности корпуса, Пример 6.2. Рассчитать среднеповерхкостную температуру корпуса и пакета а) 5) плат одноблочной ЭВМ (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
