ivanstudent

Путь к Файлу: /Конструирование электронных устройств / 125 / 55-84.DOC

Ознакомиться или скачать весь учебный материал данного пользователя
Скачиваний:   2
Пользователь:   ivanstudent
Добавлен:   24.12.2014
Размер:   462.0 КБ
СКАЧАТЬ

На  стадии  технического  проекта  контролируются:

· возможность  параллельной  и  независимой  сборки  и  контроля  составных  частей  изделия;

· соответствие  конструкции  и  компоновки  сменных  и  требующих  технического  обслуживания  (ТО)  составных  частей  изделия  требованиям  ТО  и  ремонта;

· возможности  применения  покупных,  стандартных  или  освоенных  производством  составных  частей  изделия;

· возможности  применения  новых,  в  том  числе  типовых  и  групповых  высокопроизводительных  технологических  процессов;

· расчет  показателей  технологичности  изделия;

· основные  решения  по  технологичности  конструкции  изделий  и  совершенствованию  условий  выполнения  работ  при  производстве,  эксплуатации  и  ремонте.

 

На завершающей стадии разработки рабочей конструкторской документации объем работ по обеспечению технологичности  возрастает. При этом  учитываются  особенности технологических процессов конкретного завода  изготовителя. 

 

Большое  внимание  уделяется  выяснению  возможностей  унификации  деталей,  сборочных  единиц и  их конструктивных  элементов,  обеспечению  доступности и легкосъемности сменных  и  требующих  технического  обслуживания и ремонта  составных  частей  изделия,  проверке  работоспособности  при  замене  частей  изделия,  проверке  возможностей  технического  контроля изделия. ГОСТ 14.201 Единой  системы технологической  подготовки  производства  регламентирует  обязательную отработку  конструкции  на  технологичность  на  всех  этапах  ее  создания.

 

Для оценки мер по повышению технологичности вновь разрабатываемой конструкции РЭС проводится технико–экономический анализ, в результате которого устанавливается технико–экономический эффект, обусловленный внедрением новой техники и технологии с учетом дополнительных затрат на проектирование и подготовку производства.

 Технико–экономический эффект проявляется в виде экономии затрат и удовлетворения каких-либо потребностей людей  (видеозапись, получение прогноза погоды с помощью спутников, улучшение качества продукции, повышение безопасности, решение научных задач и т.д.). Основной предпосылкой повышения экономического эффекта как при изготовлении, так и при эксплуатации является повышение технологичности конструкции.

ГЛАВА 8. ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ РЭС

 

8.1. Влияние теплового режима на надёжность

      и качество РЭС

 

В зависимости от схемной и конструктивной реализации РЭС, от условий эксплуатации в РЭС обеспечивается определённый температурный режим, который характеризуется совокупностью температур отдельных узлов РЭС.

Из теоретических основ конструирования, технологии и надежности РЭС известно, что от температуры элементов существенно зависят показатели надёжности РЭС. Установлено, что с увеличением температуры блоков РЭС, имеющих воздушное охлаждение от 40° до 70°C интенсивность отказов их увеличивается в 2-6 раз. Температура окружающей среды может быть различной. В Антарктиде она понижается до – 88°С, в космосе изменяется от –150° до +300°С, на самолетах от –70°C до +150°С. Сами РЭС являются источниками тепла, так как их к.п.д. менее 100%. Воздействие положительных и отрицательных температур может быть причиной постепенных и внезапных отказов РЭС.

Примеры постепенных отказов:

- снижение электроизоляционных свойств материалов;

- увеличение токов утечки;

- снижение величины пробивного напряжения;

- изменение коэффициента усиления транзисторов;

- изменение параметров ферромагнитных сердечников;

- изменение ёмкости конденсаторов, их электрической прочности, тангенса угла диэлектрических потерь;

- изменение сопротивления резисторов;

- увеличение тепловых шумов в резисторах и транзисторах.

 

Все эти причины приводят к параметрическому отказу РЭС.

Примеры внезапных отказов РЭС:

· нарушение целостности элементов конструкции из-за разницы температурных коэффициентов линейного расширения материалов (обрыв проводников, растрескивание металлостеклянных спаек и компаундов, отслаивание и растрескивание подложек, появление внутренних механических напряжений);

· отслаивание печатных проводников, расслаивание многослойных печатных плат, расширение микротрещин в подложках из-за замерзания влаги;

· появление закорачивающих перемычек и условий для протекания электрохимической коррозии из-за конденсации влаги;

· ухудшение качества герметизации и амортизации из-за затвердевания или размягчения резины.

 

В нормативно-технической документации приводятся предельные эксплуатационные характеристики ЭРЭ и РК и фактически их температура не должна выходить за пределы нормы.

Примеры предельных температур некоторых ЭРЭ:

· диоды 2Д503А, Б – от –60° до +125° С;

· транзисторы ГТ104 – от –40° до +55° С;

· КТ921А – от –45° до +125°С;

· КТ203А – от -60° до +125°С;

· резисторы С2-1 – от -60° до +200°С;

· конденсаторы КМ6 (вариант Б) - от -60° до +155°С;

· микросхемы К176 - от -45° до +70°С.

 

Электроизоляционные материалы характеризуются определённым классом нагревостойкости.  Для класса Y – 90°, А – 105°, Е – 120°, В – 130°,  F – 155°,          H – 180°, C>180° C. Разработчик РЭС всегда стремится обеспечить наиболее благоприятный тепловой режим изделия и устранить возможный перегрев отдельных ЭРЭ. Но, как будет показано далее, уменьшение перегрева РЭС связано с увеличением его габаритов. Поэтому конструктор должен найти оптимальный вариант, удовлетворяющий и требованиям надёжности, и массогабаритным показателям.

 

Тепловой режим характеризуется напряжённостью и стационарностью. Если плотность теплового потока не более 50 Вт/ м², то перегрев поверхности РЭС относительно окружающей среды не превышает 0,5ºС и тепловой режим является не теплонапряженным.

Стационарный тепловой режим - это установление термодинамического баланса между источником и поглотителем тепловой энергии, то есть когда          t° = const.

Нестационарный тепловой режим характеризуется изменением температуры от времени τ: t° = f (τ) .

Для выполнения тепловых расчетов и обеспечения тепловых режимов при проектировании РЭС необходимо рассмотреть основы теплообмена и теплопередачи в РЭС.

 

 

8.2. Способы теплопередачи в РЭС

 

В РЭС происходит теплообмен – перенос тепловой энергии из одной части РЭС в другую его часть или в окружающую среду, а также унос тепла различными хладагентами.

Процесс переноса тепловой энергии из одной части пространства в другую осуществляется тремя различными способами (физическими явлениями): теплопроводностью (кондукцией), конвекцией и излучением.

Все три способа существуют одновременно и определяют тепловой режим аппарата.

Перенос тепла кондукцией наблюдается в пространстве, заполненном твердым веществом.

Конвективный перенос тепла происходит в жидкой или газообразной среде, где наблюдается перемещение газа или жидкости друг относительно друга.

В жидкой или газообразной среде наблюдается перенос тепла и теплопроводностью, однако удельный вес этого процесса, как правило, мал.

Конвективный перенос тепла происходит вследствие неравномерного нагрева слоев жидкости или газа.

Теплообмен излучением характеризуется тем, что часть энергии превращается в лучистую энергию и в виде электромагнитных волн переносится в пространство.

Чтобы описать процесс переноса теплового потока Pi от изотермической поверхности i с температурой Ti к изотермической поверхности или среде j с температурой Tj (рис.8.1) необходимо знать аналитическую зависимость, связывающую параметры ti , tj , Pi .

 

55-84                                                      Ti                                          Tj

 

                                                       Pi

 

                                                       i                                            j

 

Рис. 8.1. Перенос теплового потока от поверхности i к поверхности j

 

Как известно, тепловой поток Pi прямо пропорционален разности температур (Ti –Tj) , то есть:

 Ti –Tj = Fi j · Pi ,                                                                          (8.1)

где Fi j - коэффициент пропорциональности.

Чтобы выявить структуру коэффициента Fi j следует рассмотреть отдельно все способы переноса тепла, то есть кондукцию, конвекцию и излучение.

 

8.3.  Кондуктивный перенос тепла

  

Покажем сечение сплошного тела (рис.8.2), на котором имеются следы изотермических поверхностей Si и Sj, с температурой в данный момент Ti и Tj.

Линии, перпендикулярные к изометрическим поверхностям, являются линиями теплового потока. Через единицу площади изотермической поверхности проходит удельный тепловой поток q или плотность теплового потока:

 

 Qi = Pi / Si ;        Qj = Pj / Sj .                                                      (8.2)

55-84 

Рис. 8.2. Сечение сплошного тела

 

Теплообмен кондукцией подчиняется закону Фурье: плотность теплового потока q прямо пропорционально градиенту температур:

 

                        55-84                                                               (8.3)

где λ - коэффициент теплопроводности материала, Вт/ (м.К);

       grad t - вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в   сторону возрастания температуры;

      n0 - единичный вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры;

    55-84 - производная температуры по направлению нормали.

 

За положительное направление grad t принимают направление, в котором температура возрастает.

В трёхмерном температурном поле:

                                                         55-84,                                               (8.4)

где i, j, k - единичные ортогональные векторы по осям координат x, y, z.

 

Запишем закон Фурье для некоторой изотермической поверхности Sl , находящейся между Si и Sj. Буквой l обозначим координату поверхности Sl. Отсчет ведём от какой-либо точки О. Координаты линии l совпадают с линией тока.

Тогда выражение (8.3) можно записать в виде:

                                                            55-84.                                                                                (8.5)

Учитывая выражения (8.2) и (8.5) , получим:

                                                         55-84,                                                                   (8.6)

где 55-84 – тепловой поток, проходящий через поверхность 55-84.

 

Проинтегрируем (8.6) от ti по tj

                            55-84,                                                     (8.7)

где li, lj - координаты изотермических поверхностей i и j.

 

Сравнивая выражения (8.1) и (8.7) получим структуру коэффициента Fij.:

                                        55-84.                                                                  (8.8)

Если между изотермическими поверхностями i и j отсутствуют стоки тепла или источники тепловой энергии, то P(l) не изменяется на пути между поверхностями, то есть P(l) = Pi = const, и выражение (8.8) принимает вид:

                                            55-84.                                                           (8.9)

Давайте проанализируем приведённые здесь выражения и установим, имеется ли какая-либо аналогия между процессом переноса тепла и процессом переноса электричества.

Известно, что плотность электрического тока q связана с градиентом потенциала 55-84, выражением, известным как закон Ома в дифференциальной форме                                                   55-84,                                                          (8.10)

где σ - удельная электрическая проводимость, См/м;

φ – значение потенциала в данной точке тела.

 

В интегральной форме закон Ома для двух эквипотенциальных поверхностей i и j имеет вид:

 

                                              55-84,                                                                             (8.11)

где Rij – электрическое сопротивление между поверхностями i и j;

Ii – электрический ток, проходящий через поверхность Si.

 

Сопоставляя выражения (8.1) и (8.11); (8.3) и (8.10), видим, что процессы разной физической природы описывают одинаковыми по структуре уравнениями. Это позволяет провести аналогию между этими процессами, и установить аналоги ( ↔ ) между тепловыми и электрическими параметрами:

T ↔ φ;      q ↔ qэ;

P ↔ I;       Fij ↔ Rij.

 

Можно показать, что и структура Rij подобна Fij.

Действительно,  55-84.                                                                     (8.12)

 

Если между эквипотенциальными поверхностями отсутствуют источники и стоки тока, то Ii = I(l) = const, а   55-84.                                        (8.13)

 

Если длина проводника l, сечение S, то по (8.13) получим известную в радиоэлектронике формулу сопротивления участка проводника постоянному току:

                                                             55-84 .                                                             (8.14)

Аналогия между процессами переноса тепла и электричества позволяет применять законы Ома, Кирхгофа и разработанные в радиоэлектронике методы расчёта общего сопротивления и потенциалов в узлах цепи для решения задач теплопередачи.

Параметр Fij, определённый по (8.9), будем называть тепловым сопротивлением по аналогии с электрическим сопротивлением.

Но, если P(l) = const, то структура параметра F описывается выражением (8.8) и этот параметр называют тепловым коэффициентом. Следовательно, тепловое сопротивление является частным случаем теплового коэффициента, и в дальнейшем будем его обозначать через R.

Пользуясь выражением (8.9), можно получить формулы для определения тепловых сопротивлений стенок и оболочек различной конфигурации. Например, для плоской стенки, представленной на рис.8.3, тепловое сопротивление имеет вид:

                                55-8455-84.                                   (8.15)

Формулы определения тепловых сопротивлений для других конфигураций тел (цилиндра, шара) приведены в [20].

Как и в электрических цепях для анализа тепловых процессов удобно пользоваться схемами замещения.

          55-84

Рис. 8.3. Плоская стенка

Для примера на рис.8.4 и 8.5 приведены схемы замещения для составных стенок.

55-8455-84                                      λ1 λ2 λ3

 

         P       tc1                                       tc2

 R1              R2               R3

55-84                                                                                                P  tc1                                                                                            tc2

 

      δ1 δ2 δ3                                                                               б)

                                                а)

Рис. 8.4 - а) составная стенка; б) схема замещения

 

55-84                                                                                                                                 

                       tc1      l1, S1       tc2                                                                 P

   P                 l2 , S2                                                                     tc1                                    tc2                

                                      l3, S3                                                                                     R3

а)                                                                                   б)

Рис. 8.5 -  а) составная стенка; б) схема замещения

Для винтового соединения схема замещения приведена на рис.8.6.

55-84Винтовое соединение состоит из охлаждаемой детали 1, винта 2, шайб 3 и 5, шасси 4 и гайки 6. Применение схем замещения позволяет упростить анализ тепловых режимов РЭС.                                                                 t

                                                              1 

                                                                    

                                 t                            2                                                                  R2       

               δ 3                                           3

           δ 4                                                                                                               tш                                          R3   

 δ2                  δ 5                                                                      4                                                                                             R5

                                                                                                                                                                    

                                                                                                                                                    5                                                              R6

                                                     d2                     

                                  d6                       6

                                  d5                                                        tш

                                                       а)                                                     б)

Рис.8.6. Винтовое  соединение

а) – схематическое  изображение винтового  соединения;

б) – схема  замещения

 

8.4. Конвективный перенос тепла

 

8.4.1. Исходные уравнения. Применение теории подобия

 

Теплообмен между поверхностями Si твёрдого тела и окружающей его газообразной средой подчиняется закону Ньютона-Рихмана:

 

                                             55-84 ,                                                                                                       (8.16)

где Pic – тепловой поток от поверхности твердого тела к среде, Вт;

αicкоэффициент теплообмена (теплоотдачи) между поверхностью тела и средой, Вт/(м2 К);

ti ,tc – температуры поверхности тела и среды;

Si – площадь поверхности теплообмена тела.

 

Сопоставляя (8.16) и (8.1), находим структуру теплового коэффициента при конвективном переносе тепла:

 

                                               Fi j = 1/(α ic Si ).                                                               (8.17)

 

Если между поверхностью тела и окружающей средой отсутствуют источники или стоки тепловой энергии, то величина теплового потока от поверхности с температурой ti к среде с температурой tj не изменяется и поэтому Fic можно считать тепловым сопротивлением, то есть:

 

                                                 55-84,                                                                    (8.18)

 

а тепловая проводимость

                                              55-84.                                                         (8.19)

Если конвективный теплообмен происходит через газообразную прослойку, ограниченную поверхностями Si и Sj с температурами ti и tj , то тепловой поток:

                                  55-84 ,                                                  (8.20)

 

где Кij - коэффициент теплопередачи в прослойке.

При условии отсутствия стоков и внутренних источников тепла в прослойке можно считать тепловой коэффициент Кij тепловым сопротивлением, то есть:

 

                                      55-84 ,                                           (8.21)

где σij - тепловая проводимость прослойки.

 

Вся трудность определения тепловых сопротивлений и тепловых проводимостей заключается в определении коэффициента Kij , зависящих от большого количества теплофизических параметров. Так, например,

                                       55-84 ,                                                                      (8.22)

где β – коэффициент объёмного расширения газа, I / K;

λ – коэффициент теплопроводности газа, Вт / (м·К);

Cp - удельная теплоёмкость газа, Дж / (кг·К);

ν – коэффициент кинематической вязкости жидкости газа, м2 / c;

a – коэффициент температуропроводности газа, м2 / c;

g - ускорение силы тяжести, м / c2 ;

Ф – символическое обозначение совокупности параметров.

 

Для упрощения исследования процессов теплообмена конвекцией используют теорию подобия.

Теория подобия позволяет характеризовать физические процессы не отдельными физическими величинами, а безразмерными критериями, которые составлены из этих же физических величин.

Процесс теплообмена описывается тремя критериями:

Нуссельта 55-84;                                                                                              (8.23)

Грасгофа 55-84;                                                                            (8.24)

Прандтля 55-84.                                                                                                               (8.25)

Через L – обозначен геометрический параметр, характерный для данной конфигурации (диаметр - для труб и шаров, высота – для вертикальных пластин и т.д.).

Базовой теоремой теории подобия послужила теорема: ...“подобны те явления, которые протекают в геометрически подобных системах и имеют численно – одинаковые определяющие критерии”.

 

Поэтому необходимо рассматривать отдельно конвекцию в неограниченном и ограниченном пространстве.

 

 

 

 

 

8.4.2. Теплоотдача конвекцией в неограниченном

           пространстве

 

На основании теории подобия получена общая зависимость для коэффициента теплоотдачи с одним определяющим размером (вертикальные пластины, бесконечно длинная проволока, трубы, шары):

                                          55-84 ,                                                           (8.26)

где C и n – эмпирические коэффициенты, зависящие от произведения критериев Грасгофа и Прандтля, приведённые в таблице 8.1; m – индекс, указывающий на то, что физические параметры λ, α, ν должны соответствовать средней температуре tm

                                                                 55-84.                                                                 (8.27)

 

Таблица 8.1

Значения коэффициентов С и n

 

(Gz·Pz)m

C

n

<1·10-3

1·10 -3 - 5·102

5·10 2 - 2·10 7

2·10 7 - 1·10 13

0,5

1,18

0,54

0,135

0

1/8

1/4

1/3

 

В соответствии со значениями (Gz·Pz)m или степени n различают четыре закона теплообмена:

· пленочный режим (NUm = 0,5). У поверхности образуется почти неподвижная плёнка нагретой среды. Интенсивность теплообмена очень мала. Температурный напор очень мал. Теплообмен обусловлен явлением температуропроводности;

· закон 1/8 степени. Он соответствует ламинарному режиму движения воздуха. Интенсивность теплообмена незначительная. Этот режим характерен для тонких проводников;

· закон ¼ степени. Он соответствует интенсивному ламинарному и локонообразному движению газа. Интенсивность теплообмена больше. Такой режим образуется около плоских и цилиндрических кожухов аппаратов средних размеров, около плоских рёбер радиатора и т.п.;

· закон 1/3 . Это вихревое движение газа и интенсивный теплообмен.

     Такой режим возникает около внешних поверхностей больших раз-    меров.

Формула (8.26) для практического использования неудобна. Поэтому её преобразовали для определения коэффициентов теплоотдачи тел различной конфигурации в условиях естественной конвекции.

Для неограниченных цилиндров (закон 1/8):

 

                                         55-84,                                                       (8.28)

где А1 – коэффициент, определяемый по формуле (8.29), Вт/ (м1/8 K9/8);

 d – диаметр, м.

 

                         55-8455-84,                                       (8.29)

Для воздуха рассчитаны значения А1 в зависимости от tm и приведены в таблице [21].

Для плоской и цилиндрической поверхности закон теплопередачи определяется неравенством:

 

                                        55-84,                                                          (8.30)

где L - определяющий размер, мм.

 

Если условие (8.30) выполняется, применим закон  1/4  степени, если не выполняется, то 1/3 степени.

Для закона 1/4 степени:

 

                                    55-84,                                                               (8.31)

где N - коэффициент, зависящий от ориентации нагретой поверхности.

 

Для вертикальной N = 1; для горизонтальной, обращённой нагретой стороной вверх, N = 1,3; а вниз – N = 0,7;

А2 - коэффициент, определяемый по формуле (8.32), Вт/ (м 7/4 K5/4 ),

                          55-84.                                         (8.32)

 

Для воздуха значения А2 приведены в таблице [21].

 

Для закона 1/3 степени:

 

                                    55-84 ,                                                                (8.33)

где А3 – коэффициент, определяемый по формуле (8.34), Вт / (м2 К4/3)

                                                 55-84.                                                                                       (8.34)

Для воздуха значения А3 приведены в таблице [21].

 

Формулы (8.30) – (8.34) применимы и для дисков. При этом за определяющий размер принимается диаметр диска.

 

8.4.3. Теплоотдача конвекцией в ограниченном

             пространстве

 

При естественной конвекции в неограниченном пространстве рассматривается лишь нагрев газа, а его охлаждение происходит где-то вдалеке.

В малом (в ограниченном) пространстве явление нагревания и охлаждения газа протекает вблизи друг от друга и разделить их невозможно. Поэтому весь процесс в данном случае рассматривается вместе.

Процесс теплоотдачи определяется как физическими свойствами газа и температурой поверхностей, так и формой и размерами пространства.

На рисунке 8.7 показано влияние размеров ограниченного пространства и расположение более нагретой поверхности на циркуляцию газа.

55-84
55-84
 

 

 


55-8455-84                                                                                                                                                                 

                                                               

 

 

 

а)                                                б)                                            в)                                             г)

 

Рис. 8.7. Влияние размеров пространства на циркуляцию газа

а) – большая ширина пространства; б) – малая ширина пространства;

в) – расположение более нагретой поверхности внизу горизонтальной щели;

г) – расположение более нагретой поверхности вверху горизонтальной щели

 

При расположении более нагретой поверхности сверху горизонтальной щели циркуляция газа отсутствует.

В замкнутом ограниченном пространстве процесс теплообмена протекает значительно сложнее, чем в неограниченном, и его принято рассматривать как элементарное явление передачи тепла путём теплопроводности.

При этом, введя понятие эквивалентного коэффициента теплопроводности λэк, можно определить тепловой поток в плоских, шаровых и цилиндрических прослойках по формулам для теплового потока, протекающего через твердые вещества.

Например, для плоской прослойки между пластинами 1 и 2 (рис. 8.8) тепловой поток определяется законом  Ома для полной цепи:

55-84 1                                2

P                                                 55-84,                             (8.35)

                                                                  где δ – толщина прослойки;

                        S – площадь пластины 1.

 

Рис. 8.8. Тепловой поток между пластинами 1 и 2

 

Сравнивая формулу (8.35) с (8.20), получим формулу коэффициента теплопередачи для плоской прослойки:

 

                                        55-84,                                                                  (8.36)

который также называют конвективно-кондуктивным коэффициентом теплопередачи.

Процесс теплообмена в прослойках неограниченной длины принято описывать с помощью критериального уравнения:

 

                                        55-84,                                                      (8.37)

где εк – коэффициент конвекции

                                         55-84,                                                                                 (8.38)

где λf - коэффициент теплопроводности газа в прослойке при температуре

55-84.                                                       (8.39)

Тогда формула (8.36) с учетом (8.38) может быть преобразована к виду:

 

                                        55-84 . 55-84                                                                   (8.40)

Аналогично, могут быть получены формулы конвективно-кондуктивного коэффициента теплопередачи для цилиндрических и шаровых прослоек. Значение коэффициента конвекции εк определяют из критериальных уравнений типа (8.37) в зависимости от произведения (Gz··Pz)

При (Gz··Pz) < 1000,                            εк = 1;                                                                     (8.41)

При (Gz··Pz) > 1000,

               55-84,                       (8.42)

где A4 – коэффициент, определяемый по формуле (8.43), 1 / (м3/4 K1/4).

                              55-84.                                         (8.43)

 

Если прослойка воздушная, то для температур tf = (0 – 1000)0C произведение A4·λf остаётся практически постоянным:

 

 55-84                        55-84 Вт / (м1,75 K1,25)                                                  (8.44)

 

и для воздушной плоской прослойки:

                              55-84.                                                                   (8.45)

Для ограниченного объёма, имеющего форму параллелепипеда, конвективно-кондуктивный коэффициент теплопередачи определяют по (8.40), а коэффициент конвекции по (8.46):

                        55-84,                                               (8.46)

где N – коэффициент, учитывающий ориентацию параллелепипеда. При горизонтальном расположении N = 1,3, при вертикальном N = 1.

 

f (δ /λ) – функция, определяемая по (8.47):

                                               55-84,                                                                                       (8.47)

где l1 и l2 - длина и ширина параллелепипеда.

                                55-84.                                                 (8.48)

 

Формула (8.46) справедлива при 55-84  и   55-84.

Более обширная информация по теплопередаче в ограниченном пространстве дана в [20].

Интенсивность теплопередачи конвекцией зависит от давления газообразной среды. В диапазоне давлений H = (133 – 98,1·104) Па коэффициенты теплопередачи определяют по формуле (8.49):

 

                55-84; 55-84,                      (8.49)

где Н0 – нормальное давление, составляющее 101 кПа;

 n – степень в критериальных уравнениях (8.24) , (8.28), (8.31), (8.33).

 

Чтобы не ошибиться во множестве формул при расчете теплопередачи естественной конвекцией, следует вначале определить пространство (ограниченное или неограниченное) и далее использовать формулы для конкретных поверхностей или прослоек. Например, для плоских и цилиндрических поверхностей в неограниченном пространстве проверяется условие (8.30). Если оно выполняется, коэффициент теплоотдачи определяется по формуле (8.31), а если нет, то по (8.33).

 

8.4.4.  Теплопередача при вынужденной конвекции

 

При вынужденной конвекции охлаждённое тело омывается потоком газа со скоростью ύ.

Рассмотрим вначале движение газообразной среды вдоль плоской поверхности. В этом случае коэффициент теплопередачи с поверхности тела зависит от критериев Нуссельта (NU), Рейнольдса (Re) и Прандтля (Pz):

 

                                55-84, 55-84,

 

                                 55-84, 55-84,                                           (8.50)

где Т и С – индексы, указывающие на параметры, соответствующие температуре тела и среды;

L – длина тела по направлению теплового потока.

 

Интенсивность теплообмена определяется величиной критерия Рейнольдса. Если Re< 4·104, то для воздуха в широком диапазоне температур

 t = (0-1000)0C

                                        55-84,                                                          (8.51)

 

 

Если Re > 4·104, то для воздуха:

 

                                        55-84 .                                                          (8.52)

 

Зная величину критерия Нуссельта, определяют коэффициент теплоотдачи по формуле:

 

                                         55-84.                                                                                   (8.53)

 

Формулы (8.51) и (8.52) пригодны и для цилиндрических поверхностей. При поперечном движении газообразной среды коэффициент теплоотдачи определяют по (8.54),

                                         55-84,                                                                 (8.54)

где l / - размер, равный длине обтекания тела потоком газа (рис. 8.9)

 

55-84
 


                                                                                  

                                                                                                      

 

 

 

                                                                 

                               

                а)                                                            б)

 

Рис. 8.9. Поперечное обтекание тела потоком газа

а) – размер l / = 0,5π d;    б) – размер l / = (a + c)

 

При поперечном движении воздуха критерий Нуссельта подсчитывают:

 

                                                                    55-84,                                                                  (8.55)

где                     55-84.                                                                                            (8.56)

 

Выражение (8.55) справедливо при условии 10 < Re < 105 .

 

Более подробно принудительная конвекция рассмотрена в [21].

8.5.  Перенос тепла излучением

 

Связь результирующего теплового потока Pij , излучаемого с поверхности тела i, площадью Si , к поверхности j с площадью Sj найдена в [20] на основе законов теплового излучения (Планка, Релея-Джинса, Вина, Стефана-Больцмана, Ламберта, Кирхгофа, Бугера):

            55-84,                                      (8.57)

где εnij – приведённая степень черноты j и i тел;

С0–коэффициент излучения абсолютно чёрного тела, C0 =5,67 Вт/(м2 К4);

 Ti, Tj – температура i и j тела, К;

 φij – коэффициенты облучённости i-го тела j-ым.

 

Степенью черноты называют отношение энергии излучения данного тела к энергии излучения абсолютно черного тела при той же температуре.

Абсолютно черным телом называют тело, которое падающую лучистую энергию полностью поглощает.

Приведённая степень черноты характеризует степень черноты системы i и j тел и зависит как от степени черноты тел, так и от формы тел и их расположения. Например, для двух плоских тел, расположенных параллельно:

 

                               55-84,                                                              (8.58)

 

а для тела, находящегося в неограниченном пространстве:

 

                                                 55-84 ,                                                                               (8.59)

где ε – степень черноты тела.

 

Коэффициент облучённости показывает, какая часть лучистого потока, испускаемого одним телом, попадает на другое тело, находящееся в лучистом теплообмене с первым и характеризует геометрические свойства системы тел.

В частном случае для тела, расположенного в неограниченном пространстве, φ = 1.

Преобразуем (8.57) к виду, аналогичному закону Ньютона-Рихмана,

                               55-84,                                                                (8.60)

где α^ij - коэффициент теплообмена излучением между i и j поверхностями.

Из формул (8.57) и (8.60) получим формулу коэффициента теплоотдачи тел излучением:

                            55-84,                                                             (8.61)

где f (ti,j) – функция температур, Вт / (м2К).

            55-84.                    (8.62)

 

Для ускорения расчетов f (ti,tj) протабулирована в [7, 20].

Так как теплопередача излучением описывается выражением (8.60), то по аналогии с конвекцией формулы теплового сопротивления и проводимости имеют вид:

                                          55-84,                                                        (8.63)

                                     

                                      55-84.                                                                (8.64)

Интенсивность теплопередачи излучением с одного тела на другое может быть уменьшена с помощью тепловых экранов за счет уменьшения приведённой степени черноты. Так, если между двумя параллельными пластинами неограниченной длины поместить n экранов с одинаковой степенью черноты, равной степени черноты поверхностей ε, то приведённая степень черноты определяется выражением:

                               55-84.                                                               (8.65)

Очевидно, что в данном случае теплообмен излучением уменьшится в (n+1) раз. Если же требуется увеличить теплопередачу излучением, то следует увеличить приведённую степень черноты. С этой целью радиаторы в РЭС чернят. Причем чернение обеспечивает не только высокую степень черноты, но и увеличивает поверхность охлаждения радиатора за счет образования рельефной поверхности.

Если на тело падают солнечные лучи, то теплопередача от этого тела в окружающую среду ухудшается и определяется выражением:

                  55-84,                                                (8.66)

где α^1,C – коэффициент теплоотдачи излучением от тела в окружающую среду, Вт / (м2 К),

55-84,                                             (8.67)

ε – степень черноты тела;

S1 – поверхность тела, м2;

A1S  - поглощательная способность тела лучистой энергии, зависящая от вида материала поверхности. Например, для алюминия она составляет 0,26, а для черной краски - 0,97 – 0,99;

Es - облучательная способность Солнца, зависящая от времени дня и года, ориентации поверхности, Вт / м2. Значение Es приведены в [21];

S0 – площадь поверхности тела, освещаемая солнцем, м2.

 

Вспомним, что поглощательная способность тела характеризуется отношением поглощенной энергии к общей энергии, падающей на тело.

Рассмотрим методы обеспечения тепловых режимов РЭС, используемые разработчиками РЭС.

 

8.6.  Способы и системы охлаждения РЭС

 

Системой охлаждения называется совокупность устройств и элементов, предназначенных для охлаждения РЭС.

Системы охлаждения работают в широком диапазоне температур и подразделяются на воздушные, жидкостные, испарительные, кондуктивные и комбинированные.

Для обеспечения работы ЭРЭ в среднем диапазоне температур, когда изменение температуры составляет единицы градусов Цельсия, применяют системы термостабилизации.

Более узкий интервал изменения температуры РЭС (доли градусов Цельсия) обеспечивают системы термостатирования. По данным [8] 98% РЭС имеет воздушное охлаждение благодаря простоте реализации. Но интенсивность теплопередачи при естественном воздушном охлаждении невысокая и коэффициент теплоотдачи не превышает 10 Вт / (м2К).

Для сравнения в таблице 8.2 приведены сведения по интенсивности различных способов теплопередачи.

Увеличение интенсивности теплопередачи при воздушном охлаждении достигают применением радиаторов, позволяющих увеличить поверхность охлаждения, перфорационных отверстий-жалюзей в корпусе РЭС, принудительной вентиляцией. Известно много конструкций радиаторов. Наиболее распространёнными являются ребристые и игольчато-штыревые радиаторы. Методики их расчета приведены в [8, 20, 22, 23].

 

Таблица 8.2

 

Интенсивность теплопередачи различных способов охлаждения РЭС

 

 

Способ теплопередачи

Коэффициент

теплоотдачи

Вт / (м2К)

Естественная конвекция и излучение

Принудительная конвекция в воздухе и газах

Естественная конвекция в масле и других

жидкостях той же плотности

Принудительная конвекция в масле и других

жидкостях той же плотности

Естественная конвекция в воде

Принудительная конвекция в воде

Кипение воды

Капельная конденсация водяных паров

2 - 10

10 - 100

 

200 - 300

 

300 - 1000

200 - 600

1000 - 3000

500 - 4500

40000 - 120000

 

Большей эффективностью, чем воздушные системы охлаждения, обладают жидкостные. Но их конструкции более сложны, а ЭРЭ и узлы требуют специального покрытия и защиты от воздействия теплоносителя (охлаждающей жидкости).

 

В качестве теплоносителя используется вода, водоспиртовые смеси (антифризы), кремнийорганические и фторорганические жидкости (фреон).

 

Жидкостное охлаждение может быть естественным и принудительным. Принудительное жидкостное охлаждение используют, как правило, для наиболее теплонагруженных элементов.

 

Одной из важнейших проблем конструирования жидкостных систем охлаждения является выбор теплоносителя, обладающего необходимыми теплофизическими свойствами.

 

Использование теплоносителя в режиме кипения привело к созданию испарительных систем охлаждения, обеспечивающих ещё большую, чем в жидкостных системах, интенсивность теплопередачи (до 120000 Вт / (м2 К)).

 

Влияние режима кипения жидкости на интенсивность теплопередачи показано на рис.8.10.

55-84                                                                    

                                                     

                                                    

                                                                                                     

                                 

 

 

                                 

                                                                         

 

 

 

 

Рис. 8.10. Режим кипения жидкости

1 – пузырьковый режим; 2 – плёночный режим

 

Зависимость коэффициента теплоотдачи α от удельной мощности тепловыделения q имеет релейный характер, поэтому для высокой эффективности теплопередачи необходимо обеспечить пузырьковый режим кипения жидкости.

К испарительным системам охлаждения относят тепловые трубы. Устройство тепловой трубы схематично представлено на рис. 8.11.

55-84               

                                                                                                                                      

 

Тепло-                                                                                                                                       Ради-

выделя-                                                                                                                                      атор 

ющий                                                                                                                                         системы

элемент

 

                                 

 

 

Рис. 8.11. Тепловая труба

1 –          вакуумированная камера (корпус); 2 – капиллярная

структура (фитиль), пропитанная жидкостью; 3 – поток пара

 

В тепловой трубе реализован замкнутый испарительно-конденсационный цикл. Передача тепла осуществляется потоком пара, образующимся в зоне испарения. Возврат жидкости от зоны конденсации происходит благодаря капиллярному эффекту в капиллярной структуре, которой облицована вакуумированная камера. Капиллярный эффект вызывает движение жидкости в пористой среде за счет добавочного давления, создаваемого поверхностным натяжением на искривлённой поверхности жидкости, смачивающей поверхность капилляров.

Капиллярная структура может быть получена разными способами, но наибольшее применение для этих целей получили металлические сетки. Размер капилляров зависит от типа теплоносителя. Для воды он составляет 30 – 70 мкм.

Основные достоинства тепловых труб:

· высокая теплопроводность, примерно в 1000 раз больше, чем у меди;

· работоспособность в условиях невесомости;

· большой срок службы (16000 часов для тепловых труб на воде);

· реализация термостатирования;

· использование в диапазоне температур от –2730 до +27000С;

· возможность отделения источников тепла от стоков;

· выполнение тепловой трубой функций элементов конструкции.

Недостатком тепловых труб является сложность воспроизведения их параметров и получение высокой эффективности при длине, значительно превышающей поперечный размер.

Самую высокую теплопередачу обеспечивает принудительное испарительное охлаждение. Однако его практическое применение ограничено из-за сложностей технической реализации.

Во многих случаях используются кондуктивные системы охлаждения, обеспечивающие теплопередачу теплопроводностью.

В [24] описано функционирование всех рассмотренных систем охлаждения, а также комбинированных.

При теплофизическом конструировании РЭС следует выбирать оптимальный вариант обеспечения теплового режима, используя известные физические явления, эффекты, свойства веществ и конструкционных материалов.

В этой связи охлаждение РЭС может быть обеспечено следующими способами:

1) применение в качестве теплоносителя водорода, гелия и других инертных газов, обладающих лучшими, по сравнению с воздухом, теплопроводными свойствами. Данное техническое решение используют при герметизации РЭС;

2) использованием компаундов для защиты РЭС от внешних воздействий, обладающих улучшенными теплопроводными свойствами. С этой целью в компаунде применяют в качестве наполнителя медную или алюминиевую пудру, Si O2 и т.п.;

3) применением тепловых аккумуляторов для РЭС, работающих в кратковременном режиме. Это могут быть металлические детали корпуса блока, корпус объекта установки РЭС, топливо в баке и т.д.;

4) использование энергии перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое. Например, плавление воска, парафина и других веществ, температура плавления которых меньше допустимой температуры РЭС;

5) с помощью холодильных устройств.

 

8.7.  Применение эффектов Пельтье

               и Джоуля–Томпсона для охлаждения РЭС

 

Для охлаждения специальных элементов РЭС применяют микрохолодильники, работающие на эффекте Пельтье. Это термоэлектрическое охлаждение, открытое французским физиком Пельтье в 1834 году.

Эффект Пельтье заключается в выделение тепла, дополнительного джоулеву, при протекании постоянного тока по цепи, состоящей из проводников с различными коэффициентами термоЭДС.

Физически эффект Пельтье объясняется тем, что при переходе электронов из проводника с большей энергией носителей в проводник с меньшей энергией выделяется избыточная энергия в виде тепла. В случае противоположенного перехода электронов происходит поглощение энергии.

Аналогичный процесс происходит в цепи, состоящей из полупроводников с различными типами проводимости. Русский физик А.Ф. Иоффе в тридцатых годах предложил использование эффекта Пельтье для построения термобатарей.

 

Цепь простейшего термоэлемента содержит детали (столбики) из полупроводниковых материалов с проводимостями n- и p- типа, соединёнными коммутационными пластинами (рис. 8.12).

55-84                                                          

         

 

       

                                               

 

 

                               

                                                                                                                                                                                                    

 

Рис. 8.12. Термоэлемент

1 –          столбик из полупроводникового материала с проводимостью       n- типа; 2 – столбик из полупроводникового материала с проводимостью р- типа; 3 – коммутационная пластина

Лучшими полупроводниковыми материалами для этих целей являются твёрдые растворы на основе телурида висмута (Ве2Те3) с легирующими добавками.

 

При протекании тока в направлении от детали с проводимостью n-типа к детали с проводимостью p-типа на их спае (холодном) поглощается тепловая энергия, а на другом спае (горячем) – выделяется.    

 

Поглощаемая на холодном спае теплота Qx определяется выражением:

 

                               55-84 ,                                                                 (8.68)

 где Qne – теплота Пальтье, Вт;

QDЖ – джоулева теплота, выделяющаяся на электрическом сопротивлении термоэлемента, Вт;

Qλ – теплота, передающаяся теплопроводностью от горячего спая к холодному, Вт.

 

Теплота Пельтье определяется по формуле:

 

                                           55-84,                                                           (8.69)

где αТ – коэффициент Зеебека (коэффициент термоЭДС), В / К;

I – протекающий по термоэлементу ток, A;

tX – температура холодного спая, °C.

 

Джоулева теплота подсчитывается по формуле:

 

                                         55-84,                                                                                (8.70)

 где RЭ – активное сопротивление термоэлемента электрическому току, Ом.

 

Теплота, передающаяся от горячего спая к холодному за счёт теплопроводимости, определяется по формуле:

                   55-84,                                             (8.71)

где tr55-84- температура горячего спая термоэлемента, °C;

 λ–коэффициент теплопроводности п/проводникового материала, Вт/м К;

 S и δ – поперечное сечение и высота детали из полупроводникового                 материала.

Зависимость теплоты, выделяемой в термоэлементе, от протекающего тока представлена на рис. 8.13.

 

55-84                         

 

 

                                                                                                                                                                                               

 

 

                                                                              

  

 

 

 

  

 

 

Рис. 8.13. Зависимость теплоты, выделяемой в термоэлементе,

                 от протекающего тока

 

Она наглядно демонстрирует максимальное понижение температуры холодного спая при оптимальной величине тока IОПТ. Эффект охлаждения термобатареи может вообще исчезнуть при токе, превышающем оптимальную величину, из-за возрастания джоулевой теплоты.

В [1, 22] приведены примеры конструктивной реализации однокаскадной и многокаскадной термобатарей. Однокаскадной термобатареей можно снизить температуру охлаждаемого объекта (пластины) примерно на 50°C относительно температуры окружающей среды. Охлаждение до более низких температур обеспечивают многокаскадными термобатареями. В частности, пятикаскадной термобатареей снижают температуру до минус 123°C. Холодопроизводительность такой термобатареи 1 Вт, потребляемая мощность 240 Вт, рабочий ток  300 А.

Достоинства термоэлектрического охлаждения:

· реализация микрохолодильников производительностью от долей до десятков ватт;

· возможность создания систем термостатирования.

Недостатки:

· низкий к.п.д. (30% - для однокадных, 12% - для двухкадных,

     3% - для трёхкадных);

· большая удельная масса (15 – 90 г / Вт).

Для сравнения отметим, что жидкостные системы охлаждения имеют удельную массу 9 – 11 г / Вт.

Из-за этих недостатков термоэлектрические батареи с холодопроизводительностью более 300 Вт применять нецелесообразно.

Для охлаждения РЭС может быть использован и эффект Джоуля-Томпсона. Суть его заключается в том, что реальные газы в широком диапазоне температур и давлений при дросселировании изменяют свою температуру.

Дросселирование – это снижение давления потока газа или жидкости при прохождении его через суженное отверстие (вентиль, кран и т. п.).

В [22] описан дроссельный микроохладитель.

 

8.8.  Выбор способа охлаждения РЭС

 

Способ охлаждения должен быть известен на ранней стадии конструирования РЭС, так как от него существенно зависит конструкция. Поэтому в методологии системного конструирования РЭС способ охлаждения выбирают на этапе формирования и размещения ФУ. Ошибка в выборе способа охлаждения приводит к увеличению материальных затрат и времени на разработку РЭС.

Рекомендуется выбирать способ охлаждения РЭС по рисунку 8.14 [8], где определены области целесообразного применения различных способов охлаждения.

Допустимый перегрев элементов РЭС Dtc опредяляют:

                 Dtc= ti min - tc max ,                                                     (8.72)55-84

где ti min – максимально допустимая температура для наиболее критичного к температуре ЭРЭ (для ЭРЭ имеющих наименьшую допустимую температуру);

tc max – максимальная температура окружающей среды.

Плотность теплового потока q определяют:

                                                

                                                55-84 ,                                                                       (8.73)

где КР – коэффициент, учитывающий давление воздуха, определяемый по графику [8]. Для нормального давления КР = 1.

 

 

 

 

 

 

55-84                            55-84

 

                                                                                                      4   5      6       7    8      9

 

                                 200                                        1  2   3

 

 

 

100

                                                                               1     2    3 4        5       6       7    8      9

 

 

       0             2             3            4              5             6        lg q

 

Рис. 8.14. Области целесообразного применения различных

                          способов охлаждения РЭС

1 – естественное воздушное; 2 – естественное и принудительное воздушное; 3 – принудительное воздушное; 4 – принудительное воздушное и жидкостное; 5 – принудительное жидкостное; 6 – принудительное жидкостное и естественное испарительное; 7 – принудительное жидкостное, естественное и принудительное испарительное; 8 – естественное и принудительное испарительное; 9 – принудительное испарительное.

 

SЗ – условная поверхность теплообмена, определяемая:

 

                                  55-84 ,                                         (8.74)

где l1, l2 , l3 - габаритные размеры блока, стойки (длина, ширина, высота);

КЗ – коэффициент заполнения блока, определяемый:

                                             55-84,                                                                                     (8.75)

где Vi – объём i – го элемента блока;

V – объём блока.

Верхняя часть графиков (см. рис. 8.14) не является продолжением нижних и применяется обычно для выбора способа охлаждения больших элементов [7]. Большими элементами в РЭС считают теплонагруженные элементы, имеющую оребрённую поверхность и монтируемые внутри блока отдельно. Примеры реализации оребрённых поверхностей приведены в [1, 8].

Заштрихованные области на рис. 8.14 не дают однозначной информации о предпочтительном способе охлаждения РЭС, и в этих случаях задача выбора способа охлаждения усложняется.

Наибольший опыт накоплен в разработке РЭС с воздушным охлаждением и в [8] приведены вероятностные зависимости, позволяющие для области 2 выбрать естественное или принудительное охлаждение. Для примера на рис.8.15 представлены вероятностные кривые для РЭС в герметичном кожухе с естественным воздушным обдувом с удельным массовым расходом воздуха

55-84 .

 

55-84     4       3      2       1   W=0 кг/ c·м2

                                                                           P=1                     0,9                                                                  

     45     52    60    67     75                                  0,7                                                                         

                                                                                                                0,5

      30     35    40     45    50                                 0,3

 

   

     15   17,5   20   22,5   25

 

 

    0       0      0       0     0      200    400    600     800      q, Вт / м2

 

Рис. 8.15. Вероятностные кривые для РЭС в герметичном кожухе

Вероятностная оценка показывает, какое внимание должен уделить конструктор обеспечению нормального теплового режима РЭС.

В [8] даны следующие рекомендации:

· если 55-84, то следует остановиться на этом способе охлаждения;

· если 55-84, то данный способ охлаждения можно выбрать, но чем меньше вероятность обеспечения нормального теплового режима, тем больше внимания требуется от конструктора для решения этой проблемы;

· если р < 0,3, данный способ охлаждения РЭС применять нецелесообразно. Подробные сведения по выбору способа охлаждения приведены в [8].

Наверх страницы

Внимание! Не забудьте ознакомиться с остальными документами данного пользователя!

Соседние файлы в текущем каталоге:

На сайте уже 21970 файлов общим размером 9.9 ГБ.

Наш сайт представляет собой Сервис, где студенты самых различных специальностей могут делиться своей учебой. Для удобства организован онлайн просмотр содержимого самых разных форматов файлов с возможностью их скачивания. У нас можно найти курсовые и лабораторные работы, дипломные работы и диссертации, лекции и шпаргалки, учебники, чертежи, инструкции, пособия и методички - можно найти любые учебные материалы. Наш полезный сервис предназначен прежде всего для помощи студентам в учёбе, ведь разобраться с любым предметом всегда быстрее когда можно посмотреть примеры, ознакомится более углубленно по той или иной теме. Все материалы на сайте представлены для ознакомления и загружены самими пользователями. Учитесь с нами, учитесь на пятерки и становитесь самыми грамотными специалистами своей профессии.

Не нашли нужный документ? Воспользуйтесь поиском по содержимому всех файлов сайта:



Каждый день, проснувшись по утру, заходи на obmendoc.ru

Товарищ, не ленись - делись файлами и новому учись!

Яндекс.Метрика