ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Технологический Институт

Южного Федерального Университета

в г. Таганроге

Лабораторная работа №2

По дисциплине:

ОКПП

По теме:

«Расчет охлаждения при естественной конвекции внутри герметичного кожуха»

Выполнила:

ст. группы Н-47

Павлова О.

Проверил:

Петров В.В.

ТАГАНРОГ 2011

1. Цель работы

1. Изучить методику расчета системы охлаждения при естественной конвекции внутри блока.

2. Произвести расчет системы охлаждения по исходным данным.

3. Построить тепловую характеристику - график зависимости Р(t),и из нее найти перегрев нагретой зоны при заданной мощности рассеиваемой блоком

4. Сделать выводы относительно необходимости применения другого вида охлаждения блока.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. Проблема охлаждения РЭА.

Подавляющее большинство маломощных радиотехнических устройств лишь небольшую долю потребляемой от источников питания энергии выдают в виде полезной энергии сигналов, остальная часть преобразуется в тепловую энергию и передаётся в окружающую среду. Общий температурный фон устройства будет определяться удельной мощностью тепловыделения и плотностью теплового потока, проходящего сквозь кожух (корпус) устройства.

Широкое использование микросхем и микросборок позволило значительно увеличить плотность компоновки и сократить обьём РЭА. Это привело к повышению удельной мощности рассеяния и к повышению температуры внутри РЭА по сравнению с аппаратурой, построенной на дискретных радиоэлементах. Чтобы снизить температуру внутри блока, конструктор вынужден принимать дополнительные меры к охлаждению РЭА.

Под охлаждением радиоэлектронной аппаратуры понимают процесс отвода и переноса тепла от элементов РЭА к среде, температура которой остаётся неизменной или поддерживается в необходимых пределах с целью термостабилизации РЭА.

Тепловой режим РЭА есть пространственно-временное распределение температуры в РЭА, соответствующее определённому пространственно-временному распределению тепловыделения в РЭА. Под заданным тепловым режимом в РЭА понимают такой тепловой режим, при котором температура каждого из элементов РЭА равна заданной или не выходит за пределы, указанные для этого элемента.

Все системы охлаждения, используемые в РЭА, по виду теплоносителя делятся на воздушные, жидкостные и испарительные. Наибольшей интенсивностью передачи тепла обладают испарительные системы охлаждения, в которых охлаждение РЭА происходит за счёт изменения агрегатного состояния теплоносителя.

По характеру движения теплоносителя системы охлаждения делятся на системы принудительного и естественного движения охлаждающей среды. Основная доля переноса тепла в этих системах происходит за счёт конвекции. В реальных условиях в конструкциях РЭА всегда наблюдается перенос тепла за счёт лучеиспускания (радиационное охлаждение) и теплопроводности (кондуктивное охлаждение). Применение принудительного воздушного, жидкостного и испарительного охлаждения приводит к усложнению конструкции, увеличивает обьём и стоимость РЭА.

Точный анализ температурного состояния РЭА связан с большими трудностями, которые объясняются сложностью конструкции и происходящих в ней процессов, поэтому при изучении теплового режима РЭА применяют приближённое физико-математическое исследование и расчёт теплоотвода в РЭА носит оценочный характер, необходимый для установления исходных параметров конструкции.

Комплекс мероприятий, направленный на снижение температуры, часто связан с дополнительными материальными затратами, поэтому в процессе разработки РЭА необходимо уделять внимание экономически обоснованному решению конструкции при приемлемом перепаде температур. По соображениям экономичности, прежде всего, необходимо стремиться к естественному охлаждению, принимая конструктивные меры к интенсификации передачи тепла в окружающее пространство или на другие части конструкции.

В конструкциях РЭА при нормальных климатических условиях и естественном охлаждении около 70% тепла отводится за счёт конвекции, приблизительно 20% - за счёт излучения и 10% - за счёт теплопроводности.

По тепловому режиму блоки и узлы РЭА можно разделить на теплонагруженные и нетеплонагруженные. Оценка тепловой нагрузки проводится по тепловому потоку, проходящему через единицу поверхности. Для определённости тепловую нагрузку до 0,05 Вт/см² условимся считать малой, а свыше 0,05 Вт/см² – большой.

Основные приёмы, позволяющие снизить температурный фон в блоке при естественном воздушном охлаждении:

1. обеспечить хорошее обтекание холодным воздухом всех элементов конструкции, особенно теплонагруженных;

2. теплонагруженные элементы должны располагаться ближе к стенкам блока;

3. теплочувствительные элементы должны защищаться от обтекания нагретым воздухом;

4. при воздействии лучистой энергии теплочувствительные элементы должны защищаться экранами;

5. все теплонагруженные элементы должны иметь хорошие тепловые контакты с несущими узлами (шасси, платы, кожухи и т.п.).

Естественное воздушное охлаждение возможно только при атмосферном давлении окружающего воздуха не ниже 53 - 60 кПа и при относительно высокой температуре. В самолётной РЭА, расположенной вне гермоотсека, с увеличением высоты полёта резко падает эффективность конвективного охлаждения. Для РЭА, предназначенной для работы в жарком климате, этот способ охлаждения оказывается малоэффективным.

Недостатком естественного воздушного охлаждения является запыление внутреннего объема. Конвективное охлаждение без вентиляционных отверстий в кожухе применяется в РЭА с небольшими тепловыми нагрузками (до 0,05 Вт/см²).

2.2. Предварительная оценка тепловой нагрузки рэа.

Для ориентировочной оценки естественного воздушного охлаждения предположим, что РЭА должна быть выполнена в виде стойки с блоками, в которых шасси расположены горизонтально либо вертикально. Предварительная оценка производится по диаграмме, представленной на рис. 1. По оси абсцисс отложена мощность, приходящаяся на единицу поверхности, а по оси ординат – допустимый перегрев внутри блока = t_доп. – t_c, где t_доп. – допустимая температура нагретых зон внутри блоков, ⁰С; t_c – температура окружающей среды, ⁰С.

Если мощность, рассеиваемая в блоках, одинакова (различие не более 15%), то удельная мощность вычисляется как

Р_уд. = ,

где - суммарная мощность источников тепла внутри стойки, Вт; L₁,L₂,L₃, - габаритные размеры стойки, м.

Рис. 1. Диаграмма для приближённой оценки теплового режима РЭА при воздушном охлаждении.

Если мощность распределена между блоками с неравномерностью, превышающей 15%, то удельная мощность определяется выражением

Р_уд. = ,

где Р_{i max} – тепловая мощность наиболее нагруженного блока, Вт; H_i – высота этого блока, м.

Для сообщающихся блоков с вертикальным шасси при расчёте Р_уд следует к мощности каждой нагретой зоны P_i прибавлять 10% суммарной мощности всех зон, расположенных ниже данной.

Для заданных Р_уд и на диаграмме (рис. 1) находят соответствующую точку. При этом возможны три случая.

1. Найденная точка лежит выше линии а (шасси вертикальное) или линии а’ (шасси горизонтальное). В этом случае возможна пылезащитная или герметичная конструкция стойки (или блока, если расчёт ведётся относительно блока).

2. Точка на диаграмме попадает в область, лежащую между кривыми а, б (горизонтальное шасси) или между кривыми а’, б’ (вертикальное шасси). В этом случае возможно использование перфорированных кожухов (корпусов) и расчёт теплового состояния следует производить по методике.

3. Точка оказывается ниже линии б (горизонтальное шасси) или ниже линии б’ (вертикальное шасси); при этом требуется принудительное охлаждение.

Рис. 2. Зависимость отводимой мощность от площади перфорации.

Перфорация (жалюзи) обеспечивает протекание воздуха внутри блока. Дополнительная часть мощности будет уноситься протекающим воздухом за счёт естественной конвекции. Количество протекающего воздуха будет зависеть от площади перфорации и разницы между плотностью воздуха на входе и выходе блока. Однако увеличение мощности, отводимой в протекающий воздух при увеличении площади перфорационных отверстий, будет наблюдаться только до определённых пределов. Увеличение площади отверстий приводит к уменьшению площади кожуха и, следовательно, к уменьшению мощности лучеиспускания. Уменьшение поверхности контактирования с окружающим воздухом в конечном итоге может привести к снижению мощности, отводимой протекающим воздухом.

Как показывает практика, оптимальное соотношение между площадью отверстий и поверхностью кожуха лежит в пределах 20 – 30%. На рис. 2 приведена зависимость мощности, передаваемой в протекающий воздух, от площади перфорации. Для приближённых оценок можно принять, что при введении вентиляционных отверстий и рациональном их размещении в кожухе перегревы внутри блока снижаются на 20%.

Отверстия (перфорацию) и жалюзи для принудительной вентиляции располагают в нижних, верхних и боковых частях кожуха, стойки или шкафа. Принудительная воздушная вентиляция может отводить до 60 – 80% тепла. Поэтому важно обеспечить необходимое число вентиляционных отверстий и их правильное расположение.

Скорость движения воздуха в блоке определяется разностью температуры и аэродинамическим сопротивлением, зависящим от заполнения объема элементами конструкции, формы элементов и взаимного расположения.

Увеличение площади перфорации до 30% существенно влияет на отвод тепла. Заметное влияние на отвод тепла оказывает коэффициент заполнения объёма, увеличение которого в 1,5 раза ухудшает теплообмен на 10%. Коэффициент перфорации k_пер. = должен быть около 20 – 25%.

Расположение отверстий зависит от распределения теплонагруженных элементов в объёме. Когда это распределение равномерное, то вентиляционные отверстия должны быть тоже равномерно расположены на боковых и нижней частях кожуха. Форма отверстий может быть различной, но при квадратных отверстиях увеличивается отношение между площадью отверстий и площадью перемычек, что благоприятно сказывается на эффективности охлаждения. Для небольших блоков с общей площадью поверхности до 3000 см² диаметр вентиляционных отверстий выбирают около 6 мм, а блоков с площадью поверхности 6000 см² и более – 12 мм. Отверстия располагают в шахматном порядке.

Когда толщина стенок кожуха не обеспечивает необходимой жёсткости, вместо отверстий применяют жалюзи. Размеры и форма жалюзи унифицированы. Если отверстия уменьшают жёсткость кожуха, то жалюзи увеличивают её. Использование жалюзи ухудшают теплообмен примерно на 10% по сравнению с отверстиями.

В верхней части кожуха вместо перфорации или жалюзи часто делают окно, занимающее до 70% всей площади этой части кожуха. Окно закрывают крышкой, приподнятой над кожухом на 10 мм.

Конструкция, в которой используется принудительная воздушная вентиляция, должна отвечать следующим требованиям:

1. обладать малым аэродинамическим сопротивлением протекающему воздуху;

2. обеспечивать хороший доступ воздуха к теплонагруженным элементам;

3. предотвращать попадание нагретого воздуха на теплочувствительные элементы;

4. защищать внутренний объём от пыли;

5. обеспечивать резервирование принудительного воздушного потока;

6. осуществлять автоматическое отключение блока при выходе из строя системы принудительной вентиляции.