Физические модели конструкций приборной аппаратуры

С использованием электротепловой аналогии

Рассмотренные в предыдущих разделах зависимости между тепловыми потоками и перегревом, аналогичны формуле закона Ома в интегральной форме для электрических цепей [7]:

. (6.25)

Это позволяет использовать методы и приёмы теории электрических цепей для интерпретации процессов теплообмена.

Из сравнения соотношений для тепловых потоков и электрического тока, протекающего через участок электрической цепи, легко установить следующие аналогии:

- электрическое сопротивление – тепловое сопротивление R;

- электрическая проводимость - тепловая проводимость ;

- электрическое напряжение U – температурный перегрев ;

- электрический потенциал - температура t;

- электрический ток I – тепловой поток P.

На основании электротепловой аналогии процесс теплообмена может быть представлен тепловой схемой, элементами которой являются источники и приёмники тепловой энергии и тепловые сопротивления (проводимости). Каждому узлу тепловой схемы ставится в соответствие определённая температура t. Переменные величины в тепловой схеме (тепловые потоки и перегревы) подчиняются законам Ома и Кирхгофа для тепловых схем. На основании этих законов тепловые схемы могут быть преобразованы и упрощены.

Тепловые проводимости (сопротивления) тепловой схемы определяются с помощью соотношений [7]:

при кондуктивной теплопередаче

; ;

при передаче тепла конвекцией

при передаче тепла излучением

Таким образом, тепловые проводимости (сопротивления) выражаются через теплофизические параметры материалов (среды) и геометрические (конструктивные) характеристики нагретых тел.

Схема отвода теплового потока из блока показана на рис. 6.10. Здесь конструкция рассматривается в виде физической модели, в которой шасси с нагретыми элементами представлено нагретой зоной с изотермической поверхностью S_н.з и температурой t_н.з. Как видно из рис. 6.10, тепловая мощность, выделяемая в нагретой зоне, передаётся через ограниченный объём 2 и по элементам крепления 3 к кожуху 4, а от кожуха – в окружающую среду.

На своём пути тепловой поток будет встречать суммарное тепловое сопротивление

где согласно рис. 6.11 R₁ является тепловым сопротивлением участка от нагретой зоны до кожуха и состоит из двух параллельно включённых сопротивлений: тепловому потоку за счёт конвекции в ограниченном пространстве (характеризуется конвекционно-кондуктивным коэффициентом К) и тепловому потоку за счёт лучеиспускания ; R₂ – теплопроводность кожуха; R₃ – сопротивление тепловому потоку при его распространении от наружной поверхности кожуха в окружающую среду. Сопротивление R₃ состоит из двух параллельно включённых сопротивлений: потоку, обусловленному конвекцией, и обусловленному лучеиспусканием, .

Для учёта теплового потока по элементам крепления 3, на схеме рис. 6.11 можно включить тепловое сопротивление элементов крепления параллельно сопротивлениям и .

Предварительная оценка тепловой нагрузки приборной аппаратуры

Для ориентировочной оценки естественного воздушного охлаждения предположим, что ПА должна быть выполнена в виде стойки с блоками, в которых функциональные узлы расположены горизонтально или вертикально. Предварительная оценка производится по диаграмме, представленной на рис. 6.12 [7]. По оси абсцисс отложена мощность, приходящаяся на единицу поверхности, а по оси ординат – допустимый перегрев внутри блока , где - допустимая температура нагретых зон внутри блоков, ; - температура окружающей среды, .

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

,

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

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

,

где - тепловая мощность наиболее нагруженного блока, Вт; - высота этого блока, м.

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

Для заданных и на диаграмме (рис. 6.12) находят соответствующую точку. При этом возможны три случая.

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

Точка на диаграмме попадает в область, лежащую между кривыми ,

2. (горизонтальное шасси) или между кривыми , (вертикальное шасси). В этом случае возможно использование перфорированных кожухов (корпусов).

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

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. 6.13 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 объёма элементами конструкции, формы элементов и взаимного расположения. На рис. 6.14 приведён обобщённый график зависимости количества тепла, уносимого воздухом, от коэффициента перфорации кожуха (отношение площади отверстий к площади поверхности кожуха). Из этого рисунка видно, что увеличение площади перфорации до 30% существенно влияет на отвод тепла. Заметное влияние на отвод тепла оказывает коэффициент заполнения объема, увеличение которого в 1,5 раза ухудшает теплообмен на 10%. Коэффициент перфорации 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 для 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 ухудшает теплообмен примерно на 10% по сравнению с отверстиями.

В верхней части кожуха вместо перфораций 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 холодного 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.

Системы принудительного охлаждения делятся на общие и локальные. С помощью общих систем охлаждают всю ПА или блок в целом. Локальные системы предназначены для охлаждения отдельных теплонагруженных элементов [17,46].

Равномерное охлаждение элементов конструкции с одинаковым тепловыделением будет только в том случае, если они располагаются с одинаковым зазором. При одинаковом зазоре скорости обтекания их воздушным потоком будут близкими. Чтобы исключить сквозные малоэффективные каналы, необходимо узлы располагать в шахматном порядке или ставить между ними перегородки.

Узлы (например, в форме параллелепипеда) располагают так, чтобы их наименьшая грань была перпендикулярна воздушному потоку. Характер течения воздуха в системах принудительной вентиляции определяется способом его подвода. При конструировании элементов подвода и отвода воздуха, а также при размещении элементов на шасси необходимо избегать замкнутых объемов (аэродинамических теней), в которых могут образовываться застойные зоны. Подобные зоны мо­гут появляться при подводе воздуха через одно отверстие малого сече­ния. Равномерное распределение воздуха достигается с помощью вы­равнивающих решеток в виде плоских перфорированных листов. Эти решетки выравнивают поле скоростей потока и дополнительно турбулируют воздушный поток, что создает лучшие условия охлаждения.