CC BY
29
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ПУЛЬТОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ КОРАБЛЯ
А.Г. Богданов, В.И. Егоров, М.И. Калинина, Н.А. Шарков, Т.Ю. Иванова
В работе рассматривается проблема обеспечения функционирования пультов управления техническими средствами различных корабельных комплексов. Для этого анализируются источники теплоты и способы эффективного отвода тепла от наиболее термочувствительных элементов; проводится оценка влияния боковых перфорационных отверстий, выполненных в виде жалюзи; предлагается методика расчета теплового режима пультов; сопоставляются полученные расчетные и экспериментальные результаты.
Введение
Направления совершенствования современной электронной аппаратуры различного назначения в значительной степени определяются интенсивным внедрением информационных технологий, которые, в свою очередь, вызваны бурным развитием микропроцессорных средств. Микроминиатюризация приводит к повышению удельных мощностей тепловыделений и, следовательно, к повышению рабочих температур. Поэтому обеспечение нормального теплового режима такой аппаратуры по-прежнему является актуальной проблемой, решать которую необходимо еще на стадии проектирования аппарата.
В связи с расширением функций управления и улучшением эксплуатационных показателей, а также повышением требований к эргономическим характеристикам некоторые отечественные предприятия судостроительной промышленности ведут разработки в области создания пультов управления (ПУ) нового поколения. Для обеспечения нормального теплового режима данного электронного устройства используют, в частности, естественное воздушное охлаждение как наиболее простое, надежное и экономичное. Вместе с этим предъявляются повышенные требования по пыле- и влагозащи-щенности, поэтому при проектировании пультов управления необходимо уделять особое внимание форме и расположению вентиляционных отверстий, что должно быть адекватно учтено при тепловом моделировании.
В связи с этим для данного класса электронных устройств необходимо разрабатывать методику расчета теплового режима, так как имеющаяся литература по тепловым режимам электронной аппаратуры в состоянии ответить лишь на небольшую часть вопросов, выдвигаемых практикой сегодня [1-4].
1. Моделирование теплового режима пульта управления
В работе рассматривается пульт управления, представленный на рис.1, а. В блоке приборном 1 и блоке сигнализации 2 установлены два монитора, на задней поверхности которых имеются радиаторы воздушного охлаждения. На нижнем этаже расположен блок электронных модулей кассетной конструкции 3. На уровне мониторов задней стенке пульта расположены перфорационные отверстия (по 28 штук), выполненные в виде жалюзи. Такие же отверстия имеются и на передней нижней стенке (в количестве 8 штук). Мониторы занимают большую часть лицевой панели корпуса.
Исследуемый пульт управления можно представить в виде системы нескольких областей сложной конфигурации с источниками и стоками теплоты и потоков теплоносителя (воздуха). Полное математическое описание теплового режима такого объекта представляет собой систему дифференциальных уравнений теплопроводности для твердых тел и уравнений энергии для потоков теплоносителя с соответствующими краевыми условиями [1, 2]. Точное решение такой задачи затруднительно, поэтому для определения теплового режима электронных аппаратов применяется метод поэтапного
моделирования [4]. Так как наибольший перегрев элементов наблюдается в стационарном режиме, то в работе динамика процесса не рассматривается.
На первом этапе сложные пространственные распределения источников теплоты заменяются более простыми, в форме параллелепипеда. Пространственные распределения величин, описывающих теплообмен на границах областей, заменим их средними значениями. В результате можно получить информацию о средних поверхностных температурах греющих элементов Тэл , корпуса ПУ Тк и среднюю температуру воздуха
внутри аппарата и г при температуре окружающей среды Тс. Для этого необходимо
ввести ряд допущений:
1. ПУ условно разделим на 4 этажа (как показано на рис. 1, б);
2. средняя по объему температура воздуха на этаже - среднее арифметическое между температурами входа на этаж и выхода из него;
3. теплообмен между этажами ПУ осуществляется только конвекцией, считая, что связь теплообмена излучением незначительна, и ею можно пренебречь;
4. кондуктивные связи элементов с корпусом при анализе процессов переноса тепла учитывать не будем;
5. средняя температура воздуха на выходе с одного этажа считается температурой
входа для следующего этажа;
а) б)
Рис.1. Общий вид исследуемого пульта управления
Задача определения температурного поля блока кассетной конструкции излагается в [2, 4].
Основное отличие тепловой модели исследуемого пульта от широко применяемых моделей для стоек, на этажах которых расположены модули кассетного типа [3, 4], заключается в том, что тепловыделяющий элемент - монитор - рассеивает тепло как во внешнюю, так и во внутреннюю воздушную среду. Кроме того, этажи имеют различные габариты, и нет упорядоченности в расположении тепловыделяющих модулей по этажам. С учетом принятых допущений математическая модель представляет собой систему алгебраических уравнений теплового баланса для корпуса, тепловыделяющих элементов, воздуха на каждом этаже и для расхода воздуха, протекающего через перфорационные отверстия.
В общем виде составим систему уравнений теплового баланса для: тепловыделяющего элемента
Рэл г = г (Тэл г ~ Тс ) + ^Эл,к г (Тэл г ~ Тк г ) + ^элв г (Тэл г ~ и г X (1)
корпуса
<* Т г - тс) + <k г (Тк г - Тэл г) + <в г (Тк г - U) = 0, (2)
воздуха
г (Тэл - U) + <в i (Тк i - U) + Ар- = 2 c Gr (U+1 - U), (3)
расхода воздуха
G 2
Pi Pi g h (Ui - Tc) = Gвх + $Ь) + G2 , (4)
2pi Sотв i
где Рэп. - мощность тепловыделений на i - ом этаже (i = 1, 2, 3, 4), Вт; аЭ!+кi, -
ЭЛ i Ч-'-'-'У-'-' эл , с I J к , с i
суммарные тепловые проводимости от корпуса и от тепловыделяющего элемента в среду на i - ом этаже, Вт/К; c"mki - лучистая тепловая проводимость между тепловыделяющим элементом на этаже и корпусом ПУ, Вт/К; скжв i, <ККв t - конвективные тепловые проводимости между элементом и воздухом, между корпусом и воздухом на этаже, Вт/К; Ар.-1 - тепловой поток, перешедший с i - ого этажа, Вт; Gi - массовый расход
воздуха на рассматриваемом этаже при его высоте hi, кг/с; ci , Pi, pi - теплоемкость (Дж/кг К), коэффициент объемного расширения (1/K) и плотность воздуха на этаже (кг/м3); S()mei - площадь перфорационных отверстий, м2; £вх, £вЬ1Х - коэффициенты
гидравлических сопротивлений жалюзийной решетки ПУ на входе и выходе из аппарата, определяются в соответствии с [5]; g - ускорение свободного падения, м/с2.
Все тепловые проводимости вычисляются на основе формул вида << = а}- Sj, где
aj - коэффициент теплоотдачи, соответствующий определенному механизму передачи
тепла, Вт/м2 К; St - площадь поверхности, на которой происходит теплообмен. Для
каждого случая расчет коэффициента теплоотдачи осуществлялся на основе зависимостей, приведенных в [1, 3, 6].
2. Используемые методы исследования
По предложенной методике был проведен расчет теплового режима пульта при суммарной мощности тепловыделений 327 Вт, при этом нагрузка на блок нижнего этажа составляет 160 Вт. Температура окружающей среды принималась равной 23 °С. Кроме того, были проведены экспериментальные наблюдения исследуемого пульта управления с помощью автоматизированной системы измерения температур, которая включает в себя: блок компенсации холодных спаев; 15 усилителей с блоком питания; многоканальную 12-битную плату аналого-цифрового преобразователя L-154 фирмы L-cart; программу опроса и регистрации данных.
Для измерения и регистрации температур на кафедре вычислительной техники факультета компьютерных технологий и управления была разработана специальная программа. Программа написана на языке программирования С++ с применением библиотечных модулей фирмы L-Card и работает в операционной среде MS-DOS версии не ниже 6.0. Для установки программы необходим IBM-совместимый компьютер не ниже 486 и не менее 1 Mb пространства на жестком диске. Погрешность измерения при использовании данной автоматизированной системы измерения температур не превышает 1 К. В процессе эксперимента температура окружающей среды изменялась в пределах 22,5-23,5 °С.
3. Результаты проведенных исследований
Результаты расчета и данные эксперимента приведены в табл. 1 (значения температур указаны в градусах Цельсия).
Корпус этаж 1 Корпус этаж 2 Корпус этаж 3 Корпус этаж 4 Монитор этаж 3 Монитор этаж 4 Воздух на вых. с этажа 4 Корпус блока на этаже 1
Эксперимент 24.1 24.2 27.9 34.7 40.3 44.1 43.7 39.0
Расчет 27.2 26.3 31.4 32.1 42.7 43.4 42.1 38.2
Таблица 1. Сравнение результатов расчета с данными эксперимента
Из сравнительной таблицы видно, что данные расчета и эксперимента отличаются не более чем на 5 °С, что показывает возможность использования разработанной методики для оценки теплового режима пультов управления в данном конструктивном исполнении. Но из табл. 1 также видно, что расчетные значения температур корпуса и воздуха на четвертом этаже ниже экспериментальных. Поэтому целесообразно провести дополнительные исследования, чтобы определить соответствующие закономерности теплоотдачи конвекцией в этой области пульта. Кроме того, определение потерь давления при гидравлических сопротивлениях через жалюзийную решетку и потери при движении воздуха по высоте пульта рассматриваемой конструкции - самостоятельная задача, требующая также дополнительных исследований.
На основе экспериментов можно также сделать вывод, что через перфорационные отверстия уносится около 30 % выделяющегося тепла.
Заключение
Разработка и создание пультов управления нового поколения показало необходимость разработки методики расчета теплового режима данного класса электронной аппаратуры, учитывающей ее конструктивные особенности. Проведенные экспериментальные исследования и расчеты по новой методике показали, что она может быть положена в основу анализа теплового режима ПУ при условии, что будут проведены дополнительные исследования по определению коэффициентов конвективной теплоотдачи и определению расхода воздуха, протекающего через аппарат.
Литература
1. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высшая школа, 1984. 248 с, ил.
2. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990. 312с, ил.
3. Дульнев Г.Н., Семяшкин Э.М. Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах. Энергия, 1968. 360 с, ил.
4. Дульнев Г.Н, Тарновский Н.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. Энергия, 1971.248 с, ил.
5. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975. 558 с, ил.
6. Мартыненко О.Г., Соковишин Ю.А. Свободно-конвективный теплообмен: Справочник. Мн: Наука и техника, 1982. 400 с, ил.
