CC BY
38
параметры хорошо согласуются с данными, приведенными в таблице. Также известно [1, 2], что максимум отклика полупроводникового газового сенсора на метан соответствует температуре его чувствительного элемента (400—430 °С). Это косвенно подтверждает достоверность теплового расчета.
Использование сенсора без мембраны увеличивает среднюю мощность в 3 раза [3], что доказывает эффективность применения мембранных сенсорных структур.
Хорошее соответствие результатов тепловых расчетов и экспериментальных данных свидетельствует о возможности применения полученной тепловой модели при проектировании других типов сенсоров с мембраной и выборе режимов их работы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бубнов Ю. З. Полупроводниковые газовые сенсоры // Петербургский журнал электроники. 1996. № 3. С. 87—91.
2. Датчики газов: "Figaro" (Япония). М.: Изд. дом „Додэка—XXI", 2003.
3. Бубнов Ю. З., Голиков А. В., Казак А. В. Полупроводниковые газовые сенсоры и газоаналитические приборы на их основе // Электроника: наука, технология, бизнес. 2008. Спецвыпуск. С. 72—80.
Юрий Захарович Бубнов —
Гавриил Владимирович Бирюлин —
Владимир Иванович Егоров —
Сергей Владимирович Постернаков —
Сведения об авторах
д-р техн. наук, профессор; ОАО „Авангард", Санкт-Петербург; главный конструктор
аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: gavrila@bk.ru
канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: KTF@grv.ifmo.ru ОАО „Авангард", Санкт-Петербург; вед. инженер
Рекомендована кафедрой компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга СПбГУ ИТМО
Поступила в редакцию 07.12.09 г.
УДК 536.6
Д. А. Данилов, В. И. Егоров, С. В. Фадеева, А. В. Шарков
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ С ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИЕЙ
Представлены результаты моделирования тепловых и гидродинамических полей в радиоэлектронном аппарате кассетного типа. Сопоставлены результаты расчетов с использованием программы, разработанной на основе метода конечных элементов, и расчетов по программе, реализующей метод поэтапного моделирования.
Ключевые слова: радиоэлектронная аппаратура, моделирование, тепловой режим.
Существующая в настоящее время тенденция к типизации и унификации конструкций радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), обусловленная их разнообразием, ведет к автоматизации проектирования устройств и снижению их стоимости. При этом сохраняется необходимость
обеспечения нормального теплового режима РЭА для проведения моделирования тепловых процессов.
В настоящей статье рассматривается герметичный радиоэлектронный аппарат (блок), содержащий модули одного типоразмера. Такие блоки называются кассетными. Обеспечение теплового режима блока осуществляется за счет естественной конвекции. В связи с этим важным аспектом является анализ движения воздуха внутри блока.
Авторами проведено математическое моделирование теплового режима и поля скоростей воздушного потока внутри прибора с помощью пакета программ (П1), разработанных на основе метода конечных элементов. Результаты моделирования сравнивались с программой (П2), реализующей известную методику расчета [1, 2].
Исследуемый кассетный блок состоит из корпуса и модулей, имеющих лицевые панели и разъемы для присоединения кросс-платы. В блоке имеются воздушные каналы: между соседними модулями, между кросс-платой и задней крышкой корпуса (кабельный канал), между модулями и корпусом — боковые, верхний, нижний. Блок кассетного типа имеет два вида конструктивного исполнения: с передней крышкой корпуса (рис. 1) и без передней крышки.
Геометрические параметры исследуемого блока приведены в таблице.
Элемент блока Высота И, м Ширина 5 (толщина), м Глубина ё (толщина), м
Корпус 0,3 0,47 0,3
Модуль 0,26 0,01 0,28
Кросс-плата 0,26—0,3 0,47 0,002
Воздушные каналы блока имеют следующую ширину: боковые — 0,018 м, верхний и нижний — 0,0175 м, кабельный — 0,013 м, между модулями — 0,015 м.
Температура окружающей воздушной среды Тср = 40 °С. Мощность тепловыделений каждого модуля (Р) одинакова и составляет 8 Вт. Количество модулей (Ы) 15. Степень черноты всех поверхностей 0,9.
При моделировании тепловой модели приняты следующие допущения:
— все модули представляют собой пластины определенной толщины с вертикальной лицевой панелью и равномерно распределенными по объему источниками теплоты;
— температура модуля (Т) соответствует его среднеповерхностной температуре;
— температурное поле металлического корпуса прибора равномерное;
— кондуктивные тепловые связи модулей с корпусом блока не учитываются.
В работах [1, 2] и соответственно в программе П2 принято допущение о том, что воздух движется в вертикальном направлении по каналам между модулями, по каналам между крайними модулями и боковыми стенками корпуса [3], а в горизонтальном направлении — между зоной модулей и верхней и нижней стенками корпуса. При этом не учитывается конвективный теплообмен в кабельном канале и в канале между передней крышкой корпуса и лицевыми панелями модулей.
В результате расчета по программам П1 и П2 выявлен перегрев модулей относительно температуры окружающей среды и получены значения поля скоростей воздушного потока и расхода воздуха в каналах.
На рис. 2 графически показано распределение температуры нагрева модулей (АТ) относительно температуры Тср при Рг = 8 Вт для блока с передней крышкой (рис. 2, а) и без нее (рис. 2, б): кривая 1 соответствует расчету по программе П2, а кривые 2 и 3 отражают результаты моделирования (программа П1) соответственно при открытом и закрытом кабельном канале (при ширине канала между модулями 15 мм). Значения АТ, п2 (рассчитанные по программе П2) мало различаются для блока с передней крышкой и без нее. При этом АТг, П1 > АТ], П2 = 17 % для блока без крышки и АТг, П1 < АТг, П2 = 5 % для блока с передней крышкой; наличие крышки увеличивает перегрев модулей (по программе П1 — на 20 %). Массовый расход воздуха в каналах между модулями (для обоих конструктивов) остается на уровне 0,0001 кг/с (по программе П2) и на уровне 0,0002 кг/с (по программе П1).
а)
Т — т
* г * ср? ^
45
40
35 30
25 20
и е-) е-5 „3
> и 1 И
,2
б)
0 2 4 6 8 10 12 14 N
т — Т °С
1 г 1 ср? ^
40
35
30
25
20
1
г -> , / 3
у/ г/ > *—У ч Ч
2 N
0
2
8
10
12 14 N
4 6 Рис. 2
При моделировании блока без передней крышки выявлено, что в каналах между модулями в зоне, прилегающей к их лицевым панелям, движение воздуха направлено вниз. При
этом образуется область циркуляции воздуха, которая захватывает в среднем 30 % площади модуля (рис. 3).
Для вычисления средних значений массовых расходов воздуха в каналах была проведена серия расчетов при следующих диапазонах изменения параметров: мощность тепловыделений модуля — от 4 до 16 Вт; ширина кабельного канала — от 0 до 0,03 м; ширина верхнего канала — от 0,01 до 0,07 м; ширина нижнего канала — от 0,01 до 0,04 м. Расход воздуха, поступающегося снизу в канал между модулям, распределяется следующим образом: 30 % поступает сверху в кабельный канал, 70 % — в направлении соседних каналов.
Было также проанализировано влияние ширины канала между модулями на величину перегрева центрального модуля при неизменной мощности всего блока. Моделирование показало, что с увеличением расстояния между модулями изменяется характер пространственного распределения скорости воздуха в каналах, в частности увеличивается область циркуляции.
В блоке с передней крышкой при закрытом кабельном канале выявляются две области циркуляции в канале между модулями: в одном случае воздух циркулирует в зоне лицевой панели модуля, в другом — в зоне кросс-платы. Результаты расчета перегрева модулей по существующей методике [1] являются заниженными на 5 % для блоков с передней крышкой и завышенными на 20 % для блоков без передней крышки, что обусловлено принятыми допущениями при расчете параметров движения воздуха в каналах РЭА.
В заключение отметим, что учет особенностей движения воздуха в каналах радиоэлектронного аппарата позволяет повысить точность расчетов.
1. Дульнев Г. Н., Парфенов В. Г., Сигалов А. В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990.
2. Дульнев Г. Н. Тепло- и массообмен в РЭА. М.: Высш. школа, 1984.
3. ИдельчикИ. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975.
Центральный модуль
Рис. 3
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Экспериментальное исследование динамики теплообмена через ограждающую конструкцию 45
Даниил Александрович Данилов Владимир Иванович Егоров
Светлана Викторовна Фадеева —
Александр Васильевич Шарков —
Сведения об авторах ФГУП „Аврора", Санкт-Петербург; инженер
канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: KTF@grv.ifmo.ru
студентка; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: ktf@grv.ifmo.ru
Рекомендована кафедрой компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга СПбГУ ИТМО
Поступила в редакцию 07.12.09 г.
УДК 536.2:536.5:53.087
К. С. Костенко, Г. Н. Лукьянов, Д. С. Петров
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ТЕПЛООБМЕНА ЧЕРЕЗ ОГРАЖДАЮЩУЮ КОНСТРУКЦИЮ
Рассмотрены особенности теплообмена через ограждающие конструкции зданий и сооружений в статическом и динамическом режимах. Приведены результаты экспериментов по измерению колебаний температуры вне и внутри здания и анализ их взаимосвязи.
Ключевые слова: ограждающая конструкция, теплообмен, тепловая инерция, спектральная плотность мощности, фазовый сдвиг.
Экспериментальное исследование теплообмена через ограждающую конструкцию (ОК) является основой для решения задач контроля качества тепловой изоляции и оценки тепловой эффективности зданий и сооружений.
Существующие методики оценки тепловой эффективности базируются на стационарных методах, основная суть которых состоит в следующем. Для рассматриваемой задачи тепловая схема процесса теплопередачи может быть представлена как одномерная задача теплопроводности через плоскую многослойную стену: схема процесса представлена на рис. 1, где Q — тепловой поток, проходящий через ограждающую конструкцию; 7], 72,..., Тп — температура на границе 1-го, 2-го, ..., п-го слоя ОК; 7^ 2 — температура окружающей среды при различных погодных условиях; Гвнп — температура воздуха внутри помещения; §1,§2,..., 5п —
толщина 1-го, 2-го, ..., п-го слоя ОК
Уравнение для определения теплового потока имеет следующий вид:
Q = Ту^Гп+1 Б,
^ п
I Я
1=1
п п §.
где I Я. = I — — суммарное термическое сопротивление п слоев ОК; £ — площадь ОК;
.=1 .=1 к
, К. — толщина и коэффициент теплопроводности материала .-го слоя ОК соответственно.
