CC BY
85
ПРОБЛЕМЫ ПЕРЕНОСА ЭНЕРГИИ, МАССЫ, _ИМПУЛЬСА И ИНФОРМАЦИИ
РАСЧЕТ БЛОКА РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ С ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИЕЙ В.И. Егоров, В.А. Лайне, М.И. Калинина
Микроминиатюризация современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) приводит к повышению удельной мощности тепловыделений и, следовательно, к повышению рабочих температур. Обеспечение нормального теплового режима в таких условиях становится важной задачей.
Наиболее распространенный способ обеспечения нормального теплового режима РЭА - использование естественного воздушного охлаждения как наиболее простого, надежного и экологичного. В связи с тем, что часто предъявляются повышенные требования по пыле- и влагозащищенности, при проектировании РЭА с естественной вентиляцией приходится уделять особое внимание форме и расположению вентиляционных отверстий, а это, в свою очередь, должно быть адекватно учтено при моделировании.
В настоящей работе рассматривается одноблочный РЭА 1 в перфорированном корпусе (рис.1). Его особенность заключается в том, что вентиляционные отверстия имеют вид жалюзи 2, и расположены они на боковых стенках корпуса. Плотность монтажа модулей 3 в блоке может быть различной.
1
Рис.1. Исследуемый РЭА с естественной вентиляцией
Тепловую модель аппарата можно представить в виде системы большого числа областей сложной конфигурации, произвольным образом расположенных в объеме аппарата с источниками и стоками тепла и потоков теплоносителя (воздуха). Эти области обмениваются теплом друг и другом и с окружающей средой. Полное математическое описание теплового режима такого объекта представляет собой систему многомерных нестационарных уравнений теплопроводности для твердых тел и уравнений энергии для потоков теплоносителя с соответствующими краевыми условиями [1, 2]. Точное решение такой задачи представляет значительную трудность,
поэтому применяется метод поэтапного моделирования [3]. На начальном этапе исследования рассматривается блок РЭА в целом, без детализации конструкции модулей. При построении тепловой модели делаются следующие допущения: нагретая зона аппарата (совокупность модулей) заменяется однородным телом в форме параллелепипеда с равномерно распределенными источниками тепла и среднеповерхностной температурой Тз (рис.2). Корпус блока - изотермическая оболочка с температурой Тк; средняя по объему температура воздуха внутри аппарата ив- среднеарифметическая температура на входе и на выходе из РЭА. Кондуктивные теплостоки через элементы конструкции незначительны, поэтому ими пренебрегаем. Массовый расход воздуха GE считается равномерно распределенным по всем каналам [2].
Рис. 2. Тепловая модель блока
Так как наибольший перегрев элементов аппарата наблюдается в стационарном режиме, то динамика процесса в работе не рассматривается. В стационарном режиме математическое описание принятой тепловой модели представляет собой систему четырех алгебраических уравнений теплового баланса: для нагретой зоны, для корпуса, для воздуха, для расхода воздуха, протекающего через блок [2]. Так как система уравнений нелинейна, она решается методом последовательных приближений. Один из возможных способов решения поставленной задачи был разработан в данной работе.
Рассчитаем тепловой режим исследуемого РЭА в два этапа.
На первом этапе рассчитываются значения Тз, Тк, ив блока в герметичном исполнении с применением соответствующего программного обеспечения, в основу которого заложена аналогичная тепловая модель со следующими допущениями [2, 3]:
1. нагретая зона состоит из плоских пластин с гладкими поверхностями;
2. все пластины имеют одинаковые размеры (/х, /у, йп), а каналы между ними -одинаковую эффективную ширину Ъп; при этом должны выполняться условия: йп<< /х, /у), (Ъп<< /х, /у), число пластин (И) велико (N>4), поэтому (йп+ Ъп)<<4, где 4 -размер нагретой зоны;
3. между нагретой зоной и корпусом имеются периферийные зазоры, толщина которых не меньше ширины каналов между платами;
4. источники теплоты с суммарной мощностью Рб распределены по всем пластинам равномерно.
ь
ь
Рис. 3. Модель аппарата кассетной конструкции с боковым размещением
перфорационных отверстий
На следующем этапе вводится составляющая, которая, наряду с отводом тепла стенками корпуса (как и для герметичного блока), учитывала бы отвод теплоты из блока через перфорационные отверстия на боковых стенках АФ, т. е. общий тепловой поток
Ф = Ф? + ФО. (1)
Движение воздуха через аппарат вызвано разностью температур, следовательно, и давлений внутри и снаружи аппарата. Перепад давления из-за "самотяги" описывается выражением:
АРС =Ррgh(Ua - Тср), (2)
где р,р - коэффициент объемного расширения и плотность воздуха (вычислены при температуре ив для герметичного блока); Тр - температура среды, окружающей РЭА.
Далее, при соблюдении оговоренных ранее допущений предполагается, что боковое размещение отверстий (рис. 3) не позволяет достаточно вентилировать каналы нагретой зоны, следовательно, притекающий воздух оказывает незначительное влияние на процессы теплообмена, происходящие там. Поэтому в этой модели каналы нагретой зоны не учитываются.
Таким образом, потери давления на гидравлическое сопротивление вычисляются по формуле:
АР, = ' 2р
Свх + С 5о2
+
С
\
5 к
(3)
где £отв = т 5/о
отв кан у
5отв = 2Ь /у ; т - половина количества вентиляционных отверстий на
с ; ? г явх гвых
стенках; о - ширина отверстий; /отв - длина отверстий; /у - глубина платы; С , С -
коэффициенты гидравлических сопротивлений соответственно на входе в перфорационные отверстия и на выходе из них; С - коэффициент гидравлического сопротивления канала [4].
Из условия равенства АРс = АРп находим Об и ту часть тепловой энергии, которая уносится через отверстия:
АФ = 2пОб (ив - Тср) (4)
и определим новое значение теплового потока, рассеиваемого герметичным блоком: Ф' = Ф -АФ . (5)
Ь
Ill II I _
Затем находим новые значения величин Тз,Тк,ив, АР , G^, АФ и т.д. По сути
своей, изложенное здесь описание изменения выделяемых блоком мощностей представляет собой не что иное, как отвод энергии из герметичного аппарата проточным теплоносителем, скорректированный для нашего случая.
Процесс продолжаются до тех пор, пока расхождение между температурами при итерациях не достигнет заданной величины. В настоящей работе расхождение между расчетными температурами при итерациях составляет около 3%.
Расчеты проводились для трех значений мощностей тепловыделений в блоке и сравнивались с результатами, полученными с помощью других методик (таблица 1). Исходные данные для расчета: габариты аппарата 0,5; 0,3; 0,3 м; размеры плат 0,21; 0,15 м; количество плат #=10;
размеры отверстий - ширина 5=0.007 м, длина /отв = 0.18 м, длина крышки l = 0.02 м.
P, Вт 80 100 150
Величина перегревов, К Нагретая зона Корпус Нагретая зона Корпус Нагретая зона Корпус
Методика
1 28.45 8.72 33.54 10.37 45.26 13.85
2 24.9 6.33 30.12 7.76 42.5 11.26
3 28.66 9.66 33.8 11.5 46.65 16.20
Таблица 1. Сравнение полученных результатов.
В таблице приняты обозначения:
1 - методика, основанная на статистическом подходе, подробно рассмотрена в [5];
2 - аппарат кассетной конструкции с перфорационными отверстиями, расположенными на дне и в крышке корпуса [2]; на основе этой модели создано программное обеспечение, использованное в работе;
3 - аппарат кассетной конструкции с боковым размещением перфорационных отверстий.
В результате проведенных расчетов и проанализированных данных, полученных по различным методикам, можно сделать следующие выводы:
• значения температур нагретой зоны и корпуса, рассчитанных по описанной выше методике, находятся в пределах погрешностей расчета по другим методикам;
• заниженные значения температур, полученных с помощью программного обеспечения, косвенно подтверждают правильность приведенных здесь рассуждений.
Литература
1. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в РЭА. М.: Высшая школа, 1984. 247 с.
2. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990. 312 с.
3. Дульнев Г.Н., Тарновский Н.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. Л.: Энергия, 1971. 248 с.
4. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975. 559 с.
5. Роткоп Л.Л., Спокойный Ю.Е. Обеспечение тепловых режимов при конструировании РЭА. М.: Советское радио, 1976. 232 с.
