Расчет тепловых режимов моноблоков с естественным охлаждением Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ МОНОБЛОКОВ С ЕСТЕСТВЕННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ В.И. Егоров, К.В. Трушков

Современные технические устройства все более насыщаются радиоэлектронной аппаратурой (РЭА) различного назначения. Вследствие этого они усложняются, число входящих в них элементов увеличивается, совершенствуется элементная база в стремлении снизить габариты и массу аппаратуры.

В настоящее время практически все крупные радиоэлектронные комплексы оборудованы специальными системами терморегулирования. Наибольшее распространение получила РЭА с воздушным охлаждением как наиболее простым и достаточно эффективным типом охлаждения.

В данной работе рассматривается тепловой режим одноблочного прибора. Схематическое изображение одноблочного прибора в обобщенном виде с вертикально ориентированными съемными модулями открытого типа (3), с электрорадиоэлементами (5) и модулями закрытого типа (4) представлено на рис. 1. Модули компонуются в кожухе (1) с помощью направляющих (7), на боковых поверхностях которого может крепиться радиатор (2). В общем случае первый (6) и последний модули прибора имеют контактное соединение с боковыми стенками прибора. Верхняя грань кожуха может иметь гофрированную поверхность (8).

б 7 8

Рис.1 Обобщенный чертеж одноблочного прибора

Выделяющаяся внутри герметичного аппарата тепловая энергия рассеивается конвекцией и излучением с оребренных, гофрированных и плоских поверхностей кожуха. Движение воздуха внутри прибора вызвано разностью температур в нижней и верхней части прибора. Воздух из нижней части прибора поднимается вверх по каналам между модулями. На рис. 2 изображена схема возможного распределения потоков воздуха в герметичном приборе.

При расчете теплового режима герметичных приборов будем использовать метод поэтапного моделирования. На первом этапе определяются средние температуры корпуса, воздуха и нагретой зоны Тк,ив,Тнз [1]. При этом принимаются следующие допущения:

• источники энергии распределены равномерно по объему нагретой зоны;

кондуктивные связи нагретой зоны с корпусом через элементы конструкции незначительны, поэтому их не учитываем; считаем, что теплообмен осуществляется только путем конвекции и излучения; модули, контактирующие с радиаторами на боковых стенках прибора, не входят в состав нагретой зоны.

I I

I I

I I

I I

ш

Рис. 2 Схема возможного распределения потоков внутри прибора

Рис. 3. Модель аппарата с нагретой зоной: 1 - корпус, 2 - воздушная прослойка,

3 - нагретая зона

Стационарный тепловой режим такой упрощенной модели блока описывается тремя уравнениями теплового баланса: для нагретой зоны

Р = (- к • (Т з - Т к ) + У3 _в • (Т з - и в ) для корпуса

Рнз - 2 • с • ОЕ • (и в - и? ) = • (Тк - Тр );

нз Ь V ° в / к-ср\ ср

для воздуха

у3 - в • (Т з - и в) + у в - к • (Т к - и в) = 2 • с • О Ь • (и в - и нк) ; для модуля, соединенного с радиатором р • (я + Я ) = Т - Т ■

м \ конт рад / м ср ~>

для радиатора

У • (Т - Т ) = У • (Т - Т )

конт V м рад / рад-с V рад ср / з

= ъ

причем урад-ср = и У конт

' рад

(1) (2) (3) (За)

(Зб)

Я,

В данном случае Рнз представляет собой тепловыделения модулей, входящих в состав нагретой зоны, ап3_к - лучистая тепловая проводимость между нагретой зоной и корпусом, аз_в, ав_к - конвективные тепловые проводимости между нагретой зоной и воздухом и между воздухом и корпусом, соответственно, ак_ср - суммарная тепловая проводимость от корпуса в среду с температурой Тср, Яконт и Ярад - тепловое сопротивления контакта модуль-радиатор и сопротивление радиатор-среда, ТЗ , Тк и ив - температуры нагретой зоны, корпуса и воздуха, Тм - температура крайнего модуля, контактирующего с радиатором.

На первом этапе расчета герметичного прибора принимается, что вся мощность, выделяемая крайним модулем, уходит через боковой радиатор.

Детальное описание теплового режима блока на втором этапе предполагает расчет средних температур отдельных модулей и средних температур воздуха в каналах между ними. В этом случае тепловую модель блока представляют в виде системы N параллельных пластин (модулей различной ширины и конструктивного исполнения). Модули нагретой зоны имеют два одинаковых линейных размера - высоту и глубину, толщина модулей и ширина каналов могут быть различными. Также различными могут быть и мощности внутренних источников теплоты в модулях. Кроме того, для описания конструкции задаются высота корпуса, его глубина, степени черноты модулей и корпуса и температура среды, окружающей блок.

Рассмотрим допущения, принятые в данной тепловой модели.

1. Реальные модули с элементами заменены гладкими пластинами.

2. Источники теплоты на г -ом модуле считаются распределенными равномерно по поверхности модуля.

3. Температура воздуха при движении по г -му каналу нагретой зоны изменяется линейно, т. е.

иг ( х ) = и Г + 2 • (и г _ иг ) • (4)

где ^ - относительная высота канала.

На первом этапе расчета перфорированного блока (рис.5) (снабженного боковыми жалюзи 1) вводятся те же допущения, что и при расчете герметичного блока, и происходит переход к тепловой модели, аналогичной тепловой модели герметичного блока.

В стационарном режиме принятая нами тепловая модель описывается системой четырех уравнений теплового баланса: для нагретой зоны

Рь=ал (Т - Т ) + (Т - и ); (5)

ь з,к4 з к' з,в4 з в' '

для корпуса

Рь - 2свь- (ие - иТ) = &к ,Ср • (Тк - Тр); (6)

для воздуха

^з,в • (Тз - ив) + • (Тк - ив) = 2са • (ив - иГ); (7)

для расхода воздуха

2 —2

&рИ • (ие - Тср) = (Г + Г")^ +£ри, (8)

2 2

_

о = —, и0 =■ ь

рЯ кан 0 рЯ отв

где с - удельная теплоемкость воздуха, Оь - массовый расход воздуха; входящего в блок с температурой ив, в, р - коэффициент объемного расширения и плотность

воздуха при температуре ив, £вх, £вых - коэффициенты местного гидравлического сопротивления перфорированных стенок корпуса, £ - коэффициент гидравлического сопротивления в канале, и , и0 - средняя скорость воздуха в канале и скорость воздуха в отверстиях, Якан, Яотв - площадь каналов, по которым протекает воздух, и отверстий, соответственно.

Уравнение (8) вытекает из условия равенства перепада давления из-за «самотяги», возникающей при нагреве воздуха в объеме блока, и потерь давления на гидравлическое сопротивление. Коэффициенты гидравлических сопротивлений зависят от скоростей и0 и и и определяются из [2].

Тепловой режим прибора определяется по методике, разработанной на кафедре компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга СПбГУ ИТМО.

На первом этапе рассчитываются значения температур корпуса, нагретой зоны и воздуха для герметичного корпуса с аналогичными размерами. Это делается по изложенной выше схеме для герметичного корпуса.

На втором этапе вводится составляющая, которая, наряду с отводом тепла стенками корпуса Ф к, учитывала бы также отвод тепла из блока через перфорационные отверстия на боковых стенках ДФ (проводим мысленную разгерметизацию корпуса), т.е. Ф = Ф к +ДФ . (9)

Тогда появится движение воздуха через аппарат, вызванное разностью температур, следовательно, и давлений внутри и снаружи аппарата. Перепад давлений из-за «самотяги» описывается выражением

ДРс =РрЕЬ(ив - Тср ) (10)

где в, р - коэффициент объемного расширения и плотность при температуре ив для герметичного блока.

Далее, при соблюдении оговоренных ранее допущений, предполагается, что боковое размещение отверстий 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.

Рис. 5. Модель аппарата с боковым размещением отверстий

Таким образом, потери давления на гидравлическое сопротивление определяются из выражения [2]:

ЛР„ " 2р

а 2 / £вх . гвых ¿г

V £ + £ + £

\

ч

V отв

Ч2

кан J

(11)

где Чотв = ш51отв, Чкан = 2Ыу, т - число половины отверстий на всем корпусе, 1отв -длина отверстий.

На основе найденного значения GV находим ту часть тепловой энергии, выделяемой платами, которая уносится через отверстия:

ЛФ = 2cGv(Uв _Тр), (12)

и определяем новое значение мощности, рассеиваемой герметичным блоком:

Ф' = PV_ЛФ

(13)

Находятся новые значения температур корпуса, нагретой зоны и воздуха герметичного РЭА. Процесс продолжается до тех пор, пока расхождение между температурами при итерациях не достигнет заданной величины.

Литература

1. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: Учебник для вузов по спец. «Конструир. и произв. радиоаппаратуры». М.: Высш. шк., 1984. 247 с., ил.

2. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., «Машиностроение», 1975. 559 с., ил.