CC BY
27
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПУЛЬТА УПРАВЛЕНИЯ С УЧЕТОМ
ЭРГОНОМИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ В.И. Егоров, Т.Ю. Иванова, В.А. Кораблев, А.В. Шарков
Описываются особенности тепловой модели пультов управления для конструкторских расчетов элементов системы термостабилизации. 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.
Современные пульты управления являются сложными электронными приборами, содержащими дисплей, процессоры, накопители информации, источники электропитания, элементы индикации, органы управления и многое другое [1]. Большинство этих элементов являются высокоинтенсивными источниками тепловыделений, поэтому задача обеспечения теплового режима этих приборов является актуальной. Эта проблема усложняется тем, что в непосредственном контакте с пультом находится оператор, несущий вахту в течение длительного времени. Основными факторами, которые могут создать дискомфорт оператору и снизить эффективность его работы, являются радиационное воздействие передней поверхности пульта, контактное термическое воздействие панели управления на руки оператора и акустическое воздействие вентиляторов охлаждения.
Радиационное воздействие заключается в инфракрасном излучении нагретых поверхностей прибора, попадающем на оператора, и определяется законом Стефана-Больцмана для двух тел, разделенных прозрачной средой [2]. Если температура передней панели прибора достигает 60-70оС, то плотность теплового потока, падающего на открытые участки тела, может составить 200 Вт/м2. Избыточная энергия от лица и рук может отводиться обильным потоотделением и конвективным теплообменом в воздух. Для создания комфортных условий можно понижать температуру окружающего воздуха путем его кондиционирования, однако этот метод требует использования энергоемких и громоздких установок и отрицательно сказывается на самочувствии операторов, вызывая, например, простуды.
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 используется, 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. Поэтому 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].
В работе рассматривается пульт управления, общий вид которого представлен на рис. 1. В приборном блоке (15) и блоке сигнализации (12) установлены мониторы МПМ-18 с локальными теплостоками на задней поверхности.
Для монтажа элементов в пульте управления применены стойка передняя (1) и стойка электромонтажная (2). В нижней части ПУ, на уровне углового каркаса (3), располагается крейт (5). Под крейтом может находиться блок вентиляторов (6). На этом же уровне, на передней стенке устанавливается крышка с жалюзи (4). Внутри ПУ рас-
полагаются соединители (9). Блок сигнализации (12) и блок приборный (15), с мониторами (13, 16) на передних стенках, также могут содержать крейты (10, 14). Под крейтом
(10) блока сигнализации, кроме этого, при необходимости ставится блок вентиляторов
(11). На задней стенке блока приборного находится крышка с жалюзи (17). Они могут
Исследуемый пульт управления можно представить в виде системы нескольких областей (этажей) сложной конфигурации с источниками и стоками теплоты и потоков теплоносителя (воздуха). Разделим ПУ условно на этажи, как показано на рис. 1. На каждом этаже имеется ряд теплонагруженных элементов:
I этаж - модули крейта (5);
II этаж - тепловыделяющие элементы соединителей (9);
III этаж - модули крейта (10), монитор (13);
IV этаж - модули крейта (14), монитор (16) наклонный (7) с панелью управления.
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 [5, 6]. Точное решение такой задачи затруднительно, поэтому для определения теплового режима электронных аппаратов применяется метод поэтапного моделирования [5]. 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 , корпуса ПУ Tk, а также среднюю температуру воздуха внутри аппарата U i при температуре окружающей среды Tc. Для этого необходимо ввести ряд допущений:
• ПУ условно разделим на этажи (как показано на рис. 1);
• средняя по объему температура воздуха на этаже - среднее арифметическое между температурами входа на этаж и выхода из него;
• теплообмен между этажами ПУ осуществляется только конвекцией, считая, что связь по радиационной составляющей теплообмена незначительна, и ею можно пренебречь;
• кондуктивные связи элементов с корпусом незначительны, и при анализе процессов переноса тепла их можно не учитывать;
• средняя температура воздуха на выходе с одного этажа считается температурой входа для следующего этажа;
• расход воздуха равномерно распределен по объему ПУ.
Задача определения температурного поля блока кассетной конструкции излагается в [6, 7].Основное отличие тепловой модели исследуемого пульта от широко применяемых моделей для стоек с этажами кассетного типа [7, 8] 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 принятой тепловой модели 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
Р г \г ( г - Тс) + а кг ( г - Ткг) + ^ , г ( г - Vг )
корпуса
а
к и( кг - Тс) + а , кг( г - т г) + ак, г( г - иг) + а 0 (ткг - То) = 0
воздуха а
г ( - Ц) + аК1 ( г - Ц) + Лр.-1 = 2 с101 (Цм - Ц),
расхода воздуха
а
г ( - Ц) + а, г ( г - Ц) + Лр= 2 с101 (Цм - Ц),
оператора
йт
а0,с (Т0 - Тс )+Еа кг,0 (Т0 - Ткг ) + — У = Ф 0,
где Р г - мощность тепловыделений на г - этаже (г = 1, 2, 3, 4 ), Вт; а
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
а
к, г
суммарные тепловые проводимости от корпуса и от тепловыделяющего элемента в среду на г - этаже, Вт/К; а кг - лучистая тепловая проводимость между тепловыделяющим элементом на этаже и корпусом ПУ, Вт/К; ак г, а¡{ г - конвективные тепловые проводимости между элементом и воздухом, между корпусом и воздухом на этаже, Вт/К; Лр-1 - тепловой поток, перешедший с г - этажа, Вт; Ог - массовый
расход воздуха на рассматриваемом этаже при его высоте Ъ{, кг/с; сг , вг, рг - теплоемкость (Дж/кг К), коэффициент объемного расширения (1/К) и плотность воздуха на этаже (кг/м3); 5 г - площадь перфорационных отверстий, м ; £ , £ - коэффициенты гидравлических сопротивлений жалюзийной решетки ПУ на входе и выходе из аппарата, g - коэффициент свободного падения, м/с , аос - лучисто-конвективная проводимость между оператором и средой, включая и потери теплоты дыханием, йт/йт -скорость потери массы оператором за счет потоотделения, у - теплота испарения воды, Ф0 - мощность метаболических процессов в организме оператора.
По данным работы [4], оператор в процессе работы выделяет тепловую мощность 175 Вт. В комфортных условиях человек испаряет 30-40 г воды в час, но при мощном
лучистом потоке от пульта потоотделение существенно повышается, и это отрицательно сказывается на его субъективных ощущениях и составе газовой среды.
Для облегчения комфортных условий оператора и нормального теплового режима пульта в процессе теплового проектирования при реализации математической модели (1-5) необходимо подбирать такие значения Т^ и Те, чтобы обеспечить комфортные условия оператору.
Все тепловые проводимости вычисляются на основе формул вида аj = аj Sj, где
аj - коэффициент теплоотдачи, соответствующий определенному механизму передачи
тепла, Вт/м2 К; Sj - площадь поверхности, на которой происходит теплообмен. Для
каждого случая расчет коэффициента теплоотдачи осуществлялся на основе зависимостей, приведенных в [5].
Результаты сопоставления полученных экспериментальных данных теплового режима ПУ с расчетом по разработанной методики показали, что относительная погрешность расчета не превышает 15%.
Проведенные экспериментальные исследования и расчеты по разработанной методике показали, что она может быть положена в основу анализа теплового режима пультов управления, выбора параметров системы обеспечения теплового режима и улучшения условий работы операторов.
Литература
1. Войтецкий В.В., Корчанов В.М., Немакаев Ю.С. Интеграция систем управления техническими средствами надводных кораблей. // Военных парад. 2002. №5(51). С.38-42.
2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981. 416с.
3. Малоземов В.В., Рожков В.Ф., Правецкий В.Н. Системы жизнеобеспечения экипажей летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1986. 584 с.
4. Банхиди Л. Тепловой микроклимат помещений. Расче комфортных параметров по теплоощущениям человека. М.: Стройздат, 1981. 248 с.
5. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высшая школа, 1984. 248 с, ил.
6. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990. 312 с, ил.
7. Дульнев Г.Н, Тарновский Н.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. М: Энергия", 1971. 248 с, ил.
