3.10 Тепловые воздействия и расчет тепловых режимов ЭВС

Для расчета теплового режима ЭС существует множество методик обладающих различной степенью точности, трудоемкостью. Наиболее распространенная - схематизация процессов теплообмена. Сущность этого метода состоит в том, что несущую с установленными элементами принимают за одно тело с изотермической поверхностью, для которой и производится расчет теплового режима.

Методика расчёта теплового режима блока ЭВА с естественным воздушным охлаждением.

Исходными данными для расчёта являются:

мощность, рассеиваемая в блоке, Р (Вт) ;

давление окружающей среды Н (Па);

температура окружающей среды Т (град. С);

размеры корпуса блока для горизонтальной ориентации плат длина L₁(м), ширина L₂ (м),высота L₃ (м);

для вертикальной ориентации плат-размер, вдоль которого располагаются платы L₁ (м); высота L₂ (м); размер, перпендикулярно которому располагаются платы L₃ (м);

коэффициент заполнения К ;

количество перфорационных отверстий N;

вид отверстий и размеры для прямоугольных и щелевых :L₄ (м), L₅ (м)-размеры сторон прямоугольника,

для круглых: диаметр отверстия D(м).

При проектировании конструкции и вводе исходных данных нужно учитывать расстояние между платами в блоке.

Если расстояние между платами меньше или равно 2-3мм, движение воздуха в каналах практически прекращается, при этом температурные поля соседних плат оказывают существенное влияние друг на друга, вследствие чего неравномерность температурного поля нагретой зоны очень велика.

Если расстояние между платами 2-7мм, в каналах наблюдаются восходящие взаимовлияющие потоки нагретого воздуха, при этом неравномерность температурного поля может достигать 30% (около 2 мм между платами).

Если расстояние между платами 10-12 мм и более, то взаимодействие температурных полей соседних плат незначительное. Величина средней температуры нагретой зоны имеет различие по температурному полю менее 10%.

В расчёте в следующем порядке определяются: поверхность корпуса блока.

Определяем средний перегрев нагретой зоны.

Исходными данными для проведения последующего расчета являются:

коэффициент заполнения по объему 0,6;

суммарная мощность, рассеиваемая в блоке, Вт 0,5;

давление окружающей среды, кПа 86,6;

давление внутри корпуса, кПа 86,6;

габаритные размеры корпуса, м 0,085x0,065x0,55;

Средний перегрев нагретой зоны герметичного корпуса блока с естественным воздушным охлаждением определяется по следующей методике:

Рассчитывается поверхность корпуса блока:

S_k= 2 [ L₁ L₂ + ( L₁ + L₂ ) L₃ ] (25)

где L₁, L₂ - горизонтальные размеры корпуса, м;

L₃- вертикальный размер, м.

Для разрабатываемой конструкции блока L₁ = 0,085м, L₂= 0,065м,

L₃ = 0,065м. Подставив данные в (25), получим:

S_k = 2·[0,085·0,065+(0,085+0,065)·0,065]=0,03055м².

Определяется условная поверхность нагретой зоны:

S_з = 2 [ L₁L₂ + ( L₁ + L₂ ) L₃ К_з] (26)

где К_З- коэффициент заполнения корпуса по объему. В данном случае

К_З = 0,6. Подставляя значение К_Зв (26), получим:

S_з = 2·0,085·0,065+(0,085+0,065)·0,065·0,6=0,02275м².

Определяется удельная мощность корпуса блока:

Q_k = P / S_k (27)

где Р - мощность, рассеиваемая в блоке, Р = 0,5 Вт.

Тогда:

Q_k = 0,5/0,03055= 16,37Вт/м².

Определяется удельная мощность нагретой зоны:

Q_з = P / S_з (28)

Q_з = 0,5 / 0,02275= 21,98 Вт/м².

Находится коэффициент Q₁ в зависимости от удельной мощности корпуса блока формула (29):

Q₁ = 0,1472 Q_k- 0,2962 10 -³ Q_k² + 0,3127 10 ^-6Q_k³ (29)

Q₁ = 0,1472 16,37- 0,2962 10 -³ 16,37² + 0,3127 10 ^-616,37³ = 2,33

Находится коэффициент Q₂ в зависимости от удельной мощности нагретой зоны формула (30):

Q₂ = 0,1390 Q_з- 0,1223 10 -³ Q_з² + 0,0698 10 ^-6 Q_з³ (30)

Q₂ = 0,1390 30,12 - 0,1223 10 -³ 30,12² + 0,0698 10 ^-630,12³ = 2,99

Определяется коэффициент К_Н1 в зависимости от давления среды вне корпуса блока:

K_H1 = 0,82 + 1 / (0,925 + 4,6 10^-5H₁) (31)

где Н₁ - давление окружающей среды в Па. В нашем случае Н₁=86,6кПа. Подставив значение Н₁ в (30), получим:

K_H1 = 0,82 + 1 / (0,925 + 4,6 10^-5 86,6 10³) = 1,003

Определяется коэффициент К_Н2 в зависимости от давления среды внутри корпуса блока:

K_H2 = 0,8 + 1 / (1,25 + 3,8 10^-5H₂) (32)

где Н₂ - давление внутри корпуса в Па.

В нашем случае Н₂=Н₁=86,6кПа. Тогда:

K_H2 = 0,8 + 1 / (1,25 + 3,8 10^-5 86,6 10³) = 1,02

Рассчитывается перегрев корпуса блока:

Q_k = Q₁ K_H1 (33)

Q_к= 2,33 · 1,003 = 2,33

10. Рассчитывается перегрев нагретой зоны:

Q_з = Q_k +(Q₂ - Q₁ ) K_H2 (34)

Q_з= 2,33 + (2,99 - 2,33) · 1,02 =3,00

11. Определяется средний перегрев воздуха в блоке:

Q_в = (Q_к+ Q_з) 0,5 (35)

Q_в= 0,5 · (2,33 + 3,00) = 2,66

12. Определяется удельная мощность элемента:

Q_эл = P_эл / S_эл (36)

где Рэл мощность, рассеиваемая элементом (узлом), температуру которого требуется определить, Вт

Sэл площадь поверхности элемента, омываемая воздухом, см.кв

Наименее теплостойкий элемент базового модуля резистор. Для него Рэл= 0,15 Вт, Sэл = 0,63см.кв.

Q_эл = 0,15 / 0,63 = 0,24

13. Определяется перегрев поверхности элементов:

Q_эл=Q_з(0,75+0,25*Q_эл/Q_з), (37)

Q_эл=3,00*(0,75+0,25*0,24/3,00)=2,31;

14. Определяется перегрев среды, окружающей элемент:

Q_эс= Q_в (0,75 + 0,25 Q_эл / Q_з ) (38)

Q_эс= 2,66*(0,75 + 0,25*2,31/ 3,00) = 2,50;

15. Определяется температура корпуса блока:

Т_к = Q_к + Т_с (39)

где Тс температура среды, окружающей блок.

Тк= 2,33 + 20 = 22,33⁰C

16. Определяется температура нагретой зоны:

Т_з = Q_з + Т_с (40)

Тз= 3,00 + 20 = 23,00⁰C

17. Определяется температура поверхности элемента:

Т_эл = Q_эл + Т_с (41)

Тэл = 2,31 + 20 = 22,31 ⁰C

18. Определяется средняя температура воздуха в блоке:

Т_в = Q_в + Т_с (42)

Тв= 2,66 + 20 = 22,66⁰C

19. Определяется температура среды, окружающей элемент:

Т_эс = Q_эс + Т_с (43)

Тэс = 2,50 + 20 = 22,50⁰C

Исходя из расчета можно сделать вывод, что даже при критических температурных воздействиях и рабочих режимах аппаратура сохраняет свою работоспособность - прибор удовлетворяет требованиям, поставленным в техническом задании.