Методика расчета тепловых характеристик прибора

Приведём рекомендуемую последовательность расчета тепловых характеристик [17,7].

1. По методике, изложенной в предыдущем параграфе, рассчитывают тепловые характеристики рассматриваемого прибора в предположении, что кожух и шасси не имеют перфорации.

2. Задаются температурой нагретой зоны и с помощью тепловых характеристик, рассчитанных для герметичного кожуха, находят (в первом приближении) перегрев перфорированного кожуха

,

где - перегрев герметичного кожуха, соответствующий заданной средне поверхностной температуре нагретой зоны .

3. Задаются коэффициентом теплоотдачи внутренних поверхностей прибора . Для расчёта в первом приближении рекомендуется задаваться значением в пределах 4 – 6 .

4. По формуле (6.61) рассчитывают мощность ,рассеиваемую излучением с поверхности нагретой зоны; при этом полагают коэффициент взаимной облучённости , а определяют по выражению

.

Если степень черноты внутренней поверхности кожуха и нагретой зоны не меньше 0,75, то .

5. С помощью уравнений (6.78) - (6.81) находят параметры , , в первом приближении и по графику (рис. 6.22) уточняют коэффициент . При уточненном значении коэффициента теплоотдачи повторяется расчёт во втором приближении, при этом задаются температурой кожуха .

6. По формуле определяют величину P. Если во втором приближении между заданной температурой кожуха и температурой , вычисленной по контрольной формуле (6.81), получается расхождение более 5%, то проводят расчёт в третьем приближении, при этом выбирают

. (6.82)

Окончательные значения и P определяются равенствами

; (6.83)

. (6.84)

Погрешность расчёта перегрева по этой методике составляет 20%.

В результате ещё на стадии конструкторской разработки можно определить температуру внутри прибора. Если рассчитанная температура оказывается выше допустимой, то необходимо изменить конструкцию или использовать принудительное охлаждение.

 

6.6.3. Пример расчета тепловой характеристики прибора с перфорированным кожухом [7]

Исходные данные. Корпус (кожух) прибора изготовлен в форме прямоугольного параллелепипеда. Длина L₁=0,319м; ширина L₂=0,258м; высота L₃=0,194м. Перфорация расположена на боковых гранях. Средневзвешенное расстояние отверстий в кожухе h₁=0,040м; h₂=0,100м. Площадь перфорации ; . Внутренняя поверхность кожуха ; поверхность его под шасси ; над шасси . Поверхность условной нагретой зоны . Реальная поверхность нагретой зоны ; .

Будем считать, что все наружные и внутренние поверхности прибора имеют степень черноты . Прибор предназначен для работы в нормальных климатических условиях; температура окружающей среды ; плотность воздуха ; удельная теплоёмкость .

Решение.

1. По методике, изложенной в предыдущем примере, находим тепловые характеристики для прибора с герметичным кожухом (рис. 6.23).

2. Задаёмся перегревом нагретой зоны и находим для герметичного прибора (рис. 6.23) перегрев кожуха .

Определяем перегрев кожуха для прибора с перфорацией:

,

т. е. , а .

По графику на рис. 6.23 находим соответствующую этому перегреву мощность .

3. Задаемся коэффициентом теплоотдачи в первом приближении: .

4. По формуле (6.61) рассчитываем мощность , рассеиваемую излучением с поверхности нагретой зоны и передаваемую на кожух. Так как степень черноты внутренней поверхности кожуха и нагретой зоны больше 0,75, то в первом приближении можно считать .

Определим функцию температур

;

при этом

.

5. По уравнению (6.79) найдём ; в первом приближении

.

Из двух значений выбираем наименьшее, так как при получим , что противоречит физическому смыслу задачи. Поэтому , а .

6. По формулам (6.80), (6.53), (6.56) рассчитаем , , :

.

7. Определим расход воздуха по формуле (6.78):

8. По графику на рис. 6.22 уточняем коэффициент теплоотдачи . Масса заполняющего прибор воздуха при температуре .

Тогда

.

Полученному отношению G/G₀ соответствует .

9. По уточнённому значению повторяем расчёт во втором приближении, при этом полагаем ; ; ; ; :

.

По графику на рис. 6.22 уточняем значение : .

По формуле (6.64) рассчитываем рассеиваемую прибором мощность во втором приближении:

.

По формуле (6.81) уточняем значение :

.

10. Разность , что составляет более 5% , поэтому необходимо произвести расчёт в третьем приближении, уточнив значение по формуле (6.82):

.

По графику на рис. 6.23 находим .

Функция температур

.

Расход воздуха в третьем приближении

.

11. Мощность, рассеиваемая прибором в третьем приближении

.

12. В соответствии с формулами (6.83) и (6.84) получим окончательные значения и Р:

.

 

Основы расчёта радиаторов

 

В кондуктивных системах охлаждения функции теплообменников с окружающей средой часто выполняют радиаторы – элементы системы охлаждения с развитой поверхностью теплообмена. Поверхность теплообмена радиаторов увеличивается за счёт их оребрения. С поверхности рёбер тепловой поток передается в окружающее пространство конвекцией и излучением. При этом величина теплового потока определяется выражением

,

где - коэффициент теплопередачи; - коэффициент эффективности ребра; - площадь поверхности радиатора; t – среднеповерхностная температура радиатора; t_C – температура окружающей среды.

Эквивалентный коэффициент теплопередачи обусловлен кондуктивной теплопередачей через слой краски или покрытия на поверхности радиатора, а также конвективной теплопередачей и излучением с поверхности. Таким образом,

,

где - коэффициенты теплопередачи конвекцией и излучением; - коэффициент теплопроводности покрытия; - толщина покрытия.

Коэффициент эффективности ребра характеризует температурный перепад по высоте ребра h:

,

где - параметр, характеризующий форму ребра (, U – периметр сечения ребра, - коэффициент теплопроводности материала ребра, F – площадь поперечного сечения ребра).

Если на поверхности нет оребрения, то коэффициент эффективности ребра К_Р=1.

Конвективный коэффициент теплопередачи определяется по критериальным уравнениям (6.4) и (6.5). При этом характерный размер конструкции радиатора L=b/2, где b – расстояние между ребрами.

Для пластинчатого радиатора с вертикально ориентированными ребрами критерий Нуссельта рассчитывается по формулам:

при GrL/D<7;

при ;

при ,

где D – длина ребра радиатора.

Коэффициент теплопередачи излучением находят по формулам.

Расчет радиаторов заключается в определении параметров конструкции при заданном перегреве поверхности (проектный расчет) или в определении перегрева поверхности при известных геометрических размерах радиатора (поверочный расчет). Задача решается методом последовательных приближений.

 

 

Рис. 6.1. Передача тепла в изотропном твердом теле

 

 

Рис. 6.2. Установка микросхем на теплоотводящую шину (а) и на

металлическое основание (б)

 

Рис. 6.3. Конструкция функционального узла с тепловым разъемом

 

 

Рис. 6.4. Обеспечение теплового контакта между передней панелью (1) и

кожухом (3) при помощи металлического шнура (2)-а или

пластинчатой пружины (2)-б

 

 

Рис. 6.5. Расположение (а) и форма (б) пластинчатой пружины (3), осуществляющей тепловой контакт между шасси (1) и кожухом (2)

 

 

Рис. 6.6. Изменение температуры у поверхности тела при конвективном

теплообмене

 

Рис. 6.7. Характер движения теплоносителя у поверхности нагретых тел: а – пленочный поток; б – ламинарный поток; в – переходный режим; г – вихревой (турбулентный) режим

Рис. 6.8. Продольное внешнее обтекание тел

 

Рис. 6.9. Поперечное внешнее обтекание тел

 

 

 

 

Рис. 6.10. Схема отвода теплового потока в конструкции прибора

 

 

Рис. 6.12. Диаграмма для приближенной оценки теплового режима прибора при воздушном охлаждении

 

Рис. 6.13. Зависимость отводимой мощности от площади перфорации

 

 

 

.

 

 

Рис. 6.14. Зависимость мощности, отводимой воздухом , от коэффициента перфорации кожуха и коэффициента заполнения объёма (Р – тепловая мощность, выделяемая блоком)

 

Рис. 6.15. Физическая модель прибора с горизонтальным (а) и вертикальным (б) расположением нагретой зоны (заштрихована): 1 – верхняя (а) или левая боковая (б) область; 2 – область между нагретой зоной и кожухом; 3 – нижняя (а) или правая боковая (б) область

Рис. 6.16. Номограмма для определения закона теплообмена: 1 – закон степени 1/8; 2 – закон степени 1/4; 3 – закон степени 1/3

 

 

Рис. 6.17. Схема блока в виде параллелепипеда с горизонтальным шасси и

его нагретая зона

 

Рис. 6.18. Схема прибора в виде параллелепипеда с вертикальным шасси

и его нагретая зона

 

Рис. 6.19. Cхема цилиндрического блока с горизонтальным шасси и его

нагретая зона

Рис. 6.20. График зависимости

Рис. 6.21. Схема прибора с перфорированным кожухом и шасси (а) и эквивалентная схема тепловых проводимостей прибора (б)

 

Рис. 6.22. Зависимость

 

Рис. 6.23. Тепловые характеристики кожуха и нагретой зоны (к примеру расчета прибора с перфорированным кожухом)

 

Приложение 1

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНКРЕТНЫХ ИЗДЕЛИЙ (КОМПЛЕКСОВ) В СПРАВОЧНИКЕ «АВИОНИКА РОССИИ»

 

I. ДЛЯ БОРТОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН:

· тип процессора

· система команд

· разрядность (бит)

· тактовая частота (МГц)

· форматы операндов

· быстродействие (тыс.оп/с)

· емкость оперативной памяти (Кбайт)

· емкость постоянной памяти

· емкость внешнего запоминающего устройства на основе БИС FLASH-памяти

· программируемые таймеры

· каналы, поддерживающие связь по (стандарт ARINC и соответствующий ему ГОСТ-, ОСТ- или РТИ) – указывается количество входных/выходных каналов и краткая характеристика каналов

· количество входных/выходных каналов разовых сигналов

· каналы мультиплексного обмена по MIL-STD-1553В

· наличие системы разработки и отработки программного обеспечения

· наличие системы встроенного контроля

· наработка на отказ, час

· напряжение питания, В

· потребляемая мощность, Вт

· принудительное охлаждение (требуется или не требуется)

· габаритные размеры, масса или вес (или модификация конструктивной реализации БЦВМ по ГОСТ; целесообразно представление в виде таблицы), мм

Группа климатических и механических характеристик условий эксплуатации

· рабочий диапазон атмосферного давления, кПа

· относительная влажность (возможно, при какой-либо температуре), %

· вибрационные ускорения в частном диапазоне (5-2000 Гц)

· максимальное линейное ускорение, м/с² (или максимальная эксплуатационная перегрузка), g

· максимальная перегрузка при ударе длительностью до 20 мс, g

· другие технические характеристики по усмотрению

 

II. ДЛЯ СРЕДСТВ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ (многофункциональные индикаторы прямого видения):

· тип экрана

· рабочее поле экрана, мм

· количество пикселей

· монохромный (рабочий цвет) или цветной (количество цветов)

· угол обзора, град

· отображаемая информация:

Þ знаки, цифры. Буквы (n1 строк из n2 знаков)

Þ графики (/например, дуги, векторы, символы)

· максимальный уровень освещенности внешним источником, при сохранении наблюдаемости изображения символов, пк

· характеристика встроенной микроЭВМ (тип, разрядность, тактовая частота, объем ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ)

· используемый язык программирования

· наличие системы разработки и отработки программного обеспечения

· наличие встроенного контроля

· наработка на отказ, час

· габариты, мм

· вес, кг

· принудительное охлаждение (требуется или не требуется)

· группа климатических и механических характеристик условий эксплуатации

· другие технические характеристики

 

III. ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ:

· число измерительных каналов (если измеряются однородные параметры)

· диапазон измеряемой величины (по каждому измеряемому параметру)

· приведенная относительная погрешность (/по каждому измеряемому параметру)

· диапазон выходного сигнала (для аналоговых выходов)

· разрядность выходного сигнала (для цифровых выходов)

· вид выходного сигнала (используемый вид кода, стандарт, скорость передачи)

· параметры входных сигналов

· частота опроса аналоговых входных каналов, Гц

· суммарная частота измерений, Гц

· характеристика встроенной микроЭВМ (тип, разрядность, тактовая частота, объем ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ)

· используемый язык программирования

· краткий перечень основных алгоритмических средств обработки информации (нормирование, вычисление по уравнению метода измерения, оптимальная фильтрация, комплексная обработка информации и др.)

· наличие системы разработки и отработки алгоритмического и программного обеспечения

· наличие встроенного контроля

· наработка на отказ, час

· напряжения питания, В

· потребляемая мощность, Вт

· принудительное охлаждение (требуется или требуется)

· габариты, мм

· масса, кг

· группа климатических и механических характеристик условий эксплуатации

· другие технические характеристики по усмотрению

 

IV. ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РЕГУЛЯТОРОВ:

· количество входных сигналов:

Þ аналоговых

Þ дискретных

· количество входных сигналов:

Þ аналоговых

Þ дискретных

· количество каналов приема-передачи кодовой информации

· диапазон выходного сигнала (для аналоговых выходов)

· разрядность выходного сигнала (используемый вид кода, стандарт, скорость передачи)

· параметры входных сигналов

· характеристика встроенной микроЭВМ (тип, разрядность, тактовая частота, объем ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ)

· используемый язык программирования

· перечень алгоритмических средств обработки информации (нормирование, вычисление по уравнению метода измерения, оптимальная фильтрация, комплексная обработка информации и др.)

· наличие системы разработки и отработки алгоритмического и программного обеспечения

· количество резервируемых каналов

· наличие встроенного контроля

· наработка на отказ, час (/или вероятность отказа, I/ч)

· напряжение питания, В

· потребляемая мощность, Вт

· принудительное охлаждение (требуется или не требуется)

· габариты, мм

· масса, кг

· группа климатических и механических характеристик условий эксплуатации

· другие технические характеристики по усмотрению

 

V. ДЛЯ ДАТЧИКОВ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ

· диапазон измерения

· выходной сигнал, В

· входное сопротивление нагрузки, Ом

· максимальный нулевой сигнал (/для аналоговых датчиков), В

· дрейф нулевого сигнала

· порог чувствительности

· чувствительность

· погрешность крутизны характеристики

· температурный коэффициент крутизны

· температурный коэффициент смещения нуля

· нестабильность температурного коэффициента смещения нуля

· приведенная относительная погрешность, %

· группа климатических и механических характеристик условий эксплуатации

· другие технические характеристики

 

Приложение 2

Таблица П.2
Конструкционные материалы. Механические и теплофизические свойства конструкционных сплавов

Марка сплава	g, г/см^3	Е, ГПа	G, ГПа	sТ, МПа	sВ, МПа	HB	d, %	y, %	T пл, °С	aТ·10^6, °C^-1
Алюминиевые сплавы
АМц	2,73
Д1	2,8
Д16	2,76
В-95	2,85			530...550	560...600					23,6
Ал12	2,65		—					—		21,1
Ал9	2,66		—					—
Ал25	2,72	—	—				0,5	—
ВАЛ1	2,89	—	—	—			2,5	—	—	23,8
АД1	2,71	69,6	—			—		—
САП-1	2,74	—	—	—		—		—		21,6
САС-1	2,73	—	—	—	270...320	—	27...32	—
Титановые сплавы
ВТ3-1	4,5		42...47	—	1040...1180	269...363	14...20	45...60	—	8...10
ВТ5-1	4,4...4,9	105...125	42...47	—	800...950	241...321	10...15	25...40	—	8...10
ВТ6	4,4...4,9	105...125	42...47	—	950...1100	255...341	10...13	35...60	—	8...10
Магниевые сплавы
ИМВ-1	1,65	—	—			—	8,8	—		27,9
МА21	1,6	—	—			—	8...20	—		30,9
МА18	1,48	—	—			—	44,8	—		30,9
МА2-1	1,8	—	—			—		—
МА14	1,8	—	—			—		—		20,9
МЦИ	1,75	45,6	—	60...70	170...180	—	15...30	—	—	24,8
Железоникилевые и молибденовые сплавы
29НК	8,35		—		480...600	—	32...37			4,6...5,5
42Н	8,1...8,2		—	—				—		4,7...5,5
36Н	8,1		—							0,8
НИМО-25	9,1		—	—	—			—		9,5
МД15НП	9,95	210...310	—	—		—	—	—	—	6,7
Стали
Сталь 20	7,82								—	11,1
Сталь 45	7,81		—						—	11,65
Сталь 40Х	7,82	218,5							—	13,4
Сталь 30ХН3А	7,83	—	—						—	11,6
Х18Н10Т	7,8			160...220	—	—	35...43	40...55	—	—
Бронзы
Бр ОФ10-1	8,58	75,4	—	140...200	200...300	80...100			—
Бр ОЦС6-6-3	8,82		—						—	17,1
Бр А5	8,2		—							18,2
Бр АЖ9-4	7,5		—			120...140	10...20	25...30		18,1
Бр Б-2	8,23			—	400...600			—		16,5...17,5
Бр Мц5	8,6		—					—		—
Бр КМц3-1	8,5		—	100...200				—		15,8...20,0
Латуни
Л68	8,6
Л62	8,43		—					—		20,6
ЛС59-1	8,5		—					—		20,6

 

 

Приложение 3

Таблица П.3

Конструкционные материалы. Влияние температуры на механические свойства алюминиевых сплавов

 

Марка сплава	Обозначение параметра	Значение параметров s (МПа) и d (%), при температуре испытаний (°С):
-196	-70	+20	+100	+150	+200	+250
АД1	sв				—
s0,2				—
d				—
АМц	sв		—
s0,2		—
d		—	23...30
АМг1	sв	200...250	110...160	80...140	80...140	70...130	60...100	40...80
s0,2
d
АМг5	sв
s0,2
d
Д1	sв				—
s0,2				—
d				—
Д16	sв				—
s0,2				—	—	—	—
d				—

 

Приложение 4

Настоящие рекомендации распространяются на пластмассы для базовых несущих конструкций (БНК) и содержат марки пластмасс, рекомендуемые для применения в БНК первого, второго и третьего уровней.

Таблица П.4