Основы теплообмена и обеспечение заданного теплового режима при проектировании рэа.

Основы теплообмена и обеспечение заданного теплового режима при проектировании РЭА.

Литература.

1. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в ракдиоэлектронной аппаратуре. М.:ВШ.,1984.

2. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.:Энергия,1977.

3. В.П.Исаченко, В.А.Осипова, А.С.Сукомел. Теплопередача. М: Энергоиздат,1981.

4. Дульнев Г.Н., Тарновский Н.Н. Тепловые режимы электронной аппарату­ры. М.:Энергия,1971.

5. Глушницкий И.В. Расчёт теплообмена в бортовой аппаратуре летательных аппаратов, М.:Машиностроение,1976.

6. Роткоп Д.Л., Спокойный К.М. Обеспечение тепловых режимов при конст­руировании PЭA. M.:Советское радио,1976.

7. Краус А.Д. Охлаждение электронного оборудования. М:Энергия,1971.

8. ОСТ 4 ГО.070.003 Аппаратура радиоэлектронная.Выбор способов охлаждения.

9. 0СT 4 ГО.865.ОО0 Расчёт радиаторов.

Введение.

 

- зависимость интенсивности отказов от времени.

 

 

I - приработка,

II - нормальная эксплуатация,

III - износ, старение.

 

Эта кривая может быть аппроксимирована следующим законом распределения:

этот закон был предложен Вейбуллом.

 

Для II области

 

 

 

Определения.

Температура является одним из наиболее активных параметров, влияющих на физические и химические свойства веществ. Объём, твёрдость, упругость электромагнитные, оптические свойства меняются с изменением температу­ры, например с повышением температуры происходит ухудшение изоляцион­ных свойств веществ, изменение подвижности носителей в полупроводниках магнитной проницаемости ферритов, уменьшение надёжности РЭА в целом.

Надёжностью РЭА называется свойство, обеспечивающее возможность выполнения этим РЭА заданных функции с заданными характеристиками в определённых условиях эксплуатации и в течении требуемого времени.

Таким образом, все характеристики элементов РЭА, а значит и его выходные параметры в той или иной степени определяются температурой или теп­ловым режимом.

Тепловой режим РЭА пространственно-временное изменение температуры в аппарате. Совокупность температур всех элементов, из которых собран РЭА. То есть его температурное поле характеризует тепловой режим аппарата.

Необходимый (нормальный) тепловой режим РЭА - температурное состояние, заданное техническим заданием или удовлетворяющее требова­ниям ТУ на аппарат и входящие в него элементы.

 

Тепловой режим элемента или РЭА в целом обусловлен следующи­ми факторами:

1. внутренним тепловыделением любой из применяемых ЭРЭ в рабо­чем состоянии выделяеттепло.

2. действием тепла или холода окружающей среды.

3. взаимным тепловым действием элементов и монтажа РЭА, которые зависят от конструкции и компоновки блоков и аппарата в целом.

4. применением средств обеспечения необходимого теплового режи­ма, т.е. применение той или иной системы охлаждения или нагрева аппаратуры.

5. правильная эксплуатация РЭА.

Влияние изменения температуры на поведение ЭРЭ и аппаратов.

Резисторы. Величина их. сопротивления зависит от температуры прово­дящего слоя. 35...40 % - повреждений резисторов - перегорание проводящего слоя при превышении температуры ТУ.

Изменение интенсивности отказов элементов (ЭРЭ) при изменении их температуры на 10° С (в %).

8...25% для резисторов

до 65 % для полупроводниковых диодов (германиевых)

28 % для кремниевых диодов

22...52 % для конденсаторов (особенно электролитических)

27 % для трансформаторов и дросселей.

 

Таким образом, использованиетех или иных способов охлаждения является необходимым средством повышения надёжности РЭА, а в некоторых случаях применение охлаждающих устройств обуславливает само существование узла или элемента (генераторные лампы, магнетроны, ЛБВ...).

 

Баланс энергии в РЭА.

 

Q₁ -полезная (выходная) энергия.

Q₂ - энергия, затрачиваемаяна разогрев узлов и деталей.

Q₃ - энергия, затрачиваемая в окружающее пространство.

У выходных каскадов радиовещательных передатчиков

в бытовых ~ 1%.

 

При изучении теплового режима задача формулируется в следующем виде:

 

Определить температуру j-той области пространства tj (точка, поверхность элемента) в зависимости от мощностей источников тепла,действующих в аппарате и от времени при заданной темпера­туре окружающей среды. Этот случай соответствует и стационарному и нестационарному режимам.

Для стационарного теплового процесса

Для уменьшения влияния температура окружающей среды вводим

Установившийся режим имеет вид:

 

Тепловой режим прибора до включения, при включении и во время работы.

I - нестационарный тепловой режим

II - стационарный режим

Краткие основы теплопередачи.

Процесс теплообмена РЭА сложен, методически удобно разделить его на три части:

 

1. теплопроводность - кондукция.

2. конвекция.

3. излучение (тепловое).

 

Þ Обмен энергией происходит путём непосредственного соприкосновения между частицами тела, имеющими разность температур. Процесс носит микроскопический характер.

Þ Перенос тепловой энергии происходит на макроскопическом уровне и осуществляется одновременно с перемещением: частиц (жидкости и газы всегда сопровождаются теплопроводностью). Для протекания процесса большое значение имеют состояние и характер движения жидкости.

Þ Тепловая энергия распространяется в виде ЭМВ и сопровождается превращением энергий: тепловой в лучистую и наоборот.

 

Теплофизические параметры.

Плотность	(масса / объем)
Коэффициент теплопроводности
Удельная теплоёмкость
Коэффициент температуропроводности

Коэффициент теплопроводности характеризует способность вещества проводить тепло.

Коэффициент температуропроводности - комплекс величин, который в нестационарных тепловых процессах характеризует скорость изменения температуры.

Вязкость возникает при движении реальной жидкости междучастицами или слоями, движущимися с различными скоростями, при этом возникают силы внутреннего трения, противодействующие движению в соот­ветствии с законом Ньютона.

где S - силы внутреннего трения,

dW/dn - градиент движущегося потока,

 

Передача тепла теплопроводностью.

Теплопроводность. Аналитическое исследование теплопроводности сводится к изучению пространственно - временного изменения температуры, то есть к исследованию уравнения:

Это математическое описание температурного поля.

Температурное поле -совокупность значений температуры во всех точках изучаемого пространства для каждого момента времени.

 

Различают стационарные и нестационарные температурные поля.

- нестационарное температурное поле. Температура меняется с течением времени от одной точки к другой.

- стационарное температурное поле. Температура в каждой точке остается неизменной.

Это пространственные поля - функция трех координат.

- двумерное поле.

- одномерное поле

- одномерное стационарное тепловое поле.

Температурный градиент. Если соединить точки тела, имеющие одинаковую температуру, то получим поверхность равных температур, называемую изотермической. Изотермические поверхности не пересекаются. Пересечение изотермических поверхностей плоскостью дает на этой плоскости семейство изотерм.

Наибольший перепад температуры на единицу длины - в направлении нормали к изотермической поверхности. Возрастание в направлении нормали к изотермической поверхности характеризуется градиентом температуры - вектором, направленным по нормали

- единичный вектор, нормальный к изотермической поверхности и направленный в сторону возрастания температуры.

- производная от температуры по нормали.

Значение температурного градиента не одинаково для различных точек изотермической поверхности. Оно больше там, где расстояние между изотермическими поверхностями меньше.

- скалярная величина, равная температурному градиенту. Она отрицательна в направлении убывания температуры.

Проекции вектора на координатные оси:

 

Процесс распространения тепла связан с распределением температуры и самостоятельно тепловая энергия переносится только в сторону убывания температуры.

 

Трехслойная стенка.

Дано:

1. Три слоя стенки с и

2. Известны t₁ и t₄.

 

- тепловой поток плоской стенки

Q = const, то есть одинаков при пронизывании всех стенок.

 

Применим его для каждой стенки:

 

 

 

Аналогии.

 

Выражение для R_TC.

Плоская стенка:

Цилиндрическая стенка:

Закон Ома в дифференциальной форме:

плотность тока пропорциональна градиенту напряжения.

Коэффициент теплопроводности пропорциональности удельной электрической проводимости.

t₂ - точка нулевого потенциала.

 

Расчётные методы.

· Решение дифференциального уравнения теплопроводности.

· Метод электротепловой аналогии.

· Основан на рассмотрении физических закономерностей нестационар­ного процесса.

Показано, что процесс нагревания или охлаждения PЭA можно разде­лить на две стадии:

1. начало процесса, характерной особенностьюкоторого является рас­пространение в пространстве и захват новых областей температу­ры. Приэтом поле температур зависит в значительной степени от начального состояния, носящего, в большинстве случаев случайный характер - режим неупорядоченного процесса;

2. с течением времени влияние начального состояния ослабляется и наконец, совершенно перестаёт сказываться - режим упорядоченно­го процесса или регулярный тепловой режим.

Обычно

Для второй стадии процесса существует следующая зависимость:

A - коэффициент пропорциональности, который не зависит от времени,

m - положительная константа, одинаковая для всех точек тела - темп охлаждения. Она не зависит от начального температурного поля.

I - режим неупорядоченного процесса II - режим упорядоченного процесса

 

Найдем

Описанный характер изменения температуры и количества переданно­го тепла справедливы при нестандартном тепловом процессе только для твёрдых тел.

Коэффициент теплопередачи

 

- ширина пограничного слоя ПС.

Теплопроводности сопутствуют другие способы передачи тепла, наибо­лее распространённым из которых является конвекция.

Температурный градиент заметен в сравнительно тонком слое у по­верхности стенки. Можно предположить:

1. тонкий ПС связан со стенкой, в то время как за его пределами температурный градиент не наблюдается в результате хаотическо­го перемещения частиц среды;

2. в ПС передача тепла осуществляется за счёт теплопроводности.

Для стационарного режима уравнение теплообмена ПС имеет вид:

где - уравнение конвекции (уравнение Ньютона - Рихмана)

 

к - коэффициент теплопроводности.

При

Это принцип определяющего коэффициента.

1. - необходимо увеличить меньший коэффициент

2. , тогда интенсифицировать процесс можно увеличением любого из коэффициентов.

Передача тепла конвекцией.

Она неразрывно связана о переносом среды, в которой происходит теплообмен (среда - газ либо жидкость). Перенос среды зависит от природы возникающего движения и его режима, свойств жидкости, геометрических размеров поверхности, с которой происходит теплообмен.

 

Критерий Рейнольдса.

l - размер, наиболее характерный для геометрии тела, участвующего в теплообмене (для шара l = D...)

W - скорость движения среды

V - коэффициент кинематической вязкости.

 

Для цилиндров критерий Рейнольдса имеет следующий вид:

Re < 2200 - ламинарное движение.

Re <10000 - турбулентное движение.

2200 <Re < 10000 - переходный режим движения жидкости.

 

Уравнение Бернулли.

- расположение центра тяжести потока,

- статическое давление среды в сечении канала,

- потери давления при протекании жидкости на выделенном участке

сечении I - II,

- высота давления или удельная энергия давления среды,

- высота расположения центра канала движущейся жидкости или по­тенциальная энергия,

- кинетическая энергия движущееся жидкости, обладающей скоростью.

Потери давления.

- потери по длине канала (трение).

- местные потери.

- потери на неизотермическое давление среды.

- потери самотека.

Потери механической энергии, отнесённые к объёмному расходу среды

принято выражать в виде перепада давления и называть гидравлическим сопротивлением канала. 3нание потерь давления или гидравлического сопротивления необходимо для выбора нагнетателей систем охлаждения РЭА.

 

 

Активные потери.

 

- учитывает возможные изменения геометрии канала.

- коэффициент местных потерь.

- составляющая потерь на неизотермическое течение жидкости. 0научитывает неравномерность движения среды при неизотер­мическом движении жидкости (при изменении плотности среды).

При нагревании среды возникают потери на ускорение движущегося потока среды (дополнительные гидравлические потери).

 

- входит в уравнение как со знаком «+» (нагревание), так и со знаком «-» (охлаждение).

За счётразности плотностей и существует расход сре­ды. Сопротивление самотяги обусловлено разностью плотностей среды внутри и вне РЭА. - входит в уравнение как со знаком "+", так и со знаком "-".

Принцип суперпозиции.

 

При определения полного гидравлического сопротивления РЭА при­меняется принцип суперпозиции (наложения), согласно которому найденные гидравлические сопротивления отдельных участков РЭА складываются и эта сумма определяет общее сопротивление всего устройства.

Пример: два участка канала включены последовательно.

Для параллельных участков.

 

 

Суммируются расходы сред, а давления остаются постоянными.

Характеристики нагнетателя.

 

В системах охлаждения РЭА наибольшее распространение получили центробежные и осевые вентиляторы и центробежные насосы.

Характеристики нагнетателя 1гриводятоя в ТУ и задаются в виде

,где - напорное давление.

 

 

Вынужденная конвекция.

- определяющий критерий, характеризующий подобие полей скоростей в движущейся среде.

Приведённые критериальные уравнения носят общий характер и обрабатывать результаты эксперимента более просто в критериальном виде.

 

Естественная конвекция.

- эмпирические коэффициенты.

m - обозначает, что характеристики берутся при средних температурах:

< 10^-3	0,5
10^-3....5*10^-2	1.18	1/8
5*10^-2...2*10^7	0.54	1/4
2*10^7...10^13 ......-..—....„.......„,„.-... -.—.... j	0.135 L	1/3

 

Для естественном конвекции различают 4 режима движения жидкости:

1. h = 0 - плёночный режим движения жидкости. N_um = 0,5 - малый температурный напор, тела с плавной геометрией. У поверхности образу­ется почта неподвижная плёнка нагретой среды и теплообмен обусловлен явлением теплопроводности.

2. h = 1/8 - характеристика соответствует ламинарному движению среды. Интенсивность теплообмена незначительна, режим характерен для проводников РЭА, жгутов аппаратуры.

3. h = 1/4 - характеристика соответствует переходному режиму движения среды. Режим наиболее характерен для измерительной РЭA, радиаторов...

4. h = 1/3 - турбулентный режим движения жидкости. Теплообмен протекает интенсивно, характерен для больших температурных напоров около внешних поверхностей РЭA, имеющих большие размеры.

Расчётные формулы.

1. Закон 1/8 степени характерен для сред, омывающих тонкие проводники - для цилиндров.

Вт * м² * ^оС

где

d - диаметр цилиндра (м)

t - температура стенки, с которой происходит теплосъем

А₁ - табличный коэффициент

2. Законы 1/4 и 1/3 - теплоотдача плоской и ребристой поверхностей.

L ­- определяющий размер (мм).

Если неравенство выполняется, то имеет место закон 1/4 степени, если нет, то закон 1/3 степени.

2.1. Закон 1/4 степени.

Вертикально ориентированная поверхность высотой L.

А₂ - табличный коэффициент.

Считается, что дно аппаратуры находится в более худших условиях, поэтому имеем:

Для верха аппаратуры также вводится поправочный коэффициент

2.2 Закон 1/3 степени - зависимость от геометрии пропадает.

Вынужденная конвекция.

Определение коэффициента определяемого критерия

Методиками конвективного теплообмена пользуются следующим образом:

1. По известным значениям температур находят из справочников теплофизические свойства среды и по ним значения определяющих критериев;

для естественной конвекции

для вынужденной конвекции

2. По значению произведения определяющих критериев находят критерий Нуссельта. Это определяемый критерий.

3. Определение коэффициента конвективного теплообмена.

4.

Здесь мы определяем либо поток либо . Затем производим сравнение .

Количественные оценки.

 

 

 

Передача тепла излучением.

Если извне на элемент падает тепловой поток, то он распределяется следующим образом:

- поглощенная энергия

- отраженная энергия

- прошедшая энергия

A, R, D - коэффициенты поглощения, отражения, пропускания.

A - поглощательная способность тела

R - отражательная способность тела

D - пропускательная способность тела

Обычно даже при малых толщинах D = 0 и 1 = A + R

Для абсолютно черного тела A = 1, R = D = 0.

Для абсолютно белого тела A = D = 0, R = 1.

Для абсолютно прозрачного тела D = 1, R = A = 0.

 

Закон Стефана - Больцмана.

 

- степень черноты тела.

- коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела.

- отношение тепловых потоков реального и абсолютно черного тела при одинаковой температуре.

 

Закон Кирхгоффа.

 

Отношение лучеиспускательной способности к поглощательной способности при тепловом излучении для всех тел одинаково и равно лучеиспус­кательной способности абсолютно чёрного тела и зависит только от температуры.

Сложный теплообмен.

 

Это совместное действие конвекции и излучения.

1. Введем представление о суммарном коэффициенте теплообмена, который учитывает конвекцию и излучение.

2.

Один из вариантов уменьшения температуры поверхности - увеличение площади.

 

Тепловой поток ребра.

Эффективность ребра.

Практические рекомендации.

Оценку эффективности ребра ведут по следующему соотношению: . Чем оно выше, тем эффективнее материал.

При повышении числа ребер возрастает теплоотдающая поверхность радиатора, но уменьшается расстояние между ребрами, что приводит к увеличению между рёбрами, а следовательно и к уменьшению конвективной составляющей теплообмена. При этом уменьшается также и ра­диационная составляющая теплообмена за счёт многократного переотра­жения в пространстве между рёбрами.

Пример: охлаждение транзисторов.

 

Необходимо по проведённому расчёту определить заготовку.

1. Рассмотрим установившийся режим. Важнейшим условием безотказной ра­боты полупроводниковых приборов является применение эффективного теплоотвода, гарантирующего сохранение температуры p-n переходов в допустимых пределах. Применение радиаторов даже в случае, когда мощный транзистор используется с малым коэффициентом нагрузки, увеличивает долговечность его работы.

 

- задача.

Эквивалентная схема.

 

 

 

 

Определяем перегрев радиатора

Находим термическое сопротивление радиатора.

Определяем проводимость заготовки радиатора.

Далее пользуемся тепловыми характеристиками промышленных заготовок радиаторов.

- тепловая характеристика для случая естественной конвекции.

- тепловая характеристика для случая вынужденной конвекции.

- случай естественной конвекции

- случай вынужденной конвекции.

Для обеспечения электрической изоляции от шасси необходимо вве­сти изоляционные прокладки, повышающие значение термического сопротив­ления и это необходимо учитывать.

 

Требования к расположению элементов, их креплению и взаимное

влияние с точки зрения теплового режима.

 

Резисторы. Основная часть теплового потока в резисторах рассеивается через торцы и выводы, увеличение диаметра рабочей части резистора значительно уменьшает температуру в его центре, увеличение длины рабочей части в меньшей мере сказывается на изменение температур.

 

Электровакуумные приборы. Стеклянные баллоны обладают низкой теплопроводностыо и практически не проницаем для теплового излучения при температурах ниже 400°С. Это приводит:

n к нарушению работы газопоглотителя,

n к нарушению вакуума, связанному о выделением газа из стенок баллона.

n к образованию термических напряжений, связанных с неравномерны распределением температур по поверхности баллона.

Крепление типа "Лира".

При таком креплении образуется застойная зона, где отвод тепла меньше, чем в зоне контакта с металлом. Здесь возникает нежелательные гра­диент темпеðàтóð.

Дроссели. Трансформаторы. Катушки индуктивности. Здесь необходимо обеспечить хороший теплоотвод через крепления и окраску наружных поверхностей с большой степенью черноты, что поз­воляет облегчить тепловой режим рассматриваемых ЭРЭ.

Принцип местного влияния.

D - самый протяженный диаметр. асчет проводят до уРррррр

Принцип местного влиянии заключается в следующем: любое местное возмущение температурного поля является локальным и не распространя­ется на отдалённые участки поля. При этом конфигурация области, занятой источником энергии практически не влияет на характер температурного поля в РЭА на расстояниях от центра того же порядка, что и максималь­ный размер источника энергии.

 

Системы охлаждения РЭА.

 

Системой охлаждения РЭА называется совокупность устройств и конст­руктивных элементов, применяемых для обеспечения нормального теплового режима. Классификация ( по виду используемого теплоносителя).

1. Воздушные системы охлаждения - теплоноситель - воздух.

2. Жидкостные системы охлаждения -теплоноситель - жидкость.

3. Испарительные системы охлаждения - теплоноситель - кипящая жидкость.

4. Кондуктивные системы охлаждения.

 

 

1. развитые тепловые мосты - непосредственный контакт с корпусами МC.

2. эффект Пельтье -поглощение тепловых потоков на спае различных про­водников.

Эффект Пельтье

Выделение или поглощение теплоты при прохождении электрического тока через каналы двух проводников

Выделение сменяется поглощением при изменении направления тока.

- коэффициент Пельбья.

- абсолютная температура.

- разность температуры проводников.

Эффект Зеебена.

 

- коэффициент Зеебена.

Тепловые трубы.

 

Устройство для переноса теплового потока с одного конца трубы в другой за счет использования скрытой теплоты фазового превращения теплоносителя, помещенной внутри тепловой трубы.

 

 

I - испарительная зона

II - транспортная зона

III - конденсационная зона

 

 

Непременное условие - гравитация. Основной областью применения тепловых труб - ядерная энергетика и космическая техника.

Низкое сопротивление транспортной зоны приводит к большой эффективности теплопроводности, которая выше, чем у меди, серебра.

- термическое сопротивление тепловой трубы

- среднеповерхностные температуры стенок зоны испарения и конденсации

- переносимый тепловой поток

 

Системы охлаждения могут быть:

1. Общего и локального (местного) охлаждения.

2. Работать по замкнутому и разомкнутому циклам (в системах разомкну­того типа теплоноситель удаляется из системы и больше нe использу­ется. При замкнутом цикле теплоноситель охлаждается в теплообменнике и вновь поступает в систему охлаждения).

3. Прямого и косвенного действия. В системах охлаждения косвенного действия источник тепла и поверхности теплообмена разделены КЭ.

4. Комбинированного типа, в которых используются различные сочетания перечисленных систем.

 

Kopпyс с перфорацией.

Уносимый воздушный поток имеет температуру более высокую, чем при входе (соответственно ).

 

В случае обеспечения принудительного воздушного охлаждения расчёт строится на определении теплового потока, который идёт на увеличение теплосодержания среды охлаждения.

 

Принудительная вентиляция.

По характеру работы принудительная вентиляция подразделяется на приточно-вытяжную, приточную и вытяжную.

При приточной вентиляции вентилятор работает в более холодном и плотном воздухе, но при вытяжной вентиляции допускается большая негер­метичность кожуха без уменьшения эффективности охлаждения. Приточно-вытяжная вентиляция применяется для аппаратов с неплотными корпусами. При применении вытяжной вентиляция отсутствует дополнительный подогрев воздуха в аппаратуре за счёт тепло выделении электродвигателя.

 

Рекомендации по конструированию систем охлаждения.

Жидкостное охлаждение.

Здесь главный вопрос - выбор охлаждающей жидкости. Выбор произво­дится по её электрофизическим и эксплуатационным характери