Учебник Конструирование РЭС (Book5)

Посмотреть архив целиком

нагревание узлов и деталей и частично рассеивается в окружающее
пространство. Общий баланс энергии в РЭС можно выразить уравне-
нием

ЕП123,

где Е п — энергия, отбираемая устройством от источников питания; Е1
— полезная энергия; Е2 — энергия, рассеиваемая в окружающее про-
странство;
Е з — тепловая энергия, вызывающая нагревание деталей и

узлов.

Известно, что повышение температуры способствует росту интен-
сивности отказов радиоэлементов и вызывает ускоренное старение кон-
струкционных материалов. По этой причине при разработке конструк-
ций РЭС стремятся обеспечить хороший теплообмен аппарата с окру-
жающей средой, т.е. в пределах возможного снизить величину Е 3 или

улучшить отношение Е 2 / Е 3.

Миниатюризация РЭС способствует значительному снижению по-
требления энергии от источников питания. Однако уменьшение габари-
тов РЭС в конечном счете ведет к росту отношения выделяемой тепло-
вой энергии к энергии, рассеиваемой в окружающее пространство. По-
этому проблема обеспечения тепловых режимов в современных РЭС не
утрачивает своей актуальности. Напротив, допустимый нагрев элемен-
тов конструкции становится одним из основных ограничивающих фак-
торов на пути дальнейшего улучшения массогабаритных характеристик
РЭС.

5.1. Основы теории теплообмена в РЭС

5.1.1. Основные понятия и определения

Под тепловым режимом РЭС понимают пространственно-временное
распределение температуры в пределах конструкции. Количественно
тепловой режим РЭС принято характеризовать температурным полем и
перегревом.

Температурным полем называют совокупность численных значений
температуры в различных точках конструкции в определенный момент
времени.

Температурное поле называется стационарным, если температуры
во всех точках конструкции постоянны во времени. Если температуры
во всех точках системы в любой момент времени равны между собой, то
поле называется равномерным. Стационарное температурное поле ха-
рактеризует стационарный тепловой режим.

171

Тепловой режим РЭА считается нормальным, если выполняются
следующие условия:

температуры всех деталей и узлов конструкции при заданных усло-
виях эксплуатации не превышают предельно допустимых температур,
указанных в ТУ на детали и узлы,

температуры всех деталей и узлов конструкции таковы, что обеспе-
чивается работа радиоустройства с заданной точностью и надежно-
стью.

Перегревом принято называть разность между температурой неко-
торой точки (области) конструкции радиоустройства и температурой
окружающей среды.

Конструкции РЭС представляют собой систему тел с источниками и
стоками тепловой энергии, сложным образом распределенных во вре-
мени и пространстве. Как правило, эти тела имеют различные теплофи-
зические параметры и четко ограниченные границы и называются нео-
днородными телами. В отличие от неоднородных тел тела с одинаковы-
ми теплофизическими параметрами называют однородными. Послед-
ние, в свою очередь, подразделяются на изотропные и анизотропные.

Изотропными называют тела, физические параметры которых во
всех точках тела одинаковы.

Анизотропными называют тела, теплофизические параметры которых
различны по направлениям осей координат.

Между телами (элементами), составляющими конструкцию, проис-
ходит теплообмен, т.е. перенос тепловой энергии из одной части конст-
рукции в другую или в окружающую среду. Тепло передается от нагре-
" тых тел к телам с более низкой температурой.

Часть конструкции РЭС, в которой сосредоточены источники теп-
ловой энергии, называется нагретой зоной (шасси с расположенными
на нем элементами, блоки функциональных узлов и др.)

В конструкциях (в общем случае в однородных и неоднородных те-
лах) можно выделить поверхности, в любой точке которых температу-
ры одинаковы или условно одинаковы. Такие поверхности принято на-
зывать изотермическими.

Теплообмен между нагретыми телами и окружающей средой, т.е.
между конструкциями и средой, количественно характеризуется тепло-
вым потоком и его плотностью.

Тепловым потоком называется количество тепла Q, передаваемое
от тела с более высокой температурой к телу с более низкой темпера-
турой (в общем случае к среде) в единицу времени т, т.е.

P = Q/t.

Тепловой поток, отнесенный к площади изотермической поверхно-
сти, называют плотностью теплового потока

172

q = Q/(τS)=P/S,

где S — площадь изотермической поверхности.

В общем случае теплообмен осуществляется с помощью трех видов
передачи тепла: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

5.1.2. Передача тепла теплопроводностью

Теплопроводностью (кондукцией) называют перенос тепловой
энергии при соприкосновении частиц вещества или отдельных тел,
имеющих разные температуры.


Процесс передачи тепловой энергии теплопроводностью обычно
связывают с твердыми телами, но при определенных условиях он на-
блюдается также в жидкостях и газах.

При математическом описании про-
цесса теплопередачи принято считать,
что теплообмен происходит между изо-
термическими поверхностями, причем
изотермическая поверхность с большей
температурой отдает тепло изотермиче-
ским поверхностям с меньшей темпера-
турой.

Рис. 5.1. Передача тепла
в изотропном твердом теле


Если температурное поле изменяется
только в одном направлении (рис. 5.1),
то полный тепловой поток Р, передавае-
мый от изотермической поверхности 5 j

к изотермической поверхности S 2 , на основании закона Фурье может

быть записан в виде

(5.1)

где λ — коэффициент теплопроводности материала; S — площадь
средней изотермической поверхности :
S = 0,5 (S1+S2);t1 , t2 — температуры изотермических поверхностей S1,S2;l=x2x1 — расстояние между изотермическими поверхностями.
Произведя замену λ /l = а т, из (5.1) получим:

PT = αTS(tl-t2), (5.2)

где а т — коэффициент теплопередачи кондукцией.

Значения коэффициентов теплопроводности наиболее распростра-
ненных конструкционных материалов приведены в табл. П.З приложе-
ния.

173

5.1.3. Передача тепла конвекцией

Процесс теплообмена между поверхностью твердого тела с темпе-
ратурой t1 и некоторой газообразной или жидкой средой с температурой

t2=tc oбусловленный естественным или принудительным переме-
шиванием среды около поверхности, носит название конвективного
теплообмена.


Полный тепловой поток, отдаваемый
изотермической поверхностью S среде за
счет конвекции (рис. 5.2), определяется в
соответствии с законом Ньютона следую-
щим образом:

Pk= αkS(tl-t2), (5.3)

где αк — коэффициент конвективного теплообмена.

Рис. 5.2. Изменение температу-
ры у поверхности тела при кон-
вективном обмене


Коэффициент α к представляет собой тепловой поток с единицы поверхности твердого тела в окружающую среду при разности температур между телом и средой в один градус.

В общем случае αк зависит от температур t1 и t2 и ряда физических констант среды:

αk=f(t1. t2, β, λ., Ср, v, a,g, Ф),

где β — коэффициент объемного расширения среды (жидкости или га-
за), К
-1; λ. — коэффициент теплопроводности, или просто теплопро-
водность среды, Вт/(м • К);
СP — удельная теплоемкость среды при оп-
ределенном давлении, Дж/(кг • К);
v — коэффициент кинематической

вязкости среды, м2 /с; g — ускорение силы тяжести, м/с2 ; а = λ./СP ρ —

температуропроводность среды, м2 /с; р — плотность среды, кг/м3;
Ф — совокупность параметров, характеризующих форму и поверхность
тел.

Зависимость физических констант среды от температур t1t2 и

бесконечное разнообразие форм поверхности нагретых тел исключают
возможность получения табличных значений конвективных коэффици-
ентов теплопередачи как теоретическими, так и экспериментальными
методами.

Поэтому для определения αк используются основные положения

теории подобия. Согласно этой теории сложные процессы характеризу-
174

ются не отдельными частными параметрами, а обобщенными, представ-
ляющими собой безразмерные комплексы размерных физических вели-
чин. Если значения обобщенных параметров находятся в определенном
диапазоне величин, то процессы (явления) считаются подобными. В те-
ории теплообмена используются четыре обобщенных параметра (кри-
терия), каждый из которых выражается через определенное количество
физических параметров среды. Знание критериев позволяет без особых
затруднений найти α к .

Критерии подобия (критериальные уравнения). Для определения
конвективного коэффициента теплопередачи в условиях естественной
и принудительной (вынужденной) конвекции достаточно определить:
критерий Нуссельта

(5.4)

где L — определяющий геометрический размер тела (внутренний диа-
метр трубы, высота цилиндра или вертикальной стенки, наименьшая
сторона горизонтально расположенной поверхности и т.п.);

критерий Грасгофа

(5-5>

критерий Прандтля

(5.6)

критерий Рейнольдса

(5.7)

где v — скорость движения газа или жидкости при вынужденной кон-
векции.

Из (5.4) видно, что коэффициент α к выражается через критерий
Нуссельта. В зависимости от условий конвективного теплообмена α к
определяется одним из рассматриваемых далее способов.

Определение αк при естественной конвекции в неограниченном
пространстве. Данный случай характерен для теплопередачи от корпу-
са блока или устройства в окружающую среду. Критерий Нуссельта вы-
числяется с помощью соотношения

175

Nu = C(GrPr)n, (5.8)

где С и п — показатели теплообмена, которые приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1



(GrPr)^

С

л

Режим движения газа (жидкости)

10-3

0,5

0

Пленочный поток

10-3...5·102

1,18

1/8

Ламинарный

5·102...2·107

0,54

1/4

Переходный

2·107... 103

0,136

1/3

Вихревой (турбулентный)






Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.