4.4. Расчет теплового режима вентилируемых рэс

В РЭС применяется как естественная, так и принудительная вентиляция. Когда мощность, рассеиваемая теплонагруженными элементами, превышает 500 Вт/м², применяется принудительная вентиляция, а при меньшей мощности - естественная.

Принудительная вентиляция обеспечивается специальными устройствами, которые прогоняют воздух через внутренний объем аппарата.

Естественная вентиляция имеет место в аппаратах с перфорированным кожухом, у которых поток воздуха через внутренний объем создается за счет уменьшения плотности воздуха при нагревании и возникновения за счет этого восходящих потоков воздуха.

В установившемся режиме течения воздуха тепловые процессы в аппаратах с естественной и принудительной вентиляцией протекают практически идентично. Целесообразно рассмотреть эти тепловые процессы.

Пусть имеется аппарат, через внутренний объем которого протекает воздух. Этот воздух при прохождении мимо ЭРЭ, установленных на шасси (рис. 4.4.1.), охлаждает их.

Совокупность шасси с установленными ЭРЭ образуют нагретую зону. Обычно принимают, что скорость воздуха в различных точках нагретой зоны примерно одинакова.

Известны все геометрические размеры аппарата (размер кожуха, площадь теплоотдающей поверхности нагретой зоны, площадь поперечного сечения для свободного прохода воздуха). Суммарная мощность источников тепла в нагретой зоне, массовый расход воздуха через аппарат, температура воздуха на входеи температура среды. Необходимо определить температуру кожуха, температуру в области нагретой зоныи среднеобъемную температуру воздуха в аппарате.

Рис. 4.4.1. Вентилируемые аппараты: а - естественная вентиляция; б - принудительная вентиляция; в - тепловая схема

Считают, что кондуктивная связь между нагретой зоной и корпусом незначительна, ей можно пренебречь, а теплообмен между нагретой зоной и кожухом осуществляется только излучением. Лучистым теплообменом между нагретой зоной и средой через отверстия в кожухе также пренебрегают, а температуру кожуха во всех точках принимают одинаковой.

При этих допущениях тепловые процессы в вентилируемых аппаратах можно представить следующим образом. Вся тепловая энергия, выделяющаяся в области нагретой зоны, передается излучением кожуху аппарата и конвекцией воздуху, протекающему через аппарат

, (4.4.1)

где - лучистая тепловая проводимость между нагретой зоной и кожухом, - конвективная проводимость между зоной и воздухом,- температуры нагретой зоны, кожуха и воздуха.

Тепловые проводимости и определяются по известным формулам

; , (4.4.2)

где - площадь нагретой зоны, участвующая в лучистом теплообмене с кожухом, - площадь нагретой зоны, участвующая в конвективном теплообмене с воздухом.

Площадь нагретой зоны, участвующая в лучистом теплообмене с кожухом , определяют через геометрические размеры нагретой зоны по формуле

(4.4.3)

или через коэффициент заполнения

. (4.4.4)

Площадь нагретой зоны, участвующая в конвективном теплообмене с воздухом , включает поверхность всех ЭРЭ и удвоенную площадь шасси и вычисляется по формуле

. (4.4.5)

Энергия, воспринятая кожухом, в свою очередь конвекцией и излучением рассеивается в окружающую среду и частично конвекцией передается воздуху внутри аппарата:

, (4.4.6)

где , - тепловые проводимости между кожухом и соответственно средой и воздухом внутри аппарата.

Тепловая энергия , уносимая протекающим через аппарат воздухом, за счет повышения его теплосодержания (изменения энтропии) равна

, (4.4.7)

где - удельное теплосодержание воздуха,- массовый расход воздуха через аппарат,- удельная теплоемкость воздуха,и- температура воздуха на входе в аппарат и выходе из него.

Полагают, что средняя температура перегрева воздуха внутри аппарата равна . Из этого соотношения следует, что, а из выражения (4.4.7) можно записать

. (4.4.8)

Тепловые процессы в аппарате (рис 4.4.1) представлены тепловой схемой. Здесь узловые точки с температурами нагретой зоны , кожухаи воздуха внутри аппаратасоединены соответствующими тепловыми проводимостями. Тепловые проводимостииобусловлены конвекцией,- излучением, аконвекцией и излучением.

Конвективный коэффициент теплоотдачи находится по известной формуле при обтекании детали поперечным потоком воздуха скоростью

(4.4.9)

или через массовый расход

, (4.4.10)

где - средняя площадь поперечного сечения аппарата, свободная для прохода воздуха

; (4.4.11)

, - коэффициент заполнения аппарата и площадь поперечного сечения кожуха соответственно,- средняя длина траектории воздуха у поверхности деталей,- половина периметра сечения-ой детали в плоскости потока воздуха, - количество деталей, омываемых потоком воздуха.

Вентилируемый аппарат относится к аппаратам с разветвленной тепловой схемой, при расчете теплового режима которых нельзя использовать автосхождение вычислительного процесса.

Расчет теплового режима аппарата с принудительной вентиляциейпроводится в следующей последовательности:

1. Задаются начальным диапазоном температур , эти цифры должны находиться заведомо за пределами ожидаемых температур кожуха, например, -50…+100.

2. Считают, что средняя температура воздуха в аппарате равна входной температуре: .

3. Находится температура кожуха первого приближения . Для температурырассчитываются проводимостьи мощность.

4. Оставшаяся мощность уносится проходящим воздухом и расходуется на увеличение его температуры, величина этого увеличения будет равна

. (4.4.12)

5. Средняя температура воздуха находится по формуле .

Далее теплофизические характеристики теплоносителя определяются для температуры .

6. Рассчитывается мощность :

, (4.4.13)

при этом ,- внутренняя поверхность кожуха,рассчитывается по формуле (4.4.9), а за определяющий размерпринимается протяженность кожуха по направлению воздушного потока.

7. Рассчитывается мощность и перегрев

,. (4.4.14)

8. Находится мощность :

. (4.4.15)

9. Из (5.4.14) находится температура нагретой зоны , а затем определяется мощность:

. (4.4.16)

10. Производится коррекция диапазона температур . Если>, то температуруследует уменьшить, поэтому полагают=, в противном случае=.

В результате получают новый диапазон температур , соответственно, температура кожуха второго приближения будет. Повторный цикл расчетов проводят с п.3, полагая=и=.

Сходимость процесса вычислений можно оценить по различию температур и,ии мощностейи.

Температура кожуха является управляющей величиной, при небольшом ее изменении режим меняется в широких пределах, по этому в качестве контролирующей величиныотпадает.

Мощности идают информацию о необходимом направлении изменения. Так как мощностьсущественно меньше подводимой мощности, колебанияпри изменениибудут значительны, поэтому контроль схождения процесса вычислений следует осуществлять по температуре нагретой зоны.

Процесс вычислений может занимать 5-10 циклов, если считать моментом окончания вычислений выполнение условия .

При использовании методики расчетов в учебных целях, например, при обучении студентов, целесообразно ограничить объем вычислений 2-3 циклами. Для этого им предлагается дополнительная программа, которая сама вычисляет ограниченный температурный диапазон и температуру нагретой зоны первого приближения. Вычисления при таких допущениях не превышают 2-3 циклов.