вой модели также заменяется изотермической поверхностью, имеющей среднеповерхностную температуру и перегрев 6 , В результате

введения тепловых моделей и понятия эквивалентной НЗ становится возможным математическое описание процессов теплообмена РЭА и создание инженерных методик тепловых расчетов.

Геометрические размеры НЗ для РЭА с шасси определяются следующим образом (рис. 13.12, а, б): ширина ~ Li; длина 1 ~ L; высота Лз = Кзап Н, где Li, L, Н - ширина, длина и высота РЭА, Кзап = - коэффициент

заполнения объема РЭА элементами. Геометрические размеры НЗ для одной платы РЭА кассетной конструкции /gi C:i U; /33 ~ /jl К = = Кзап* + где U, 1 - ширина и длина платы; Ь - шаг расположения плат относительно друг друга в РЭА, 6ц - толщина платы.

После определения геометрических параметров НЗ (или нескольких НЗ), а также кожуха рассчитывают температурное поле РЭА. Расчет проводится в три этапа.

Первый этап. Определение тепловых характеристик кожуха и НЗ. Для РЭА с одной зоной

д = е -Ос=г сФ. (13.14)

де=еа-о =гз Ф. (13.15)

Для /-Й НЗ в РЭА имеющей т зон,

от- I

бзу -Эк = зкуФ/ + 2 зк;Фг.

1= I

(13.16)

где бк - средняя температура поверхности кожуха. К; 6о - температура среды, К; 63 - средняя температура НЗ, К; Гцо - тепловое сопротивление кожух-среда, К/Вт; Гзк - тепловое сопротивление зона-кожух, К/Вт; Ф - полная рассеиваемая РЭА мощность (тепловой поток), Вт; 9зу-средняя температура /-Й НЗ, К; /ак j - тепловое сопротивление НЗ - кожух, К/Вт; rij - тепловое сопротивление между 1-й НЗ и кожухом, К/Вт; Ф = = Ф - 2 Ф; ф( - мощности теп-

ловых потерь /- и г-й НЗ, Вт. Тепловая характеристика для кожуха в этом случае определяется по формуле (13.14).

Второй этап. Определение тепловых характеристик поверхностей узлов и элементов РЭА:

(13.17)

где Qjs - температура поверхности /-Г0 узла или элемента. K;Э- с - температура среды, окружающей /-й узел или элемент, К; fjc - тепловое сопротивление, характеризующее теплообмен от поверхности /-го узла или элемента к окружающей нх среде. К/Вт; Ф - рассеиваемая мощность /-Г0 узла или элемента РЭА, Вт.

Третий этап. Определение тепловых характеристик отдельных областей внутри узлов или элементов, например, р- -перехода в транзисторе по уравнению, аналогичному (13.17). Так, тепловая характеристика р-я-перехода транзистора может быть определена следующим образом:

ец-е=/-ш; Ф,

где бп - температура р- -перехода; es - температура поверхности корпуса /-Г0 транзистора; fnsj - внутреннее тепловое сопротивление переход-корпус /-го транзистора, К/Вт Для ряда конструкций РЭА разработаны упрощенные графо-аналитические методики, позволяющие быстро определять тепловые характеристики РЭА на всех трех этапах [15]. При необходимости одновременной оценки тепловых характеристик элементов РЭА и их надежности используют вероятностный подход [34].

Расчет теплового режима РЭА на основании использования тепловых моделей можно выполнять как при естественной, так и при вынужденной конвекции газообразной (например, воздушной) или жидкой среды. В последнем случае используется дополнительно уравнение теплового ба ланса

Фс = сО(есвых-еовх). (13-18)

где Фс - тепловой поток, который воспринимается охлаждающей средой, с - удельная теплоемкость среды. От - массовый расход среды; Ос вых и Ос вх - температура среды на выходе и входе в РЭА,

* Составитель В, И, Киселев.

При кипении и испарении жидкостей количество поглощаемого тепла пропорционально массе и теплоте испарения жидкости. Например, испарение 1 л воды требует 2,26 X X 10 Дл< (при нормальном давлении и температуре 373 К), что эквивалентно отводу 628 Вт рассеиваемой мощности в течение 1 ч.

При термохимическом разложении твердое вещество выделяет газообразные продукты, что обеспечивает отвод тепла, особенно при кратковременной работе РЭА. Например, разложение 1 кг двууглекислого аммония практически эквивалентно испарению 1 л воды (при нормальном давлении и температуре 343 К). В системах с расилавлением рабочего вещества используют парафин и его производные, сплавы типа Вуда, церезины и прочие вещества, температура плавления которых 313 ... ... 333 К.

В термоэлектрических устройствах в месте спая двух различных проводников происходит поглощение или (при изменении направления движения тока) выделение тепла Преимущество таких устройств - в возможности реверсирования, однако они имеют значительную массу и энергопотребление. Эффективность термоэлектрических устройств зависит от качестаа используемых материалов спая и пропорциональна квадрату температуры холодного спая. Однокаскадные термобатареи обеспечивают Д6 = 30 ... 50 К, трех-каскадные Д9 = 80 ... 100 К, но со значительно худшими (чем у одно-каскадных батарей) энергетическими показателями. Такие устройства обычно применяют для термостати-рования малых по объему и тепловыделению узлов и блоков РЭА, требующих высокой стабильности температуры (кварцевые генераторы и Другие устройства).

В современных СОТР используются различные сочетания устройств, основанных на перечисленных физических эффектах, которые обеспечивают нормальный тепловой режим как отдельных элементов, так и РЭА в целом,

Так как современная сложная РЭА чаще всего требует не только отвода тепла (Орэд < 9доп), но и обеспе-

Из уравнения (13.18) определяют расход среды.

Соответствующие инженерные методики тепловых расчетов РЭА и ее элементов даны в § 13.2 ... 13.5

Основные физические эффекты

и классификация систем обеспечения

теплового режима (СОТР)*

Для интенсификации теплообмена в конструкциях РЭА применяют вынужденную конвекцию вместо естественной, заменяют (по мере возможности) СОТР с газообразным теплоносителем на СОТР с жидким теплоносителем, а также используют различные сопровождающиеся поглощением тепла физические эффекты: адиабатическое расширение или дросселирование газов, вихревое разделение газовых потоков, кипение жидкостей, термохимическое разложение или плавление твердых тел, эффект термоэлектрического охлаждения.

Три адиабатическом расширении газа с помощью сопл, расширительных турбин, цилиндра с поршнем и т. п. отвод тепла тем больше, чем больше: разница давлений за расширителем и перед ним, показатель адиабаты и теплоемкость газа. Такие устройства находят широкое применение в авиации [7].

При дросселировании газов (эффект Джоуля-Томпсона) эффективность отвода тепла меньше, чем при адиабатическом расширении. Определяющими параметрами являются: эффект дросселирования (который зависит от свойств газа) и перепад давлений в дроссе.че.

Вихревое разделение газового потока на холодный и горячий (эффект Ранка) используется в конструкциях, называемых вихревыми трубами. Эффективность вихревых труб, применяемых для охлаждения, тем выше, чем больше разность давлений, показатель адиабаты и коэффициент, характеризующий эффект охлаждения данного газа. Эффект от использования вихревого разделения газа увеличивается гам, где есть источники сжатого воздуха (например, на летательных аппаратах), так как габариты и масса вихревых труб малы.

АВг.

доп в

аа 1 б и (вш т

Рис. 13.14. Классификация СОТР по соотношению йбдоп и Дбс.

ТСт и СТ: а - холодные, б - средиетем-пературиые. в -горячие. Для СО Дбдоп до нескольких десятков градусов, для СТ - от нескольких единиц до десятков градусов, для ТСС - от сотых долей до нескольких единиц градусов

чения работы VBk в заданном интервале температур АЭдоп = e - - 9 JJ, то приходится использовать СОТР, которые решают три основные задачи; внутреннюю (нагревание или охлаждение элементов РЭА), внешнюю (обеспечение теплообмена СОТР с окружающей средой) и транспортную (перенос тепла внутри РЭА и СОТР). При этом изменение температуры окружающей РЭА и СОТР среды происходит в пределах е? ... e таким образом. СОТР могут быть разделены на три группы: системы охлаждения (СО) для элементов и узлов, с широкоинтервальным значением ДЭдоп. системы термо-стабнлизации (СТ) со среднеинтер-вальным значением ДЭдоц и термостаты (ТСТ) или системы термостабилизации с узкоинтервальным значением ДЭдоп (рис. 13.14).

Прн разработке СОТР необходимо учитывать f6J: вид, параметры, особенности конструкции и режима работы РЭА и объекта, где размещена РЭА; параметры окружающей среды; массу, габариты и энергопотребление СОТР; удобство и стоимость эксплуатации СОТР; наличие серийных или опытных разработок теплообмен-ных устройств, их элементов, рабочих веществ и их стоимость; срав-

нительную эффективность и степень изученности способов теплопередачи.

Классификация СОТР приведена на рис. 13.15.

13.2. СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ПЕРЕДВИЖНОЙ НАЗЕМНОЙ РЭА*

Общие положения

Передвижная наземная РЭА устанавливается в кузовах (фургонах) каркасного типа на самоходных шасси или прицепах с колесным или гусеничным ходом. Для обеспечения нормальной эксплуатации РЭА и комфортных условий человеку-оператору стенки и крышу кузова выполняют из фанеры, армированного пенопласта или алюминиевого листа, пол - из досок, армированного пенопласта или алюминиевых листов. Люки, двери и окна кузовов делают с термоуплотнениями. Для создания нормального теплового режима в кузове используют отопительные, вентиляционные и кондиционирующие установки.

Совокупность кузова, шасси или прицепа, РЭА и вспомогательного оборудования называют аппаратной машиной (AM). Особенностью AM является наличие температурного фона внутри кузова за счет тепловыделения РЭА, вспомогательного оборудования, операторов (в обслуживаемых AM) и за счет солнечной радиации (РС). Так как AM может работать в разных климатических условиях, то, кроме внутренних и внешних источников тепловыделения, необходимо совместно с ними учитывать и параметры внутренней (в кузове) и внешней (окружающей) среды.

Для оценки степени комфортности Систем вентиляции и кондиционирования [5, 7] используют понятия эквивалентно-эффективной, эффективной и радиационно-эффектив-ной температур. Эквивалентно-эффективная температура (ЭЭТ) применяется для оценки одновременно-

Составители Ю. Г. Володин, Г, В, Малюков,

Системь/ affecnevewa теплового eMOAfa РЗА

Диапазон температур 1-

Систет/ охлаждения

РаО передача те/7ла

РОерОь/е тепло -npoSob/

Ренловь/е mpySd/

Меелтлоя

Размещение РЭА и СОТР

Ри земле

Ри рилете

Ри самолете

S ломе-щелио

Ртааоо-нарная S лоре

Тралспвр-тлия

Ра лвсмичес-лих оОьентах

Ра лора/Тлях

ffo& сязо с оьелтсм

А&толоммая Неа&твлвмния

Cacmoffo охвата Hfioopod

Одиия

Рис. 13.15. Классификация СОТР по характерным группам параметров

------г \ г

/<t/30ff \ у I

или РЭА

Peat/yrupiuuufee

IX-i

1------1 \:пл

Au/vepu гл и/е ия

Рис. 13.16. Принципиальная схема воздушной СОТР

t ь/леой \фильтр

Вх.ад

txj-J

Ге/глиоме/г ин

го влияния на человека-оператора температуры, скорости и относи тельной влажности (Вл) воздуха Эффективная температура (ЭТ) ис пользуется при оценке влияния тем пературы и Вл спокойного воздуха За ЭТ принимают температуру на сыщенного воздуха, который обла дает такой же охлаждающей способностью, как и воздух с заданными значениями температуры и влажности. Радиационно-эффективная температура (РЭТ) применяется для оценки одновременного воздействия температуры воздуха и излучения окружающих человека нагретых поверхностей.

За основу многих СОТР для AM принята схема, показанная на рис. 13. i6. Она может работать как приточно-вытяжная, приточная, вытяжная с открытым и замкнутым контуром и в режиме рециркуляции. Одновременная работа приточного и вытяжного вентиляторов обеспечивает приточно-вытяжной режим работы; их раздельная работа - приточный или вытяжной режим. При заборе воздуха из окружающей среды и его выбросе система работает с открытым, а при циркуляции охлаждающего воздуха только внутри системы - с закрытым контуром. Возможны режимы рециркуляции (с частичным выбросом воздуха в окружающую среду) и с двойным контуром. Выбор той или иной схемы определяется требованиями создания нормального теплового режима AM, при котором температура внутри

РЭА и температура воздуха в AM не должны превышать норм ТУ. Кроме того, температура и скорость движения воздуха, температуры поверхностей, окружающих обслуживающий персонал (в обслуживаемых AM), и разность радиационной температуры и температуры воздуха в кузове AM соответствуют медико-техническим нормам ТУ.

Тепловой режим аппаратной машины

Для оценки теплового режима AM необходимо знать температуру воздуха или поверхности (кузова, корпуса РЭ.Л и ее элементов) в любой точке AM. Определение температур проводят по общей методике [14, 15], по которой последовательно рассчитывают: 1) средние температуры нагретой зоны и воздуха внутри AM, внутренней и наружной поверхностей кузова AM; 2) средние температуры нагретых зон, воздуха и кожухов блоков РЭА; 3) температуры поверхностей элементов и воздуха вокруг них. Нагретая зона AM представляет совокупность конструкций РЭА и вспомогательного оборудования, устанавливаемых внутри AM. Нагретая зона характеризуется мощностью Фз, рассеиваемой всеми источниками тепла, средней температурой Эд, поверхностью 5зв, омываемой воздушными потоками, и поверхностью 5зк, участвующей в теплообмене за счет излучения со стенками AM,

Тепловой поток НЗ п

Фз= 2Фг + Фок-Фвл-Фвц,

(13.19)

где п - число отдельных устройств РЭА (стоек, блоков, пультов и т. п ), каждое из которых рассеивает тепловой поток Ф;, Вт; Фок - тепловой поток солнечного излучения, проходящий через остекленные поверхности кузова AM, Вт; Фвд и Фвц - тепловые потоки, отводимые локальными и централизованными вентиляционными системами, Вт.

Так как РЭА и дополнительные устройства с локальными и централизованными вентиляционными системами часть своих тепловых потоков выделяют в кузов, в котором, кроме того, могут работать и операторы то воздушный поток нагревается не только за счет Фз, но и за счет дополнительного теплового потока

Фв = Фдп + Фоп. (13-20)

где Фдп - тепловой поток от РЭА и дополнительных устройств, Вт; Фон -тепловой поток от операторов. Вт.

Рассматривая охлаждающий воздушный поток через кузов AM в виде стока тепловой энергии, можно записать:

Фот=ОгСрр(евых-евх), (13-21)

где Фот - тепловой поток стока, Вт; Оо - объемный расход охла-ж-дающего воздуха, проходящего через кузов AM, Ср - теплоемкость воздуха при постоянном давлении, Дж/(кг - К); р - плотность воздуха, кг/м; бвых и бвх - температуры воздуха на входе и выходе СОТР кузова AM, К.

Среднеобъемная температура воздуха в кузове AM

ев=о,5(евых+евх). (13.22)

тогда тепловой поток стока определяется так:

Фст=и) (6в-6вх)>

cJi = 2cppGi (13.23)

где Оц, - тепловая проводимость между источниками тепла в кузове AM и потоком охлаждающего воздуха.

Для оценки средних температур НЗ, воздуха, внутренней и наружной поверхностен стенок кузова AM используют систему уравнений

Фз=озв (ез-ев)+озк (Эз-екв). (ев-евх)=Озв (ез-ев) +

+ Окв(екв-ев)+Фв. (13.24)

о KB (Экв- Эв) = зк (6з - бкв) + Ьиз (бкн -бкв)

фрс=Окс (екн-ес)+

-Низ Окн-бкв),

где Озв - тепловая проводимость за счет конвекции от НЗ к воздуху внутри AM, Вт/К; Озк - тепловая проводимость за счет излучения от НЗ к внутренней поверхности кузова AM, Вт/К; Окв - тепловая проводимость за счет конвекции от внутренней поверхности кузова к воздуху Вт/К; Ои - тепловая проводимость, обусловленная теплопроводностью стенок кузова AM, Вт/К; Окс - полная тепловая проводимость от поверхности кузова AM в окружающую среду, Вт/К; Фрс - тепловой поток, поступающий к кузову AM от PC, Вт; 6с - температура окружающей AM среды, К. бкв, бкн ~ температуры внутренней и наружной поверхностей кузова, К.

Так как тепловые проводимости в системе уравнений (13.24) являются нелинейными функциями температуры, то при решении этой системы используют метод последовательных приближений [15], представляя систему в следующем виде;

03 = Во -Ь f 13 Фз + /=s3 Фв , + Ръъ Фрс, 03 = Bo-f f IB Фз-f Рчъ Фвю + / зв Фрс,

(13.25)

Вкв = Вс-1-10зк (Вз-Вс)+Окв{Вв- -Bc)-fa©pc]/oo,

Вкн = Bc-f а (Вкв-Вс) -f Фрс а/Оиз.

В уравнениях (13.25) приняты следующие обозначения

Фв ) = Фвх+Зи, (Ввх-Вс). а= = (1-4-Окс/Оиз)~, Оо=аОкс-4-Озк-ЬОкв1 fl =Озв -f-fKB зк/Оо!