Выбор способов охлаждения на ранней стадии

 проектирования

Для обеспечения нормального теплового режима необходимо выбрать такой способ охлаждения блока управления электромеханическим замком (далее "блока"), при котором количество тепла, рассеиваемого в окружающую среду, будет равным мощности теплоты выделения блока, при этом также необходимо учесть теплостойкость элементной базы.

Расчет температуры всех входящих в блок элементов представляет собой чрезвычайно трудоемкий процесс. В связи с этим встает вопрос: для каких элементов необходимо рассчитывать температуру, чтобы с заданной достоверностью можно было судить о соответствии теплового режима всего блока требованиям технического задания.

Методика определения числа элементов РЭС, подлежащих расчету теплового режима, состоит в следующем [3]:

1. Задаемся вероятностью правильного расчета р.

Если вероятность p > 0,8, то можно остановиться на выбранном способе охлаждения. При вероятностной оценке 0,8 > р > 0,3 можно применить выбранный способ охлаждения, однако при конструировании РЭС обеспечению нормального теплового режима следует уделить тем больше внимания, чем меньше вероятность. При вероятности 0,3 > р > 0,1 не рекомендуется использовать выбранный способ охлаждения.

Исходя из вышеизложенного, задаемся вероятностью правильного расчета р > 0,8.

2.Определяем средний перегрев нагретой зоны.

Исходными данными для проведения последующего расчета являются:

-  коэффициент заполнения по объему                           0,6;

- суммарная мощность, рассеиваемая в блоке, Вт               24;

- давление окружающей среды, кПа                                    103;

- давление внутри корпуса, кПа                                           103;

- габаритные размеры корпуса, м                     0,183x0,130x0,065;

Средний перегрев нагретой зоны герметичного корпуса блока с естественным воздушным охлаждением определяется по следующей методике [4]:

1. Рассчитывается поверхность корпуса блока:

 

S_k = 2 × [ L₁ × L₂ + ( L₁ + L₂ ) × L₃ ]                               (5.1.1)

 

где L₁, L₂ - горизонтальные размеры корпуса, м;

L₃- вертикальный размер, м.

Для разрабатываемой конструкции блока L₁ = 0,183м, L₂ = 0,130м, L₃ = 0,065м. Подставив данные в (5.1.1), получим:

 

S_k = 2·[0,183·0,130+(0,183+0,130)·0,065]=0,44м².

 

2. Определяется условная поверхность нагретой зоны:

 

S_з = 2 × [ L₁ × L₂ + ( L₁ + L₂ ) × L₃ × К_з]                                  (5.1.2)

 

где К_З- коэффициент заполнения корпуса по объему. В нашем случае

 К_З = 0,6. Подставляя значение К_Зв (5.2.2), получим:

 

S_з = 2 · [0,183·0,130+(0,183+0,130)·0,065·0,6]=0,036 м².

 

3. Определяется удельная мощность корпуса блока:

 

                Q_k = P \ S_k                                          (5.1.3)

 

где Р - мощность, рассеиваемая в блоке. Для разрабатываемого блока мощность, рассеиваемая в дежурном режиме Р =1,5 Вт.

Тогда:

 

Q_k = 1.5 \ 0,44 = 3,41 Вт/м².

 

4. Определяется удельная мощность нагретой зоны:

 

                         Q_з = P \ S_з                                            (5.1.4)

 

Q_з = 1,5 \ 0,036 = 41,6  Вт/м².

 

5. Находится коэффициент Q₁ в зависимости от удельной мощности корпуса блока формула (5.1.5):

 

Q₁ = 0,1472 × Q_k – 0,2962 × 10 ^–3 × Q_k² + 0,3127 × 10 ^–6 × Q_k³ (5.1.5)

 

Q₁ = 0,1472 × 2,41 – 0,2962 × 10 ^–3 × 3,41² + 0,3127 × 10 ^–6 × 3,41³ = 0,49

 

Находится коэффициент Q₂ в зависимости от удельной мощности нагретой зоны формула (5.1.6):

 

Q₂ = 0,1390 × Q_з – 0,1223 × 10 ^–3 × Q_з² + 0,0698 × 10 ^–6 × Q_з³     (5.1.6)

 

Q₁ = 0,1390 × 41,6 – 0,1223 × 10 ^–3 × 41,6² + 0,0698 × 10 ^–6 × 41,6³ = 5,56

 

6. Определяется коэффициент К_Н1 в зависимости от давления среды вне корпуса блока:

 

K_H1 = 0,82 + 1 \ (0,925 + 4,6 × 10^-5 × H₁)                   (5.1.7)

 

где Н₁ - давление окружающей среды в Па. В нашем случае Н₁=87кПа. Подставив значение Н₁ в (5.1.7), получим:

 

K_H1 = 0,82 + 1 \ (0,925 + 4,6 × 10^-5 × 87 × 10³) = 1,87 

 

7. Определяется коэффициент К_Н2 в зависимости от давления среды внутри корпуса блока:

 

K_H2 = 0,8 + 1 \ (1,25 + 3,8 × 10^-5 × H₂)                                (5.1.8)

 

где Н₂ - давление внутри корпуса в Па.

В нашем случае Н₂=Н₁=87кПа. Тогда:

 

K_H2 = 0,8 + 1 \ (1,25 + 3,8 × 10^-5 × 87 × 10³) = 1,598

 

8. Рассчитывается перегрев корпуса блока:

 

                         Q_k = Q₁ × K_H1                                                  (5.1.9)

 

Qк= 0,49 · 1,87 = 0,9163

10. Рассчитывается перегрев нагретой зоны:

 

Q_з = Q_k +(Q₂ - Q₁ ) × K_H2                                                            (5.1.10)

 

Qз= 0,9163 + (5,56 – 0,49) · 1,598 = 9,01

 

11. Определяется средний перегрев воздуха в блоке:

 

                         Q_в = (Q_к - Q_з ) × 0,5                                                           (5.1.11)

 

Q_в= 0,5 · (0,9163 + 9,01) = 4,96

12. Определяется удельная мощность элемента:

 

Q_эл = P_эл \ S_эл                                       (5.1.12)

где Рэл - мощность, рассеиваемая элементом (узлом), температуру которого требуется определить, Вт

Sэл - площадь поверхности элемента, омываемая воздухом, см.кв

 

Наименее теплостойкий элемент базового модуля в дежурном режиме стабилизатор. Для него Р эл = 0,15 Вт, S эл = 1,5 см.кв.

 

Q_эл = 0,15 \ 1,5 = 0,1

 

13. Определяется перегрев поверхности элементов:

 

Q_эл = Q_з × (0,75 + 0,25 × Q_эл \ Q_з )                                     (5.1.13)

 

Q_эл = 9,01 × (0,75 + 0,25 × 0,1 \ 41,6 ) = 6,76

 

14. Определяется перегрев среды, окружающей элемент:

 

      Q_эс = Q_в × (0,75 + 0,25 × Q_эл \ Q_з )                   (5.1.14)

Q_эл = 4,96 × (0,75 + 0,25 × 0,1 \ 41,6 ) = 3,72

 

15. Определяется температура корпуса блока:

 

                Т_к = Q_к + Т_с                                                   (5.1.15)

где Т с - температура среды, окружающей блок.

 

Тк= 0,9163 + 45 = 45,916

16. Определяется температура нагретой зоны:

 

Т_з = Q_з + Т_с                                 (5.1.16)

 

Т з= 9,01 + 45 = 54,01

17. Определяется температура поверхности элемента:

 

Т_эл = Q_эл + Т_с                                                          (5.1.17)

 

Тэл = 6,76 + 45 = 51,76

18. Определяется средняя температура воздуха в блоке:

 

Т_в = Q_в + Т_с                                             (5.1.18)

 

Тв= 4,96 + 45 = 49,96

19. Определяется температура среды, окружающей элемент:

 

Т_эс = Q_эс + Т_с                                                     (5.1.19)

 

Тэс = 3,72 + 45 = 48,72

 

Для выбора способа охлаждения исходными данными являются следующие данные:

- суммарная мощность Р_р, рассеиваемая в блоке, Вт                   1,5;

- диапазон возможного изменения температуры окружаю-

щей среды:                    

микроклимат                                                       +20…+24°C

и по ГОСТ 15150-69,                                                        +10…+45 °C;

- пределы изменения давления окружающей среды:

Р_мах, кПа (мм рт. ст.)                                                          106,7 (800);

P_min, кПа (мм рт. ст.)                                                          84,0 (630);

_- допустимая температура элементов

(по менее теплостойкому элементу), Т_max, °C                               +75;

- коэффициент заполнения по объему                                    0,6;

Выбор способа охлаждения часто имеет вероятностный характер, т.е. дает возможность оценить вероятность обеспечения заданного в техническом задании теплового режима РЭС при выбранном способе охлаждения, а также те усилия, которые необходимо затратить при разработке будущей конструкции РЭС с учетом обеспечения теплового режима.

Выбор способа охлаждения можно выполнить по методике [3]. Используя графики, характеризующие области целесообразного применения различных способов охлаждения и расчеты, приведенные ниже, проверим возможность обеспечения нормального теплового режима блока в герметичном корпусе с естественным воздушным охлаждением.

Условная величина поверхности теплообмена рассчитывается по (5.1.2).

 S_п = 0,036м².

Определив площадь нагретой зоны, определим удельную мощность нагретой зоны: плотность теплового потока, проходящего через поверхность теплообмена, рассчитывается по (5.1.4). q_З = 41,6 Вт/м².

Тогда: lg q_З = lg 41,6 = 1,619.

Максимально допустимый перегрев элементов рассчитывается по (5.1.13)

 

,                                              (5.1.13)

 

Тогда:             

По графикам [рис.2.35, рис.2.38, 3] для значений q_З = 41,6 Вт/м² и  определяем, что нормальный тепловой режим блока в герметичном корпусе с естественным воздушным охлаждением будет обеспечен с вероятностью p = 0,9. Так как полученное значение вероятности p > 0,8, то можно остановиться на выбранном способе охлаждения.

Более подробный расчет теплового режима проводится далее.