Расчет тепловых характеристик блоков РЭС при различных условиях охлаждения

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

 Российской  Федерации

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ 

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГОУВ ПО «ВГТУ»

Радиотехнический факультет

Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

по дисциплине «Теплофизические процессы в устройствах РЭС»

 

Тема: «Расчет тепловых характеристик блоков РЭС при различных условиях охлаждения»

 

 

 

 

Разработал студент(ка)  РК- 083                 Шорошова Е.И

                                                 (группа, подпись, дата, инициалы, фамилия)

 

Руководитель                Ципина Н.В

                                                    (подпись, дата, инициалы, фамилия)

 

Члены  комиссии ___________________________________________

                                                        (подпись, дата, инициалы, фамилия)

 

Нормоконтролер ____________________________________________

                                                   (подпись, дата, инициалы, фамилия)

 

           Проект защищен______________                       Оценка _____________

 

 

 

 

 

Воронеж 2010

 

Замечания руководителя

 

Содержание

         Введение                  3

 1 Анализ технического задания               4

 2 Выбор системы охлаждения                5

 3 Расчетная часть

    3.1 Расчет теплового режима блока

    3.1.1 Приближенная методика расчета теплового режима блока 7  

           3.1.2 Расчет теплового режима блока                     10

 3.2 Выбор конструкции и расчет параметров радиатора для элемента с наиболее тяжелым тепловым режимом

3.2.1 Эффективный коэффициент теплоотдачи  радиатора                  12

3.2.2 Методика выбора и расчета  радиатора                    15

3.2.3 Выбор конструкции и расчет  параметров радиатора                  17

Заключение                          19

Список литературы                         20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Специалисты, занимающиеся проектированием радиоэлектронных аппаратов, все большее внимание обращают на их тепловые режимы. Интерес к этой задаче объясняется следующими причинами. Значительная часть различных форм энергии в радиоэлектронном аппарате превращается в тепловую, что приводит к повышению температуры деталей в аппарате. Известно, что надежность деталей падает с повышением их температуры. Увеличение температуры в аппарате вызывает ухудшение изоляционных свойств отдельных материалов, изменение плотности и подвижности носителей тока в полупроводниках, снижение индуктивности насыщения в сердечниках, общее увеличение интенсивности старения материалов и т. д. Все эти факторы могут привести к искажению сигналов на выходе аппарата или даже к выходу аппарата из строя. Следовательно, нормальный тепловой режим радиоэлектронного аппарата является необходимым условием его надежной работы.

Для обеспечения нормального  теплового режима аппарата следует  пытаться выбрать оптимальную систему  его охлаждения и габариты, определенным образом разместить отдельные части  аппарата относительно друг друга. Таким  образом, конструкция радиоэлектронного аппарата во многом определяется его тепловым режимом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Анализ технического  задания

Анализируя  исходные данные, указанные в техническом  задании, можно сказать, что в  блоке выделяется сравнительно небольшая  мощность, поэтому в качестве системы охлаждение предпочтительнее использовать воздушное охлаждение. Температура окружающей среды равная 293 К является средней и будет незначительно влиять на тепловой режим блока. Давление окружающей среды – 0.08 МПа, что является нормальным атмосферным давлением.

Мощности, рассеиваемые элементами: для первого транзистора КТ805– 7.9 Вт, для второго КТ809 – 4.3 Вт, для третьего КТ805 – 7.8 Вт. Исходя из этих данных, можно сделать вывод, что для первого транзистора необходимо будет выбрать и рассчитать радиатор.

  Транзистор КТ805 имеет цилиндрическую форму с диаметром основания 12 мм. Для него критической температурой p-n перехода является 150 °С, а критической температурой корпуса - 100 °С . Тепловое сопротивление переход – корпус составляет 2 °С/Вт.

 Проанализировав  исходные данные можно сделать  вывод, что их достаточно для  теплового расчета блока.

 

2 Выбор системы охлаждения

Способ охлаждения во многом определяет конструкцию РЭА, поэтому его необходимо выбирать на ранней стадии проектирования, т. е. на стадии технического предложения или эскизного проекта. Неудачное решение этой задачи может обнаружиться только на более поздних этапах конструирования (детальная проработка конструкции, испытание опытного образца и т. п.), что может привести к необходимости переработки всей конструкции, и, как следствие, увеличению затрат и сроков разработки РЭА.

На начальных этапах проектирования в распоряжении конструктора имеется техническое задание (ТЗ), в котором содержится следующая информация:

суммарная мощность тепловыделения в блоке: Ф;

диапазон возможного изменения  температуры окружающей среды: t_{c max} , t_{c min};

пределы изменения давления окружающей среды: p_min , p_max;

время непрерывной работы прибора: t_н;

допустимые температуры элементов: t_i;

коэффициент заполнения аппарата (не всегда):

          K₃=åV_i/V                                                         (1)

где V_i – объем i-го элемента РЭА; n – число элементов; V – объем, занимаемый РЭА.

Также могут задаваться горизонтальные (L₁, L₂) и вертикальные (L₃) размеры корпуса РЭА. Эти исходные данные недостаточны для детального анализа теплового режима РЭА, но их можно использовать для предварительной оценки и выбора системы охлаждения. Последний носит вероятностный характер, т. е. дает возможность оценить вероятность обеспечения заданного по ТЗ теплового режима РЭА при выбранном способе охлаждения. По результатам обработки статистических данных для реальных конструкций, тепловых расчетов и данных испытания макетов были построены графики (рисунок 2–4 /1/ стр. 120), характеризующие области целесообразного применения различных способов охлаждения. Эти графики построены для непрерывной работы РЭА и связывают два основных показателя: V_c=f(lgq).

Первый показатель Vc = t _{i min} -t_c – перегрев относительно окружающей среды t_c корпуса наименее теплостойкого элемента, для которого допустимая и приведенная в ТЗ температура t_imin имеет минимальное значение. Заметим, что для свободного охлаждения t_c = t_{c max}, т. е. соответствует максимальной температуре окружающей среды по ТЗ; для принудительного охлаждения t_c = t_BX, т. е. cоответствует температуре воздуха (жидкости) на входе в РЭА. Второй показатель q равен плотности теплового потока, проходящего через условную площадь поверхности А_п теплообмена:

q = Фk_p/ A_n,  А_п = (L₁L₂+(L₁+L₂)L₃K₃)                                         (2)

где: Ф – суммарная мощность, рассеиваемая с этой поверхности;

k_p – коэффициент, учитывающий давление воздуха (при атмосферном давлении k_p = 1);

k_З – коэффициент заполнения, определяемый по формуле (1).

На рисунке представлены два типа областей: в одном можно  рекомендовать применение какого-либо одного способа охлаждения (не заштрихованы: 1– свободное воздушное,     3 – принудительное воздушное, 5 – принудительное испарительное); в другом возможно применение двух или трех способов охлаждения (заштрихованы: 2 – свободное и принудительное воздушное, 4 – принудительное воздушное и жидкостное, 6 – принудительное жидкостное и свободное испарительное, 8 – свободное принудительное и свободное испарительное, 9 – свободное и принудительное испарительное).

Определим способ охлаждения блока  в герметичном корпусе с исходными данными приведенными в задании на курсовую работу. Для этого произведем расчет по формуле (2) следующих величин:

V_c = 423– 293 = 103 ^оК

q  = 80*1 / (0.6*0.14+(0.6+0.14)*0.05*0.25) = 930.23 Вт/м²

lg q = 2.65

Из рисунка 2–4 /1/ стр. 120 получим, что точка с заданными параметрами попадает в область 1, т. е. применяется свободное воздушное охлаждение.

 

3 Расчетная часть

3.1 Расчет теплового режима блока

3.1.1 Приближенная методика расчета  теплового режима блока

Для герметичных аппаратов без  стоков энергии расчет теплового  режима можно упростить.

Первый шаг к упрощению методики расчета таких аппаратов это  получение формул для расчета температур корпуса и зоны:

t_k = t_c + P ; t₃ = t_k + P .                                                 (3)

Из этих уравнений видно, что  температура кожуха при заданном значении t_c однозначно определяется мощностью P и тепловой проводимостью s_k:

t_k = t_k (t_c, P, s_k);                                                             (4)

а температура tз является функцией:

t₃ = t₃ (t_k, P, s₃).                                                            (5)                                                       

Следовательно, при заданных значениях t_c, P и геометрических параметров аппарата намечается два этапа расчета: вначале рассчитывается температура кожуха, а затем по найденному значению t_k определяется температура t_з.

На основании (4) можно записать, что температура V_k перегрева кожуха является функцией следующих параметров:

u_k = u_k (P,L₁,L₂,h,t_c,e,H);                                                 (6)

где P – давление.

Тепловая проводимость s_k любого реального аппарата практически равна тепловой проводимости куба с равновеликой поверхностью. Следовательно, параметры L₁, L₂ и h можно заменить одним S_k (поверхностью кожуха), который однозначно определяется величину ребра куба с равновеликой поверхностью:

L = .                                                              (7)

Кроме того, вместо P в уравнение (6) можно ввести удельный тепловой поток P_{уд. к} с поверхности кожуха:

P_уд.к. = .                                                               (8)

После указанных замен можно  написать, что температура u_k равна:

u_k = u_k (P_уд.к.,S_k,t_c,e,H).                                                    (9)

Связь между u_k и определяющими ее параметрами будем искать в форме зависимости:

u_k = u_k0 (x = P_уд.к.,S_k,t_c,e,H );                                    (10)

где:    

K_x = ;                                                              (11)   

u_k0 = u_k0 (P_уд.к0.,S_k0,t_c0,e₀,H₀);                                            (12) 

здесь s_k0 – температура кожуха при базовых значениях всех параметров;

    s_kx – значение температуры кожуха при базовых значениях всех параметров, кроме x. Индексом «0» снабжены базовые значения параметров.

Зависимости коэффициентов K_x от соответствующих параметров x можно представить в виде графиков, для получения которых необходимо найти отношение V_k / V_k0 при различных значениях выбранного x базовых (фиксированных) значениях всех остальных параметров.

Температура кожуха может  быть определена по формуле:

u_k = u_PkK_SK_tK_eK_H.                                                    (13)

После определения температуры  кожуха можно переходить к определению  перепада температур Dt_з.к между нагретой зоной и кожухом. В общем случае разность температур t_з.к является функцией теплового потока P, размеров кожуха L₁, L₂, h, его температуры t_к, размеров воздушных зазоров h₂ и h₂ с одной и другой стороны нагретой зоны, приведенной степени черноты e_п и давления H.

При определении коэффициентов  теплообмена между нагретой зоной и кожухом аппарата за определяющий размер шасси берется величина l=Ö L₁ L₂, т. е. шасси в виде квадрата, равновеликого по площади реальному шасси. Следовательно, при расчете Dt_з.к можно считать, что любой аппарат в плоскости, параллельной шасси, имеет квадратное сечение, и величину Dt_з.к можно представить в виде функции следующих параметров:

Dt_зх = f(P_уд.з., l,h,K₃ ,h₁/l, t_k,e_п,H)                                          (14)

где k_з – коэффициент заполнения аппарата, т. е. отношение реального объема нагретой зоны к полному объему аппарата.