6. Особенности тепловых режимов бортовой радиоаппаратуры.

В ТЗ указываются минимальная и максимальная температуры использования. Любая аппаратура греется. Причины нагрева бортовой РЭА:

1. постоянное усложнение аппаратуры (например, в РЛС мы хотим увеличивать дальность действия и точность, в связи с чем нужно увеличивать количество элементов и каскадов. В связной аппаратуре пытаемся добиться большего объема передаваемой информации и т.д.);

2. микроминиатюризация бортовой аппаратуры;

3. увеличение скорости полета современных ЛА (аэродинамический нагрев);

4. увеличение высоты полета (солнечный нагрев спутников).

Путем решения проблемы нагревы является использование ненагревательной элементной базы. Также применяются системы охлаждения, увеличение КПД.

Способы теплопередачи:

1. теплопередача теплопроводностью;

2. теплопередача конвекцией;

3. теплопередача излучением.

Отвод тепла за счет теплопроводностью является основным механизмом. Это обусловлено тем, что излучение эффективно при высоких температурах нагретой зоны - более 100-150^оС, а таких температур при нормальной работе изделия не наблюдается. Конвективный перенос внутри блока затруднен из-за малого сечения каналов.

7. Теплопередача теплопроводностью. Уравнения теплопроводности.

Теплопроводность – это тепловое движение частиц; диффузия электронов.

Тепловые потоки бывают стационарные (температура со временем не меняется) и нестационарные (температура меняется со временем).

Закон Фурье:

- температурный градиент.

S – поверхность, перпендикулярная тепловому потоку.

Также можно записать:

– коэффициент теплопроводности. Он зависит от агрегатного состояния. Наибольший – у твердых тел и электропроводящих материалов.

Минус означает направление передачи тепла в сторону уменьшения.

Закон Фурье описывает стационарный процесс.

Уравнение теплопроводности (нестационарное):

t – температура; x, y, z – координата;

Р_ВН – мощность внутренних источников тепла. Если внутренних источников нет, Р_ВН=0;

– коэффициент температуропроводности;

C – удельная теплоемкость;

– плотность;

- время.

Если Р_ВН=0, получаем уравнение Фурье:

Уравнение теплопроводности для стационарного процесса – уравнение Пуассона:

Стационарный процесс при отсутствии внешних источников тепла описывается уравнение Лапласа:

Для решения уравнений необходимо знать граничные условия.

Если есть зависимость от времени, надо знать начальные условия.

Граничные условия+начальные условия=краевые условия.

t(x,y,z,0)=f(x,y,z)

Часть начальных значений зададим в виде констант:

t(x,y,z,0)=const=20⁰C

8. Теплопередача конвекцией. Критериальные уравнения.

Под конвекцией понимают движение микрочастиц относительно друг друга. Любое движение связано с переносом кинетической энергии, а следовательно с изменением температуры. Поэтому, если среда имеет неравномерную температуру, то процесс конвекции будет направлен на ее выравнивание по всему объему.

Конвективный теплообмен (теплоотдача) представляет собой процесс передачи тепла от твердой поверхности к газу или жидкости, или, наоборот, от жидкости или газа к поверхности.

Механизм теплоотдачи включает в себя теплопроводность внутри тонкого неподвижного слоя газа или жидкости у поверхности (пограничный слой) и конвекцию, т.е. способ передачи тепла, связанный с перемещением макрообъемов газа или жидкости.

Пример конвекции – батарея.

Конвекции нет у спутниковой аппаратуры.

Различают два режима движения: ламинарный и турбулентный.

Ламинарный режим движения характеризуется параллельным перемещением слоев жидкости относительно друг друга. Профиль скоростей, взятый по сечению канала, при таком движении имеет вид правильной параболы (рис. а). Теплообмен в потоке жидкости не интенсивный и осуществляется в основном за счет теплопроводности слоев.

Турбулентный режим движения характеризуется непостоянством скорости отдельных частиц. Движение представляется вихревым, пульсирующим и прерывистым. Профиль скоростей, взятый по сечению канала, имеет вид усеченной параболы (рис. б). Интенсивность теплообмена при таком движении очень высока, так как жидкость постоянно перемешивается.

В зависимости от причин вызывающих движение частиц жидкости или газа, различают два вида конвекции свободную и вынужденную. Свободная конвекция (естественная) – это движение частиц за счет действия на них подъемной силы в результате разности плотности. Интенсивность такой конвекции будет зависеть от рода вещества, разности температуры отдельных частиц вещества и от объема пространства, где происходит движение частиц. Условия свободной конвекции: наличие разности температур (и разности плотностей в объеме теплоносителя); наличие поля тяготения.

Вынужденная (принудительная или искусственная) конвекция вызывается работой посторонних возбудителей (вентилятор, насос и пр.) и возникает он в результате разности давлений, создаваемой этими возбудителями.

Аналитический метод в анализе теплопередачи конвекцией не работает, пользуются экспериментальным подходом (теорией подобия, критериями подобия, достоинствами которых являются безразмерность).

Критерии:

1. – Нуссельта (характеризует интенсивность конвективного теплообмена)

2. - Рейнольдса (характеризует интенсивность вынужденного движения)

3. - Грасгофа (характеризует интенсивность свободного движения)

4. – Прандтля (характеризует физические свойства жидкости)

Обозначения:

l – геометрический размер тела (определяющий линейный размер); – скорость движения потока (м/с); v – кинематическая вязкость потока (м²/с); – коэффициент объемного температурного расширения (1/⁰К); - коэффициент температуропроводности.

Выбор определяющего размера l для каждого конкретного случая производится так, чтобы был учтен тот путь, который проходит нагреваемый (охлаждаемый) теплоноситель около поверхности. Например, воздух вдоль вертикальной трубы проходит путь, равный длине трубы, а горизонтальную трубу воздух обтекает по диаметру. Значит, в первом случае l=L трубы, а во втором l=d.

Теплоотдача в условиях свободной конвекции для газов:

Теплоотдача в условиях вынужденной конвекции:

C – константа; n – величина степени, в которую возводим Gr и Pr; m берем при определяющей температуре (средняя температура пограничного слоя)

При  –– режим движения потока считается ламинарным;

При  –– режим движения потока считается турбулентным.

Nu=0,5 – пленочный неподвижный режим теплопередачи (слабо интенсивная теплопередача)

- поток ламинарный

– поток турбулентный

	Режим течения	C	n
<10-3	Пленочный	0,5	0
10-3 ÷ 5·102	Переходный от пленочного к ламинарному	1,18	1/8
5·102 ÷ 2·107	Ламинарный и переходный к турбулентному	0,54	1/4
> 2·107	Турбулентный	0,135	1/3