Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы эргономики и дизайна РЭС. Учебное пособие по курсовому проектированию
.pdf
3.6. Степень черноты различных поверхностей
Материал ε
Алюминий полированный
Алюминий окислённый
Алюминий грубополированный
Алюминиевая фольга
Асбестовый картон
Бронза полированная
Бумага
Вольфрам
Графит
Дюралюминий (Д16)
Железо полированное
Золото
Ковар
Краски эмалевые
Лак
Латунь полированная
Латунь прокатная
Медь полированная
Медь окислённая
Муар
Масляные краски
Никель полированный
Олово (луженое кровельное железо)
Платина
Резина твёрдая
Резина мягкая
Серебро полированное
Сталь никелированная
Сталь окислённая
Стальное литьё
Саиса
Стекло
Силумин
Титан
Фарфор
Хром полированный
Цинк
Щёллак чёрный матовый
0,05
0,25
0,18
0,09
0,96
0,16
0,92
0,05
0,75
0,39
0,26
0,10
0,82
0,92
0,88
0,03
0,20
0,02
0,65
0,9
0,92
0,08
0,08
0,1
0,95
0,86
0,05
0,11
0,8
0,54
0,96
0,92
0,25
0,63
0,92
0,10
0,25
0,91
81
6. Необходимо задать температуру перегрева кожуха Δtк. Для
ν
⋅
⋅
блоков, имеющих мощность тепловыделения 100…200 Вт при размерах 300…400 мм, температура перегрева кожуха Δt
В этом случае температура кожуха равна t
(средняя) температура t
= (tк + tc) / 2.
m
= tc + Δtк. Определяющая
к
= 10…15 °С.
к
7. Для большинства одиночных блоков ЭС, имеющих небольшую
мощность тепловыделения, конвективный теплообмен подчиняется
закону степени ¼ [3, 4], исходя из этого предположения рассчитывается коэффициент теплоотдачи α
для всех наружных поверхностей ко-
к
жуха выполняется по формуле
4/1
λ
к
()
4/1
β=α
g
m
ν
−
tt
⎞
⎛
c
i
m
⎜
2/1
L
⎝
m
,Pr54,0
N
(3.8)
⎟
⎠
где β – коэффициент объёмного расширения, К–1; g – ускорение силы
тяжести, м/c
ν
– кинематическая вязкость, м2/с; a – коэффициент температуропро-
m
водности, м
2
;
=Pr – критерий Прандтля, определяется из табл. 3.7;
a
2
/c; λm – теплопроводность, Вт/(м·К); ti – температура
i-й грани кожуха; L – определяющий размер, м (для вертикально ориентированной поверхности это высота, для горизонтально ориентированной поверхности – меньшая сторона); N
– коэффициент ориентации
3.7. Теплофизические параметры сухого воздуха
tm, °C
–50
–20
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
120
λ
m
при давлении 101,3·105 Па
102, Вт/(м·К) ν
2,04
2,28
2,44
2,51
2,60
2,68
2,76
2,83
2,90
2,97
3,05
3,13
3,21
3,34
103, м2/с
т
9,23
12,79
13,28
14,16
15,06
16,00
16,96
17,95
18,97
20,02
21,09
22,10
23,13
25,45
Pr ρ, кг/м
0,728
1,584
0,716
0,707
0,705
0,703
0,701
0,699
0,698
1,295
1,247
1,205
1,165
1,128
1,093
0,696
0,694
1,029
0,692
0,690
0,688
0,686
0,972
0,946
0,898
3
1,39
1,09
1,00
82
нагретой поверхности: для вертикальной стенки N = 1, для нагретой
поверхности, обращённой вниз, N = 0,7 и вверх
Для воздуха значение α
равно
к
=α
−
⎛
i
A
⎜
1к
⎝
N = 1,3.
4/1
tt
⎞
c
. (3.9)
⎟
L
⎠
Здесь коэффициент А1 находится по табл. 3.8 в зависимости от температуры t
, °C.
m
Для большинства блоков ЭС кожух выполнен из материала с хорошей теплопроводностью, поэтому его можно считать изотермической поверхностью и, следовательно, температура кожуха в любой
точке одинакова.
8. Расчёт коэффициента лучеиспускания выполняется следую-
щим образом:
α
= εпφ
ttf
л
=
67,5),(
21
где t1 – температура кожуха; t
ент взаимного облучения (для одиночного блока φ
f (t1, t2), (3.10)
12
+
100
273
4
⎞
⎟
⎠
,
(3.11)
12
= 1).
12
4
+
273
⎛
1
⎜
100
⎝
– температура среды; φ
2
tt
⎛
⎞
2
−
⎜
⎟
⎝
⎠
tt
−
21
– коэффици-
9. Далее рассчитываются полные коэффициенты теплоотдачи с
поверхности кожуха:
αв = αкв + αл; αн = αкн + αл; αб = αкб + αл, (3.12)
где αкв, αкн, αкб – коэффициенты теплоотдачи верхней, нижней и боковой поверхностей.
10. Тепловая проводимость кожуха в окружающую среду
11. Температура нагретой зоны
σк = αвSв + αнSн + αбSб. (3.13)
I
t в первом приближении
з
I
з
()
⎛
⎜
скс
⎜
⎝
⎞
σ
к
⎟
(3.14)
.1
+−+= tttt
⎟
σ
з
⎠
3.8. Значения А
tm, °C 10 20 30 40 60 80 100
для воздуха
1
A
1
1,4 1,38 1,36 1,34 1,31 1,29 1,27
83
12. Расчётная мощность PI нагретой зоны в предположении, что
{
∈
кожух имеет перегрев Δt
(заданный в п. 6), равна
к
PI = σк (tк – tс). (3.15)
На этом начальный этап заканчивается.
Второй этап предполагает более точное определение тепловой
проводимости от нагретой зоны к кожуху.
13. Поскольку область 1 (см. рис. 3.4) замкнутая, то используют
конвективно-кондуктивные коэффициенты верхней K
и боковой Kб
в
воздушной прослойки между нагретой зоной и внутренней поверхностью кожуха:
I
h
⎞
⎛
i
=
Nfk
i
h
– толщина воздушной прослойки между нагретой зоной и кожу-
где
i
A
⎟
⎜
2
l
⎠
⎝
хом в соответствующей области;
лопередачи, при этом
lll = – для боковых областей нагретой зоны и кожуха. Значение А
13
lll = – для верхней области;
21
находится из табл. 3.9, а величину
tm, °C 0 50 100 200
3.9. Значения А2 для воздуха
tt
−
к
з
4
,
i , (3.16)
h
i
}
бв,
l – конвективная составляющая теп-
lll = и
f (h
/ l) находят из графика (рис. 3.5).
i
23
2
А
2
0,63 0,58 0,56 0,44
Рис. 3.5. Значение функции f (hi / l)
84
В области, расположенной под нагретой зоной и кожухом, кон-
(
)
векция всегда отсутствует, и теплопередача определяется теплопроводностью воздуха (среды).
14. Определяют лучистую составляющую коэффициента теплопередачи областей 1, 2 и 4 (см. рис. 3.4) для воздушного зазора между
боковой поверхностью нагретой зоны и кожухом. При этом величина
приведённой степени черноты, полученная при расчёте в первом
приближении, сохраняется, а коэффициент взаимной облучённости принимается равным единице; температура нагретой зоны берётся равной
температуре, полученной при расчёте в первом приближении. В результате получают величины α
, αл2, αл4.
л1
15. Полные коэффициенты теплопередачи всех областей для нагретой зоны, расположенной горизонтально, рассчитываются следующим образом:
K
= k1 + αл1; K4 = k4 + αл4; K2 = λ2 / h
1
+ α
. (3.17)
н
л2
Для нагретой зоны, ориентированной вертикально, коэффициен-
ты теплопередачи равны
K
= k1 + αл1; K2 = k2 + αл2; K4 = (k1 + k2) / 2 + αл4. (3.18)
16. Температура нагретой зоны
1
II
t во втором приближении опре-
з
деляется выражением
⎛
I
⎜
+= Ptt
с
I
⎜
σ
к
⎝
где
II
з
I
σ
– тепловая проводимость от кожуха в окружающую среду, по-
к
лученная при расчёте в первом приближении;
⎞
11
⎟
,
+
(3.19)
II
⎟
σ
к
⎠
II
σ
– тепловая прово-
к
димость от нагретой зоны к кожуху, рассчитанная во втором приближении по формуле
II
1
к
2
з1
SKSKSK ++=σ
.
4
з2
з4
17. Сравнивают температуры нагретой зоны, полученные при
расчётах в первом и во втором приближениях. Если разница составляет более 10%, то проводят расчёт в третьем приближении, при этом
III
р
II
(3.20)
.2/
ttt +=
зIз
Получают одну точку тепловой характеристики блока Δtз = f (P) и
t
= f (P) (рис. 3.6). Второй точкой будет начало координат. Для полу-
Δ
к
чения третьей точки задаются другим значением температуры перегрева кожуха и проводят расчёт заново. По трём полученным точкам
строят характеристики
Δt
= f (P) и Δtк = f (P). Искомые температуры
з
85
Рис. 3.6. Тепловые характеристики
кожуха и зоны находят по этим характеристикам при мощности фактически рассеиваемой в блоке
Р
.
н
Если температура перегрева для элементов блока оказывается
выше допустимой, то решают вопрос о применении другого вида охлаждения блока, например, использование жалюзей или перфорации в
корпусе.
3.2.2. ТЕМПЕРАТУРА ПЕРФОРИРОВАННОГО БЛОКА
Для увеличения интенсивности теплоотвода кожух блока перфорируют либо в нём делают жалюзи. При равной площади перфорационных отверстий и жалюзи последние пропускают несколько меньший
поток воздуха. Необходимо иметь в виду, что при перфорированном
кожухе внутренний объём блока скорее запыляется по сравнению с
блоком, имеющим жалюзи. В зависимости от конструктивных особен
ностей внутреннего строения блока нагретую зону можно представить
в нескольких вариантах [3, 4]:
− основной конструктив блока – горизонтальное шасси с распо-
ложенными на нём крупногабаритными теплоизлучающими элементами. Предполагается, что шасси имеет отверстия для прохода воздуха;
86
-
− блок состоит из ряда кассет или ячеек, расположенных гори-
зонтально или вертикально;
− для шасси с крупногабаритными элементами и кассет, распо-
ложенных вертикально или горизонтально, размеры нагретой зоны
определяются как и в случае «герметичного» блока.
Тепловые модели блока, используемые при расчётах, приведены
на рис. 3.7.
Исходные данные: P – суммарная мощность тепловыделения в
блоке (потребляемая мощность блока или выбирается из анализа схе-
L
мы электрической принципиальной), Вт;
размеры блока, м;
2 (рис. 3.7,
а) и шасси, м
S
, S2, Sш – площади отверстий кожуха в областях 1 и
1
2
; t
– температура окружающей среды.
с
Последовательность расчёта
1. Расчёт начинают с предположения, что кожух не имеет вентиляционных отверстий, т.е. блок «герметичный». Строят тепловые характеристики по методике расчёта температуры нагретой зоны одиночного блока (рис. 3.6).
2. Задаются перегревом нагретой зоны
кожуха герметичного блока для этой температуры. Перегрев кожуха
перфорированного блока определяется по формуле
(Δtк)
= 0,75(Δt
п
где подстрочные индексы п, г означают соответственно перфорированный и герметичный корпусы.
Затем по графику рис. 3.6 находят мощность
щую этому перегреву.
3. Задаются коэффициентом теплоотдачи
I
(рекомендуется величину
2
⋅К) [3, 4].
4…6 Вт/(м
α в первом приближении выбирать равной
зк
, L2, L3 – геометрические
1
Δt
и находят перегрев
з
, (3.21)
к)г
Р
, соответствую-
к
I
α от зоны к кожуху
зк
а) б)
Рис. 3.7. Тепловые модели блока:
а – расчётная модель блока; б – эквивалентная схема тепловых проводимостей
87
4. Мощность теплоотвода от зоны к кожуху за счёт лучеиспуска-
(
[
−+=
ния
P
= ε
f (t
п
з
, tк) (tз – tк)
зл
ϕ
S
, (3.22)
зк
з
где εп – приведённая степень черноты нагретой зоны и внутренней
поверхности кожуха (если
= ε
, величину εп можно взять из расчёта блока при условии герме-
зεк
тичности кожуха);
ϕ
ε
и εк имеют значения больше 0,75, то εп =
з
= 1 – кожух «обтягивает» нагретую зону; Sз –
зк
площадь поверхности нагретой зоны (определена ранее при расчёте
«герметичного» блока).
I
5. Температура
t воздуха в первой (нижней) области определя-
1
ется решением уравнения
2
1
1
.0
=++ cbtat (3.23)
Здесь
S
к1з1
к1tк
к1
S
к2
; А2 = S
t
к
SD
к
S
к2
−=
з2tз
⎛
⎜
)(2 t
⎜
⎝
+ S
; А = А1 + А2; (3.26)
к2tк
PP
−
кзл
; (3.27)
S
α
к2Iзк
SSa −−+−+=
⎛
⎜
b
⎜
⎝
⎞
S
к1
⎟
+=
⎟
S
к2
⎠
А
= S
з1tз
+ S
1
)
(3.24)
);()(2
SSSS
к1з1к2з2
⎞
S
з2
SSSSSSDAA
−+−−+−+
]
tDSSADAс +
, (3.28)
ск2з21
⎟
к1з1к1з1к2з221
c
⎟
S
к2
⎠
; (3.25)
где Sз1, Sз2, Sк1, Sк2 – поверхности нагретой зоны и кожуха в соответствующих областях.
Из двух значений температур выбирают такое, чтобы выполня-
I
I
лось условие
tt < , так как температура воздуха в первой области
2
1
(нижней) всегда ниже, чем во второй (верхней).
6. Температура воздуха во второй области в первом приближении равна
I
Dt −=
2
tS
1к1
. (3.29)
S
к2
7. Температура воздуха вблизи отверстий шасси или каналов
I
t
между вертикальными кассетами
88
рассчитывается по формуле
вш
I
I
вш
2 ttt −=
. (3.30)
с
1
8. Температура воздуха на выходе из кожуха
I
t (из области 2)
вых
равна
I
вых
IвшI
2 ttt −=
. (3.31)
2
9. Количество протекающего воздуха через блок определяется
выражением
+
hh
21
I
ρμ=
gTSG
2
cc11
T
c
T
c
2
⎞
⎛
μ
S
11
⎟
⎜
+
⎜
S
⎝
T
⎟
μ
22
⎠
h
h
2
1
−−
T
T
2
1
⎛
μ
S
11
⎜
+
2
⎜
μ
S
⎝
2
⎞
⎟
⎟
шш
⎠
, (3.32)
T
1
где S1, S2, Sш – площади перфораций в областях 1, 2 и шасси (нагретой
h1 и h
зоне);
зоны в областях 1 и 2 до центра группирования отверстий;
– средневзвешенные расстояния от середины нагретой
2
μ
, μ2, μш –
1
коэффициенты расхода воздуха через жалюзи в соответствующих областях (если имеются перфорации, то
зи зависит от их формы и угла раскрыва (табл. 3.10);
μ = 0,65). Величина μ для жалю-
Т
, Т2, Тс – абсо-
1
лютные температуры соответствующих областей.
3.10. Величина μ для жалюзи при разных углах раскрыва
Значение µ при b / l
β, град.
1:4 1:3 1:2
Эскиз жалюзи
15 0,30 0,27 0,23
30 0,45 0,43 0,39
45 0,56 0,54 0,50
60 0,62 0,60 0,56
90 0,65 0,64 0,62
89
(
)
α, Вт / (м2⋅К)
–1
G / G0, с
Рис. 3.8. Зависимость коэффициента теплопередачи
от количества протекающего воздуха и массы заполняющего блок воздуха
10. По графику (рис. 3.8) уточняют коэффициент теплоотдачи
II
α
.
Масса воздуха, заполняющего блок, при температуре 20 °С равна
G
= V
0
, (3.33)
бл Kз ρв
где Vбл – внутренний объём блока; Kз – коэффициент заполнения блока
(
K
=V
з
20
приближении, при этом температуру зоны
мощности Р
при перегреве кожуха на
/ Vбл); ρв = 1,2 кг/м3 – плотность воздуха при температуре
дет
°С.
11. По уточнённому значению
(получена по п. 4) и Рк (получена из графика на рис. 3.6
зл
Δt
) оставляют неизменными.
к
II
α
повторяют расчёт во втором
t
, температуру кожуха tк,
з
12. В результате расчёта во втором приближении находят тем-
II
II2II
пературы
1
,, ttt и G
вых
и по графику (рис. 3.8) уточняют значение
II
. Затем находят величину отношения GII / G0
III
α
.
13. Мощность, рассеиваемая блоком, во втором приближении
равна
II
II
2 ttcGPP −+= , (3.34)
к
1
2р
II
II
где сp = 1,01·103Дж/(кг⋅К) – удельная теплоёмкость воздуха при температуре 20
°С.
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]