Расчет тепловых режимов аппаратов РЭС основных вариантов исполнения

Расчет тепловых режимов аппаратов РЭС основных вариантов исполнения

Министерство образования и науки

Российской федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования  “Московский государственный институт  радиотехники, электроники и автоматики

(технический университет)”

Кафедра теоретической радиотехники и радиофизики

«ТЕПЛОФИЗИКА и ТЕПЛОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ»

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ

РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ АППАРАТОВ РЭС

ОСНОВНЫХ ВАРИАНТОВ ИСПОЛНЕНИЯ

Студент Серебряков Н.В.

Москва 2011

Расчётное задание № 1

Цель: расчет температуры поверхности кожуха аппарата прямоугольной формы

Вариант №

Таблица 1.1 Исходные данные

Обозначение	Величина	Размерность
0,3000
0,4700
0,2800
20,0
0,500
200,0Вт
Давление воздуха  450,0мм. рт. столба

Описание алгоритма расчетов

1. Задаются перегревом кожуха  первого приближения. Величина перегрева  может иметь произвольное положительное значение, например,  = 50 .

. Рассчитывают температуру кожуха первого приближения

.

. Определяют температуру

.

. Определяют законы теплообмена для верхней (нижней) и боковой поверхностей по величине произведения критериев .

. Вычисляют конвективный коэффициент теплоотдачи  для нормального давления воздуха для всех трех поверхностей по формулам:

для закона ®,

для закона ®.

Коэффициенты  и  находят из таблиц для температуры

.

. Вычисляют конвективный коэффициент теплоотдачи с учетом давления воздуха. Пересчет проводят по формуле

.

. Вычисляют конвективную тепловую проводимость каждой поверхности кожуха

,

где  - верх, бок, дно.

. Вычисляют суммарную конвективную тепловую проводимость всего кожуха

.

9. Определяют функцию  из таблицы или вычисляют по формуле

.

. Вычисляют лучистый коэффициент теплоотдачи

.

. Определяют лучистую проводимость

.

. Вычисляют полную проводимость

.

. Определяют перегрев кожуха второго приближения

.

. Определяют температуру кожуха второго приближения

.

. Вычисляют разброс температур

.

. Если  > 5 %, расчеты повторяют с п.2 для температуры =. Расчеты продолжают до тех пор, пока величина D не станет меньше 5%.

Расчеты по приведенному алгоритму приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.2. Предварительные расчеты

Обозначение	Величина	Размерность
0,1410
0,4312
0,7132

Таблица 1.3

Расчет температуры поверхности кожуха герметичного блока

№ п/п	Обозначение	Цикл 1	Цикл 2		Цикл 3
1	50,0036,4039,41
2	70,0056,4059,41
3	45,0038,2039,70
4	0,300,300,30
5	0,280,280,28
6	9,56057,69338,1450
7	0,33330,33330,3333
8	7,77306,25506,6222
9	бок0,3330,3330,333
10	7,43546,79306,9512
11	5,71955,22545,3471
12	4,00373,65783,7430
13	5,24294,78994,9015
14	4,03303,68453,7704
15	2,82312,57922,6393
16	0,73920,67540,6911
17	1,7391,5891,626
18	0,3980,3640,372
19	2,8762,6282,689
20	7,3426,8626,966
21	3,6713,4313,483
22	2,6182,4472,484
23	5,4955,0755,173
24	36,4039,4138,66
25	56,4059,4158,66
26	24,115,071,28

Температура кожуха равна 59,41 .

По результатам расчетов подготовлена табл. 1.2 для контроля на ЭВМ.

Таблица 1.4

Данные для контроля на ЭВМ

N п/п	Обозначения	Величина	Ответ ЭВМ
1	Номер варианта	1022	5
2	0,3335
3		4,901	5
4	0,3335
5	3,7705
6	2,6395
7		3,483	5
8		58,661	5

Итого: 5

Расчётное задание № 2

Цель: расчет температуры нагретой зоны герметичного блока

Вариант № 1022

Таблица 2.1 Исходные данные

Обозначение	Величина	Размерность
0,4000
0,3500
0,3800
0,1140
0,1862
60
200
0,60
0,62
400мм. рт. ст
1,00

Если коэффициент ориентации N= 1,3, прослойка 1 находится сверху, при N= 1 шасси вертикальное, это означает поворот блока на правый бок.

Описание алгоритма расчетов

1. Задаются перегревом зоны  первого приближения.

. Рассчитывают температуру зоны  первого приближения:

.

3. Определяют среднюю температуру

.

. Определяют функцию

.

. Вычисляют приведенную степень черноты

.

. Вычисляют лучистый коэффициент теплоотдачи

.

тепловой герметичный вентиляция аппарат

7. Вычисляют лучистую проводимость

.

. Определяют  по формуле

=, где .

. Если  = 1, определяют

.

. Определяют коэффициент теплопроводности воздуха .

. Вычисляют конвективно-кондуктивные коэффициенты теплопередачи  и по формулам:

для неограниченных прослоек ( ≤ 0,2 );

 

для ограниченных прослоек (> 0,2 );

 

для ситуации, когда горячая поверхность находится выше холодной (N=0,7).

Затем вычисляют  по формуле

.

. Вычисляют поправочный коэффициент , учитывающий влияние давления воздуха:

.

. Вычисляют  с учетом давления воздуха

.

. Вычисляют конвективные проводимости

.

. Вычисляют полную конвективную проводимость

.

. Вычисляют полную проводимость

.

. Определяют перегрев зоны второго приближения

.

. Температура зоны второго приближения будет равна

 =  + .

. Разброс температур  равен:

.

. Если  > 5 %, расчеты повторяют с п.2 для температуры  = .

Предварительные расчеты:

Таблица 2.2

Обозначение	Величина	Размерность
0,1400
0,1710
0,4510
0,8500
0,0798
0,3742
0,4976
0,2133
0,5306
0,5085

Расчеты теплового режима приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3 Расчет температуры нагретой зоны

№ п/п	Обозначения единицы	Цикл 1	Цикл 2
1	50.00040.155
2	110.000100.155
3	85.00080.078
4	10.46210.020
5	5.3205.095
6	2.3992.298
7	3.5763.576
8	8.5468.120
10	7.2336.873
11	7.8897.496
13	6.2005.891
14	5.2474.986
15	5.7245.439
16	0.8680.825
17	0.9790.930
18	0.7350.698
19	2.5812.453
20	+4.9814.751
21	40.15542.099
22	100.155102.099
23	9.8291.904

Температура нагретой зоны равна 100.155 .

Для контроля на ЭВМ результаты расчетов сведены в табл. 2.4.

Таблица 2.4

Контрольные данные для ЭВМ

№ п.п	Обозначение	Величина	Ответ ЭВМ
1	номер варианта	1022	5
2	0.5085
3	5.0955
4	5.8915
5	4.9865
6	5.4395
7	102.0995

Итого: 5

Расчётное задание № 3

Цель: расчет температуры нагретой зоны аппарата с внутренней принудительной циркуляцией воздуха.

Вариант № 1022

Таблица 3.1 Исходные данные

Обозначение	Величина	Размерность
0.40000
0.35000
0.38000
90.0
0.6
0.6200
350Вт
0.34
0.11400
0.7000
0.200

Описание алгоритма расчетов

1. Задаются перегревом нагретой зоны первого приближения , вычисляют температуру нагретой зоны

.

. Определяют среднюю температуру

.

3. Вычисляют функцию

.

. Определяют приведенную степень черноты

,

при этом вычисление  производится исходя из размеров .

. Вычисляют лучистый коэффициент теплоотдачи

.

. Лучистую проводимость вычисляют по формуле

.

. Находят из таблиц характеристики воздуха при температуре :

.

. Вычисляют коэффициент

.

9. Вычисляют площадь поперечного сечения аппарата, свободную для прохождения воздуха,

.

.

. Периметр поперечного сечения аппарата, свободного для прохода воздуха, равен

.

. Эквивалентный диаметр равен

.

. Вычисляют коэффициент :

.

. Конвективный коэффициент теплоотдачи будет равен

.

15. Проводимость конвективная равна

 

. Проводимость полная будет

.

. Определяют перегрев второго приближения для нагретой зоны

.

. Вычисляют температуру зоны второго приближения

.

. Разброс температур равен

.

Если разброс  больше 5%, то принимают  и повторяют расчеты, начиная с п.2.

Расчеты по описанному алгоритму приведены в табл. 3.3.

Таблица 3.2 Предварительные расчеты:

Обозначение	Величина	Размерность
0.85000
0.39532
1.55000
2.27941
0.05320
.0.5200.

Таблица 3.3

Расчет температуры нагретой зоны

№ п/п	Обозначения	Цикл 1	Цикл 2
1	50.00010.693
2	140.000100.693
3	13.31011.343
4	6.9215.899
5	2.7362.332
6	115.00095.346
7	3.2993.147
8	0.6810.693
9	2.4502.255
10	2.5942.665
11	55.41455.414
12	42.85144.021
13	29.99630.815
14	32.73233.147
15	10.69310.559
16	100.693100.559
17	39.0370.133

Температура нагретой зоны равна 100.559 .

По результатам расчетов заполняется контрольная табл. 3.4.

Таблица 3.4

Контрольные данные для ЭВМ

№ п.п	Обозначение	Величина	ответ ЭВМ
1	номер варианта	1022	5
2	0.5205
3	5.8995
4	2.6655
5	55.4145
6	44.0215
7	0.0585
8	0.3435
9	100.5595

Итого: 5

Расчётное задание № 4

Цель: расчет температуры центральной области нагретой зоны аппарата кассетной конструкции группы А

Вариант № 1022

Таблица 4.1 Исходные данные

..	Величина	Размерность
0.2500
0.3100
0.2100
Число микросхем по оси x 7.00
Число микросхем по оси y 6.00
Число микросхем по оси z 15.00
Мощность 15.00Вт
Коэффициент теплопроводности платы1.50
Коэффициент теплопроводности микросхемы по оси x 15.00
Коэффициент теплопроводности микросхемы по оси x 20.00
Коэффициент теплопроводности микросхемы по оси z 5.00
Размеры микросхемы по оси x 0.0179
Размеры микросхемы по оси x 0.0207
Размеры микросхемы по оси z 0.0066
Температура кожуха 50.00
Толщина подложки 0.0030

Описание алгоритма расчетов

. Определяют размеры ячейки

, , .

. Определяют размеры фрагментов ячейки

Таблица 4.2

№ фрагмента	Ось x	Ось y	Ось z
1
2
3
4
5
6

. Вычисляют тепловые сопротивления фрагментов ячейки по осям:

,,

,,

,,

,,

,,

,,

,,

,,

, .

. Вычисляют тепловые сопротивления ячейки по направлениям x, y, z:

,

,

.

. Вычисляют коэффициенты теплопроводности  по направлениям x, y, z:

, , .

. За базовую величину выбирают . Вычисляют новые размеры аппарата:

, , .

. Вычисляют перегрев центральной области аппарата

.

Расчет теплового режима

. Размеры ячейки

Таблица 45.3

№ фрагмента	Ось x	Ось y	Ось z
1	0.0357	0.0517	0.0140
2	0.0179	0.0207	0.0066
3	0.0179	0.0310	0.0066
4	0.0179	0.0207	0.0066
5	0.0179	0.0310	0.0066
6	0.0357	0.0517	0.0044

. Сопротивления фрагментов ячейки

Таблица 4.4

Фрагмент	Ось x	Ось y	Ось z
1	153.61	321.48	1.08
2	8.73	8.77	3.58
3	3099.66	9341.43	423.43
4	4649.49	6227.62	635.14
5	3099.66	9341.43	423.43
6	5579.39	11676.79	84.69

. Сопротивления ячейки по направлениям осей:

Таблица 4.5

141.539
	296.963
	89.267

. Вычисляют эквивалентные коэффициенты теплопроводности

Таблица 4.6

	0.349
	0.348
	0.085

. Базовая величина . Старые размеры области с кассетами были

Таблица 4.7

	0.250
	0.310
	0.210

. Новые размеры аппарата будут равны

Таблица 4.8

	0.250
	0.310
	0.425

. Перегрев центральной области аппарата равен  20.351 .

По результатам расчетов заполняется контрольная табл. 4.9.

Таблица 4.9

Данные для контроля на ЭВМ

№ п/п	Обозначение	Величина	Ответ ЭВМ
1	Номер варианта	1022	5
2		0.349	5
3		0.348	5
4		0.085	5
5		20.351	5

Итого: 5

Расчётное задание № 5

Цель: расчет теплового режима аппарата кассетной конструкции группы Б

Вариант № 1022

Таблица 5.1 Исходные данные

Обозначение	Величина	Размерность
	0.3000
	0.2600
	0.2800
	60.00
	0.700
	0.600
	200
	0.2500
	0.1980
	0.220
Количество кассет	8
	35.00
зазор	0.006

Предварительные расчеты

площадь кожуха

;

площадь лучистая

;

приведенная степень черноты зоны

;

площадь зона-воздух 1 равна

;

площадь зона - воздух 2 равна

;

где d - толщина кассеты, вычисляемая по формуле

.

Описание алгоритма расчетов

. Задаются перегревом нагретой зоны первого приближения .

. Определяют температуру нагретой зоны первого приближения

.

. Средняя температура равна

.

. Определяем функцию

.

. Вычисляют лучистый коэффициент теплоотдачи

.

. Вычисляют лучистую проводимость

.

7. Из таблиц для воздуха находят для температуры  величины  и ;

. Определяют конвективные коэффициенты теплоотдачи

, и .

. Вычисляют конвективные проводимости участка зона - кожух:

;;.

;; .

. Вычисляют перегрев и температуру зоны второго приближения

. Разброс температур (погрешность вычислений) равен . Если D > 5 %, расчеты повторяют с п.2 для температуры .

. Рассчитываем среднюю мощность кассет  и коэффициент нагрузки  кассеты

: .

. Перегрев кассеты 3  будет равен

.

Расчет методом последовательных приближений приведен в табл. 5.2.

Таблица 5.1 Предварительные расчеты

Обозначение	Величина	Размерность
	0.4696
	0.2979
	0.5158
	0.6154
	0.2626
	0.0260

Таблица 5.2

Расчет температуры нагретой зоны

№ п/п	Обозначение	Цикл 1	Цикл 2
1		50.00
2		110.000
3		85.000
4		10.462
5		5.397
6		1.608
7		0.031
8		1.328
9		21.080
10		5.146
11		12.972
12		1.352
13		14.324
14		2.417
15		2.068
16		3.676
17		54.411
18		114.411
19	D	3.856
20		25.000
21		1.400
22		117.023

Средняя температура нагретой зоны равна 117.023 , температура кассеты № 3 равна 117.023 .

Для контроля на ЭВМ результаты расчетов сведены в табл. 5.3.

Таблица 5.3

Данные для контроля на ЭВМ

№ п.п	обозначение	Величина	ответ ЭВМ
1	номер варианта	1022	5
2		0.298	5
3		0.615	5
4		0.263	5
5		5.397	5
6		21.080	5
7		5.146	5
8		114.411	5
9		117.023	5

Итого: 5

Расчётное задание № 6

Цель: расчет теплового режима аппарата с принудительной вентиляцией

Вариант № 1022

Таблица 6.1 Исходные данные

Обозначение	Величина	Размерность
	0.300
	0.250
	0.240
	30.0
	0.700
	250.000
	0.650
	0.600
	0.270
	0.250
	0.144
	0.570
	0.150
l'	0.020
	-10.00
	20.00

Описание алгоритма расчетов

. Задаются перегревом кожуха первого приближения , тогда

.

. Используя алгоритм расчетов теплового режима кожуха задания 1 проводят расчеты с п.2 по п.12, определяя полную проводимость участка кожух - среда

.

. Вычисляют мощность

.

. Для температуры  (в таблице =) определяют теплопроводность , плотность  и теплоемкость  воздуха.

. Вычисляют массовый расход воздуха  и его удельное теплосодержание :

, .

. Вычисляют мощность стока

. Вычисляют величину

. Температура воздуха на выходе будет равна

. Вычисляют температуру

. Вычисляют конвективный коэффициент теплоотдачи

:

. Вычисляют проводимость  и мощность

: , .

. Вычисляют мощности

 и .

. Вычисляют конвективный коэффициент теплоотдачи , проводимость  и перегрев :

, , .

. Температура зоны второго приближения будет равна

.

. Вычисляется мощность :

, , .

. Вычисляется величина

.

Если  > 5%, то корректируют величину : если  > , то температуру  следует уменьшить, если  < , то ее увеличивают. При практических расчетах задаются температурами  и , например, = 100 оС,  = , тогда =(+)/2. Для температуры  проводят расчеты с п.2. Если по окончании  > 5%, коррекцию  осуществляют следующим образом: если>, то = , если <, то = , в результате чего диапазон … сужается, вычисляют =(+)/2 и повторяют вычисления с п.2.

Таблица 6.2 Предварительные расчеты:

Обозначение	Величина	Размерность
	0.41400
	0.26400
	0.49091
	0.02400

Таблица 6.3

Расчет теплового режима аппарата с принудительной вентиляцией

п/п	Обозначение	Цикл 1	Цикл 2
1		50.00
2		110.000
3		85.000
4		10.462
5		5.397
6		1.608
7		0.031
8		1.328
9		21.080
10		5.146
11		12.972
12		1.352
13		14.324
14		2.417
15		2.068
16		3.676
17		54.411
18		114.411
19	D	3.856
20		25.000
21		1.400
22		117.023

По результатам расчетов заполнена контрольная табл. 6.4.

Таблица 6.4

Данные для контроля на ЭВМ

№ п.п	обозначение	Величина	ответ ЭВМ
1	номер варианта	1022	5
2		0.298	5
3		0.615	5
4		0.263	5
5		5.397	5
6		21.080	5
7		5.146
8		114.411	5
9		117.023	5

Итого: 5

Библиографический список

1. Верба В.С., Удалов А.И. Тепловое проектирование радиоэлектронных средств. Учебное пособие / Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) - М., 2005. - 183 с.

. Удалов А.И. Основы теплообмена в радиоэлектронных системах: Учебное пособие / Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) - М., 2002. - 60 с.

. Удалов А.И., Меньшикова Л.В., Шенягин В.П. Методические указания и контрольные задания по курсу “Теплофизика и тепловое проектирование”. - М.: МИРЭА, 2006. - 32 с.

. Захаренко С.К. Теплообмен в РЭА - М.: МИРЭА, 1980. - 114 с.

. Захаренко С.К. Тепловые режимы радиоэлектронных аппаратов и их обеспечение. - М.: МИРЭА, 1982. - 124 с.

. Дульнев Г. Н., Тарновский Н. Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. - М.: Энергия, 1971. - 248 с.

. Дульнев Г. Н., Семяшкин З. М. Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах. - М.: Энергия, 1968. - 360 с.

. Дульнев Г. Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Высшая школа, 1984. - 247 с.

. Роткоп Л.Д., Спокойный Д. E. Обеспечение тепловых режимов при конструировании РЭА. - М.: Сов. радио, 1976.

. Битюков В.К., Петров В.А. Методы и средства бесконтактного контроля теплового состояния изделий. - М.: МИРЭА, 1999. - 96 с.

. Битюков В.К., Петров В.А. Контроль теплового состояния изделий радиоэлектроники из полупрозрачных материалов. - М.: МИРЭА, 2000. - 187с.