1. Эффективность такого типа охлаждения тем больше, чем ниже температура обдувающего воздуха и чем больше его скорость.
2. Для снижения влажности воздух необходимо очищать путем применения различных фильтров.
3. Принудительный поток охлаждающего воздуха создается специальными воздуходувными устройствами, которые для своей работы требуют определенных энергозатрат. Так, при охлаждении самолетной аппаратуры на высоте 20 км собственное выделение тепла воздуходувного устройства равно отработанному от РЭС количеству тепла.
4. Нагретый воздух может быть предварительно охлажден специальными устройствами, например, расширительной турбиной.
5. Необходимо предусмотреть хорошую обтекаемость воздухом теплонагруженных узлов и блоков.
12.2.4.Жидкостные системы
1. Системы спецназначения. Распространены реже воздушных.
2. Работоспособность до –60 °С обеспечивается применением антифриза.
3. Имеют меньшие габариты и вес по сравнению с системами воздушного охлаждения (вследствие большой охлаждающей способности жидкости).
Испарительные системы общего охлаждения обладают следующими преимуществами:
1) наибольший коэффициент теплообмена имеет место при испарении жидкости с охлаждаемой поверхности. Поэтому рассматриваемые системы по эффективности охлаждения превосходят все другие;
2) вес испаряющейся воды относительно невелик и составляет 1,6 кг/ на 1 кВт рассеиваемой мощности;
3) охлаждение водяной системой целесообразно только в том случае, если поверхность теплонагруженных блоков нагрета до 110-120 0С.
Как уже было показано в частных примерах, внешняя среда является определяющей в большинстве случаев охлаждения РЭС. Внешний теплообмен протекает по-разному в различных средах. Внешней средой для РЭС может служить газ, жидкость или твердое тело. Газообразной средой, как указывалось, может быть воздух, а также азот, гелий, водород.
В качестве жидкой среды кроме воды используют этиловый и метиловый спирты, их смесь с водой, этиленгликоль и его смеюсь с водой, фреоны различных марок, антифризы, полиметилсилоксановые жидкости, фторорганические жидкости и др. Твердой внешней средой, воспринимающей наибольшую мощность рассеивания РЭС, служат поверхности объекта установки (стенки кузова машины, отсека корабля, самолета, ракеты). Кроме того ими могут быть земля, лед, различные типы компаундов, пластмасс, парафин и др.
Интенсивность охлаждения определяется не только физическим составом среды, но и ее состоянием. Среда может быть в одно- и многофазном состояниях, а также находиться в состоянии покоя или принудительного движения. Кроме того, давление газовой или жидкостной среды в зависимости от условий эксплуатации и специальных требований может быть ниже или выше атмосферного. Так, например, на космических аппаратах РЭС работает в условиях невесомости, вследствие чего там отсутствует естественный конвективный теплообмен с окружающей средой. Теплообмен между нагретой зоной и корпусом происходит через воздушную или газовую среду только путем излучения. При этом теплопередача наименьшая из всех.
Одним из основных факторов, определяющих условия терморегулирования и охлаждения является конструкция корпуса. В том случае, если корпус РЭС является герметичным или пыле- и влагозащитным, а внешний и внутренний хладагенты не взаимодействуют друг с другом, конструкция и способ терморегулирования корпуса оказывают определяющее влияние на процесс теплообмена нагретой зоны РЭС. Для увеличения внутреннего конвективного теплообмена между нагретой зоной и корпусом используется принудительная вентиляция (перемешивание) газа. При этом часть корпуса изготавливается ребристой. Для уменьшения влияния внешней окружающей среды корпус покрывается тепловой изоляцией.
Основной вывод, который можно сделать после знакомства с конструктивными особенностями РЭС, состоит в том, что способ охлаждения во многом определяет конструкцию РЭС. Поэтому уже на ранней стадии конструирования необходимо выбрать способ охлаждения, после чего уже можно приступить к предварительной проработке конструкции. Выбранный способ охлаждения должен обеспечить заданный по ТЗ тепловой режим РЭС.
Выбор способа охлаждения на ранней стадии конструирования часто имеет вероятностный характер, т.е. дает возможность оценить вероятность обеспечения заданного по ТЗ теплового режима РЭС. При этом зa основной показатель принимается величина удельного теплового потока
, (160)
где Ф - суммарная рассеиваемая тепловая мощность; Кp - коэффициент, учитывающий давление воздуха; Sn - поверхность теплообмена.
Вторым показателем может служить минимально допустимый перегрев элементов
, (161)
где Тimin - допустимая температура корпуса наименее теплостойкого элемента по ТЗ; Тс - температура среды (соответствует максимальной температуре окружающей среды).
Эти данные позволяют приблизительно определить способ охлаждения в зависимости от Тс и lgq.
Продолжительной устойчивой работы приборов удается добиться, лишь создав им необходимые температурные условия. Как правило, температурные условия работы температурно-нагруженных приборов обеспечиваются системой охлаждения.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие системы охлаждения РЭС вы знаете?
2. Какими факторами определяется качество систем охлаждения РЭС?
3. Для чего применяется контактный способ охлаждения?
4. Назовите факторы, определяющие качество естественного воздушного охлаждения?
5. Какие преимущества имеют испарительные системы охлаждения?
Лекция №13. Основные элементы систем охлаждения
13.1. Теплообменные устройства
Теплообменный аппарат (теплообменник) - это устройство для передачи тепла от среды с более высокой температурой к холодной среде. Теплообменники подразделяются на:
· рекуператоры,
· регенераторы,
· смесительные.
В рекуператорах тепло от нагреваемого вещества к холодному передается через твердую стенку. В регенераторах одна и та же поверхность нагрева попеременно омывается то нагреваемым, то охлаждаемым веществом. В смесителях тепло передается в процессе смешивания охлаждаемого и нагреваемого веществ. В системах терморегулирования РЭС наибольшее распространение получили рекуперативные теплообменники. По роду веществ, участвующих в процессе теплообмена, теплообменники подразделяются на:
o воздушно-воздушные,
o воздушно-жидкостные,
o жидкостно-жидкостные.
В системах терморегулирования РЭС используют разновидности теплообменников:
§ трубчатые,
§ пластинчато-ребристые,
§ с оребренными трубами.
Наиболее простая конструкция трубчатых - набор трубок круглого или овального сечения, располагаемых в шахматном или коридорном порядке. Простейший вид - труба в трубе.
Пластинчато–ребристые компактны и высокоэффективны. Имеют разнообразные конструкции, целесообразны к применению, когда теплоносителями являются газы. Наибольшая теплопередающая поверхность создается ребрами.
Теплообменники с оребренными трубами имеют теплопередающую поверхность, образованную оребренными трубами. Их используют, когда один теплоноситель - жидкость, а другой - газ. Через область наиболее развитой поверхности пропускается газ.
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое теплообменный аппарат (теплообменник)?
2. На какие виды подразделяются теплообменники?
3. Как подразделяются теплообменники по роду веществ?
4. Какие разновидности теплообменников используют в системах терморегулирования РЭС?
Лекция №14. Специальные устройства охлаждения РЭС
Для обеспечения тепловых режимов РЭС часто используется термостатирование либо всего объема, либо отдельных, наиболее термокритичных, частей объема.
Под термостатированием понимают нагрев или охлаждение ограниченного объема для поддерживания температуры в заданном диапазоне с целью обеспечения постоянства рабочих параметров элементов внутри этого объема.
Термостатирование осуществляется в теплообменных устройствах, температурный режим в которых поддерживается с помощью холодильно-нагревательных машин. Вся эта сложная совокупность устройств, конструктивных элементов и рабочих веществ, обеспечивающих необходимый тепловой режим работы РЭС, носит название системы обеспечения теплового режима (СОТР).
В практике работы конструктора сравнительно редко встречаются случаи обеспечения более высокого теплового уровня РЭС по сравнению с окружающей средой. Для этого используются электрические нагреватели с омическим сопротивлением.
Чаще возникает необходимость создания более низкого температурного уровня (охлаждения) РЭС по сравнению с температурой окружающей среды.
Широкий интервал области низких температур не позволяет обойтись несколькими видами холодильных устройств, рассмотренных выше. Для каждого поддиапазона используются свои физические эффекты и устройства на их основе.
14.1.Термоэлектрическое охлаждение. Термостатирование
с помощью полупроводниковых термобатарей
Термоэлектрическое охлаждение обусловлено поглощением тепла на одном спае полупроводникового элемента и выделением его на другом при пропускании постоянного тока через элемент.
В основе метода лежит явление Пельтье. Физически явление связано с тем, что энергия свободных электронов, участвующих в электрическом токе, по-разному в различных проводниках зависит от температуры. Если существует перепад температур, то электроны на горячем конце имеют большую энергию, чем на холодном, в результате чего возникает движение электронов к холодному концу, где накапливается заряд и создается обратная уравновешивающая электродвижущая сила. Разность таких электродвижущих сил в различных проводниках и обусловливает возникновение термоЭДС.
В основе термоохлаждающего прибора лежит термоэлемент, представляющий собой две последовательно соединенные полупроводниковые ветви, одна из которых обладает электронной (n), а другая дырочной (р) проводимостью.
На рис. 38 показана принципиальная схема термоэлектрического охлаждающего устройства.
Рис. 38
При указанной полярности между соединительными элементами 1 и 2 существует разность температур. Причем на элементе 1 тепло выделяется, а на элементе 2 поглощается. Для поддержания охлаждения элемента 2 должен сохраняться постоянный уровень температуры на элементе 1. Это условие стационарности. Понижение температуры, создаваемое одним элементом определяется из соотношения
Q=0,5×z×Tx2 , (164)
где Тх - температура холодного спая; z - эффективность термоэлемента.
Она пропорциональна квадрату разности коэффициентов термоЭДС ветвей (a), их электрической проводимости (d) и обратно пропорциональна теплопроводности (l).
. (165)
Другой важной характеристикой термоэлемента является холодильный коэффициент
, (166)
где Qoт - количество тепла, отводимого в единицу времени термоэлементом; Ф - затраченная на это мощность.
Поскольку единичный термоэлемент развивает незначительную мощность, то для получения достаточного тепла применяют термобатареи, состоящие из большого числа (сотни и тысячи) последовательно соединенных термоэлементов.
В термобатареях обычно используются материалы с высокой эффективностью термоохлаждения (Z).
У всех металлов отношение d/l приблизительно одинаковое, а у полупроводников даже меньше, чем у металлов; однако коэффициенты термоЭДС (a) у них значительно больше, и в результате эффективность термоохлаждения (Z) также больше. Этим обстоятельством определился успех применения полупроводников для термоохлаждения.
Для увеличения температурного перепада и увеличения эффективности холодильного устройства применяют многокаскадное охлаждение, используя несколько термобатарей, последовательно охлаждающих одна другую.
Достигаемый общий перепад у термохолодильных устройств обычно меньше 100 0С.
Дата: 2019-03-05, просмотров: 216.
