Исходные данные: Q1 - теплоприток извне; Q2 - тепловыделение РЭС; U - напряжение питания; Ф, Dt - характеристики материалов (табличные значения): коэффициенты термоЭДС a1, a2; электропроводность s, теплопроводность l.
Расчет:
1. Определить величину тепловой нагрузки:
Q=Q1+Q2. (167)
2. Рассчитать максимальный холодильный коэффициент для случая Qот=Q.
3. Вычислить падение напряжения на одном термоэлементе (U0) и исходя из данного напряжения питания (U) найти количество термоэлементов в батарее:
. (168)
4. Найти ток, потребляемый термобатареей:
. (169)
5. Вычислить сопротивление термобатареи:
а) для одного термоэлемента:
, (170)
где Dt - разница температур между спаями термоэлемента; M=(l+0,5×z×(to+t))-2, где (to+t) - сумма температур спаев термоэлемента;
б) для всей батареи:
R=r×N. (171)
6. Определить геометрические размеры ветвей термоэлементов:
, (172)
где l - высота ветви; S- сечение ветви.
Отношение l/S обычно выбирают, исходя из конструктивных требований (минимальный вес, минимальное использование полупроводникового материала); обычно 1 >3 мм.
7. Найти значение оптимального тока:
, или 
. (173)
Так как для существующих термоэлементов 
=46 - 50, то с целью снижения потребляемой мощности обычно берут =46.
Тогда
. (174)
Конструктивные особенности охлаждающего устройства заключаются в следующем. Оно состоит из трех основных частей:
1) термоэлектрической батареи;
2) рабочей камеры или поверхности охлаждаемого термоэлемента;
3) системы отбора тепла от горячих спаев.
Конструкция должна предусматривать устранение или уменьшение механических напряжений, возникающих в результате сжатия холодных и растяжения нагретых элементов конструкции. Чаще всего применяется теллурид висмута. Можно получать как n-тип, так и р-тип. Применение термоэлектрических охлаждающих устройств целесообразно в тех случаях, когда охлаждаемый объем или поверхность блока (узла) сравнительно небольшие. При этом устройство получается меньших габаритов и веса, чем при использовании других систем охлаждения.
Особенностью термоэлектрического охлаждающего устройства является приспособленность для простого сравнительного регулирования температуры.
14.2. Холодильные циклы с вихревыми трубами
Охлаждение воздуха в вихревых трубах основано на эффекте энергетического разделения газа, который заключается в следующем. Если в гладкую цилиндрическую трубу ввести через сопло по касательной к стенке воздух так, чтобы он образовал внутри трубы вихрь, и прилегающий к соплу конец трубы закрыть диафрагмой с центрально расположенным в ней отверстием, а на другом конце трубы установить дроссель, то при определенной степени расширения газовый поток разделится на две составляющие. При этом газ, выходящий через отверстие в диафрагме, будет иметь более низкую температуру, чем газ, поступающий через сопло.
Газ, выходящий через дроссель, наоборот, будет более горячим, чем газ, поступающий в трубу. Рассмотрим принцип действия вихревой трубы (рис. 34).
Рис. 34
Сжатый газ с давлением Р и расходом G подается в суживающее сопло 1 и, двигаясь по касательной к внутренней поверхности трубы, образует вращающийся поток.
Интенсивная закрутка воздушного потока создает значительный градиент статического давления по радиусу и высокую турбулентность, вследствие чего создается зона пониженных давлений и температур.
Газовый поток попадает в теплоизолированную трубу 2 и регулирующим давление вентилем 3 разделяется на два потока: охлажденный, выходящий из осевой зоны трубы сквозь диафрагму 4, и нагретый. Условия таковы: что р1£ р2, Т1 < Т < Т2.
Цикл с одной вихревой трубой применяется до температур от -40 до +60 °С.
Каскадный цикл с вихревыми трубами может обеспечить холодопроизводтельность принципиально на любом температурном уровне.
Понижение температуры в холодном .потоке можно определить по формуле
, (162)
где Т, Т1, р, р1- температура и давление в соответствии с рисунком; К - показатель адиабаты; h- эффект охлаждения (0,1-0,5).
14.3. Конструкция термосифона
Кипение и испарение жидкостей (вода, спирт, аммиак, фреон) сопровождаются поглощением (выделением) значительных количеств тепла. Количество тепла можно определить по формуле
Q = m × r, (163)
где m - масса испарившегося вещества; r- теплота испарения.
Помимо холодильников эффект охлаждения жидкостью при испарении используется для охлаждения теплонагруженных элементов: генераторных ламп, мощных транзисторов, корпусов радиоэлектронной аппаратуры. Генераторные лампы с испарительным охлаждением получили название вапотронов.
Принцип работы устройства заключается в том, что оребренный радиатор лампы погружается в жидкую среду, которая интенсивно отбирает тепло в процессе кипения (рис. 35).
Рис. 35
Рис. 35
В таких устройствах реализуется термосифонный эффект, когда жидкость самотеком перемещается в системе. Происходит это вследствие специального размещения системы труб и разности в весе пара, горячей и холодной жидкостей.
Пар выходит по трубопроводу (1), попадает в конденсатор (2), охлаждается, стекает самотеком по трубе (3), попадает в нижнюю часть рабочей камеры (4) с генераторной лампой (5). Нагретая жидкость постепенно перемещается из нижних слоев в верхние и закипает. Далее цикл повторяется.
14.4. Конструкция тепловой трубы
Низкотемпературные тепловые трубы получили развитие в 60-х годах и используются в радиоэлектронной промышленности для охлаждения генераторных ламп, ламп бегущей волны, клистронов и т.д.
Передача тепла в тепловой трубе осуществляется с потоком пара при одновременном использовании капиллярного эффекта.
Тепловая труба представляет собой замкнутую вакуумированную камеру (1), внутренняя поверхность которой облицована капиллярной структурой (2) (фитилем). Фитиль пропитан рабочей жидкостью (3), которая испаряется (рис. 36).
Процесс испарения рабочей жидкости сопровождается большим поглощением тепла, определяемым теплотой парообразования данной жидкости. При этом давление в зоне испарения повышается.
В результате возникшей разницы давлений между зонами испарения и конденсации пар, а, следовательно, и тепловая энергия переносятся в конденсационную зону тепловой трубы.
Процесс конденсации сопровождается выделением тепловой энергии, отобранной в испарительной секции, и уменьшением давления пара.
Ввиду того, что испарение происходит при постоянной температуре и пар сохраняет эту температуру до встречи с более холодной поверхностью, температура по длине трубы стремится быть постоянной. Это и обусловливает высокую осевую теплопроводность тепловой трубы.
Для возврата конденсата в испарительную зону используется капиллярный эффект.
Рис. 36
В качестве теплоносителя в них используется жидкость, обладающая малым коэффициентом теплопроводности и низкой температурой кипения, например, вода, спирт, аммиак, фреоны, жидкий кислород, азот и т.д.
В качестве пористого фитиля используется, например, сетка из нержавеющей стали с размером ячейки 0,15х0,15 мм.
Тепловые трубы имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными элементами передачи тепла, например циркулярными теплообменниками: они не имеют подвижных деталей, бесшумны, не требуют расхода энергии на перекачку рабочей жидкости из зоны конденсации в зону испарения, обладают малым термическим сопротивлением, имеют небольшой вес.
Тепловые трубы, используемые для охлаждения генераторных ламп, сочетают в себе свойства, казалось бы, несовместимые: они имеют пренебрежимо малое термическое сопротивление и хорошие диэлектрические свойства. Их можно назвать высоковольтными тепловыми трубами.
Тепловые трубы оказались очень удобными устройствами для охлаждения и термостатирования полупроводниковых приборов.
Использование их в качестве радиаторов полупроводниковых приборов позволило существенно улучшить условия охлаждения и термостатирования последних, а, следовательно, улучшить их рабочие параметры (рис.37).
Рис. 37
Расположение покрытых пористым материалом полупроводниковых материалов внутри тепловых труб позволяет осуществлять конструирование герметичных боксов, наполненных радиоэлектронной аппаратурой. Использование индивидуальных тепловых труб для каждого полупроводникового прибора или микромодуля не всегда возможно, так как слишком большая плотность монтажа в современных радиоэлектронных средствах.
Технологически гораздо проще покрывать платы с размещенными на них источниками тепловыделения пористым диэлектрическим покрытием, например, напрессовывая стекловолокнистые сетки на платы, и помещать их в тепловую трубу, частично наполненную диэлектрическим теплоносителем, например фреоном, в порах фитиля.
Такие боксы могут иметь стандартные разъемные соединения, и с их помощью можно быстро собирать нужную схему коммутаций.
Помещение полупроводниковых приборов внутрь герметичной тепловой трубы позволяет устранить их металлический корпус и обнажить кристаллы полупроводников.
Эта мера также улучшит условия их охлаждения.
Используя данный принцип охлаждения полупроводниковых приборов, можно значительно понизить рабочую температуру элемента и тем самым повысить стабильность его работы.
При практическом применении радиоэлектронной аппаратуры важное значение приобретает ее вес.
При современном уровне развития радиоэлектроники, увеличении отводимых тепловых потоков охлаждающие радиаторы могут иметь значительно больший вес, чем сама охлаждаемая конструкция.
Полый радиатор, описанный выше, в 1,5 раза легче массивного.
Таким образом, помещение тепловыделяющих систем в тепловые трубки с диэлектрической жидкостью кроме улучшения температурных характеристик позволит значительно понизить общий вес конструкции, а капиллярно-пористый фитиль допускает свободу в ориентации охлаждаемой системы.
В ряде случаев необходимо осуществлять регулирование термического сопротивления труб не только путем задания граничных условий на их внешней поверхности, но и с помощью других факторов, таких, например, как создание дополнительного диффузионного сопротивления проникновению паров к поверхности конденсации с помощью подушки из неконденсирующего газа, путем искусственной турбулизации потока пара, наведенной конвекции жидкости в испарителе, воздействия на процесс переноса жидкости с помощью магнитного, ультразвукового, электрического полей, вибрационных или центробежных полей, изменения геометрических характеристик тепловых труб и т.д.
14.5. Принцип действия и конструкция турбохолодильника
Турбохолодильник представляет собой газовую турбину, в которой внутренняя энергия газа при расширении преобразуется в механическую работу.
При наличии источника сжатого воздуха для понижения температуры РЭС используют адиабатное расширение, имеющее значительные преимущества перед другими способами охлаждения.
По принципу действия турбины можно разделить на активные и реактивные. В активной турбине давление газа полностью изменяется в сопловом аппарате. В реактивной турбине в сопловом аппарате происходит лишь частичное расширение газа.
Рассмотрим в качестве примера конструкцию турбохолодильника осевого типа. Турбохолодильник может устанавливаться отдельно от воздухо-воздушного теплообменника или вместе с ним. В последнем случае они образуют турбохолодильную установку или турбохолодильный агрегат (рис.39), где 1 - дроссельный механизм; 2 - дроссельная заслонка; 3 - воздухопровод; 4 - регулятор степени расширения; 5 - атмосферный воздух; 6 - воздухо-воздушный теплообменник; 7 - трубка для подвода давления в аппарате к дроссельному механизму; 8 – патрубок; 9 - выходной патрубок; 10 - турбина; 11 – вентилятор.
Рис. 39
Горячий воздух от компрессора двигателя поступает через воздухопровод 3 к дроссельной заслонке 2, которая открывается регулятором степени расширения 4 с дроссельным механизмом 1, и проходит через воздухо-воздушный теплообменник 6, где предварительно охлаждается атмосферным воздухом 5.
Затем охлажденный воздух поступает на сопло турбины турбохолодильника и далее на лопатки турбины 10, где в процессе расширения окончательно охлаждается и через выходной патрубок 9 направляется в охлаждаемое РЭС. Засасываемый вентилятором 11 турбохолодильника наружный воздух проходит через теплообменник и выбрасывается в атмосферу через патрубок 8. Дроссельный механизм автоматически поддерживает заданное давление воздуха на турбине в необходимых пределах. Степень открытия заслонки 2 определяется разностью давлений в воздухопроводе 3 и в охлажденном аппарате, с которым соединяется одна из полостей дроссельного механизма при помощи трубки 7.
14.5.1. Характеристики турбохолодильников
Основными параметрами, характеризующими работу турбохолодильника, являются: КПД, температурный перепад в турбохолодильнике; расход воздуха через турбохолодильник; холодопроизводительность турбохолодильника.
Под коэффициентом полезного действия турбохолодильника понимают отношение работы, совершаемой реальным турбохолодильником, к работе, совершаемой идеальным турбохолодильником при той же степени расширения, т.е.
, (175)
где 
DТ и DТад - понижение температуры соответственно при реальном и адиабатном процессах расширения.
Температурный перепад в турбохолодильнике
, (176)
где Ср - удельная теплоемкость воздуха.
Расход воздуха через турбохолодильник (G) определяется степенью расширения воздуха, его начальной температурой, давлением, площадью проходного сечения сопел.
Холодопроизводительность турбохолодильника определяется по формуле
Фт=Ср×G×Т. (177)
Вопросы для самоконтроля
1. Что понимают под термостатированием?
2. Чем обусловлено термоэлектрическое охлаждение?
3. Расскажите алгоритм расчёта термобатареи.
4. На каком эффекте основано охлаждение воздуха в вихревых трубах? В чём сущность этого эффекта?
5. объясните конструкцию термосифона.
6. Как осуществляется передача тепла в тепловых трубах?
7. Что представляет собой турбохолодильник? Назовите характеристики турбохолодильников.
Лекция №15. Тепловые и влажностные измерения
15.1. Измерение температур
Может производиться контактным и дистанционным методами. В первом случае термодатчик измеряет температуру в месте своего нахождения и передает сигнал к регистрирующему прибору. В качестве датчиков могут применяться термопары и термометры.
Термопары. Принцип их действия основан на возникновении термоЭДС в спае двух разнородных металлов при разных температурах концов термопары. То место, где проводники соединены посредством сварки, носит название рабочего конца термопары. Его погружают в среду, температура которой измеряется. К другому концу термопары, называемому свободным, присоединяются провода, направляемые к регистрирующему прибору. Это так называемые компенсационные провода, которые с материалом термопары образуют минимальную термоЭДС.
Температура рабочего и свободного концов термопары должна быть различной, т.е. Т1¹Т2.
Температура проводов на свободных концах должна быть одинаковой. Материал термопар должен быть термоэлектрически одинаков, для чего проводится сравнение соответствия данных поверяемой термопары и стандартной, т.е. поверка термопары. Она проводится не менее чем в четырех точках.
Термопары изготавливаются в соответствии с ГОСТ 6616-61.
Градуировочные таблицы даны в ГОСТ 3044-61.
Термопары
| Наименование термопары | Условное обозначение градуировки | Верхний предел длительности, 0С применения |
| Платинородий-платина Хромель-алюмель Хромель-капель | ПП-1 ХА ХК | 1300 1000 600 |
ТермоЭДС термопары может быть измерена при помощи милливольтметра или потенциометра.
Термометры. Принцип действия основан на свойстве чувствительного элемента, выполненного из металла или полупроводника, изменять свое сопротивление в зависимости от температуры.
Для металла:
Rt=R0(l+at), (185)
где a - температурный коэффициент электрического сопротивления; r0 - сопротивление материала при 0 °С; Rt - сопротивление материала при t °С.
По типу применяемых материалов различают медные, платиновые и полупроводниковые термометры сопротивления. Чувствительные элементы металлических термометров сопротивления изготавливают из проволоки диаметром 0,1 мм. Намотку ведут бифилярно для исключения индуктивного сопротивления.
Платиновые термометры сопротивления измеряют температуру от -250 до + 1000 °С. Медные термометры - от -50 до +80 °С. П/п термометры сопротивления измеряют температуру от -271 до +300 °С. Последние по сравнению с металлическими термометрами сопротивления обладает небольшой тепловой инерцией и имеют температурный коэффициент в 8-10 раз выше. Их сопротивление зависит от температуры по нелинейному закону, который в узком интервале температур имеет вид
Rt=A×eB/T, (186)
где А и В - постоянные материалы и конструкции; Rt - сопротивление при температуре, К.
Сопротивление всех видов термометров может быть измерено при помощи потенциометра, электрического моста или логометра. При измерении температуры косвенными методами реализуется закон Вина, который устанавливает связь между длиной волны света, излучаемого нагретым телом, и его абсолютной температурой.
В этом случае применяются различные типы пирометров - приборов, действие которых основано на зависимости теплового излучения нагретых тел от их температуры и физико-химических свойств.
Монохроматический оптический пирометр позволяет мерить яркостную температуру от 800 до 4500 °С путем сравнения яркости свечения нити накала градуированной лампы и объекта разогретого (не ниже 800 °С). Фотоэлектрический пирометр позволяет производить дистанционное измерение температур от 600 до 2000 °С. Для измерения яркости светового потока используется фотоэлемент.
Радиационный пирометр применяют для измерения радиационной температуры от 50 до 3000 °С.
Чувствительным элементом радиационного пирометра является термобатарея, при помощи которой энергия, излучаемая поверхностью нагретого тела, преобразуется в термоЭДС.
15.2. Измерение скорости и расхода жидкостей и газов
Измерение скорости. По закону Бернулли давление движущейся жидкости или газа связано с величиной скорости течения жидкости или газа. Поместим в поток трубку двух видов: с отверстием на торце (а) или боковой стенке (б) (рис. 41).
а) б)
Рис. 41
Рассмотрим линию тока, упирающуюся своим концом в центр отверстия трубки. Скорость вдоль рассматриваемой линии будет меняться от V для невозмущенного потока до нуля перед отверстием.
Согласно уравнению Бернулли давление перед отверстием р* и давление в невозмущенном потоке р связаны со скоростью движения жидкости или газа следующим соотношением:
р*-р=rv2/2, (187)
где р*- полное давление; р - статистическое давление; rv2/2 -динамическое давление.
Следовательно, манометр с трубкой (рис. 41,а), она называется трубкой Пито, покажет полное давление р*.
В случае применения трубки (рис. 41,б) скорость потока у отверстия боковых стенок не будет отличаться от скорости давления жидкости или газа в потоке. Поэтому манометр в этом случае покажет статистическое давление.
Если эти две трубки объединить, то можно будет одновременно измерять полное давление р и статистическое давление р* или согласно выражению, измерив разность давлений, непосредственно скорость потока v. Манометр, измеряющий разность давлений, называется, а устройство, изображенное на рис. 42, - трубкой Прандтля.
Рис. 42
Измерение расхода жидкостей и газов производится преимущественно с помощью сужающих устройств - диафрагм и сопел (рис.43).
Рис. 43
Величина расхода жидкостей и газов в таких случаях определяется по перепаду давления на сужающем устройстве. При этом расход среды G плотностью р связан с перепадом давления соотношением вида
Gp = G×p = a× k×S(Dp)-2, (188)
где a - коэффициент расхода среды; k-постоянный коэффициент, характеризующий физические свойства среды; S -проходное сечение сужающего устройства.
Термоанемометры. Принцип действия термоанемометров основан на зависимости между теплоотдачей нагретого тела и скоростью обтекающего его газа или жидкости.
Различают два типа термоанемометров: тепловой анемометр сопротивления (рис. 44), в котором в поток газа или жидкости помещается тонкая нить из вольфрама или сплава платины с иридием, нагреваемая электрическим током и выполняющая функции термометра сопротивления, и термоэлектрический анемометр, в котором с помощью термопары определяется температура тонкой нагретой нити, изменяющаяся в зависимости от скорости воздушного потока (рис. 45).
Рис. 44
Рис. 45
Достоинством первого типа анемометров является большая точность, второго - простота устройства.
15.3. Измерение влажности
Для измерения влажности газовых сред используются сорбционный и психометрический методы.
Сорбционный метод основан на изменении физических свойств веществ при поглощении ими водяных паров из воздуха.
Простейший прибор - волосяной гигрометр (рис. 46). Принцип его действия основан на способности человеческого волоса удлиняться при увеличении относительной влажности воздуха: волос 1 удлиняется, груз 4 опускается и вращает блок 2; стрелка 3 показывает относительную влажность.
Рис. 46
Психометрический метод основан на дифференциальном измерении температуры двух термометров — сухого и влажного. При этом сухой термометр показывает температуру окружающего воздуха (tl), а влажный - температуру (t2), которая зависит от скорости испарения жидкости и давления насыщенных паров в воздухе.
Количество тепла, испаряемого за время t с поверхности S согласно закону Ньютона, определяется следующим выражением:
Ql=k×S×(tl-t2). (189)
С другой стороны, количество тепла, отдаваемого смоченным термометром, пропорционально скорости испарения v и времени t.
Q2=c×v×t, (190)
где с - коэффициент пропорциональности.
Скорость испарения зависит от дефицита влажности окружающего воздуха и его динамического состояния.
, (191)
где kl - коэффициент пропорциональности, зависящий от динамического состояния воздуха; Р - давление атмосферное; Е2- давление насыщенных паров при температуре испаряющейся жидкости; 1- давление паров в воздухе (абсолютная влажность).
При равновесии
Q1=Q2. (192)
Подставим значения Q1,Q2 и v в выражение (192). Обозначив 
через А (постоянная психрометра, для данного типа равная 8,1-4 град-1) и произведя сокращения, можем записать
l=E2-A(tl-t2)×p. (193)
Относительная влажность вычисляется по формуле:
, (194)
где Е1- давление насыщенных паров при данной температуре.
Величины Е1 и Е2 находят из таблицы соответствующих температур: tl - окружающего воздуха и t2 - влажного термометра. Значение Р определяется по барометру.
Абсолютной влажностью l называется масса пара в единице объема или давление паров, находящихся в воздухе при данной температуре. Относительной влажностью r называется отношение абсолютной влажности l к давлению насыщенных паров Е1 при данной температуре, выраженное в процентах.
Вопросы для самоконтроля
1. Какими методами может производиться измерение температур7
2. На чём основан принцип действия термопар?
3. Как происходит измерение скорости?
4. Каков принцип действия термоанемометров? Какими бывают термоанемометры?
5. Какие методы используются для измерения влажности?
6. Как работает волосяной гигрометр?
Дата: 2019-03-05, просмотров: 402.
