Файл: Дружинин Г.В. Надежность электрических схем авиационных систем.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.04.2024
Просмотров: 149
Скачиваний: 0
Конвекцией называется отвод тепла из однбго места в другое путем перемещения нагретых частиц вещества окружающей среды. Различают два вида конвекции: свободную (естественную) и прину дительную. При свободной конвекции циркуляция охлаждающего агента (следовательно, и перенос тепла) осуществляется под влия нием силы тяжести, возникающей вследствие разности плотностей охладителя вблизи поверхности источника тепла и вдали от нее. При принудительной конвекции циркуляция охладителя вызывается насосами или вентиляторами. Обычно охладителем является воздух. Иногда применяются жидкостные и парофазные охладители.
При теплопередаче конвекцией количество тепла Q, передавае мое между поверхностью источника тепла и охлаждающим агентом, пропорционально коэффициенту конвекции h, площади поверхно сти С и средней разности температур ЛТ:
Q = 1гС (АГ). |
(2.3) |
Входящий в формулу (2.3) коэффициент конвекции h является функцией многих факторов: плотности охладителя, его вязкости, проводимости, удельной теплоемкости, геометрической формы нагре ваемых поверхностей и их расположения, скорости потока охлади теля в случае принудительной конвекции и т. д. Поэтому аналити ческий расчет обычно очень сложен и редко бывает точным. В любом случае расчет основывается на эмпирических данных.
Охлаждение свободной конвекцией применимо для невысотных приборов с умеренными уровнями рассеяния. Существует эмпириче ское правило, согласно которому принудительного воздушного охлаждения не требуется, пока тепловой поток (полная мощность рассеяния, поделенная на общую площадь поверхности корпуса) не превышает 0,04 л- 0,08 вт/см2. Верхний предел относится к хорошо вентилируемым блокам с хорошей проводимостью, нижний предел — к невентилируемым обычным блокам. Естественное охлаждение блока осуществляется лучше всего при отсутствии оболочки (короб ки). Всегда желательны отверстия, сетки и прорези на оболочке. Если необходима герметизация блока, то свободная конвекция ста новится малоэффективной, так как необходимо последовательно совершить три конвекционных передачи. Сначала тепло передается от элемента воздуху внутри коробки, проводится через оболочку коробки, затем передается от оболочки окружающей среде. Поэтому в герметизированных блоках большое значение имеет отвод тепла на внешнюю оболочку за счет теплопроводности, для чего гермети зированные объемы иногда заполняются маслом, водородом или гелием. При использовании гелия нужно учитывать, что он проникает через стекло.
Применение принудительной конвекции позволяет отводить зна чительное количество тепла. Эффективность принудительной кон векции растет с увеличением скорости движения охладителя. Для прохождения охладителя с большой скоростью через аппаратуру, трубки и теплообменник нужны относительно мощные нагнетатели. Поэтому большое значение имеет геометрическая форма пути
61,
охладителя по аппаратуре. Этот путь должен иметь минимальное сопротивление и вместе с тем обеспечивать равномерное охлаждение всех элементов.
При излучении тепловая энергия нагретого тела превращается в лучистую энергию, которая передается через пространство ко вто рому телу, где опять переходит в тепло.
В общем случае количество тепла, передаваемое излучением от одной поверхности к другой, определяется выражением:
Q = / v / v £ - a [ 7 V - 7 V I , |
(2-4) |
где Fi — коэффициент, зависящий от геометрии и взаимного рас
положения |
поверхностей; |
определяемый |
соответствен |
|
F-2 — коэффициент |
излучения, |
|||
ными теплоотдачами поверхностей; |
|
|||
Е — постоянная Больцмана; |
|
|
||
D — площадь поверхностей источника тепла; |
поглотителя |
|||
Т И и Т п — абсолютные |
температуры |
источника и |
||
тепла. |
Г,, |
невыгодно, |
а значительное снижение Ти |
|
Так как повышение |
трудно достижимо, то увеличение количества отводимого излучением тепла достигается увеличением FH2 • F).
Необходимо, в частности, создать такую конфигурацию излу чающих и принимающих тел, чтобы тело, принимающее излучение, поглощало бы возможно больше тепла и возможно меньше его отражало. Большое значение имеет также взаимное расположение источника и поглотителя тепла.
Повышение коэффициента F-, может быть достигнуто использо ванием материалов с большой теплоотдачей и поглощением тепла. Например, излучение тепла полированным алюминием при темпера турах 20 л- 200°С в 15 раз хуже, чем оксидированной сталью. Коэф фициенты излучения многих технических материалов при низких температурах могут быть значительно (в 10 раз) повышены путем отделки поверхностей материалами с высокой излучаемостью. Например, большинство отделочных красок, независимо от цвета, обладает высоким коэффициентом излучения, равным 0,8 л - 0,95 (при 20 л-200°С). Весьма эффективны также различные химические и электрохимические способы обработки поверхностей. К материа лам с низкой излучающей и поглощающей способностью относятся металлические поверхности с холодной обработкой.
На рис. 2.8 приведены диапазоны температур некоторых терми чески активных элементов электронной аппаратуры с воздушным охлаждением (на уровне моря).
Обычно теплопередача осуществляется всеми тремя рассмотрен ными способами одновременно, но один из способов передачи тепла имеет при этом основное значение.
Решение проблемы отвода тепла можно разбить па два этапа. • На первом этапе тепло от термически активных элементов передается в контролируемый теплопровод. Второй этап состоит во внешнем теплоотводе. Охлаждение аппаратуры на первом этапе отвода тепла
62
чаще всего достигается использованием теплопроводности металлов. Охлаждение излучением не может быть рекомендовано в качестве основного средства охлаждения, поскольку для значительной тепло отдачи требуется большая разность температур. Кроме того, излучае мое тепло может нагревать близко расположенные элементы аппа ратуры. Охлаждение при помощи конвекции также затрудняет защиту чувствительных к теплу элементов и требует значительных площадей. Па втором этапе удаления тепла используется свободная конвекция, принудительная кон
векция, излучение или комбина |
°с |
Тират рон |
||||||||
ция этих способов. |
|
|
|
200 |
4 |
|||||
В |
простых |
охлаждающих |
|
135 |
/75 |
|||||
|
|
|||||||||
системах |
тепло |
естественным |
|
155 |
||||||
|
Магнетрон |
|||||||||
путем |
рассеивается |
поверхно |
150 |
К |
Приемно-дси- I /25 |
|||||
стью |
в |
окружающий |
воздух. |
|
|
|||||
При увеличении плотности рас |
|
|
мт ельные |
|||||||
100 |
|
лам пы |
||||||||
сеиваемой |
мощности естествен |
|
|
90iI |
||||||
ная |
теплоотдача |
становится |
|
55 |
6 0 11 |
|||||
затруднительной и часто прихо |
50 |
|
|
|||||||
дится |
применять |
принудитель |
|
|
|
|||||
ную конвекцию. |
При |
принуди |
п |
|
|
|||||
тельном воздушном охлаждении |
7 |
|
||||||||
|
|
|||||||||
нагретый воздух обычно выбра |
|
& |
||||||||
сывается |
прямо в атмосферу, а |
г |
J |
|||||||
новые |
массы |
воздуха |
для |
|
||||||
|
|
|
||||||||
охлаждения |
берутся |
также из |
Ж |
|
|
|||||
атмосферы. Очевидно, что при |
Р и с. |
2.8. |
Диапазоны температур неко |
|||||||
этом желательно |
достичь |
мак |
||||||||
симального |
охлаждения |
путем |
торых элементов электронной аппара |
|||||||
туры с |
воздушным охлаждением (на |
|||||||||
применения минимального коли |
|
|
уровне моря). |
|||||||
чества воздуха. Системы охлаж |
|
по |
коэффициенту полезного |
|||||||
дения в этом отношении оценивают |
||||||||||
действия |
(к. |
п. д.) теплообмена: |
у Г |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
е = |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
—‘s - |
|
где ЛГ,, — разность температур охлаждающего воздуха па входе и
выходе охлаждающей системы; |
и воздуха |
на входе |
|
Дг б„ — разность |
температур блока |
||
в систему. |
характером |
воздушного |
|
Величина <9 во |
многом определяется |
потока. При ламинарном обтекании горячего тела скорости потока распределены по параболе (у стенок скорость мала) и около горячей поверхности образуется застойный слой. Поэтому к. п. д. тепло обмена при ламинарных потоках мал и для систем охлаждения электронного оборудования лежит в пределах 2 -5- 20%. Поэтому системы охлаждения с ламинарным обтеканием нецелесообразно применять на больших высотах, где мало воздуха. При охлаждении турбулентным воздухом характер обтекания резко меняется, толщина
63
застойного слоя уменьшается и к. п. д. теплообмена достигает 70— 95%, вследствие чего для охлаждения аппаратуры требуется мини мальное количество воздуха.
Аналогичные суждения можно высказать и в отношении жидко стного охлаждения. Принудительное жидкостное охлаждение нахо дит применение при высокой температуре окружающей среды и большой концентрации тепла, а также при расположении теплопоглотителя на некотором расстоянии от аппаратуры. Оно может быть непосредственным или косвенным. Непосредственное жидкост ное охлаждение может применяться лишь в аппаратуре, которая допускает увеличение паразитной емкости и электрических потерь за счет заполнения блока жидкостью. Этот вид охлаждения наиболее пригоден для источника питания, модуляторов, сервоусилителей и усилителей низкой частоты.
Схема непосредственного принудительного жидкостного охлаж дения приведена на рис. 2.9, где обозначено: 1 — блок, заполненный жидкостью; 2 — перегородки; 3 — охладитель; 4 — компенсатор;
5 |
— вентилятор; 6 — двигатель; 7 — теплообменник; 8 — насос; |
9 |
— вход; 10 — выход. |
Р и с . 2.9. Схема непосредственного принудительного жидкостного охлаждения.
Ваппаратуре с непосредственным жидкостным охлаждением трудно осуществлять ремонт, так как каждый раз приходится выли вать охлаждающую жидкость. Большие преимущества в этом отно шении имеет косвенное жидкостное охлаждение, которое обычно выполняется в виде холодного шасси, к которому крепятся блоки (рис. 2.10). На рис. 2.10 обозначено: 1 — трубки для охладителя; 2 — шасси, охлаждаемое жидкостью; 3 — блоки, рассчитанные на охлаждение путем передачи тепла ' холодной плате. Этот способ является наиболее удобным из известных способов охлаждения.
Ваппаратуре с очень большой концентрацией тепла или при отсутствии теплопоглотителей может применяться охлаждение испа
рением жидкости. Этот способ охлаждения |
может быть |
выполнен |
|
с расходом |
охлаждающей жидкости или |
без расхода. |
Системы |
охлаждения |
с расходом жидкости просты по конструкции, но требуют |
64
пополнения охлаждающей жидкости и наличия объема для пара. Системы охлаждения без расхода жидкости должны иметь тепло обменник для конденсации пара и являются довольно сложными.
При создании системы охлаждения необходимо все время пом нить ее назначение — повышение надежности аппаратуры. Поэтому сама система охлаждения должна быть гораздо более надежна, чем охлаждаемая система.
Р и с . 2.10. Косвенное жидкостное охлаждение («холодное шасси»).
§ 2.4. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СИСТЕМ
Мероприятия по повышению надежности могут быть проведены в трех областях: при проектировании, при производстве и при эксплуатации аппаратуры.
Обычно стоимость эксплуатации аппаратуры значительно пре вышает стоимость самкой аппаратуры. В иностранной печати часто встречаются утверждения, что стоимость эксплуатации радиоэлек тронной аппаратуры в Ю т 100 раз больше стоимости ее разработки и изготовления. Вполне понятно, что выгоднее затратить значитель ные усилия на создание надежных устройств, чем пытаться поддер живать работоспособность уже изготовленной недостаточно падеж ной аппаратуры. Тем не менее, и в области эксплуатации могут быть приведены очень важные мероприятия по повышению надежности аппаратуры. Кроме того, ряд мероприятий по повышению надежно сти аппаратуры при проектировании и производстве ее может быть осуществлен лишь на основе эксплуатационных данных.
Введем д^я удобства изложения материала изображенную на рис. 2.11 классификацию различных мероприятий по повышению надежности аппаратуры. Следует сразу отметить, что приведенное на рис. 2.11 деление на группы мероприятий по повышению надеж ности является условным. Между различными путями повышения надежности существуют взаимные связи и зависимости.
Повышения надежности систем при их проектировании можно добиться как схемными, так и конструктивными методами.
Схемные методы объединяют мероприятия по повышению надежности систем путем совершенствования их принципиальных
5 Г. В. Дружинин |
65 |
схем. В настоящее время можно выделить три направления совер шенствования схем:
1.Создание возможно более простых схем.
2.' Создание схем с ограниченными последствиями отказов.
3.Резервирование элементов и систем.
Схемные методы, в особенности резервирование, относятся к числу наиболее важных и перспективных. Этому способствуют два обстоятельства: во-первых, когда конструктор приступает к проек тированию какой-либо системы, то он вынужден использовать те детали, которые может изготовлять промышленность. В ряде случаев
|
Создание Влагопри |
СоЬершенстВоЬа- |
|
ятного режима |
ние технологии |
Упрощение схем |
равотыэлементов |
производства |
|
|
|
|
Правильный подВор |
_______ Автоматизация |
|
параметра} эле |
|
|
! произВодстВа |
|
|
м ент ов |
|
|
|
|
Создание схем с |
|
|
ограниченными |
Меры по |
{Статистическое \ |
последстЬ оти |
||
- — |
облегчению |
Урегулирование ка-\ |
|
ремонта |
Iчест Ва продукций |
Резервирование |
Унификация |
Тренировка |
элементов |
элем ент ов |
|
|
и систем |
и с и с т е м |
Научные методы эксплуатации■
Сбор и оВоЪ- ы е н и е опыт а Знсплуат ации
Связь с произВод-]
-стдом и проонтирс; Ванием аппаратуре^
Р и с . 2.11. Группы мероприятий по повышению надежности аппаратуры.
возможности конструктора ограничены также исторически сложив шимся уровнем развития производства. Кроме того, ввиду наличия ряда лимитирующих факторов (вес, объем, стоимости и т. д.) кон структор часто бывает вынужден применять далеко не лучшие, с точ ки зрения надежности, элементы. Поэтому поиски способов получе ния надежных схем из ненадежных элементов — одна из наиболее важных задач проблемы надежности. Во-вторых, схемные методы, в отличие от подавляющего большинства других методов повышения надежности, не требуют проведения крупных организационно-техни ческих мероприятий и перестройки производства, для осуществления которых нужно довольно значительное время. Поэтому схемные методы дают возможность в кратчайший срок повысить надежность
66