Файл: Курсовой проект по дисциплине Теплофизические процессы в устройствах рэс.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.04.2024
Просмотров: 30
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
tзх = tз KlKhKK3Kh1/lKHKпKtk (15)
3.1.2 Расчет теплового режима блока
Требуется рассчитать температуру tз нагретой зоны аппарата с внешними размерами L1 = 0.66 м, L2 = 0.28 м и h = 0.15 м. Шасси расположено горизонтально в средней части аппарата и занимает все его сечение. Детали расположены сверху и снизу шасси равномерно, коэффициент заполнения kз равен 0.25. Все поверхности имеют степень черноты 0.9. Давление снаружи аппарата 0.08 МПа, температура окружающей среды равна 20 °С. Мощность рассеиваемой аппаратом тепловой энергии 120 Вт.
1) Проведем вспомогательные расчеты:
Sk = 2(hL2 + L1h + L2L1) = 2*(0.15*0.28+0.66*0.15+0.28*0.66) = 0.651 м2;
Pуд.к = P/ Sk = 80 / 0.651 = 122 Вт/м2;
l = L1 L2 = 0.66*0.28 = 0.4 м;
h3 = k3h = 0.25*0.15 = 0.03 м;
h1 = 0.5( h –h3 )= 0.5*(0.15 – 0.03) = 0.06 м;
h1 / l = 0.06 / 0.4 = 0.15
S3=2(h3L2 + L1h3 + L2L1)=2*(0.03 *0.28+0.66*0.03+0.28*0.66) = 0.426 м2;
Pуд.3 = P/ S3 =80 / 0.426 = 187,79 Вт/м2;
2) Рассчитаем температуру кожуха при Pуд.к =122 Вт/м2; tc = 46° С; =0.9; Sk = 0.651 м2; H = 753 мм рт. ст.
По графикам рисунок 5–4 /3/ стр. 164 определяем значения VPk и коэффициентов kx:
VPk = 17 град; kt = 1; k = 1; kS = 1; kH = 1
По формуле (13) находим температуру Vk перегрева кожуха над средой
Vk = 17*1*1*1*1 = 17 град
Температура кожуха tk = tc + Vk = 46 + 17 = 63 °С
3) Рассчитаем температуру зоны при Pуд.з = 187,79 Вт/м2; l = 0.4 м; k3 = 0.25; h = 0.15 м; h1/ l = 0.15; п = 0,81; tk = 63 °С; H =753 мм рт. ст.
По графикам 5–6 /3/ стр. 167 определяем значения tз и коэффициентов Kx:
tз = 17 град; kk3 = 1; kh = 1.01; kh1/l = 1.05; kl = 1.04; kп= 0.98; ktk = 1.02; kH = 1.
По формуле (15) находим разность tз температур между нагретой зоной и кожухом:
tз.к = 17*1*1.01*1.05*1.04*0.98*1.02*1 = 17.2 град
Температура нагретой зоны:
tз = tк + tз.к = 63 + 17.2 = 80.2 °С
3.2 Выбор конструкции и расчет параметров радиатора для элемента с наиболее тяжелым тепловым режимом
3.2.1 Эффективный коэффициент теплоотдачи радиатора
Для системы воздушного охлаждения широкое применение получили радиаторы, которые различаются по виду развитой площади поверхности, а именно: пластинчатые, ребристые, игольчато-штыревые, типа «краб», жалюзийные, петельно-проволочные.
Исследования теплообмена радиаторов различного типа позволили построить приближенную зависимость среднего перегрева Vs = ts-tc основания площадью A от удельной нагрузки q = Ф/ A (A=L1L2, A=D2/4) при свободной и вынужденной вентиляции. Этот график приведен в приложении Б.5 /1/ и позволяет остановиться на том или ином типе радиатора, если заданы поверхностная плотность теплового потока q и допустимый перегрев Vs основания.
Для характеристики теплообменных свойств радиатора используют следующие параметры: эффективный коэффициент теплоотдачи эф, тепловую проводимость , тепловое сопротивление R. Эти параметры связаны со средним перегревом Vs основания и рассеиваемым потоком Ф зависимостями:
эфA= =R-1 , A=L1L2 , A = D2/4 , Ф = s = R-1s = эф s A (16)
где L1, L2 – размеры основания прямоугольного радиатора;
D – диаметр круглого основания.
Формула (16) справедлива для радиатора любого из рассмотренных выше типов; вся сложность процессов переноса теплоты и конструктивные особенности сосредоточены здесь в одной величине – эффективном коэффициенте теплоотдачи. Последний может быть определен экспериментально или расчетным путем. В первом случае в основу положена зависимость (16), позволяющая по найденным из опыта значениям Ф и Vs определить эф . В приложении Б.5 /1/ приведены полученные таким способом зависимости для различных типов выпускаемых промышленностью радиаторов. С помощью этих графиков можно подобрать радиатор, средняя температура основания которого не превышает заданной величины.
Рассмотрим теперь на примере пластинчатых, ребристых и игольчато-штыревых конструкций радиаторов расчетный метод определения параметров эф, или R. Необходимость анализа процесса теплообмена радиаторов связана с непрерывным изменением выпускаемых промышленностью типоразмеров радиаторов. Представим тепловую модель одиночного ребра или штыря в виде стержня произвольного сечения f с периметром U и длиной h, находящегося в среде с температурой tc и коэффициентом теплоотдачи с боковой поверхности . Перегрев хi торца стержня i, в который входит поток Фi определяется по формуле:
i = [ Фi/ (fb)]ctgbh` , b2 = U/(f) , h` = h + f/U. (17)
Тепловое сопротивление Ri одиночного стержня на основании этой зависимости и формулы (16):
Ri = I-1 = vi / Фi = ctgbh`/ (fb). (18)
Общая проводимость р оребренной части радиатора равна сумме проводимостей i всех N ребер:
р = = Ni. (19)
Если проводимость от неоребренной части радиатора равна Hр , то общая проводимость радиатора:
= нр + Nfbthbh`. (20)
Параметр b содержит коэффициент теплоотдачи боковой поверхности ребра или штыря, который определяется из соответствующих критериальных уравнений. В частности, для вынужденной конвекции воздушной среды может быть рекомендована формула:
Nu = L/в = 0,21 Re0,8 , Nu = L/в , Re = pL/vв (21)
где в , в – теплопроводность и кинематическая вязкость воздуха при средних значениях температур;
L – определяющий размер для данного вида оребрения;
p– расчетная скорость движения воздуха для данного вида оребрения.
Особенности теплообмена радиатора учтены выборе параметров L и p, которые равны для ребристых поверхностей p = 1,25, L = L1 , для игольчато-штыревых радиаторов L = d, p = Sш/( Sш - d), где – средняя скорость движения воздуха; Sш – шаг оребрения; d – диаметр штыря.
3.2.2 Методика выбора и расчета радиатора
На рисунке 1 схематически изображен радиатор 1 с закрепленным на нем прибором 2, внутри которого имеются источники мощностью Ф, разогревающие рабочую область прибора и его корпус до температур tр и tк; в месте крепления прибора к радиатору температура основания радиатора tи , а средняя температура основания радиатора ts.
Приведем исходную информацию, которая должна быть при проектировании или выборе радиатора: предельно допустимая температура рабочей области прибора (tр)доп или его корпуса (tк)доп; рассеваемая прибором мощность Ф; температура tс окружающей среды или набегающего потока; внутреннее тепловое сопротивление Rвн прибора между рабочей областью и корпусом; способ крепления прибора к радиатору, который характеризуется тепловым сопротивлением Rк контакта. Проектируемый радиатор должен удовлетворять некоторым дополнительным требованиям: иметь малую массу и габариты, выполнять свои функции при наименьшем расходе воздуха, если требуется принудительное охлаждение.
Рисунок 1 – Температурное поле радиатора и прибора
На рисунке 1 представлена схема соединения тепловых сопротивлений между рабочей областью и окружающей средой, из которой следует:
tp – tc = (tp - tk)+(tk -tи)+(tи-tc); (22)
tи-tc = (tp – tc) – Ф(Rвн + Rk).
Введем безразмерную величину в, связывающую среднюю температуру ts основания радиатора и температуру tи в месте крепления прибора к радиатору:
= (tи - tc)/(ts - tc) = f(B, ); (23)
она зависит, как показано в приложении Б.2 /1/, от двух чисел подобия:
B = (1 + 2)Ap / () и (24)
где: 1 и 2 – коэффициенты теплоотдачи с одной и другой сторон радиатора;
Aр , Aи – площади оснований радиатора и прибора;
- толщина основания радиатора;
- теплопроводность материала радиатора.
Функциональная зависимость (23) может быть найдена для любого положения источника на радиаторе и любых значений его размеров. Из формул (22) и (23) получаем:
ts – tc = [(tp - tc) – Ф(Rвн –RK)]/. (25)
Все параметры, входящие в квадратные скобки формулы (25), заданы, а параметры (ts – tс) и неизвестны. Дальнейший подбор радиатора может быть осуществлен с помощью формул (16), (25) и графиков, представленных на рисунках Б.8 – Б.12 /1/ на основе метода последовательных приближений. В первом приближении задают значение 1 = 1,2 и по формуле (25) определяют (ts – tc), затем в первом приближении задают площадь Aр основания радиатора и по графикам рисунок Б.12 /1/ подбирают вид оребрения и характер теплообмена (свободная или вынужденная конвекция). Зная Ф, Aр и (ts – tc), по формуле (16) находят в первом приближении эффективный коэффициент теплоотдачи эф.
По графикам, представленным на рисунке Б.8 – Б.11 /1/, уточняют геометрические размеры параметры радиатора, после чего переходят ко второму приближению расчетов, а именно: находят безразмерные числа B = эф Ap / () и по графику рисунок Б.3 /1/ определяют II и уточняют по формуле (23) значение (ts
– tс).
3.2.3 Выбор конструкции и расчет параметров радиатора
Требуется подобрать радиатор для охлаждения транзистора KT805, рассеивающего мощность Ф = 15 Вт и находящегося внутри блока. Контакт транзистора с радиатором осуществлен по площади Aи = 0.00024 м2; внутреннее тепловое сопротивление прибора Rвн = 1.2 °К/Вт, тепловое сопротивление контакта Rк = 2 °К/Вт, допустимая температура коллекторного перехода в транзисторе tрдоп = 150 °С; допустимая температура корпуса в транзисторе tкдоп = 125 °С; условия теплообмена – свободная конвекция, температура воздуха в блоке tс = 46 °С.
1) По формуле (25) определяем температуру tи в месте крепления транзистора:
(tи - tc) = (125 – 46) – 15*(1,2 + 2) = 31 °С.
2) В первом приближении принимаем I = 1.2 и из (23) находим
(ts - tc)1 = 31/1.2 = 25.8 °С.
3) Задаем для простоты в первом приближении площадь Aр основания; пусть Aр = 0.66*0.28 = 0.1848 м2. Тогда плотность теплового потока:
q = 15 / 0.1848 = 81 Вт/м2.
4) По графику, приведенному на рисунке Б.12 /1/ для (ts – tс)1 = 31 °С и q = 329 Вт/м2, определяем возможный вид оребрения радиатора в условиях свободной конвекции; как следует из графиков, необходимо выбрать пластинчатый радиатор.
5) По формуле (16) определяем коэффициент эффективной теплоотдачи, необходимый для обеспечения заданного теплового режима. По графикам, представленным на рисунке Б.8 /1/, наиболее близкий профиль оребрения штыревого радиатора соответствует h1 = 20 мм, Sш = 7 мм, d = 2 мм, для которого эф = 65 Вт/( м2·К).
6) Находим по формулам (24) второе приближение II, полагая эф, а также выбирая материал радиатора, например дюралюминий = 180 Вт/(м·К):
B = 65*0.1848/ (180*2,5*10-3) = 5.4;
Aи / Aр = 0.001848 / 0.1848 = 0.01.
По графику рисунок Б.3 /1/ находим II = 1.7 и уточняем по формуле (23) перегрев:
(ts – tс)II =31/ 1.7 = 18.2 °С.
7) Уточняем размеры основания и тип радиатора. Согласно графику, приведенному на рисунке Б.12 /1/, для (ts – tс)1 = 31 °С и q = 329 Вт/м2 тип радиатора остается прежним. Таким образом, окончательно останавливаемся на радиаторе штыревого типа из дюралюминия с площадью основания A =0.1848 м2 (L1 = 660 L2 = 280 мм), h = 20 мм, Sш = 7 мм, d = 2 мм, эскиз которого приведен на рисунке 2.