Главная Источники вторичного электропитания - часть 2



Глава тринадцатая

Обеспечение тепловых режимов источников вторичного электропитания и их элементов

13.1. Основные сведения о тепловом режиме аппаратуры

Источники электропитания, как правило, являются наиболее теплонапряженной частью РЭА. Поэтому прн разработке ИВЭ приходится уделять большое внимание их тепловому конструированию. Тепловое конструирование включает в себя расчеты, выбор средств обеспечения н экспериментальную отработку теплового режима устройств и его необходимо проводить на всех этапах разработки, начиная от технических предложений н эскизного проекта н кончая выпуском рабочей документации.

Основой теплового конструирования являются расчеты теплового режима отдельных функциональных элементов н устройств в целом.

Методы расчета теплового режима ИВЭ, как и других устройств, входящих в РЭА, создаются в соответствии с закономерностями теории теплообмена 1105, 112, 111 и др.]. При этом чем больше расчетная тепловая модель отражает особенности конструктивного исполнения устройства, тем ближе результаты полученных расчетов к оптимальному техническому решению при выборе средств обеспечения теплового режима и конструктивному построению РЭА.

В настоящей главе изложены методы теплового расчета ИВЭ с учетом особенностей нх конструкции, что должно способствовать более рациональному конструированию, повышению надежности н улучшению массогабаритных характеристик ИВЭ.

Расчет теплового режима начинается с составления тепловой модели. В настоящее время получили развитие две группы тепловых моделей РЭА. В тепловых моделях первой группы все поверхности разделяются на отдельные условно изотермические участки (тела) - нагретые зоны и процессы переноса теплоты в них рассматриваются так, как если бы они протекали между изотермическими поверхностями.

В тепловых моделях второй группы нагретая зона, представляющая собой неоднородную систему многих тел, идеализируется в виде однородного тела с некоторыми эффективными значениями коэффициентов теплопроводности Хд н теплоемкости Cg. Тепловые модели первой группы исследуются прн помощи метода тепловых схем, которые описывают с помощью неоднородных нелинейных алгебраических уравнений. Обычно этот метод сводится к определению тепловых коэффициентов н решению системы алгебраических уравнений. В тепловых моделях второй группы используются дифференциальные уравнения теплопроводности. В более сложных конструкциях тепловые модели могут содержать изотермические и однородные тела.

Процесс переноса теплового потока Pi от изотермической поверхности i с температурой к изотермической поверхности или среде / с температурой Tj можно описать с помощью зависимости,



аналогичной no структуре процессам переноса электричества [105. 112].

Ti - Tj= FijPi или Pi= (Г; - Tj)iFij, (13.1)

где Fij - коэффициент пропорциональности, являющийся в общем случае функцией температур Г; и Т,.

В интегральной форме закон Ома для двух эквипотенциальных поверхностей i и / имеет вид

<Pi-<P;= Riji (13.2)

где ф; и - потенциалы в точках » и /; - электрическое сопротивление между поверхностями ( и /; /,• - электрический ток, проходящий через поверхность S.

Аналогия между тепловыми и электрическими параметрами выглядит следующим образом: Г <-> ф, Р; <->/;, Fij*Rij.

Если между изотермическими поверхностями отсутствуют стоки или источники энергии (например, обусловленные эффектом Пельтье, химическими реакциями и т.п.), то тепловой поток ие изменяется на пути между этими поверхностями, т. е. Р(1) =Pi- const; / - длина пути теплового потока. Тогда параметр fjy будем называть тепловым сопротивлением (по аналогии с электрическим со-

противлением), а обратную величину l/jj=Ojy - тепловой проводимостью между i и / изотермическими поверхностями. Если Р(1)Ф const, то функция Fij выражается более сложной зависимостью и ее тогда называют тепловым коэффициентом [105, 112]. В большинстве практических задач условие Р(1) ~ const соблюдается, поэтому расчет теплового режима РЭА сводится к определению тепловых сопротивлений (тепловых проводимостей) Rij(aij) при всех способах переноса теплоты: конвекции, излучения, кондукции (теплопроводности) и их совместном проявлении. Овладев методами расчета величин читатель может самостоятельно рассчи-

тать тепловой режим интересующего устройства.

Перенос теплоты конвекцией между поверхностью твердого тела Sj и окружающей его газообразной или жидкой средой подчиняется закону Ньютона-Рихмана 1105, 112):

Рк,с=ак,-с Si (Ti-Te). (13.3)

Ле Рц if - тепловой поток от поверхности твердого тела к окружающей среде; коэффициент теплообмена между поверхностью тела и средой; и Тс - температура поверхности тела и среды.

Произведение а„,-с S; = ct„jc - тепловая проводимость между телом 1 и средой; обратная величина l/oKic = Kic - тепловое сопротивление между телом i н средой.

Как видно из параметров, входящих в (13.3), расчет теплового режима сводится к вычислению коэффицентов конвективного теплообмена «и для различных поверхностей изотермического тела:

а„5к = Он, l/a„S„ R, (13.4)

где Sk - площадь поверхиости изотермического тела - заданная величина.

Коэффициент теплообмена конвекцией ак численно характеризует мощность, рассеиваемую единицей поверхности твердого тела при разности температур между телом и средой в 1 °С. Коэффициент теплообмена представляет собой сложную функцию большого числа параметров, существенно влияющих на процесс тепло-



обмена, li том числе. физич>еские свойства среды, температуру тела и среды, конфигурацию и размеры тела, скорость набегающего потока, ускорение силы тяжести и др. 1105, 111, 112 и др.].

В табл. 13,1 и; 13,2 приведены основные формулы для расчета коэффициентов конвективного теплообмена различных поверхно-етей. которыми будем пользоваться при тепловых расчетах ИВЭ,

Перенос теплоты иалучеиием. Для расчета мощности, передаваемой излучением в единицу времени от поверхности площадью S; «а другую поверхность площадью или в окружающую среду, можно пользоваться формулами И05, 112),

РлО=ал,7 Sf {Ti-Tj) или Pnii=(Ti-Tj)IR„ij. (13,5)

где ajij Sf = Од;у=г ifRmj - тепловая проводимость излучением между телами i и /: R„if - тепловое сопротивление между ними;

аяа=-пи <Pijf (Гi.Tj) (13,6)

i- коэффициент теплообмена излучением между поверхностями i И /• aij - приведенная степень черноты; (pij - коэффициент облученности (угловой коэффициент, показывающий, какая часть энергии, излучаемая телом i, попадает на тело /);

(Г, + 273)4-~(Г.+ 273)*

nTi,Tj)a-----, Вт/м«.К. (13,7)

( i

где 0 = 5,67 • 10-е Вт/м« - К,

Через f (Tj, Tj) обозначена функция от температур первой и второй Поверхностей. Ее значения приведены в табл. 13.3. Значения степени черноты некоторых технических материалов приведены в табл. 13,4.

Перенос теплоты коидукцией. К переносу теплоты коидукцией относят процессы переноса теплоты теплопроводностью через элементы конструкции аппаратуры (через стенки различной формы, стержни и пластины). Характерной чертой стержней и пластин является малый перепад температур в поперечном сечении этих тел, Обычно его принимают равным нулю. Процесс переноса теплоты в стенках отличается от процесса распространения теплоты в стержнях и пластинах.В .стационарном режиме тепловой поток через стенку неизменен, а в стержнях и пластинах через различные изотермические поверхности проходит разный по величине поток. Это объясняется.тем. что при передаче теплоты коидукцией в стержне или пластине происходит непрерывное рассеяние тепловой энергии с поверхности этих тел в окружающую среду благодаря конвекции и излучению.

Перенос теплоты коидукцией (теялопровод<юстью) можно также записать в виде

Т-Т-

где Р-р. (О =• const. Тепловые сопротивления для плоской цилиндрической шаровой Rai стенок:

в ( 1

(13.8)

(---)

\ at «4 /



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 [171] 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189


0.0097