Материал: Рабочая программа, методические указания к самостоятельной работе по дисциплине «Моделирование и оптимизация тепловых характеристик конструкций при проектировании РЭС». Турецкий А.В., Ципина Н.В

газов в зависимости от развиваемого ими давления — вентиля-

торами (при давлении до 0,2-105 Па) или компрессорами.

Независимо от вида перемещаемой жидкости разнообразные по конструкции нагнетатели можно разделить на несколько типов, упрощенные схемы которыхрассмотрены ниже.

Вопросы для самопроверки

1.Дайте определение теплообменного устройства.

2.Каков принцип расчета теплообменников?

3.Разновидности теплообменных устройств, использующихся в системах терморегулирования РЭА. Методические указания к теме 3

Тема 3. Выбор системы охлаждения и способы обеспечения тепловых режимов.

Самостоятельное изучение. Основные понятия и определения. Способы обеспечения тепловых режимов.

Методические указания Интенсивность охлаждения определяется не только фи-

зическим 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 кор-

9

пуса. 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

Ф

q Kp Sn ,

где Ф - суммарная рассеиваемая тепловая мощность; Кp - коэффициент, учитывающий давление воздуха; Sn - поверхность теплообмена.

Вторым показателем может служить минимально допустимый перегрев элементов

Тс Ti min Tc ,

где Тimin - допустимая температура корпуса наименее теплостойкого элемента по ТЗ; Тс - температура среды (соответствует максимальной температуре окружающей среды).

10

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 темпе- ратурно-нагруженных приборов обеспечиваются системой охлаждения.

Вопросы для самопроверки

1.Какие системы охлаждения РЭС вы знаете?

2.Какими факторами определяется качество систем охлаждения РЭС?

3.Для чего применяется контактный способ охлажде-

ния?

4.Назовите факторы, определяющие качество естественного воздушного охлаждения?

5.Какие преимущества имеют испарительные системы охлаждения?

Методические указания к теме 4

Тема 4. Специальные устройства охлаждения.

Самостоятельное изучение. Классификация специальных устройств охлаждения.

Методические указания

Термоэлектрические охлаждающие устройства (ТОУ) применяются для охлаждения и термостатирования термочувствительных элементов радиоэлектронной и оптической аппаратуры, а также в бытовых и транспортных холодильниках, термостатах, медико-биологических приборах и др. Термоэлектрическое охлаждение, когда требуется получить темпера-

11

туры не ниже - 100°С относительно температуры окружающей среды, обладают рядом преимуществ перед перед обычными системами принудительного охлаждения: компактность, легкость регулировки температуры, малую инерционность. ТОУ обладают удобной и гибкой характеристикой и несложным переводом из режима охлаждения в режим нагревания. Они отличаются простотой управления, возможностью точного регулирования температуры, бесшумностью, хорошими массогабаритными показателями, высокой надежностью работы и имеют практически неограниченный срок службы.

ТОУ — это устройства для переноса тепловой энергии от теплопередатчика с низкой температурой к теплоприемнику с высокой температурой, действие которых основано на эффекте Пельтье. Основным функциональным узлом ТОУ является термоэлектрическая батарея, набранная из электрически соединенных между собой термоэлементов. При прохождении электрического тока (от внешнего источника) через термоэлемент возникает разность температур между горячим и холодным спаями термоэлемента. При этом на холодном спае теплота поглощается из охлаждаемого вещества и передается горячему спаю и далее в окружающую среду.

Эффект Пельтье объясняется тем, что в разнородных проводниках кинетическая энергия электронов различна. Если направление тока таково, что электроны с большей энергией переходят в проводник с меньшей энергией электронов, то происходит выделение тепла на контакте за счет передачи избыточной энергии электрона кристаллической решетке. Если же направление тока таково, что электроны с меньшей энергией переходят в проводник с большей энергией электронов, происходит охлаждение контакта, так как пришедший электрон должен восполнить недостающую энергию за счет энергии решетки.

Количество выделенного или поглощенного тепла:

Q = P·I·t,

12

где Р — коэффициент Пельтье (ЭДС Пельтье); I - сила тока; t -время.

Одновременно в цепи термоэлемента выделяется теплота, которая передается к холодному спаю за счет теплопроводности.

Особенно ярко эффект Пельтье проявляется на границе полупроводников с дырочной и электронной проводимостью. Разница кинетической энергии носителей по обе стороны контакта при этом особенно велика. При движении электронов из электронного полупроводника в дырочный в месте контакта происходит рекомбинация электронов и дырок.

Электрон при этом из зоны проводимости попадает в валентную зону и энергия взаимодействия электрона и дырки переходит в тепло. Оно выделяется на контакте, и температура контакта становится больше температуры окружающей среды То, то есть Т2 > То.

Электроны в n-области и дырки в р-области оттягиваются от конт. 1. При этом электроны из валентной зоны дырочного полупроводника втягиваются полем р-n перехода в зону проводимости электронного полупроводника. Возникающие в результате термогенерации электроны и дырки движутся в сторону от контакта, а поскольку на создание элек- тронно-дырочных пар была затрачена энергия Ае, то она восполняется за счет энергии решетки. Это приводит к охлаждению контакта.

Термоэлементы характеризуются эффективностью охлаждения:

Z=α2·σ/λ,

где α — термоэлектрический коэффициент; а σ и λ — удельные электро- и теплопроводности соответственно.

Очевидно, что КПД термоэлемента тем больше, чем выше электропроводность полупроводникового материала, так как при этом уменьшается внутреннее сопротивление и потери на тепло, и тем меньше, чем больше его теплопроводность, так как при этом увеличивается поток тепла от горячего спая к холодному.

13