Тепловое моделирование конструкций герметичных ЭС с принудительным воздушным охлаждением.

Принудительное воздушное охлаждение находит широкое применение в конструкциях ЭС. Это объясняется следующими причинами: удельная тепловая нагрузка конструкций имеет тенденцию роста при установившихся показателях теплоустойчивости элементной базы; наличие доступного и дешевого теплоносителя; относительная простота конструкций нагнетателя (вентилятора) и воздуховодов. Вместе с тем системам принудительного воздушного охлаждения свойственны и существенные недостатки, такие как наличие акустических шумов и вибрации, увеличение объема и массы конструкций РЭС, снижение надежности изделия и увеличение затрат энергии на охлаждение.

Используются три системы принудительного воздушного охлаждения: приточная, вытяжная и приточно-вытяжная.

Приточная система (рис. 1, а) характеризуется тем, что воздух под давлением, создаваемым нагнетателем, поступает в конструкцию, отбирает тепло от элементов и выбрасывается в окружающую среду или поступает в вытяжной воздуховод (коллектор). В вытяжной системе (рис. 1, б) вентилятор устанавливается на выходе воздуха и отсасывает воздух из кожуха конструкции.

В приточно-вытяжной системе вентиляторы устанавливают на входе и выходе воздуха (рис. 1, в).

Рис. 1. Схемы принудительного воздушного охлаждения:

а — приточная; б — вытяжная; в — приточно-вытяжная

Названные системы обладают определенными достоинствами и недостатками. Так, например, достоинством приточной системы является повышенное давление воздуха на входе, что способствует повышению эффективности теплообмена (вентилятор создает полное давление p^*= p_ст +ρV²/2). В вытяжной системе воздух на входе имеет давление несколько ниже нормального (ρV²/2 не работает) и поэтому менее эффективен как теплоноситель. Приточная и вытяжная системы имеют общий недостаток: они не препятствуют утечкам воздуха. Этого недостатка лишена приточно-вытяжная система охлаждения, позволяющая в несколько раз снизить утечки. Кажущаяся сложность приточно-вытяжной системы компенсируется лучшими экономическими показателями особенно в стойках и шкафах ЭВС.

Обратимся к конструкции блока ЭВС с принудительным воздушным охлаждением, схематично изображенного на рис. 2, а. Поток охлаждающего воздуха протекает между поверхностью нагретой зоны 2 и кожухом 1 и осуществляет внешний обдув нагретой зоны. Температура воздуха на входе системы охлаждения t _вх, на выходе — t _вых. Поверхности нагретой зоны и кожуха считаются изотермическими и имеют среднеповерхностные температуры t _зи t _к. Предполагается, что воздушный поток прозрачен для излучения.

Рис. 2.Тепловая модель блока РС с принудительным воздушным охлаждением:

а — упрощенное изображение конструкции; б — тепловая схема

Теплообмен в блоке происходит следующим образом. Тепловой поток Р,выделяемый элементами нагретой зоны, разделяется на две составляющие, одна из которых (Р₁) конвекцией передается воздушному потоку, вторая составляющая (Р₂) — излучением на кожух блока. С кожуха часть тепла Р₃ рассеивается в окружающей среде (конвекция и излучение), другая часть Р₄ уносится воздушным потоком (конвективная теплопередача).

Тепловая схема процесса теплообмена блока приведена на рис. 2, б. На схеме приняты следующие обозначения: σ _{3 к} — тепловая проводимость между нагретой зоной и кожухом блока; σ_{к с} — тепловая проводимость кожух—окружающая среда; σ_{3 в}, σ_{к в} — тепловые проводимости от нагретой зоны и кожуха к воздушному потоку.

По тепловой схеме составляются алгебраические уравнения, связывающие показатели теплового режима:

Р = Р₁ + Р₂; Р₂ = Р₃ + Р₄;(1)

Р = σ_{з в} (t_з- t _в)+ σ_{з к} (t_з- t _к);

σ_{з к} (t_з- t _к) = σ_{к с} (t_к- t _с) + σ_{з в} (t_к- t _в), (2)

где t_в = 0,5(t_вх + t_вых) — среднее значение температуры охлаждающего воздуха.

Третье уравнение, необходимое для получения решения, записывается в предположении, что все тепло, кроме рассеиваемого в окружающем пространстве, расходуется на повышение теплосодержания воздушного потока:

Р = σ_{к с} (t_к- t _с) + w(t_вых - t_вх) (3)

где w = G_v ρ c_p — условная тепловая проводимость воздушного потока G_v — объемный расход воздуха в системе охлаждения; ρ, c_p— плотность и удельная теплоемкость воздуха при температуре t _в.

Неизвестными в уравнениях (1)—(3) являются среднеповерхностные температуры корпуса t _к и нагретой зоны t _з , а также температура воздуха на выходе системы охлаждения t _вых. Совместное решение уравнений дает возможность выразить эти температуры, если бы от них не зависели тепловые проводимости. Поэтому задача может быть решена методом последовательных приближений или тепловой характеристики.

Конвективные коэффициенты теплопередачи от нагретой зоны и внутренней поверхности кожуха находят, используя модели продольного или поперечного обтекания тел воздушным потоком. Процесс теплообмена определяется в основном режимом течения (ламинарный, переходный, турбулентный) и физическими параметрами газа. Критериальное уравнение устанавливает зависимость между критерием Нуссельта и критерием Рейнольдса:

Nu = c Reⁿ,

где с, n – эмпирические коэффициенты.

Критерий Re = V_ср d_экв/ν определяет режим течения газа вдоль теплоотдающей поверхности. При Re < 2300 в каналах реализуется ламинарное течение, при Re > 10⁴ – турбулентное, а при 2300 < Re < 10⁴ - переходный режим течения.

Критерий Рейнольдса определяется при средней скорости течения в узком сечении канала V_ср и эквивалентном диаметре того же сечения d_экв.

Конвективный коэффициент теплопередачи от кожуха в окружающее пространство находят для случая естественной конвекции в неограниченном пространстве.

Наличие в нагретой зоне блока каналов для протекания воздуха изменяет подход к построению тепловой модели и усложняет саму модель.