Испарительные системы охлаждения РЭС.

Конструктивные особенности РЭА с испарительным охлаждением:

Естественное испарительное охлаждение обычно позволяет повысить удельную мощность рассеивания РЭА и применяется для теплонагруженных блоков и больших элементов. Охлаждаемая поверхность погружается в жидкость, над которой имеется паровой объем, отвод тепла осуществляется в процессе кипения жидкости на охлаждаемой поверхности. Движение теплоносителя происходит за счет разности плотностей. Разность температур между охлаждаемой поверхностью и кипящей жидкостью обычно мала, поэтому температура кипения выбранного теплоносителя при определенном давлении должна быть чуть ниже заданной в ТЗ допустимой температуры охлаждаемой поверхности.

Рассматриваемый способ охлаждения радиоэлектронной аппаратуры имеет ряд особенностей. При определенных значениях удельных мощностей рассеивания жидкость на охлаждаемой поверхности начинает кипеть, возникают пузырьки, которые отрываются от этой поверхности, и движутся к границе раздела жидкость — пар. Движение пузырей вызывает перемешивание жидкости вблизи центров парообразования. По мере роста мощности, рассеиваемой охлаждаемой поверхностью, количество действующих центров парообразования и частота отрыва пузырей возрастает, и коэффициент теплоотдачи увеличивается. Этот режим кипения называется пузырьковым и часто применяется при естественном испарительном охлаждении РЭА. При значительном увеличении рассеиваемой охлаждаемой поверхностью мощности, возникающие на этой поверхности пузыри сливаются в сплошную пленку, которая оттесняет жидкость, от поверхности, и условия теплоотдачи резко ухудшаются. Этот режим кипения называется пленочным и сопровождается резким повышением температуры охлаждаемой поверхности. Значения удельной мощности рассеивания, коэффициента теплоотдачи и других параметров, соответствующих переходу пузырькового режима кипения в пленочной, называют критическими, а само явление — кризисом кипения. Возникновение кризиса кипения зависит от многих факторов, но главным образом от типа теплоносителя, удельной рассеиваемой мощности и характера охлаждаемой поверхности. Возможен и обратный переход: от пленочного кипения к пузырьковому. Поэтому различают два кризиса кипения, первый при переходе от пузырькового к пленочному, второй — от пленочного к пузырьковому.

Рис. 5.1 Зависимость коэффициента теплоотдачи α от плотности теплового потока q при естественном испарительном охлаждении

На рис. 5.1 приведена зависимость коэффициента теплоотдачи α от удельной рассеиваемой мощности при естественном испарительном охлаждении. Как следует из этого рисунка, при увеличении удельной рассеиваемой мощности коэффициент теплоотдачи увеличивается по кривой АК₁. При некотором значении удельной рассеиваемой мощности q_кр2 происходит скачкообразное уменьшение коэффициента теплоотдачи, что соответствует переходу от пузырькового к пленочному режиму кипения — первому кризису кипения. При дальнейшем увеличении рассеиваемой мощности коэффициент теплоотдачи меняется по кривой К₂В. При снижении нагрузки и некотором значении q_кр1 (q_кр1 <q_кр2) происходит переход от пленочного к пузырьковому кипению — второй кризис кипения. На практике обычно q_кр1 ~ 0,25q_кр2. При конструировании РЭА с естественным испарительным охлаждением необходимо обеспечить пузырьковый режим кипения при всех возможных на практике рабочих и аварийных нагрузках РЭА.

Естественное испарительное охлаждение считается одним из перспективных. Схемы могут быть весьма разнообразны, однако общим для всех является использование испарения и кипения жидкости для отвода тепла и отсутствие механических устройств для движения жидкости и пара. Широкое применение получают фитильные испарительные системы и так называемые «тепловые трубы». В этих системах для транспортировки жидкости используется капиллярный эффект. Охлаждаемая поверхность не погружается в жидкость, а смачивается жидкостью, которая находится в капиллярах фитиля, обволакивающего поверхность. Отвод тепла от охлаждаемой поверхности осуществляется испарением жидкости из капилляров фитиля. Как и в описанном выше случае, при определенных значениях теплового потока режим испарения переходит в режим пузырькового кипения. При дальнейшем увеличении теплового потока и более интенсивном пузырьковом кипении происходит «запаривание» капиллярной структуры, паровые пузыри сливаются в крупные образования, резко падает коэффициент теплоотдачи. Таким образом, кризис кипения в этих системах может иметь место при тепловых потоках, соответствующих режиму развитого пузырькового кипения теплоносителя.

Принудительное испарительное охлаждение выполняется примерно по такой же схеме, как и принудительное жидкостное охлаждение. Жидкость с помощью насоса прокачивается через специальные каналы в охлаждаемых узлах. Если допустимая температура охлаждаемой поверхности будет выше температуры насыщения теплоносителя при данном давлении, а температура теплоносителя в ядре потока поддерживается равной или меньшей температуры насыщения, то в небольшом поверхностном слое вблизи охлаждаемой поверхности начнется процесс пузырькового кипения. Возникающие в поверхностном слое пузыри будут под действием потока жидкости удаляться с поверхности и конденсироваться в ядре потока. Зарождение, движение и конденсация паровых пузырей вызывают интенсивный теплообмен между поверхностным слоем и ядром потока жидкости (особенно, если оно недогрето). При этом плотность теплового потока может достигать очень больших величин. Предельные мощности рассеивания ограничены переходом пузырькового режима кипения в пленочный. Однако благодаря интенсивному движению холодного ядра жидкости кризис кипения при принудительном испарительном охлаждении наступает при гораздо более высокой мощности рассеивания, чем при естественном испарительном охлаждении. Принудительное испарительное охлаждение является самым эффективным из всех перечисленных способов охлаждения и позволяет обеспечить нормальный тепловой режим РЭА при максимальных удельных мощностях рассеивания.

Рассмотрим еще ряд специальных способов охлаждения, не получивших широкого распространения.

В некоторых исследованиях предлагается использовать для охлаждения РЭА вместо воздуха другие газы. В табл. 1 приведены относительные значения основных параметров некоторых газов по сравнению с воздухом при атмосферном давлении и температуре газа 273 К (20°С).

Таблица 5.1

Относительные параметры газовых теплоносителей

Сравнение проведено при условии, что все газы снимают одинаковые тепловые нагрузки при одинаковых температурах газов на входе и выходе канала и турбулентном течении. Отметим, что применение специальных газов для охлаждения РЭА связано с большими конструктивными трудностями и может быть оправдано при создании герметичных замкнутых контуров с постоянной подпиткой в условиях, когда любой газ необходимых параметров, в том числе и воздух, одинаково трудно приготовить. Такие условия могут наблюдаться в контейнерах высотных самолетов и космических аппаратов.

Для защиты элементов РЭА от внешних воздействий: вибрации, ускорений, понижения давления, влажности и запыленности атмосферы — применяются заливочные компаунды. Для облегчения теплового режима аппарата, залитого компаундом, используются компаунды с высоким коэффициентом теплопроводности (теплопроводные компаунды). Увеличение теплопроводности компаунда достигается применением специальных наполнителей, таких как медная и алюминиевая пудра, молотая двуокись кремния и пр. Применение наполнителя не должно ухудшать физико-химические параметры компаунда и технологические качества при заливке. Применение лучших теплопроводных компаундов позволяет увеличить коэффициент теплопроводности по сравнению с обычными до 10 раз и, следовательно, значительно снизить перегревы элементов РЭА, залитых компаундом.