roboforum.ru

2.7. Конструкторские расчёты.
2.7.1. Расчёт теплового режима блока.

В радиоэлектронных устройствах для отвода тепла, выделяемого радиодеталями и узлами, и снижения их температуры широко применяется как естественная так и принудительная вентиляция. Когда мощность, рассеиваемая теплонагруженными элементами превышает 500 Вт на квадратный метр, применяется принудительная вентиляция, при меньшей мощности - естественная.
Принудительная вентиляция обеспечивается специальными устройствами, которые прогоняют воздух через внутренний объем аппарата.
Естественная вентиляция имеет место в аппаратах с перфорированным кожухом, у которого поток воздуха через внутренний объем создается за счет уменьшения его плотности в аппарате при нагревании.
В конструкции электронного замка имеются технологические отверстия, расположенные на нижней части корпуса, и перфорированные отверстия в верхней части.
Пусть известна мощность, рассеиваемая в аппарате, и его геометрические размеры.
Выражения для температуры перегрева над окружающей средой нагретой зоны, кожуха и воздуха внутри аппарата  с учетом того, что   и, следовательно,   будут иметь вид:
 
                                          /3/    
 
При естественной вентиляции, неизвестным является расход воздуха через аппарат. Этот расход воздуха, является функцией соотношения температуры воздуха во внутреннем объеме аппарата, и его температурой на входе и выходе, а также площади отверстий в кожухе и шасси для воздушного потока.
Массовый расход воздуха связан с температурой и геометрическими размерами аппарата выражением:
 
где    - коэффициент расхода воздуха (для перфорированного кожуха  );
  - площади отверстий в 1-й, 2-й области кожуха и шасси;
  - расстояние между отверстиями в верхней и нижней части кожуха;
  - абсолютные температуры среды, воздуха в аппарате, нагретой зоны, и воздуха на выходе;
  - плотность воздуха на входе в аппарат.
Тепловые проводимости   входящие в тепловые коэффициенты   являются функцией искомых температур. 
Следовательно, задача является нелинейной и ее решение может быть выполнено методом последовательных приближений.                                    /3/
Предварительно оценим ориентировочно тепловой режим аппарата, для чего упростим выражения для тепловых коэффициентов приняв следующие допущения.
1. Теплообмен между нагретой зоной и кожухом, а также последним и окружающей средой слабо влияет на тепловой режим аппарата в перфорированном кожухе и соответствующие коэффициенты примем приближенно равными:
 ,     
и следовательно
        
где  - площадь поверхности нагретой зоны, участвующая в лучистом теплообмене, равная  
Здесь   - высота нагретой зоны.
Площадь кожуха  рассчитывается без учета площади отверстий перфорации. Этим самым компенсируется ошибка, связанная с принятыми допущениями    при    рассмотрении    тепловых    процессов    вентилируемых аппаратов, об отсутствии лучистой тепловой связи между зоной и средой через отверстия в кожухе.
2. Коэффициенты теплоотдачи конвекцией внутренних поверхностей
аппарата (поверхности нагретой зоны, кожуха) принимаются равными
 .
Эти коэффициенты для различных конструкций аппаратов в широком диапазоне  изменения  тепловых  нагрузок  изменяются  незначительно   и  в среднем можно признать равными:
 
Отсюда тепловые проводимости   могут быть выражены по формулам:
     
Здесь    - площадь поверхности нагретой зоны, участвующая в конвективном теплообмене.
 
где n - количество деталей, установленных на шасси.
3. Площадь внутренней поверхности кожуха принимается равной наружной поверхности:
  
При принятых допущениях тепловые коэффициенты будут равны:
 
 
 
 Весовой расход воздуха через аппарат, когда среднеобъемная температура в аппарате близка к 40°С, а температура среды 20°С, можно определить из выражения:
 
  - среднее расстояние между входными и выходными отверстиями
 
Здесь   - суммарная площадь отверстий для прохода воздуха на входе и на выходе.
  - средняя площадь поперечного сечения аппарата, свободная для прохода воздуха.
Удельная теплоемкость воздуха в широком диапазоне температур 20-60°С практически не изменяется и равна  . При этом удельное теплосодержание воздуха, протекающего через аппарат будет
 
так на основании принятых допущений, линеаризованы тепловые коэффициенты  , что позволяет рассчитать перегревы аппарата, не прибегая к методу последовательных приближений.
Рассчитаем тепловой режим конструкции блока замка в перфорированном кожухе при естественной конвекции коэффициентным методом.
1. Определяем площадь и объем кожуха.
 
                                                                                          /9/      
Кожух электронного замка имеет габариты: 128х106х35 мм, 
отсюда: 
    
 
2. Коэффициент заполнения   
3. Определяем площадь излучающей поверхности нагретой зоны.
    где:
 - размер основания приведенной нагретой зоны.
 
Следовательно,
 
4. Определяем реальную площадь теплоотдающих поверхностей нагретой зоны, равную сумме площадей всех деталей.
ПП размером 54х31х1,5 мм и соленоида 54х31х16. 
Отсюда находим:
  
5. Определяем приведенную площадь отверстий:
                   /3/
Здесь 
 - суммарная площадь отверстий дна и боковой поверхности
 - суммарная площадь отверстий в крышке и боковой поверхности
В нашем случае перфорация выполнена на верхней части замка, 10 отверстий диаметром 4 мм, и на нижней части замка 10 отверстий диаметром 4 мм.
 
 
 
6. Определяем удельную мощность, рассеиваемую с поверхности
нагретой зоны
  
 ,   
  (из поверочного расчета)
Находим удельную мощность: 
     
 


По графикам /14/ определяются  и коэффициенты:
   Блок питания
 
35 °C   
 
0,96
 
0,2
 
0,096
 
0,95
 
1
 
1,04
 
1,45
                  
8. Рассчитываем перегрев зоны и корпуса блока
             /3/
 
      
9. Тепловые характеристики концентратора малой емкости:
•   мощность, рассеивания контроллером в пассивном режиме 0,2 Вт;
•   мощность, рассеивания контроллером в активном режиме 6,6 Вт;
•   температура окружающей среды 20 °С;
•   среднеповерхностная температура замка 0,05 °С;
•   средняя температура нагретой зоны замка 18,5 °С.
Тепловой режим конструкции электронного замка 11630.60.4 показал, что при максимальной выделяемой мощности 6,6 Вт нагретой зоной сосредоточенной внутри корпуса замка с естественным воздушным охлаждением, при температуре окружающей среды 20 °С обеспечивается стационарный тепловой режим, которой характеризуется неизменностью температурного поля во времени, в следствии наступления термодинамического баланса между источниками и поглотителям тепловой энергии.