§ 3.3. Теплоотвод конвекцией

Перенос теплоты конвекцией связан с движением жидкой или газообразной среды, соприкасающейся с твердым телом (элементом конструкции). Тепловая энергия передается при конвекции как между твердым телом и средой, так и в самой среде. Конвекция называется естественной, если она осуществляется при свободном движении среды за счет разности плотностей холодной и горячей ее областей, и принудительной, если движение среды происходит за счет внешних сил (вентилятора, насоса). В невесомости естественная конвекция отсутствует. Конвекционный теплообмен может быть усилен поглощением теплоты при испарении (парообразовании). Передача теплоты с помощью конвекции подчиняется закону Ньютона — Рихмана: , где — мощность теп­лового потока, Вт, переносимого при конвективном теплообмене газом или жидкостью в окружающую среду или из окружающей среды; —коэффициент теплоотдачи конвекцией от компонента к окружающей среде, Вт/(м²-К); S —площадь поверхности тепло­отдачи, м²; — перегрев поверхности относительно окружающей среды или среды относительно поверхности, К.

Значения для различных конвективных способов охлаждения приведены в табл. 3.3. Конкретное значение определяется физико-механическими и кинематическими свойствами жидкостей или газов, скоростью их перемещения; формой, шероховатостью и размерами поверхностей, соприкасающихся с хладоагентом, и т. д. Например, на интенсивность теплообмена при свободной конвекции влияет около десяти физических и геометрических величин. На основе теории подобия можно объединить физические и геометрические параметры; в этом случае тот же процесс мож­но описать с помощью небольшого числа безразмерных комплек­сов. К наиболее используемым безразмерным комплексам отно­сятся следующие критерии подобия: Нуссельта (Nu), Грасгофа (Gr), Прандтля (Рг), Рейнольдса (Re) и др. Они определяются соотношениями

Таблица 3.3 Значения коэффициентов теплопередачи , Вт/(м²К)

Охлаждающая сред, процесс	Движение среды
	свободное	вынужденное
Газ Вязкая жидкость (масла) Вода Кипящая вода Конденсация капель водяного пара Конденсация паров органических жидкостей	2...10 200...300 200...600 500...40000 1000... 100 000 200...2000	10...100 300...1000 1000...3000 500...40 000 ' 1000... 100 000 200...2000

где — коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м-К); — коэффи­циент объемного расширения жидкости или газа, 1/К; v—коэф­фициент кинематической вязкости среды, м²/с; а—коэффициент температуропроводности, м²/с; g—ускорение силы тяжести, м/с²; V— скорость потока жидкости или газа, м/с; L — определяющий размер конструкции, м (это может быть длина обтекания элемента или узла конструкции, длина пластины или цилиндра). Коэффициент можно вычислить через коэффициент Нуссельта:

На основании значения критериев подобия можно определить характер течения хладоагента (ламинарное, турбулентное), от которого зависят эффективность теплоотвода (величина а) и уровень шума, вызванного движением хладоагента. Так, при теплообмене естественной воздушной конвекцией в неограничен­ном пространстве (проводной монтаж одиночными проводниками) условие ламинарного течения: GrPr= 1000...500, для вынужден­ной конвекции — это условие Re<4-10⁴. Для теплообмена при вынужденном движении в трубах Re < 2200 и значение крите­рия Нуссельта может быть найдено из зависимости , где — значение критерия Нуссельта для случая ламинарного течения жидкости в трубе; — коэффициент Прандтля для охлаждающей среды (жидкости) в центре потока; — коэффициент Прандтля для жидкости в пристенном участке; e_L — поправочный коэффициент, зависящий от соотношения диаметра и длины трубы и определя­емый по таблице. Аналогичные экспериментально найденные формулы существуют и для других вариантов конвективного теплообмена; они могут быть взяты из справочных матери­алов.

Рис. 3.8. Радиаторы воздушного охлаждения:

а—в 'виде пластины; 6—в виде группы пластин; в — игольчатый; г—с пластинами по периферии; д — с перфорированными пластинами; е—спиральный

Системы воздушного конвективного теплообмена (естествен­ного или принудительного) используются в 90...95% наземных РЭС. Применение этих систем для бортовых РЭС ограничено из-за больших габаритов системы воздушного охлаждения и низкой плотности воздуха на высоте более 12 км.

Рис. 3.9. Радиаторы воздушного охлаждения для БИС:

а — 3-реберный радиатор; 1 — дисковые ребра радиатора, 2—БИС; Р=3 Вт; б—10—реберный _и радиатор; Р=10 Вт; е — микросборка с четырьмя 10-реберными радиаторами; /' = 40 Вт; г — корпус типа 421.48-

Для интенсификации воздушного охлаждения широко используют теплообменники с развитой поверхностью (рис. 3.8), называ­емые радиаторами. При выборе конструкции радиатора следует учитывать тип производства. В единичном производстве применимы радиаторы, изготовляемые фрезерованием (рис. 3.8, б, г), а в серийном производстве может быть использовано литье под давлением (рис. 3.8,6, в) или штамповка (рис. 3.8, г, д). Спираль­ный радиатор имеет высокую эффективность, но низкую технологичность из-за трудности равномерной припайки спиралей к пластинам. Радиаторы, показанные на рис. 3.9 а — в, используют за рубежом (Япония) благодаря меньшим габаритам и стоимости воздушной системы охлаждения по сравнению с жидкостной.

Для принудительного воздушного охлаждения стоек, шкафов, пультов и блоков часто используют малогабаритные осевые вентиляторы (табл. 3.4, рис. 3.10). К недостаткам этих вентиля торов относится высокий уровень шума и сравнительно неболь­шой напор воздуха (это затрудняет их использование для РЭС, имеющих значительное аэродинамическое сопротивление воздуш­ных каналов).

Таблица 3.4 Характеристики малогабаритных осевых вентиляторов

Тип вентиля- тора	Параметр				Размеры компо вентиляторов для новки РЭС^1 мм			Масса, кг
	произво-дитель- ность, м^3/мин	Скорость враще- ния, мин"^1	потреб-ляемая мощ- ность, Вт	звуко- вое давле- ние, дБ
					диаметр крыль- чатки	сторона фланца	высота корпуса
ВМ-2	2,5	2200	20	65		129	39	0,6
ВВФ-36	0,25					40	32	0,5
ВВФ-45	0,35	2800	16	60		50	40	0,6
ВВФ-56	0,45					62	42	0,7
ВВФ-71	0,75	2850	22	55		80	42	0,8
ВВФ-90	1,50	2820	20	55		100	42	0,9
ВВФ-112М	2,30	2720	20	48		120	42	1,0
ВВО-140М	1,5				140	80	60	1,2
ВВО-180М	3,50				180	80	70	1,3
ВВО-224М	6,50	2310	20	55	224	100	75	1,5
ВВО-280М	10,0				280	100	80	2,0

Для принудительной вентиляции сложных стацио­нарных РЭС используют центробежные вентиляторы (табл. 3.5, рис. 3.11) значительной мощности и габаритов, работающие на приток (рис. 3.11, а), приток или вытяжку (рис. 3.11,в) или приток/вытяжку (рис. 3.11,б,г). Перегородка 3 на рис. 3.11, в позволяет разделить верхнюю и нижнюю части стойки с целью уменьшения перепада температуры.

Рис. 3.10. Конструкция блоков охлаждения:

1 — крыльчатка; 2—электродвигатель; 3—несущая панель; 4—фильтр от пыли; 5 — защитная решетка; 6 — блок осевых вентиляторов

Таблица 3.5 Характеристики вентиляторов для подвижных РЭС

Тин вентилятора	Произво-дитель- ность, М^3/Ч	На- пор, Па	Тип двига- теля	Потреб- ляемая мощ- ность, Вт	Скорость враще- ния, мин"^1	Габариты, мм	Мас- са, кг
Осевой	700	120	УАД-74	30	1280	300 х 300 х х 165	4,2
Осевой	300	60	УАД-32	7	2700	235х235х х 128	1,2
ВН-8	—	—	—	25	2750	140х140х х190	0,8
Центробежный	1500	600	АОЛ-2-22-4	1500	1450	605х 612х хбЮ	78
Ц13-69 Центробежный»	100 60	150 120	ДАТ-100 ОД-7А	100 7	8000 7000	129х165х 75-120-	1,6 0,5
Осевой	2200	240	АОЛП-12-10	270	4600	270 х 270 х х278	6,7

На рис. 3.11, д показан характер изменения температуры по высоте стойки (рис. 3.11, г) Для снижения температуры использованы трубы водяного охлаждения.

В тех случаях, когда необходимо интенсифицировать теплоотвод при одновременном снижении уровня шума, используют жидкостные конвективные системы охлаждения. Ввиду того, что жидкий хладоагент имеет более высокий коэффициент теплоотдачи а (из-за большой удельной теплоемкости и плотности), его скорость (а следовательно, и шум) может быть снижена. Однако поглощение выделяемой теплоты окружающей средой требует, как правило, применения (рис. 3.12) жидкостно-воздушных теплообменников, создающих шум, но расположенных вне охлажда­емого объекта.

Рис. 3.11. Варианты различных принудительных систем воздушного охлаждения стационарных

Уровень шума можно уменьшить, используя теплообменники типа жидкость-жидкость (например, поглощать энергию за счет нагрева забортной или водопроводной воды). Жидкостные СОТР являются сложными системами, что обусловливает их высокую стоимость при изготовлении и эксплуатации. Тем не менее, эти системы широко используют в бортовых РЭС, так как удельная масса лучших самолетных жидкостных СОТР составляет 9...11 кг на киловатт отводимой мощности.

Таблица 3.6 Основные параметры жидкостей, используемых в испарительных СОТР (при нормальном давлении)

Жидкость	Температура, ^0С		Теплота парообразования, кДж/кг	Плотность, кг/м^3
	кипения	плавления
Вода Этиловый Аммиак Углекислота Фреон-142 Фреон-12 Фреон-22;. Фреон-14 Этиленгликоль	+ 100 + 78 -33 -79 -10 -30 -85 -128 + 197	0 -115 -78 -57 -130 -155 -160 -184 -12	2259 860 1370 575 224 170 234 143,5 -	1000 790 683 1155 1205 1394 1285 1960 -

Обычно жидкостные СОТР разрабатывают и поставляют специа­лизированные субподрядные организации. Хладоагент в жидкостных системах может быть изолированным от охлаждаемых элементов и транспортироваться с помощью трубопроводов (рис. 3.12) либо непосредственно омывать охлаждаемые элементы (рис. 3.13). Охла­ждающая жидкость, в которую погружаются элементы (например, генераторные лампы), должна обладать рядом свойств: химической инертностью по отношению к металлам и диэлектрикам (примерно такой же, как сжиженные инертные газы); небольшой и сравнительно стабильной во всем температурном диапазоне диэлектрической проницаемостью ( = 1,6... 1,9); небольшими потерями (tg <2-10^-3) в диапазоне частот до 500 МГц; высокой электрической прочностью (до 200 кВ/см) при температурах кипения, не ухудшающейся после многократных электрических пробоев; теплофизическими свойствами, лучшими, чем у трансформаторного масла и кремнийорганических жидкостей. Этим требованиям в наибольшей степени сегодня удовлетворяют (табл. 3.6) фторорганические жидкости (фреоны). Кроме того, фреоны позволяют осуществить теплоотвод при сравнительно низких температурах (из-за низкой температуры кипения). Однако в будущем производство и применение фреона будет ограничено по экологическим соображениям. В системах с изолированным жидким теплоносителем используют воду, аммиак и др., иногда в качестве хладоагента применяют этиленгликоль. Эти жидкости могут быть использованы и для испарительно-конденсационных систем.

При разработке жидкостных систем следует учитывать, что причинами коррозии компонентов СОТР могут быть электрохимическая активность, высокая тем­пература, органические и механические примеси, рентгеновское излучение. Поэтому для исключения коррозии следует избегать использования материалов, далеко отсто­ящих друг от друга в ряду активности. Нежелательно применять резины, особенно в системах, использующих в качестве теплоносителя смеси этиленгликоля с дистиллированной водой. Шланги, в том числе и гибкие, следует выполнять из полиэтилена, а трубопроводы — из нержавеющей стали. Для умень­шения передачи вибрации применяютметаллические сильфонные шланги. Использование шлангов, имеющих разъемы с автоматическими клапанами, исключающими вытека­ние жидкости при разборке, позволяет улучшить ремонтопригодность жидкостной СОТР (возможен ре­монт без слива жидкости). Общим достоинством жидкостных и испарительных систем является постоянство температуры охлаждающей среды.

Рис. 3.12. Система жидкостного охлаждения оснований двух блоков:

/ — охлаждаемые основания; 2—систе­ма трубопроводов;

3 — воздушно-жидкостный радиатор с вентилятором; 4— бак-накопитель жидкости и компенсатор температурных расширений; 5—насос

Однако если температура превышает некоторое критическое значение, то у стенки образуется сплошная пленка пара и эффективность теплоотвода падает. Теплоотвод ухудшается и при наличии ламинарной пленки при течении теплоносителя. Применение различных систем различных систем конвек­ционного теплоотвода иллюстрирует диаграмма, представленная нарис. 3.14, где по оси ор­динат отложен перегрев поверхности элемента относительно окружающей среды, по оси абсцисс — плотность теплового потока g.

Рис. 3.13. Конструкция экспериментального высокочастотного блока, собранногона лампе ГУ-27А: 1 — лампа; 2—шаровой вариометр; 3— конденсатор постоянной емкости для связи с антенной; 4—анодный дроссель; 5—сеточный дроссель

Верхнюю часть диа­граммы используют для выбора системы охлажде­ния крупных элементов — мощных ламп, магнитов, дросселей и т. д., ниж­нюю— для выбора системы охлаждения блоков и стоек микроэлектронной аппаратуры.

Рис. 3.14. Применение способов конвектив­ного охлаждения в зависимости от плот­ности теплового потока и перегрева: 1—свободное воздушное; 2—свободное и прину­дительное воздушное; 3 — принудительное воздуш­ное; 4—принудительное воздушное и жидкостное; 5—принудительное испарительное; 6—принуди­тельное жидкостное и свободное испарительное; 7—принудительное жидкостное, принудительное и свободное испарительное; 8—принудительное жидкостное и свободное испарительное; 9—сво­бодное и принудительное испарительное