Экспериментальные исследования системы охлаждения элементов радиоэлектронной аппара туры, выполненной на базе плавящихся тепловых аккумуляторов с дополнительным воздушным теплоотводом

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 26, 2012.

-I-

УДК 681.382

Габитов И.А., Алхасов А.Б., Руденко М.Ф.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ, ВЫПОЛНЕННОЙ НА БАЗЕ ПЛАВЯЩИХСЯ ТЕПЛОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ВОЗДУШНЫМ ТЕПЛООТВОДОМ

Gabitov I.A., Alhasov A.B, Rudenko M.F.

EXPERIMENTAL STUDIES OF THE COOLING SYSTEM OF THE ELEMENTS OF RADIO AND ELECTRONIC EQUIPMENT, CARRIED OUT ON THE BASIS OF FLAT HEATING BATTERY WITH OPTIONAL AIR HEAT DISSIPATION

В статье рассмотрены результаты экспериментальных исследований опытного образца системы охлаждения элементов РЭА, выполненной на базе плавящихся тепловых аккумуляторов с дополнительным воздушным теплоотводом. Приведены конструкция экспериментального стенда, а также методики натурных испытаний. Экспериментальные данные представлены в виде графиков изменения во времени температуры контрольных точек системы: прибор - имитатор элемента РЭА.

Ключевые слова: охлаждение, элемент РЭА, опытный образец, натурные испытания, плавящийся тепловой аккумулятор, воздушный теплоотвод.

The article considers the results of the experimental research of the prototype of the cooling system elements Rea carried out on the basis of flat heating battery with optional air heat sink. The design of an experimental stand, as well as a methodology for full-scale tests. Experimental data are presented in the form of graphs of a change in the time of temperature control points.

Key words: cooling element Rea, prototype, full-scale tests, melting heat the battery, air cooling.

Экспериментальные исследования системы охлаждения элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений с применением плавящихся наполнителей и дополнительного воздушного теплосъема, проводились на стенде, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.

Изучение работы охлаждающей системы осуществлялось на опытном образце системы. Опытный образец охлаждающих систем представляет собой тонкостенную емкость 1, выполненную в виде прямоугольного параллелепипеда, изготовленную из меди. В осевой части емкости имеется сквозной канал 2, по отношению к которому с двух противоположных боковых поверхностей контейнера при помощи крепежных приспособлений установлены вентиляторные агрегаты 3.

При исследовании процесса плавления на две противоположные торцевые поверхности емкости устанавливается источник тепловыделений 5, в качестве которого используется плоский электронагреватель, запитываемый от источника электрического тока 6. Мощность нагревателя регулируется в диапазоне от 5 до 40 Вт.

В качестве теплового аккумулятора используется парафин.

Для измерения температуры источника тепловыделений, оболочки системы, температуры жидкости на входе и выходе емкости применяются медь-константановые термопары 7, опорные спаи которых находятся в сосуде Дьюара 8. Выходные сигналы с термопар через многоканальный переключатель 9 поступают на измерительный комплекс ИРТМ 10, к выходу которого подключается персональная ЭВМ 11, регистрирующая показания измеряемых температур через заданный промежуток времени.

А-

При проведении опыта после проверки надежности тепловых и электрических контактов, задавалось определенное значение мощности источника тепловыделений, вентиляторных агрегатов, массового расхода воды, устанавливался временной промежуток регистрации значений температуры на печать[1].

Для определения основных параметров исследуемых опытных образцов при испытаниях замерялись следующие величины: напряжение и ток на электронагревателе; температура на верхней и нижней торцевой поверхности опытного образца; температура на двух противоположных поверхностях канала, параллельных размещению электронагревателей; напряжение и ток питания вентиляторных агрегатов.

На основе разработанного макета были проведены экспериментальные исследования систем отвода теплоты от элементов РЭА с повторно-кратковременными тепловыделениями с использованием плавящихся рабочих веществ и дополнительного воздушного теплоотвода.

Результаты исследований представлены в виде графиков зависимостей изменения температуры оболочки опытного образца во времени при плавлении и затвердевании рабочего вещества, а также продолжительности полного плавления (затвердевания) рабочего агента от подводимой (отводимой) мощности.

На рис. 2-4 представлены экспериментальные зависимости температуры оболочки (торцевой поверхности емкости с веществами, с которой имеет тепловой контакт электронагреватель) в зависимости от времени при плавлении веществ. Согласно приведенным графикам с ростом количества теплоты, подводимого к поверхности емкости в единицу времени (тепловой мощности), увеличивается температура оболочки. Так, увеличение плотности теплового потока от электронагревателя с 1500 до 4500 Вт/м2 повышает температуру оболочки примерно на 45 °С при подводе теплоты к верхней торцевой поверхности емкости и на 40 °С при подводе теплоты к нижней торцевой поверхности емкости через 1,5 ч. Соответственно повышается и скорость плавления вещества. Согласно рис. 4, где приведены данные о продолжительности полного плавления веществ от плотности теплового потока нагревателя, увеличение теплоты рассеяния с 1000 до 6000 Вт/м снижает время полного плавления агентов с 4,7 до 1,1 ч. На практике это может привести к тому, что при определенных тепловых

А-

нагрузках может нарушиться нормальный режим работы элементов РЭА. Поэтому указанное обстоятельство следует учитывать при проектировании охлаждающей системы.

г, с

Рисунок 2. Зависимость температуры оболочки от времени при плавлении вещества (вещество - парафин) при подводе теплоты к верхней торцевой поверхности емкости с рабочим веществом

Тоо, К

390т

Чрэа=4500 Вт/м2

V

дРЭА=3000 Вт/м2

1080

1160

3240

дрэл= 1500 Вт/м2

-\-

4320

5400

ц с

Рисунок 3. Зависимость температуры оболочки от времени при плавлении вещества (вещество - парафин) при подводе теплоты к нижней торцевой поверхности емкости с рабочим веществом

дрэл. Вт м-

Рисунок 4. Зависимость времени полного плавления теплового аккумулятора от мощности тепловыделений

элемента РЭА, приходящихся на единицу площади

1 - при подводе теплоты к верхней торцевой поверхности емкости с рабочим веществом

2 - при подводе теплоты к верхней торцевой поверхности емкости с рабочим веществом

На рис. 5-7 приведены данные, полученные при экспериментальном исследовании охлаждения и затвердевания рабочего вещества.

Согласно полученным зависимостям применение дополнительного теплосъема при затвердевании рабочего наполнителя позволяет в значительной степени снизить время «паузы» в работе тепловыделяющего элемента РЭА. Графики показывают, что в случаях, рассмотренных при проведении натурных испытаний образцов устройства, за 1 ч температуру теплового аккумулятора с 317 К можно снизить до 305 К при использовании дополнительного воздушного теплосъема и до 295 К при использовании дополнительного жидкостного тепло-съема при отводе теплоты от нижней торцевой поверхности емкости с рабочим веществом. При использовании дополнительного теплоотвода от верхней торцевой поверхности емкости с рабочим веществом те же самые значения составляют 302 К при использовании дополнительного воздушного теплосъема и до 291 К при использовании дополнительного жидкостного теплосъема.

На рис. 7 представлены графики зависимости продолжительности полного затвердевания теплового аккумулятора от мощности дополнительной системы теплоотвода. В соответствие с этим, применение жидкостной системы дополнительного теплосъема рекомендуется в случае, когда рабочее время паузы в работе элемента РЭА незначительно и находится в жестких временных границах. В противном случае целесообразным является использование дополнительного воздушного теплосъема, реализуемого относительно более простыми методами. При этом в случае бортовой аппаратуры в подавляющем большинстве случаев предпочтение также следует отдавать системе охлаждения с дополнительным воздушном теплоотводом, не требующим специальных технических средств для функционирования.

Рисунок 5. Зависимость температуры оболочки от времени при затвердевании вещества (вещество - парафин) при отводе теплоты от нижней торцевой поверхности емкости с рабочим веществом

1 - система теплоотвода воздушная

2 - система теплоотвода жидкостная

Рисунок 6. Зависимость температуры оболочки от времени при затвердевании вещества (вещество - парафин) при отводе теплоты от верхней торцевой поверхности емкости с рабочим веществом

1 - система теплоотвода воздушная

2 - система теплоотвода жидкостная

С[с!п, Вт/м2

Рисунок 7. Зависимость времени полного затвердевания рабочего вещества при использовании от мощности

дополнительной системы теплоотвода

1 - воздушная система охлаждения

2 - жидкостная система охлаждения

По результатам экспериментов проведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных. Представленные данные определяют приемлемую точность математической модели. Максимальное расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 7-9 процентов. Наибольшее отклонение расчетных данных и опыта наблюдается, в основном, на временном промежутке до стабилизации температуры при исследовании процесса плавления веществ, а также в случае использования системы дополнительного воздушного теп-лосъема. Наличие отклонений между расчетными и экспериментальными данными объясняется определенной погрешностью математической модели (при решении тепловой задачи использован приближенный метод), а также погрешностью проведения эксперимента. Вторая составляющая погрешности, в основном, определяется влиянием окружающей среды и отсутствием тепловой изоляции системы «устройство - объект воздействия», неидеальным тепловым контактом оболочки устройства и рабочих веществ, а также некоторым разбросом параметров электронагревателя и используемых вентиляторных агрегатов.

Библиографический список:

1. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991.