Обеспечение точности и надежности изготовления аппаратуры САУ

· Обеспечение заданного теплового режима

· Теплоотвод кондукцией

· Коэффициенты теплопроводности некоторых материалов

· Теплоотвод конвекцией

 

· Обеспечение заданного теплового режима (Л8 СТР.5-6)

 

В процессе эксплуатации элементы СИВТ ЛА могут подвергаться воздействию температур неоптимальных для их функционирования. Наиболее критичны к колебаниям температуры ФЭ, для большинства которых оптимальной считается температура 20….25 0C. Предельно допустимые температурные границы для каждого ФЭ приводятся в соответствующих ТУ (например: +1…+50; -10…+70; -60…+70 и т.д.). При этом следует учитывать, что изменение температуры относительно оптимальной на каждые 10 0C в любую сторону уменьшает срок службы ФЭ приблизительно в 2 раза.

Диапазоны изменения температуры внутри объектов, где эксплуатируются СИВТ ЛА могут быть: в отапливаемых помещениях +5…+50 0C; на наземных подвижных объектах –60…+60 0C; на самолетах –70…+150 0C.

Тепловой режим СИВТ ЛА характеризуется совокупностью температур отдельных его точек (рис. 3.7).

В зависимости от стабильности во времени тепловой режим может быть стационарным и нестационарным. Стационарный режим обусловлен термодинамическим равновесием между источниками и поглотителями тепловой энергии.

При различии температуры элемента и окружающей среды между ними происходит теплообмен. Передача тепла осуществляется за счет взаимодействия частиц (атомов, молекул и т.д.) или за счет излучения электромагнитных волн. Теплообмен между твердыми телами называют теплопроводностью (или кондукцией), а между твердым телом и жидкой (или газообразной) фазой – конвекцией (т.е. с механическим перемещением нагретых частиц).

Для поддержания оптимальных температур теплового режима СИВТ ЛА используются системы обеспечения теплового режима (СОТР), каждая из которых 6 характеризуется особенностями структуры, интенсивностью теплоотвода, техническими показателями (массой, габаритами, потребляемой мощностью, стоимостью, надежностью и т. д.). СОТР различают:

По принципу действия - отвод тепла, подвод тепла и термостатирование (поддержание температуры в узком диапазоне пассивными или активными методами).

По способу передачи тепла (теплообмена) – кондукцией, конвекцией (газом или жидкостью) и излучением.

По способу поглощения тепла – при фазовых переходах (испарение жидкости, плавление твердого тела), термоэлектрический эффект, используя термоаккумулирующие свойства несущих конструкций и окружающей среды.

По типу теплоносителя – твердое тело, жидкость, газ, вакуум.

По степени использования теплоносителя – замкнутая система, разомкнутая система.

По количеству объектов – локального (т.е. обеспечивается благоприятный температурный режим отдельных элементов или частей СИВТ ЛА) и общего действия.

По оценкам специалистов в СИВТ ЛА до 90% подводимой мощности выделяется в виде тепла. Поэтому чаще всего конструктору СИВТ ЛА приходится решать задачу отвода тепла. Напряженность теплового режима СИВТ ЛА обычно выражают в виде теплового потока с единицы площади (P, например, 5 Вт/см2). В зависимости от этой величины выбирается тот или иной способ отвода тепла.

Передача тепла для всех видов теплообмена в статическом режиме выражается общей зависимостью

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 · 0C); S – площадь, через которую проходит тепловой поток, м2; Δt – разность температур между охлаждаемым элементом и окружающей средой, 0C.

 

· Теплоотвод кондукцией (Л8 СТР.6-7)

 

При расчете кондуктивного теплообмена (теплопроводности) часто пользуются методом электротепловой аналогии, т.к. процессы передачи тепла и тока физически аналогичны. Тепловой поток (Pт) принимается за аналог тока (I), разность температур (Δt) между охлаждаемым элементом и окружающей средой аналогична разности потенциалов ΔU между соответствующими точками, а тепловое сопротивление (R т) – сопротивлению 7 электрической цепи (R). В этом случае выражение (3.2) представляют в виде Pт = т k · S · Δt (где т k - тепловая проводимость, Вт/(м2 · 0C)). Выражая

где am – коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м · 0C), а l – длина пути передачи теплоты, получим

· Коэффициенты теплопроводности некоторых материалов (Л8 СТР.7-8)

В результате тепловой расчет сводится к расчету электрической цепи по законам Кирхгофа. В качестве примера рассмотрим пластину с тепловыделяющими элементами, которые создают тепловые потоки

Pт1, Pт2, Pт3 и Pт4 (рис. 3.8). Тепловая (электрическая) модель пластины приведена на рис. 3.9. Для перехода от тепловой модели к электрической заменяем: показатели температуры (T1, T2,T3, T4) электрическими потенциалами (U1, U2, U3, U4), тепловые сопротивления (Rm1, Rm2, Rm3, Rm4, Rm5, Rm6) – омическими (R1, R2, R3, R4, R5, R6), а тепловые потоки (Pт1, Pт2, Pт3, Pт4) – токами (I1, I2, I3, I4). Температуру окружающей среды (и соответствующий потенциал) обозначим Tос (и Uос). Далее для каждого из узлов составляется система уравнений Кирхгофа, из решения которых находятся неизвестные величины.

 

· Теплоотвод конвекцией (Л8 СТР. 8-11)

 

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) (рис. 3.11).

В невесомости естественная конвекция отсутствует. Конвекционный теплообмен может быть усилен поглощением теплоты при испарении (парообразовании). Выражение (3.2) для определения теплового потока при конвекции (Pк) имеет вид

Pк = kк · S · Δt,

       где kк – коэффициент теплоотдачи конвекцией от ФЭ в окружающую среду, Вт/(м2 · 0C).

Значения kк сложным образом зависят от многих факторов: формы поверхности, ее ориентации, скорости движения среды, ее вязкости, плотности, характера движения (ламинарное или турбулентное) и т.д. Примерные значения kк для некоторых видов конвективного охлаждения приведены в таблице 3.2.

Системы воздушного конвективного теплообмена (естественного или принудительного) используются в большинстве наземных. Эффективность естественного воздушного охлаждения повышается с использованием теплообменников с развитой поверхностью, называемых радиаторами (рис. 3.12).

Для принудительного воздушного охлаждения обычно используют малогабаритные осевые вентиляторы (одиночные или объединяемые в блоки).

Применение воздушного охлаждения в бортовых СИВТ ЛА ограничено понижением плотности воздуха с ростом высоты и значительными габаритами радиаторов и вентиляторов. Поэтому для бортовых СИВТ ЛА чаще используют жидкостные замкнутые СОТР (рис. 3.13). В качестве жидких теплоносителей в них используют воду, аммиак, спирты, этиленгликоль и др. Эти же жидкости обычно применяют и в испарительно-конденсационных СОТР.

Одной из наиболее эффективных испарительно-онденсационных систем являются теплоотводящие устройства, называемые тепловыми трубами и работающие по принципу замкнутого испарительно-конденсационного цикла, основанного на испарении жидкости в зоне подвода теплоты, передаче теплоты с потоком пара, конденсации пара в зоне отвода теплоты и возвращении жидкости в зону подвода теплоты за счет капиллярных или гравитационных сил. Тепловая труба (рис. 3.14) представляет замкнутую вакуумированную камеру, внутренняя поверхность которой облицована капиллярной структурой (фитилем), заполненной конденсатом рабочей жидкости. В качестве фитиля 11 могут использоваться ткани, керамика или тканная стальная сетка. Коэффициент теплопроводности тепловых труб на 1-2 порядка превышает теплопроводность меди.