Теплоотвод конвекцией

При конвективном отводе теплоты используют воздушное естест­венное, принудительное и водо-воздушное охлаждение. При высоких требо­ваниях к стабильности параметров схем применяют термостатирование узлов и блоков.

Естественноеохлаждение используется в бытовой аппаратуре сплотностью тепловых потоков от охлаждаемых поверхностей не более 0,05 Вт/см². Метод охлаждения естественной конвекцией, являясь самым простым, требует повышенного внимания конструктора к вопросам рацио­нальной компоновки по критерию обеспечения нормального теплового ре­жима. При компоновке необходимо стремиться к равномерному распреде­лению выделяемой мощности по всему объему изделия. Компоненты и узлы с большими тепловыделениями необходимо располагать в верхней части корпуса или вблизи стенок, критичные к перегреву компоненты — в нижней части, защищать тепловыми экранами.

Блестящий экран, разделяющий теплонагруженные и чувствительные к перегреву модули, снижает лучистый тепловой поток приблизительно вдвое. В целях выравнивания температуры поверхности внутри аппаратуры теплонагруженные модули должны иметь высокую степень черноты. Для этого внутренние поверхности кожухов и каркасов окрашиваются масляны­ми черными красками или лаками.

Необходимо защищать аппаратуру от прямого попадания солнечных лучей. Перегрев аппаратуры с темной окраской кожуха, освещаемой солн­цем при незначительной циркуляции воздуха, может достигать 25...30 °С. Например, имеет место превышение температуры металлических поверхно­стей (в градусах Цельсия) в умеренном климате при отвесном падении солнеч­ных лучей: без покрытия — 24; окрашенных в белый цвет — 13; серый — 21; черный — 27.

При компоновке аппаратуры необходимо избегать образования «ло­вушек тепла», в которых отсутствуют конвективные потоки воздуха. Для выравнивания температуры в каналах, образуемых установленными рядами модулей, должны быть зазоры не менее 30 мм.

Различают конструкции с перфорированным и герметичным кожухом. В перфорированном кожухе предусматриваются вентиляционные отверстия круглой, квадратной, прямоугольной формы, жалюзи (рис. 4.19). Например, круглые отверстия имеют диаметр 4, 6, 8 или 10 мм, квадратные могут иметь размеры 4x4 мм, прямоугольные 3 х 25, 4 х 50 мм.

Суммарная площадь вентиляционных отверстий в дне (крышке) при­бора должна составлять 20...30 % от живого сечения, под которым подра­зумевается свободная для прохода конвективных потоков воздуха площадь сечения прибора. Входные вентиляционные отверстия должны располагаться как можно ниже и лучше, если они будут в дне, выходные отверстия предпочтительнее выполнять в крышке прибора.

Рис. 4.19. Вентиляционные отверстия (а, б, в) и жалюзи (г) кожухов

Чтобы не препятствовать поступлению свободных конвективных по­токов воздуха внутрь прибора, между установочной поверхностью и дном должен быть зазор не менее 30 мм, получить который можно установкой прибора на амортизаторы опорные типа АО. С внутренней стороны кожуха вентиляционные отверстия часто закрывают защитными металлическими сетками. Вместо сеток в дне стоек устанавливают пылезащитные фильтры. Зазоры по горизонтали между модулями при естественном воздушном ох­лаждении должны быть не менее 10 мм.

Циркуляция воздуха в приборах и стойках с герметичным кожухом является следствием разности плотностей воздуха, нагретого внутри ЭА, и более холодного воздуха у стенок кожуха. Перегрев будет уменьшаться с увеличением зазора между модулями. У дна прибора с герметичным кожу­хом движение воздуха практически отсутствует.

При расчете теплового режима аппаратуры с естественным воздуш­ным охлаждением важно оценить количество теплоты, удаляемой от всех нагреваемых поверхностей изделия.

Количество теплоты, удаляемой от поверхности S естественной кон­векцией, Вт,

,

где S — площадь поверхности, см²; Dt — перегрев, °С; h_c — коэффициент конвективной теплопередачи, определяемый из h_c = O,52C(55/l)^0.25 , где

С— постоянная, зависящая от ориентации поверхности (для вертикальной плоскости С = 0,56; для верхней горизонтальной плоскости С = 0,52; для нижней горизонтальной плоскости С = 0,26); / — длина пути теплового по­тока (табл. 4.8).

Таблица 4.8. Длина пути теплового потока l

Пример. Вычислить теплосъем естественной конвекцией с плоской прямо­угольной пластины размерами 10x20 см, имеющей перегрев в 20 °С относительно температуры окружающей среды. Теплосъем осуществляется с двух поверхностей пластины. Теплосъемом с торцевых поверхностей пластины пренебрегаем.

Рассмотрим три варианта размещения пластины в пространстве, когда она ориентирована:

А — вертикально короткой стороной вдоль свободных конвективных потоков воздуха;

Б — вертикально длинной стороной вдоль свободных конвективных потоков воздуха;

В — горизонтально поперек свободных конвективных потоков воздуха.

С вертикально ориентированной пластины соответственно снимаются тепло­вые потоки

С верхней горизонтально ориентированной поверхности снимается

с нижней поверхности

что в сумме дает

Таким образом, наилучшая ориентация пластины — вертикальная с направ­лением потоков воздуха вдоль ее короткой стороны.

Принудительное воздушное охлаждениеавтономными вентилято­рами широко используется в аппаратуре с тепловыделением не более 0,5 Вт/см² и выполняется по схемам подачи охлажденного воздуха снизу вверх и сверху вниз. По первой схеме воздух забирается у пола, по второй — у потолка. Забор воздуха у пола, где имеет место наибольшее количество пыли, приводит к повышенной запыленности аппаратуры, охлаждение по схеме сверху вниз — к меньшей запыленности, но требует большего расхо­да воздуха, поскольку его температура с увеличением высоты забора растет.

Применяются приточная, вытяжная и приточно-вытяжная схемы вентиляции. В приточной схеме вентилятор засасывает охлаждающий воз­дух внутрь изделия. В вытяжной нагретый воздух выталкивается из изделия. В приточно-вытяжной используются два вентилятора на входе и выходе воздуха из изделия. Работа вентилятора по приточной схеме вентиляции происходит в благоприятных условиях при пониженной температуре в бо­лее плотной окружающей среде, что обеспечивает по сравнению с вытяжной вентиляцией большую производительность. Однако в приточной схеме на­гнетаемый воздух может частично уходить через неплотности в корпусе и охлаждение аппаратуры может оказаться недостаточным. Вытяжную схему вентиляции, свободную от указанного недостатка, можно рекомендовать к использованию в аппаратуре с большими аэродинамическими сопротивле­ниями. Приточно-вытяжная схема позволяет увеличить напор охлаждающе­го воздуха.

Конструктивно автономный осевой вентилятор представляет элек­тродвигатель с крыльчаткой. Вентиляторы устанавливаются либо непо­средственно в прибор, либо в специальные блоки, снабжаемые элементами коммутации и фиксации на корпусе блока или каркасе стойки. В блоках размещаются один или несколько вентиляторов, противопыльный фильтр, элементы сигнализации неисправного состояния, аварийного отключения. В зависимости от тепловой нагрузки аппаратуры в блок устанавливается разное число вентиляторов. Незанятые установочные места закрываются заглушками.

Удаляемый из аппаратуры теплый воздух поступает в помещение, из которого выбрасывается в атмосферу либо поступает на рециркуляцию в общую систему кондиционирования. Повышенная запыленность аппарату­ры, появление вибраций в результате работы вентиляторов, неравномер­ность распределения охлаждающего воздуха являются недостатками рас­смотренного способа охлаждения. Однако охлаждение автономными венти­ляторами реализуется конструктивно просто и обеспечивает высокую гибкость при перепланировке технических средств.

Количество теплоты Q ккал, получаемое воздухом массой т при уве­личении его температуры на величину ∆t, будет

Q = cm∆t,

где с — удельная теплоемкость воздуха, равная 0,24 ккал/(кг • °С). Расход воздуха для охлаждения, м³ /час,

V_p = 860кР/cp∆t,

где к— коэффициент (обычно 1,25), учитывающий утечку охлаждающего воздуха через неплотности в конструкции; Р — потребляемая мощность, кВт; р — плотность воздуха (при 0 °С и нормальном атмосферном давлении р = = 1,293 кг/м³).

Мощность, рассеиваемая в ЭА в виде теплоты, принимается равной по­требляемой аппаратурой электрической мощности. При полном переходе элек­трической энергии в тепловую справедливо соотношение 1 кВт/ч = 860 ккал.

Напор и производительность вентилятора определяются точкой пере­сечения его характеристики с характеристикой аэродинамического сопро­тивления охлаждаемой аппаратуры (рис. 4.20).

Для выбора вентилятора необходимо знать его характеристики и аэ­родинамическое сопротивление охлаждаемой аппаратуры. Вентилятор дол­жен обеспечивать производительность V_B, равную или с учетом возможной утечки охлаждающего воздуха несколько большую расчетной величины расхода воздуха V_p. Если выбранный вентилятор не обеспечивает необходи­мый расход V_B1 и его производительность оказывается меньше расчетного значения V_v, требуемого для охлаждения ЭА, то она может перегреться и выйти из строя. На рис. 4.20 требуемую величину расхода воздуха V_v на ох­лаждение аппаратуры с некоторым запасом обеспечивает вентилятор 2 (V_B2> V_p). Уста­новка более мощного и, следовательно, бо­лее громоздкого и тяжелого вентилятора часто не рациональна. Если требуемые па­раметры не обеспечиваются ни одним из имеющихся в наличии вентиляторов, то возможна установка на совместную работу нескольких. Для повышения производи­тельности вентиляторы устанавливают па­раллельно, а для увеличения напора — по­следовательно.

При выборе вентилятора необходимо стремиться, чтобы напор и производительность в рабочей точке соответствовали максимальному КПД. Иначе может наблюдаться неупорядоченное движение воздуха, когда нагретые потоки воздуха могут наблюдаться в холодной зоне и наоборот, а также вместо прямо­линейного движения воздушных потоков — завихрения и циркуляции.

Во избежание попадания в ЭА пыли охлаждающий воздух фильтруют. Материалом фильтров является резиновая крошка, минеральная вата, стек­ловолокно, фильтровальная ткань или картон. К фильтрам должен обеспе­чиваться легкий доступ для периодической их замены или чистки.

Для больших ЭВМ со значительными тепловыделениями можно ре­комендовать подачу охлаждающего воздуха от центрального кондиционера по системе воздуховодов, размещаемых в подпольном пространстве машин­ного зала, в стойки. Поскольку охлаждающий воздух подается непосредст­венно в стойки, то его можно охладить несколько ниже воздуха, подаваемо­го в машинный зал для охлаждения аппаратуры встроенными автономными вентиляторами и создания комфортных условий обслуживающему персона­лу. Это приведет к меньшему расходу переохлажденного воздуха, уменьше­нию запыленности аппаратуры. Регулировкой расхода воздуха и его пара­метров можно добиться быстрого ввода ЭВМ в нормальный тепловой ре­жим. Недостатками подобного подхода являются необходимость в разработке системы кондиционирования и воздуховодов, значительные сложности при перепланировке технических средств при установке нового оборудования.

Водо-воздушную систему охлаждения можно рекомендовать для из­делий с высокими плотностями компоновки элементов. Отвод теплоты от блоков 2 (рис. 4.21) осуществляется поступающим в стойку от центрального кондиционера или автономных вентиляторов воздухом и жидким хладаген­том, протекающим по трубкам к охладителям 1. Охладитель может быть выполнен в виде системы горизонтально ориентированных параллельно проходящих трубок, расположенных под каждым блоком, но можно совмес­тить охладитель и направляющие ТЭЗ блоков в единой конструкции, что позволит получить два пути передачи теплоты: ТЭЗ — воздух — жидкость и ТЭЗ — охладитель — жидкость. По второму пути теплота от ТЭЗ к охлади­телю передается кондукцией. Эту систему охлаждения "можно применять в герметизируемых стойках. Для эффективного перемешивания воздуха и бы­строй передачи теплоты охлаждающей жидкости в стойку вводится венти­лятор.

Проточная система охлаждения (см. рис. 4.21, а) конструктивно про­ста, но требует большого расхода жидкого хладагента. Введение в систему теплообменника 3 (рис. 4.21, б), в котором происходит охлаждение жидко­сти, позволяет получить замкнутую систему охлаждения и снизить расход хладагента. В зависимости от особенностей объекта эксплуатации исполь­зуются теплообменники типа жидкость — воздух и жидкость — жидкость.

Рис. 4.21. Проточная (а) и одноконтурная замкнутая (б) водо-воздуш-

ные системы охлаждения:

1 — охладитель; 2 — охлаждаемый блок; 3 — теплообменник

Теплообменники жидкость — жидкость применяются на объектах, позволяющих расходовать на охлаждение аппаратуры большое количество жидкости приемлемой температуры. Изменяя расход жидкости через тепло­обменник, можно регулировать температуру воздуха в аппаратуре.