Розрахунок теплового режиму герметичного комп'ютерного блока. Мета роботи: навчитись розраховувати тепловий режим герметичного комп'ютерного блока. Теоретичні відомості. При заданих геометричних розмірах блока L,B,H ; степені чорноти блока (, розсіюванній потужності Р, температурі оточуючого середовища tc побудувати теплову характеристику блока (tk=F(P), користуючись якою визначити температуру корпуса tk=tc+(tk . Далі для горизонтально орієнтованої нагрітої зони при заданих верхньому і нижньому повітряних зазорах (в, (н та зведеному степені чорноти зони (з побудувати теплову характеристику зони (tз=f(P) користуючись якою визначити температуру нагрітої зони tз=tк+(tз. В більшості комп’ютерів лише декілька процентів підведеної потужності витрачається на корисне перетворення сигналу , решта виділяється у вигляді теплової енергії. Температурний режим обмежує зменшення розмірів комп’ютерів; доводиться передбачати охолодження , що призводить до збільшення ваги та габаритних розмірів. При вивченні теплового режиму комп’ютера застосовують наближені фізико-математичні методи. Перенос теплової енергії з однієї частини комп’ютера в іншу або оточуюче середовище називають теплообміном. Температурний стан , тобто просторово-часову змінену температури, називають тепловим режимом комп’ютера. Перенос теплової енергії здійснюється теплопровідністю (кондукцією), конвекцією та випромінюванням. В реальних умовах всі три способи переносу енергії одночасно і разом визначають тепловий режим комп’ютера. Комплекс міроприемств , спрямованих на зниження температури-складний , потребує довгого опрацювання та значних матеріальних затрат , тому в процесі розробки комп’ютера необхідно приділяти увагу економічно виваженому рішенню задачі охолодження. З метою економії намагаються, спочатку, створити звичайну конвекцію, приймаючи заходи по інтенсифікації передачі тепла іншими способами (випромінюванням і теплопровідністю). Загальна схема відводу теплового потоку від герметичного блока показана на рис.I. Тут конструкція розглядається у вигляді фізичної моделі, в якій нагріті елементи представляються нагрітою зоною 1 з ізотермічною поверхньою S3 , яка має температуру t3 . 4 3 2 1 P, t3 середовище S3
t k , S k
Як ми бачимо з (рис І) , теплова потужність, яка виділяється в нагрітій зоні (H.З.), передається через обмежений об’єм 2 до корпуса 3, а від корпуса до оточуючого середовища 4. На своєму шляху тепловий потік проходить через сумарний тепловий опір R(=R1+R2+R3 , де згідно рис.I , R1 є опором тепловому потокові на шляху від нагрітої зони до корпуса і носить конвективний характер , R2- кондуктивний опір корпуса,R3-опір тепловому потоку при його розповсюджені від зовнішньої поверхні корпуса в оточуюче середовище. Цей опір R3 складається з двох паралельно увімкнутих опорів R(3-обумовленного конвекцією та R((3-випромінюванням. Розрахунок режиму охолодження при природній конвекції зводиться до визначення теплової характеристики корпуса та нагрітої зони комп’ютера. Тепловою характеристикою нагрітої зони (або корпуса) називається функціональна залежність температури перегріву від потужності теплових втрат. Комп’ютер має дуже низький коефіцієнт корисної дії по потужності ,тому можна вважати , що потужність теплових втрат дорівнює потужності , споживаній від мережі. При нормальному атмосферному тиску для корпусу з розмірами L*B*H (рис.2) зв’язок між потужністю P, яка споживається комп’ютером, і середньою температурою перегріву поверхні корпуса виражається рівнянням P= tk ( k , де tk=tк-tc –температура перегріву ; tk – температура корпуса ; tc –температура оточуючого середовища ; (k –теплопровідність від корпуса в оточуюче середовище, Вт/град. Теплопровідність корпуса визначається як сума теплових провідностей верхньої та нижньої і бокових стінок. (2)
де (в (н (б повні коефіцієнти тепловіддачі відповідно верхньої, нижньої та бокових стінок , Вт(м/град. ;Sв ,Sн ,Sб –площа відповідно верхньої , нижньої і бокових стінок корпуса , м . Повний коефіцієнт тепловіддачі її по- верхні дорівнює сумі конвективного коефіцієнта (кі і коефіцієнта випромі- нювання ( ві (3) Коефіцієнт випромінювання (4) де - функція температури одиночного блоку рівна. РИС.2
(5) - степінь чорноти і-тої поверхні, значення якої береться з табл. 1. Таблиця 1 Матеріал та стан поверхні Температура, (C Степінь чорноти
І 2 3
Алюміній,полірована пласт 200…600 0,04 ина
Алюміній,сильно окисленн 35…500 0,2…0.31 ий Сталь полірована 100 0.066 Сталь різних сортів після ок ислення 300…800 0.86…0.92 Фарби емальні,лаки різних кольо рів 20…100 0.92 Фарби матові різних кольорів 100 0.92…0.96 Лак чорний матовий 40…100 0.96…0.98 Фарба алюмінієва 100 0.28 Окисли металів - 0.4…0.8
Значення коефіцієнтів (кі визначається за формулами [1] а)для горизонтальної поверхні, яка розсіює тепловий потік вгору (6) де lmin –менший розмір горизонтальної поверхні корпуса , м ; А2 –коефіцієнт, залежний від фізичних параметрів повітря , значення якого береться з табл.2[1]. Таблиця 2 Значення А2 при tm (C Tm
10
20 30 40 60 80 100
A2
1.4
1.38
1.36
1.34
1.31
1.29
1.27
tm –температура повітря в шарі прилеглому до корпуса приблизно визначається, як середнє арифметичне температур корпуса та середовища: (7) б) для горизонтальної поверхні корпуса, яка розсіює тепловий потік до низу (8) в) для вертикальної поверхні висотою H, м: (9)
На основі (2) - (9) задавши температуру tk1=tk+(tk, вираховують (к1. Після цього з (1) визначають Потужність розсіювану корпусом ,нагрітим до температури tк1 : (10)
Таким чином визначено координати першої точки теплової характеристики корпуса(). Подібно ,задавшись другим значенням температури корпуса , знаходять потужність , розсіювану корпусом при температурі і отримують координати другої точки теплової характеристики корпуса (). Третьою точкою служить початок координат. Далі по цих точках будують графік теплової характеристики корпуса (рис.3). За допомогою цього графіка знаходять для заданої потужності , яка виділяється всередині корпуса, перегрів корпуса .Можна також отримати наближену формулу для оцінки температури , в якій не враховується температурна залежність коефіцієнтів теплообміну. На основі (2) , (3) (11) З (6) – (9) випливає, що і відрізняються від середнього значення , знайденого по цим формулам на . Враховуючи, що , отримаємо
де - площа поверхні корпуса. Якщо і змінюються в межах від 20 до , а степінь чорноти поверхні корпуса досить великий (), то
Якщо ж , висота блоку 0,1 –0,5 м, то значення складають (2,4 – 4,4) ; в середньому . Наближено можна вважати також, що (13) З врахуванням (13) отримаємо ,Вт/град: (14) Враховуючи (14) , перепишемо (1) як де Р – в ватах ; Sk – в метрах квадратних. Значення температури корпуса tk, отримане з виразу (15), бажано брати як перше значення температури корпуса tk1, що використовується для визначення першої точки теплової характеристики з виразу (10). Для того щоб знати , знаходяться елементи комп’ютера апарату у допустимому температурному режимі чи ні , необхідно за визначенним значенням температури корпуса tk визначити температуру нагрітої зони t3 усередині корпусу. Розглянемо розповсюдженний випадок з горизонтально орієнтованою еквівалентною нагрітою зоною з розмірами l*b*h (див.рис.2) Для нагрітої зони , подібно (1) , можна записати (16) де -температура перегріву; t3 – середня температура нагрітої зони; tk- температура корпуса; (3 – теплопровідність від нагрітої зони до корпусу , Вт/град. Теплопровідність (17) де (3к – конвективна теплова провідність між нагрітою зоною і корпусом; (3Л – променева теплова провідність між нагрітою зоною і корпусом. Променева теплова провідність (18) Конвективна теплова провідність на основі (2) (19) де (зв – коефіцієнт теплообміну опромінюванням тут (зв – зведений степінь чорноти зони , рівний (зв((3((к; (3 і (k - ,беремо з таблиці 1. Функція f(t3,tk) визначається подібно до (5) , як В (18) S3- сумарна площа поверхні нагрітої зони , де Sбз- площа бокової поверхні нагрітої зони ; Sвз – площа верхньої частини нагрітої зони ; Sнз– площа нижньої частини нагрітої зони ; - коефіцієнти тепловіддачі конвекцією відповідно для складових поверхні нагрітої зони З врахуванням розмірів нагрітої зони (17) можна переписати як: (22) Конвективний коефіцієнт для верхньої частини нагрітої зони , (23) де зазор між верхньою частиною поверхні нагрітої зони і внутрішньою поверхнеюкорпуса,м; А5 – коефіцієнт, що залежить від температури , для повітря береться з таблиці 3 [1]. Таблиця 3
0 50 100 200
0,63 0,58 0,56 0,44
Коефіцієнт визначається за формулою (24) де - коефіцієнт теплопровідності повітря при температурі , наведений в
Таблиця 4
2.44 2.31 2.56 2.68 2.78 2.83 2.9 2.97 3.05 3.13
tm, (C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
-зазор між нижньою частиною поверхні нагрітої зони та внутрішньою поверхнею корпуса. Коефіцієнт для бокової поверхні визначається за формулою (25) Побудова теплової характеристики нагрітої зони (tз=f(P) проводиться подібно до побудови теплової характеристики корпуса (рис.3). При цьому температуру зони в першому наближенні рекомендується прийняти рівною (tз1=tk+ Ліература : Дульнев Г.Н. , Тарновский Н.Н. Тепловые режимы електронной аппаратури. ( Л. : Энергия , 1971. 2. Гелль П.П. Иванов-Есипович Н.К. Конструирование РЭА. – Л.: Энерги , 1972.
4. Чернышов А.А. Обеспечение тепловых режимов изделий електронной техники . – М. : Энергия , 1980. ЗАВДАННЯ Зробити розрахунок теплового режиму герметичного комп'ютерного блока згідно варіанту. Зробити та захистити звіт з лабораторної роботи.
