Как рассчитать радиатор и вентилятор



Онлайн расчёт площади радиаторов для транзисторов и микросхем.

— На кой хрен козе баян? Она и так весёлая . — живо интересовались удмуртские радиолюбители, разглядывая диковинный теплоотвод, установленный на лампу выходного каскада.
— Только для игры на баяне, козе баян и нужен, на какой же ещё? — гордо отвечал владелец теплоотвода, весьма довольный произведённым на коллег впечатлением.

На самом деле, вакуумным приборам, работающим в штатном режиме, дополнительный отвод тепла не требуется. А вот мощным транзисторам, микросхемам и всяким диодам, которые толком и на баяне играть не умеют и, подобно лампам, рассеивать тепловую мощность путём естественной конвекции не научились — подавай принудительный отвод тепла от кристалла полупроводника. А не подашь, отойдут стройными рядами от мира сего из-за перегрева и последующего разрушения этого самого рабочего кристалла.
Так вот, для обеспечения эффективного отвода тепла от силового элемента и применяют теплоотводы (радиаторы).
Полный расчёт радиатора — вещь кропотливая. Можно воспользоваться грубым расчётом — для рассеивания 1 ватта тепла, выделяемого полупроводниковым прибором, достаточно использовать площадь теплоотвода, равную 30 квадратным сантиметрам.

Но лучше воспользоваться специальной программой.

Существует формула для расчёта теплового сопротивления теплоотвода:
Q=(T2-T1)/P-Q1-Q2, где
Т2 — максимальная температура кристалла транзистора по справочнику,
Т1 — максимально допустимая температура в коробке с нашим устройством,
P — рассеиваемая на транзисторе мощность,
Q1 — тепловое сопротивление кристалл-корпус по справочнику,
Q2 — тепловое сопротивление корпус-радиатор.

Эта формула непререкаема и не должна вызывать никаких сомнений.

А вот формулы по переводу рассчитанного теплового сопротивления в площадь поверхности радиатора, выуженные из нашей справочной литературы — не вызвали чувства глубокого удовлетворения, в связи с существенным несоответствием получаемых результатов суровой реальности жизни.
Пришлось искать правду в источниках империалистических агрессоров, а конкретно — в рекомендациях по выбору алюминиевых радиаторов американской фирмы Aavid Thermalloy. Информация эта неожиданно обнаружилась в электротехническом справочнике г-на Корякина-Черняка С. Л., за что ему большое человеческое спасибо.

Теперь давайте определимся с терминологией.
S — площадь поверхности радиатора, равная удвоенной суммарной площади основания радиатора и всех площадей рёбер радиатора. Почему удвоенной? Потому, что и основание, и все рёбра теплоотвода имеют по две поверхности, которыми и излучают тепло в окружающее пространство.
Q — тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средой. Спецификация большинства радиаторов содержит этот параметр.
Q1 — тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом силовых элементов обычно приводится в справочнике и обозначается RthJC. Значение этой величины в основном зависит от типа корпуса и у современных транзисторов составляет величину 0,4-1,5 (°С/Вт) или (К/Вт).
Q2 — значение теплового сопротивление корпус-радиатор стремиться к нулю в тех случаях, когда мы прикручиваем транзистор к отполированной поверхности радиатора без изолирующих прокладок, или используем тонкие современные подложки из из оксида алюминия (Al2O3), нитрида алюминия (AlN), или оксида бериллия (BeO). В случае применения слюды значение теплового сопротивления может составлять 0.2-1.5 (°С/Вт), в зависимости от толщины прокладки.
Т2 — максимальная температура кристалла транзистора, обозначается Tjmax и составляет для мощных транзисторов величину 120-175°С.
Т1 — максимально допустимая температура внутри корпуса, в котором находится радиатор, либо максимальная температура окружающей среды, если рёбра радиатора выведены наружу.

ИТАК, РИСУЕМ ТАБЛИЧКУ ДЛЯ РАЧЁТА ПЛОЩАДИ РАДИАТОРА

— Максимальную температуру кристалла Т2 по возможности указываем на 20-30% ниже значения Tjmax, приведённого в справочнике на полупроводник. Я бы рекомендовал подобрать это значение, исходя из температуры радиатора 60-70 градусов.
— Значение теплового сопротивления кристалл-корпус Q1 RthJC не гадая берём из справочника. Если совсем лень — ставим 1.
— Графу теплового сопротивления корпус-радиатор Q2 можно оставить без внимания, если транзистор сидит на радиаторе без всяких прокладок, либо используются современные тонкие подложки, сдобренные специальными пастами. Если это не так, ищем в справочнике параметр теплового сопротивления, на используемый вид подложки, и заносим его в таблицу.
— Так же оставляем в покое графу «скорость воздушного потока от вентилятора», если оный не предусмотрен нашей конструкцией. А если предусмотрен, надо озадачиться выяснением этой самой величины скорости воздушного потока, омывающего наш теплоотвод.
Как? А приведу-ка я на следующей странице кусок главы из электротехнического справочника уважаемого автора Корякина-Черняка С. Л., посвящённый расчёту радиаторов, там кобыла и отыщется. Как правило, значение этой величины находится в пределах 1-5 м/сек.

Если Вы вдруг озадачились рассеиванием на радиаторе слишком высоких мощностей, калькулятор может выдать отрицательные значения. Смотрим формулу и видим — это нормально. Происходит это из-за ненулевого значения теплового сопротивления кристалл-корпус. Тут природу не обманешь — надо либо поднимать значение максимальной температуры кристалла Т2, либо искать транзистор с меньшим тепловым сопротивлением, либо сажать несколько транзисторов в параллель.

Теперь, что касается покупки радиатора по кропотливо рассчитанным нашей таблицей параметрам. Если производитель солидный, можно воспользоваться приведённым в технической документации значением удельного теплового сопротивления. Параметр этот имеет размерность дюйм*град/Вт, поэтому для пересчёта его в тепловое сопротивление всего радиатора, нам надо разделить это значение на длину в см. и умножить на 2,54.
Если этот производитель Kinsten Industrial, или прочий китайский «no trademark» — воздержитесь от доверительных чувств к указанному в DataSheet параметру теплового сопротивления, а лучше старательно, по приведённым чертежам, просчитайте суммарную площадь подложки и граней, умножьте полученный результат на 2 и оценивайте возможность применения данной железяки в вашем устройстве, исходя из общей площади поверхности радиатора.

Источник

Расчет ребристого радиатора,
как элемента теплообменника с принудительной конвекцией.

Приведена методика, на примере процессора Intel Pentium4 Willamette 1.9 ГГц и кулера B66-1A производства компании ADDA Corporation, описывающая порядок расчета ребристых радиаторов, предназначенных для охлаждения тепловыделяющих элементов РЭА с принудительной конвекцией и плоскими поверхностями теплового контакта мощностью до 100 Вт. Методика позволяет произвести практический расчет современных высокоэффективных малогабаритных устройств для отвода тепла и применить их ко всему спектру устройств радиоэлектроники нуждающихся в охлаждении.

Параметры, задаваемые в исходных данных:

P = 67 Вт, мощность выделяемая охлаждаемым элементом;

q с = 296 °К, температура среды (воздуха) в градусах Кельвина;

q пред = 348 °К, предельная температура кристалла;

q р = nn ° K , средняя температура основания радиатора (вычисляется в процессе расчета);

H = 3 10 -2 м, высота ребра радиатора в метрах;

d = 0,8 10 -3 м, толщина ребра в метрах;

b = 1,5 10 -3 м, расстояние между ребрами;

l м = 380 Вт/(м °К), коэффициент теплопроводности материала радиатора;

L =8,3 10 -2 м, размер радиатора вдоль ребра в метрах;

B = 6,9 10 -2 м, размер радиатора поперек ребер;

А = 8 10 -3 м, толщина основания радиатора;

V ³ 2 м/сек, скорость воздуха в каналах радиатора;

Z = 27, число ребер радиатора;

u р = nn K , температура перегрева основания радиатора, вычисляется в процессе расчета;

e р = 0,7, степень черноты радиатора.

Предполагается, что источник тепла расположен по центру радиатора.

Все линейные размеры измеряются в метрах, температура в градусах Кельвина, мощность в ваттах, а время в секундах.

Конструкция радиатора и необходимые для расчетов параметры показана на Рис.1.

Порядок расчета.

1. Определяем суммарную площадь сечения каналов между ребрами по формуле:

S к = ( Z — 1)· b · H [1]

Для принятых исходных данных — S к = ( Z — 1)· b · H = (27-1) ·1,5 10 -3 ·3 10 -2 = 1,1 10 -3 м 2

Для центральной установки вентилятора, воздушный поток выходит через две торцевые поверхности и площадь сечения каналов удваивается и равняется 2,2 10 -3 м 2 .

2. Задаемся двумя значениями температуры основания радиатора и проводим расчет для каждого значения:

Отсюда определяется температура перегрева основания радиатора u р относительно окружающей среды.

Читайте также:  Приточно вытяжной вентилятор для гаража

Для первой точки u р = 57°К, для второй u р = 17°К.

3. Определяем температуру q , необходимую для расчета критериев Нуссельта ( Nu ) и Рейнольдса ( Re ):

где: q с температура окружающего воздуха, среды,

V – скорость воздуха в каналах между ребрами, в м/сек;

S к – суммарная площадь поперечного сечения каналов между ребрами,в м 2 ;

r — плотность воздуха при температуре q ср, в кг/м 3 ,

q ср = 0,5 ( q р + q с);

C р – теплоемкость воздуха при температуре q ср, в Дж/(кг х °К);

P – мощность отводимая радиатором.

Для принятых исходных данных — q = q с + P /(2· V · S к· r · C р) = 296 К+67/( 2·2м/сек·1,1 10 -3 м 2 ·1,21·1005) = 302,3°К (29,3°С)

* Величина, для данного ребристого радиатора с центральной установкой вентилятора, V из расчетов 1,5 — 2,5 м/сек (См. Приложение 2), из публикаций [Л.3] около 2 м/сек. Для коротких, расширяющихся каналов, как например у кулера Golden Orb скорость охлаждающегося воздуха может достигать 5 м/сек.

4. Определяем величины критериев Рейнольдса и Нуссельта, необходимые для расчета коэффициента теплоотдачи ребер радиатора:

где: n — коэффициент кинематической вязкости воздуха при q с, м 2 из Приложения1, таблица 1.

Для принятых исходных данных — Re = VL/ n = 2·8,3 10 -2 / 15,8 10 -6 = 1,05 10 4

Nu = 0,032 Re 0,8 [5]

Для принятых исходных данных — Nu = 0,032 Re 0,8 = 0,032 (2,62 10 4 ) 0,8 = 52,8

5. Определяем коэффициент конвективного теплообмена ребер радиатора:

a к = Nu · l в / L Вт / (м 2 К) [6]

где, l — коэффициент теплопроводности воздуха (Вт/(м град)), при q с из Приложения 1, таблица1.

Для принятых исходных данных — a к = Nu· l в / L = 52,8 · 2,72 10 -2 / 8,3 10 -2 = 17,3

6. Определяем вспомогательные коэффициенты:

определяем значение mh и тангенса гиперболического th ( mh ).

Для принятых исходных данных — m = ( 2 · a к / l м · d ) 1/2 = (2 · 17,3 /(380 · 0,8 10 -3 )) 1/2 = 10,6

Для принятых исходных данных — m·H = 10,6 · 3 10 -2 = 0,32; th ( m·H ) = 0,31

7. Определяем количество тепла, отдаваемое конвекцией с ребер радиатора:

где: Z – число ребер;

l м = коэффициент теплопроводности металла радиатора, Вт/(м ·°К);

m – см. формулу 7;

S р – площадь поперечного сечения ребра радиатора, м 2 ,

u р – температура перегрева основания радиатора.

S р = L · d = 8,3 10 -2 · 0,8 10 -3 = 6,6 10 -5 м 2

P рк = Z · l м · m · S р · u р · th ( m · H ) = 27 · 380 · 10,6 · 6,6 10 -5 · 57 · 0,31 = 127 Вт.

8. Определяем среднюю температуру ребра радиатора:

q ср = ( q р/2) [ 1 + 1 / ch ( m · H )] [10]

где: ch ( mH ) – косинус гиперболический.

Для принятых исходных данных — q ср = ( q р /2) [ 1 + 1 / ch ( m · H )] = (353/2) [1+1/1,05]=344° K (71°С)

*Величина тангенса и косинуса гиперболических вычисляется на инженерном калькуляторе путем последовательного выполнения операций “ hyp ” и “ tg ” или ” cos ”.

9. Определяем лучистый коэффициент теплообмена:

f ( q ср, q с) = 0,23 [ 5 10 -3 ( q ср + q с )] 3

Для принятых исходных данных — f ( q ср, q с) = 0,23 [ 5 10 -3 ( q ср + q с )] 3 = 0,23 [5 10 -3 (335 + 296)] 3 = 7,54

j = b / ( b + 2 H ) = 1,5 10 -3 / (1,5 10 -3 + 3 10 -2 ) = 0,048

a л = e р f ( q ср, q с) j = 0,7 х 7,54 х 0,048 = 0,25 Вт/м 2 К

10. Определяем площадь поверхности излучающей тепловой поток:

S л = 2 L [ ( Z -1) · ( b + d ) + d ] +2 H · L · Z (м 2 ) [12]

Для принятых исходных данных — S л = 2 L [( Z -1) · ( b + d ) + d ] +2 H · L · Z = 0,1445 м 2

11. Определяем количество тепла отдаваемое через излучение:

Для принятых исходных данных — P л = a л S л ( q ср — q с) = 0,25 · 0,1445 · (344 – 296) = 1,73 Вт

12. Общее количество тепла отдаваемое радиатором при заданной температуре радиатора q р = 353К:

Для принятых исходных данных — P = P рк + P л = 127 + 1,73 = 128,7 Вт.

13. Повторяем вычисления для температуры радиатора q р = 313К, и строим по двум точкам тепловую характеристику рассчитанного радиатора. Для этой точки Р=38Вт. Здесь по вертикальной оси откладывается количество тепла отдаваемое радиатором P р, а по горизонтальной температура радиатора q р.

Из полученного графика определяем для заданной мощности 67Вт, q р = 328 °К или 55°С.

14. По тепловой характеристике радиатора определяем что при заданной мощности P р=67Вт, температура радиатора q р=328,5°С. Температуру перегрева радиатора u р можно определяем по формуле 2.

Она равна u р = q р — q с = 328 – 296 = 32°К.

15. Определяем температуру кристалла и сравниваем её с предельным значением установленным производителем

q к = q р + Р ( r пк + r пр ) °К = 328+67(0,003+0,1)=335 (62°С),[15]

q р температура основания радиатора для данной расчетной точки,

Р – результат вычисления по формуле 14,

r пк — тепловое сопротивление корпус процессора — кристалл, для данного теплового источника равна 0,003 К/Вт

r пр – тепловое сопротивление корпус-радиатор, для данного теплового источника равна 0,1К/Вт (с теплопроводящей пастой).

Полученный результат ниже определенной производителем предельной температуры, и близко данным [Л.2] (порядка 57°С). При этом температура перегрева кристалла относительно окружающего воздуха в приведенных расчетах 32°С, а в [Л.2] 34°С.

В общем виде, тепловое сопротивление между двумя плоскими поверхностями при применении припоев, паст и клеев:

r = d к · l к -1 · S конт -1 [16]

где: d к – толщина зазора между радиатором и корпусом охлаждаемого узла, заполненного теплопроводящим материалом в м,

l к – коэффициент теплопроводности теплопроводящего материала в зазоре Вт/(м К),

S конт – площадь контактной поверхности в м 2 .

Приближенное значение r кр при достаточной затяжке и без прокладок и смазок равно

При применении паст, тепловое сопротивление падает примерно в 2 раза.

16. Сравниваем q к с q пред, мы получили радиатор обеспечивающий q к = 325° K , меньше q пред=348°К, — заданный радиатор обеспечивает с запасом тепловой режим узла.

17. Определяем тепловое сопротивление рассчитанного радиатора:

r = u р / P (°К/Вт) [17]

r = u р / P (°/Вт) = 32/67 = 0,47°/Вт

Выводы:

Рассчитанный теплообменник обеспечивает отвод тепловой мощности 67Вт при температуре окружающего воздуха до 23°С, при этом температура кристалла 325 °К (62°С) не превышает допустимую для данного процессора 348°К (75°С).

Применение специальной обработки поверхности для увеличения отдачи тепловой мощности через излучение на температурах до 50°С оказалось неэффективно и не может быть рекомендовано, т.к. не окупает затрат.

Хотелось бы, чтобы данный материал помог Вам не только рассчитать и изготовить современный малогабаритный высокоэффективный теплообменник, подобный тем, что широко применяются в компьютерной технике, но и грамотно принимать решения по применению подобных устройств, применительно к Вашим задачам.

Приложение 1.

Константы для расчета теплообменника.

Значения констант для промежуточных значений температур, в первом приближении, можно получить построив графики функций для указанных в первом столбце температур.

Приложение 2.
Расчет скорости движения воздуха охлаждающего радиатор.

Скорость движения теплоносителя при вынужденной конвекции в газах:

Где: Gv – объемный расход теплоносителя, (для вентилятора 70х70, S пр = 30 см 2 , 7 лопастей, P эм = 2,3Вт, w = 3500 об/мин, Gv = 0,6-0,8 м 3 /мин. или реально 0,2-0,3 или V = 2м/сек),

S к – свободная для прохода площадь поперечного сечения канала.

Учитывая, что площадь проходного сечения вентилятора 30 см 2 , а площадь каналов радиатора 22 см 2 , скорость продувки воздуха определяется меньшим, и будет равна:

V = Gv / S = 0,3 м 3 /мин / 2,2 10 -3 м 2 =136 м/мин = 2,2 м/сек.

Источник

База знаний по трехмерному проектированию в Pro/Engineer, Creo, Solidworks, электронике на STM32

Поставим перед собой непростую задачу: рассчитаем распределение температур по объему радиатора (охладителя) в условиях принудительного обдува в воздушном канале. Радиатор будет с пластинчатыми ребрами. Не мудрствуя лукаво, воспользуемся построениями радиатора из статьи Creo 3. Создание объединенной детали с помощью наследования.

Читайте также:  Мощный напольный вентилятор с пультом управления

Подготовка геометрии

Для расчета необходимо также знать сечение радиатора, через которое пойдет воздушный поток. Для этого в модели радиатора вычислим сечение. С помощью команды Заполнить creo3-part-surf-fillвыполним построение эскиза сечения на торце радиатора.
В эскизе воспользуемся командой Проецировать creo3-part-sketch-project/ По контуру для повторения контура профиля радиатора.
Определим площадь поверхности сечения воздушного канала. Для этого воспользуемся инструментом Сводка .
Подготовим радиатор для расчета тепла — уберем лишнее. А именно, с помощью команды Вытянуть срежем всю верхнюю часть диодной сборки для построения сетки конечных элементов только для радиатора.

Тепловой расчет

Переходим к тепловым расчетам: на вкладке Приложения — команда Simulate creo3-apps-simulate. Выбираем Тепловой режим .
Во первых зададим тепловую нагрузку, по-русски это называется выделяемая мощность. Делается это с помощью команды Теплота creo3-apps-simulate-set-tload. В диалоговом окне Тепловая нагрузка выберем поверхности, оставшиеся от диодного модуля и укажем в графе Значение — 680 Вт (единицы измерения см. в выпадающем списке рядом). Это значение было получено нами ранее в начале статьи. Если приборов на радиаторе несколько, то для каждого из них отдельно нужно задать тепловую нагрузку. Нажмем Ок.
Теперь зададим Условие конвекции creo3-apps-simulate-set-tconv, т.к. именно этот режим соответствует принудительному обдуву воздухом. Выбираем поверхности ребер, потому что именно они будут обдуваться воздухом в канале. Введем значение температуры окружающего воздуха Tb = 40°C, чтобы наше изделие работало и в жарком месте в графе Температура окружающей среды. Теперь самое главное введем коэффициент конвекции h в соответствующей графе: 50.3 и выберем единицы измерения W / (m^2 K) в списке рядом.
Он сделан из сплава АД31 (характеристика материала АД31 или на нашем сайте САПР. Важные параметры некоторых материалов, используемые при тепловых расчетах). Загрузим этот материал в базу расчетов. Для этого выполним команду Материалы creo3-apps-simulate-set-matи загрузим материал из прилагаемого к уроку файла, чтобы не создавать его с нуля (см. Рис.11). Затем назначим этот материал как основной материал для нашей модели.
Материал назначается с помощью команды Назначение материала creo3-apps-simulate-assign-mat. В этом окне все понятно. Самое сложное позади, впереди нас ждет непосредственно расчет!
Хорошо, можно нажимать команду Анализы и исследования , где задаем необходимо выделить для расчета побольше оперативной памяти. Предпочтительнее задавать не меньше 4000 Гб ОЗУ. Хотя на скорость расчетов сильно влияет и процессор, особенно когда их несколько. Нажимаем ОК.
В окне Анализы и исследования продолжаем задавать условия. Выполним команду меню Файл > Новый стационарный тепловой. В нем все необходимое нам должно быть уже выбрано: набор ограничений и набор нагрузок. Остальные параметры пусть останутся по умолчанию. Нажимаем ОК. В окне Анализы и исследования нажимаем наконец Начать выполнение и отслеживать каждый этап выполнения расчета. Ведь расчет может занять порядочное время! Для ускорения рачета нам можно было бы упростить модель — убрать лишние отверстия на радиаторе, в подложке прибора, убрать скругления, фаски и т.д.

Результаты расчета

Вот, наконец, мы дождались выполнения расчета. Можно нажимать ОК в диалоговом окне Диагностика:Анализ. В окне Анализы и исследования нажимаем кнопку Проверка результатов исследования конструкции и конечно-элементного анализа creo3-apps-simulate-analys-view.
На этом все, можно полюбоваться на произведенный расчет. Creo 3 неплохо делает расцветку! Побалуйтесь с настройками отображения в диалоговом окне Определение окна результатов (если закрыть текущее окно Результаты моделирования и снова нажать кнопку кнопку Проверка результатов исследования конструкции и конечно-элементного анализа . Впечатляет!

Вы спросите, а как же тепловое сопротивление между диодной сборкой и радиатором. Посмотрим документацию на Диодную сборку LD411660 PowerEx. В характеристике Thermal Resistance, Case to Sink Lubricated (RΘC-S Per Module) указано значение сопротивления с учетом теплопроводящей пасты 0.01 °C/W. Просто посчитаем перегрев: 680 Вт • 0.01 °C/W = 6,8°C. На такую величину будет перегреваться диодный модуль относительно радиатора под ним.

Источник

Радиаторы и охлаждение

В физике, электротехнике и атомной термодинамике есть известный закон — ток, протекающий по проводам, нагревает их. Придумали его Джоуль и Ленц, и оказались правы — так оно и есть. Всё, что работает от электричества, так или иначе часть проходящей энергии передаёт в тепло.

Так уж получилось в электронике, что самым страдающим от тепла объектом нашей окружающей среды является воздух. Именно воздуху нагревающиеся детали передают тепло, а от воздуха требуется принять тепло и куда-нибудь подевать. Потерять, к примеру, или рассеять по себе. Процесс отдачи тепла мы с вами назовем охлаждением.

Наши электронные конструкции тоже рассеивают немало тепла, одни — больше, другие — меньше. Греются стабилизаторы напряжения, греются усилители, греется транзистор, управляющий релюшкой или даже просто мелким светодиодом, разве что греется ну совсем немного. Ладно, если греется немного. Ну а если он жарится так, что руку держать нельзя? Давайте пожалеем его и попробуем как-нибудь ему помочь. Так сказать, облегчить его страдания.

Вспомним устройство батареи отопления. Да, да, та самая обычная батарея, что греет комнату зимой и на которой мы сушим носки и футболки . Чем больше батарея, тем больше тепла будет в комнате, так ведь? По батарее протекает горячая вода, она нагревает батарею. У батареи есть важная вещь — количество секций. Секции контактируют с воздухом, передают ему тепло. Так вот, чем больше секций, то есть чем больше занимаемая площадь батареи, тем больше тепла она может нам отдать. Приварив еще парочку секций, мы сможем сделать теплее нашу комнату. Правда, при этом горячая вода в батарее может остыть, и соседям ничего не останется.

Рассмотрим устройство транзистора.

На медном основании (фланце) 1 на подложке 2 закреплен кристалл 3. Он подключается к выводам 4. Вся конструкция залита пластмассовым компаундом 5. У фланца есть отверстие 6 для установки на радиатор.

Вот это по сути та же самая батарея, посмотрите! Кристалл греется, это как горячая вода. Медный фланец контактирует с воздухом, это секции батареи. Площадь контакта фланца и воздуха — это место нагревания воздуха. Нагревающийся воздух охлаждает кристалл.

Как сделать кристалл холоднее? Устройство транзистора мы изменить не можем, это понятно. Создатели транзистора об этом тоже подумали и для нас, мучеников, оставили единственную дорожку к кристаллу — фланец. Фланец — это как одна-единственная секция у батареи — жарить жарит, а тепла воздуху не передается — маленькая площадь контакта. Вот тут предоставляется простор нашим действиям! Мы можем нарастить фланец, припаять к нему еще «парочку секций», то бишь большую медную пластинку, благо фланец сам медный, или же закрепить фланец на металлической болванке, называемой радиатором. Благо отверстие во фланце приготовлено под болт с гайкой.

Что же такое радиатор? Я твержу уже третий абзац про него, а толком так ничего и не рассказал! Ладно, смотрим:

Радиатор

Радиатор

Радиатор

Как видим, конструкция радиаторов может быть различной, это и пластинки, и ребра, а еще бывают игольчатые радиаторы и разные другие, достаточно зайти в магазин радиодеталей и пробежаться по полке с радиаторами . Радиаторы чаще всего делают из алюминия и его сплавов (силумин и другие). Медные радиаторы лучше, но дороже. Стальные и железные радиаторы применяются только на очень небольшой мощности, 1-5Вт, так как они медленно рассеивают тепло.

Тепло, выделяемое в кристалле, определяется по очень простой формуле P=U*I , где P — выделяемая в кристалле мощность, Вт, U = напряжение на кристалле, В, I — сила тока через кристалл, А. Это тепло проходит через подложку на фланец, где передается радиатору. Далее нагретый радиатор контактирует с воздухом и тепло передается ему, как следующему участнику нашей системы охлаждения.

Читайте также:  Arduino датчик температуры и влажности dht22 вентилятор

Посмотрим на полную схему охлаждения транзистора.

У нас появились две штуки — это радиатор 8 и прокладка между радиатором и транзистором 7. Её может и не быть, что и плохо, и хорошо одновременно. Давайте разбираться.

Расскажу о двух важных параметрах — это тепловые сопротивления между кристаллом (или переходом, как его еще называют) и корпусом транзистора — Rпк и между корпусом транзистора и радиатором — Rкр. Первый параметр показывает, насколько хорошо тепло передается от кристалла к фланцу транзистора. Для примера, Rпк, равное 1,5градуса Цельсия на ватт, объясняет, что с увеличением мощности на 1Вт разница температур между фланцем и радиатором будет 1,5градуса. Иными словами, фланец всегда будет холоднее кристалла, а насколько — показывает этот параметр. Чем он меньше, тем лучше тепло передается фланцу. Если мы рассеиваем 10Вт мощности, то фланец будет холоднее кристалла на 1,5*10=15градусов, а если же 100Вт — то на все 150! А поскольку максимальная температура кристалла ограничена (не может же он жариться до белого каления!), фланец надо охлаждать. На эти же 150 градусов .

К примеру:
Транзистор рассеивает 25Вт мощности. Его Rпк равно 1,3градуса на ватт. Максимальная температура кристалла 140градусов. Значит, между фланцем и кристаллом будет разница в 1,3*25=32,5градуса. А поскольку кристалл недопустимо нагревать выше 140градусов, от нас требуется поддерживать температуру фланца не горячее, чем 140-32,5=107,5градусов. Вот так.
А параметр Rкр показывает то же самое, только потери получаются на той самой пресловутой прокладке 7. У нее значение Rкр может быть намного больше, чем Rпк, поэтому, если мы конструируем мощный агрегат, нежелательно ставить транзисторы на прокладки. Но всё же иногда приходится. Единственная причина использовать прокладку — если нужно изолировать радиатор от транзистора, ведь фланец электрически соединен со средним выводом корпуса транзистора.

Вот давайте рассмотрим еще один пример.
Транзистор жарится на 100Вт. Как обычно, температура кристалла — не более 150градусов. Rпк у него 1градус на ватт, да еще и на прокладке стоит, у которой Rкр 2 градуса на ватт. Разница температур между кристаллом и радиатором будет 100*(1+2)=300градусов. Радиатор нужно держать не горячее, чем 150-300 = минус 150 градусов: Да, дорогие мои, это тот самый случай, который спасет только жидкий азот: ужос!

Намного легче живется на радиаторе транзисторам и микросхемам без прокладок. Если их нет, а фланцы чистенькие и гладкие, и радиатор сверкает блеском, да еще и положена теплопроводящая паста, то параметр Rкр настолько мал, что его просто не учитывают.

Разобрались? Поехали дальше!

Охлаждение бывает двух типов — конвекционное и принудительное. Конвекция, если помним школьную физику, это самостоятельное распространение тепла. Так же и конвекционное охлаждение — мы установили радиатор, а он сам там как-нибудь с воздухом разберется. Радиаторы конвекционного типа устанавливаются чаще всего снаружи приборов, как в усилителях, видели? По бокам две металлические пластинчатые штуковины. Изнутри к ним привинчиваются транзисторы. Такие радиаторы нельзя накрывать, закрывать доступ воздуха, иначе радиатору некуда будет девать тепло, он перегреется сам и откажется принимать тепло у транзистора, который долго думать не будет, перегреется тоже и: сами понимаете что будет. Принудительное охлаждение — это когда мы заставляем воздух активнее обдувать радиатор, пробираться по его ребрам, иглам и отверстиям. Тут мы используем вентиляторы, различные каналы воздушного охлаждения и другие способы. Да, кстати, вместо воздуха запросто может быть и вода, и масло, и даже жидкий азот. Мощные генераторные радиолампы частенько охлаждаются проточной водой.

Как распознать радиатор — для конвекционного он или принудительного охлаждения? От этого зависит его эффективность, то есть насколько быстро он сможет остудить горячий кристалл, какой поток тепловой мощности он сможет через себя пропустить.

Радиатор

Радиатор

Первый радиатор — для конвекционного охлаждения. Большое расстояние между ребрами обеспечивает свободный поток воздуха и хорошую теплоотдачу. На второй радиатор сверху одевается вентилятор и продувает воздух сквозь ребра. Это принудительное охлаждение. Разумеется, использовать везде можно и те, и те радиаторы, но весь вопрос — в их эффективности.
У радиаторов есть 2 параметра — это его площадь (в квадратных сантиметрах) и коэффициент теплового сопротивления радиатор-среда Rрс (в Ваттах на градус Цельсия). Площадь считается как сумма площадей всех его элементов: площадь основания с обеих сторон + площадь пластин с обеих сторон. Площадь торцов основания не учитывается, так там квадратных сантиметров ну совсем немного будет .

Пример:
радиатор из примера выше для конвекционного охлаждения.
Размеры основания: 70х80мм
Размер ребра: 30х80мм
Кол-во ребер: 8
Площадь основания: 2х7х8=112кв.см
Площадь ребра: 2х3х8=48кв.см.
Общая площадь: 112+8х48=496кв.см.

Коэффициент теплового сопротивления радиатор-среда Rрс показывает, на сколько увеличится температура выходящего с радиатора воздуха при увеличении мощности на 1Вт. Для примера, Rрс, равное 0,5 градуса Цельсия на Ватт, говорит нам, что температура увеличится на полградуса при нагреве на 1Вт. Этот параметр считается трехэтажными формулами и нашим кошачьим умам ну никак не под силу: Rрс, как и любое тепловое сопротивление в нашей системе, чем меньше, тем лучше. А уменьшить его можно по-разному — для этого радиаторы чернят химическим путем (например алюминий хорошо затемняется в хлорном железе — не экспериментируйте дома, выделяется хлор!), еще есть эффект ориентировать радиатор в воздухе для лучшего прохождения его вдоль пластин (вертикальный радиатор лучше охлаждается, чем лежачий). Не рекомендуется красить радиатор краской: краска — лишнее тепловое сопротивление. Если только слегка, чтобы темненько было, но не толстым слоем!

В приложении есть небольшая программа, в которой можно посчитать примерную площадь радиатора для какой-нибудь микросхемы или транзистора. С помощью него давайте рассчитаем радиатор для какого-нибудь блока питания.

Схема блока питания.

Блок питания выдает на выходе 12Вольт при токе 1А. Такой же ток протекает через транзистор. На входе транзистора 18Вольт, на выходе 12Вольт, значит, на нем падает напряжение 18-12=6Вольт. С кристалла транзистора рассеивается мощность 6В*1А=6Вт. Максимальная температура кристалла у 2SC2335 150градусов. Давайте не будем эксплуатировать его на предельных режимах, выберем температуру поменьше, для примера, 120градусов. Тепловое сопротивление переход-корпус Rпк у этого транзистора 1,5градуса Цельсия на ватт.

Поскольку фланец транзистора соединен с коллектором, давайте обеспечим электрическую изоляцию радиатора. Для этого между транзистором и радиатором положим изолирующую прокладку из теплопроводящей резины. Тепловое сопротивление прокладки 2градуса Цельсия на ватт.

Для хорошего теплового контакта капнем немного силиконового масла ПМС-200. Это густое масло с максимальной температурой +180градусов, оно заполнит воздушные промежутки, которые обязательно образуются из-за неровности фланца и радиатора и улучшит передачу тепла. Многие используют пасту КПТ-8, но и многие считают её не самым лучшим проводником тепла.
Радиатор выведем на заднюю стенку блока питания, где он будет охлаждаться комнатным воздухом +25градусов.

Все эти значения подставим в программку и посчитаем площадь радиатора. Полученная площадь 113кв.см — это площадь радиатора, рассчитанная на длительную работу блока питания в режиме полной мощности — дольше 10часов. Если нам не нужно столько времени гонять блок питания, можно обойтись радиатором поменьше, но помассивнее. А если мы установим радиатор внутри блока питания, то отпадает необходимость в изолирующей прокладке, без нее радиатор можно уменьшить до 100кв.см.

А вообще, дорогие мои, запас карман не тянет, все согласны? Давайте думать о запасе, чтобы он был и в площади радиатора, и в предельных температурах транзисторов. Ведь ремонтировать аппараты и менять пережаренные транзисторы придется не кому-нибудь, а вам самим! Помните об этом!

Источник

Как рассчитать радиатор и вентилятор

Как рассчитать радиатор и вентилятор

Охлаждение двигателя применяется в целях принудительного отвода тепла от нагретых деталей для обеспечения оптимального теплового состояния двигателя и его нормальной работы. Большая часть отводимого тепла воспринимается системой охлаждения, меньшая – системой смазки и непосредственно окружающей средой.

В зависимости от рода используемого теплоносителя в автомобильных и тракторных двигателях применяют систему жидкостного или воздушного охлаждения. В качестве жидкого охлаждающего вещества используют воду и некоторые другие высококипящие жидкости, а в системе воздушного

Расчет водяного насоса.

Водяной насос служит для обеспечения непрерывной циркуляции воды в системе охлаждения. В автомобильных и тракторных двигателях наибольшее применение получили центробежные насосы с односторонним подводом жидкости.

Количество тепла, отводимого от двигателя водой (по данным теплового баланса):Qв= 50183Дж/c;

Средняя теплоёмкость воды: Сж=4187 Дж/кг*К

Средняя плотность воды:

– коэффициент подачи насоса

— температурный перепад воды при принудительной циркуляции

– механический КПД водяного насоса

Циркуляционный расход воды в системе охлаждения:

Расчётная производительность насоса:

Мощность потребляемая водяным насосом:

Расчёт радиатора состоит в определении поверхности охлаждения, необходимой для передачи тепла от воды к окружающему воздуху.

Дж/с – количество тепла, отводимого от двигателя и передаваемого от воды к охлаждённому воздуху;

– средняя теплоёмкость воздуха;

Объёмный расход воды: м 3 /с

Средняя плотность воды: кг/м 3

температурный переход воздуха в решётке радиатора;

температура воды перед входом в радиатор;

температурный перепад воды радиаторе;

средняя температура воздуха проходящего через радиатор;

Вт/(м 2 ∙град) коэффициент теплопередачи для радиаторов грузовых автомобилей.

Количество воздуха, проходящего через радиатор:

Массовый расход воды, проходящей через радиатор:

Средняя температура охлаждающего воздуха, проходящего через радиатор:

Средняя температура воды в радиаторе:

Поверхность охлаждения радиатора:

Вентилятор служит для создания направленного воздушного потока, обеспечивающего отвод тепла от радиатора. Массовый расход воздуха, подаваемый вентилятором:

– к.п.д. литого вентилятора

– коэффициент теплопередачи для радиаторов

– напор, создаваемый вентилятором.

Плотность воздуха при средней его температуре в радиаторе:

Фронтовая поверхность радиатора:

где м/с – скорость воздуха перед фронтом радиатора без учёта скорости движения автомобиля

Источник



База знаний по трехмерному проектированию в Pro/Engineer, Creo, Solidworks, электронике на STM32

Поставим перед собой непростую задачу: рассчитаем распределение температур по объему радиатора (охладителя) в условиях принудительного обдува в воздушном канале. Радиатор будет с пластинчатыми ребрами. Не мудрствуя лукаво, воспользуемся построениями радиатора из статьи Creo 3. Создание объединенной детали с помощью наследования.

Подготовка геометрии

Для расчета необходимо также знать сечение радиатора, через которое пойдет воздушный поток. Для этого в модели радиатора вычислим сечение. С помощью команды Заполнить creo3-part-surf-fillвыполним построение эскиза сечения на торце радиатора.
В эскизе воспользуемся командой Проецировать creo3-part-sketch-project/ По контуру для повторения контура профиля радиатора.
Определим площадь поверхности сечения воздушного канала. Для этого воспользуемся инструментом Сводка .
Подготовим радиатор для расчета тепла — уберем лишнее. А именно, с помощью команды Вытянуть срежем всю верхнюю часть диодной сборки для построения сетки конечных элементов только для радиатора.

Тепловой расчет

Переходим к тепловым расчетам: на вкладке Приложения — команда Simulate .
Во первых зададим тепловую нагрузку, по-русски это называется выделяемая мощность. Делается это с помощью команды Теплота creo3-apps-simulate-set-tload. В диалоговом окне Тепловая нагрузка выберем поверхности, оставшиеся от диодного модуля и укажем в графе Значение — 680 Вт (единицы измерения см. в выпадающем списке рядом). Это значение было получено нами ранее в начале статьи. Если приборов на радиаторе несколько, то для каждого из них отдельно нужно задать тепловую нагрузку. Нажмем Ок.
Теперь зададим Условие конвекции creo3-apps-simulate-set-tconv, т.к. именно этот режим соответствует принудительному обдуву воздухом. Выбираем поверхности ребер, потому что именно они будут обдуваться воздухом в канале. Введем значение температуры окружающего воздуха Tb = 40°C, чтобы наше изделие работало и в жарком месте в графе Температура окружающей среды. Теперь самое главное введем коэффициент конвекции h в соответствующей графе: 50.3 и выберем единицы измерения W / (m^2 K) в списке рядом.
Он сделан из сплава АД31 (характеристика материала АД31 или на нашем сайте САПР. Важные параметры некоторых материалов, используемые при тепловых расчетах). Загрузим этот материал в базу расчетов. Для этого выполним команду Материалы creo3-apps-simulate-set-matи загрузим материал из прилагаемого к уроку файла, чтобы не создавать его с нуля (см. Рис.11). Затем назначим этот материал как основной материал для нашей модели.
Материал назначается с помощью команды Назначение материала creo3-apps-simulate-assign-mat. В этом окне все понятно. Самое сложное позади, впереди нас ждет непосредственно расчет!
Хорошо, можно нажимать команду Анализы и исследования , где задаем необходимо выделить для расчета побольше оперативной памяти. Предпочтительнее задавать не меньше 4000 Гб ОЗУ. Хотя на скорость расчетов сильно влияет и процессор, особенно когда их несколько. Нажимаем ОК.
В окне Анализы и исследования продолжаем задавать условия. Выполним команду меню Файл > Новый стационарный тепловой. В нем все необходимое нам должно быть уже выбрано: набор ограничений и набор нагрузок. Остальные параметры пусть останутся по умолчанию. Нажимаем ОК. В окне Анализы и исследования нажимаем наконец Начать выполнение и отслеживать каждый этап выполнения расчета. Ведь расчет может занять порядочное время! Для ускорения рачета нам можно было бы упростить модель — убрать лишние отверстия на радиаторе, в подложке прибора, убрать скругления, фаски и т.д.

Читайте также:  Мощный напольный вентилятор с пультом управления

Результаты расчета

Вот, наконец, мы дождались выполнения расчета. Можно нажимать ОК в диалоговом окне Диагностика:Анализ. В окне Анализы и исследования нажимаем кнопку Проверка результатов исследования конструкции и конечно-элементного анализа creo3-apps-simulate-analys-view.
На этом все, можно полюбоваться на произведенный расчет. Creo 3 неплохо делает расцветку! Побалуйтесь с настройками отображения в диалоговом окне Определение окна результатов (если закрыть текущее окно Результаты моделирования и снова нажать кнопку кнопку Проверка результатов исследования конструкции и конечно-элементного анализа . Впечатляет!

Вы спросите, а как же тепловое сопротивление между диодной сборкой и радиатором. Посмотрим документацию на Диодную сборку LD411660 PowerEx. В характеристике Thermal Resistance, Case to Sink Lubricated (RΘC-S Per Module) указано значение сопротивления с учетом теплопроводящей пасты 0.01 °C/W. Просто посчитаем перегрев: 680 Вт • 0.01 °C/W = 6,8°C. На такую величину будет перегреваться диодный модуль относительно радиатора под ним.

Источник

Расчет ребристого радиатора,
как элемента теплообменника с принудительной конвекцией.

Приведена методика, на примере процессора Intel Pentium4 Willamette 1.9 ГГц и кулера B66-1A производства компании ADDA Corporation, описывающая порядок расчета ребристых радиаторов, предназначенных для охлаждения тепловыделяющих элементов РЭА с принудительной конвекцией и плоскими поверхностями теплового контакта мощностью до 100 Вт. Методика позволяет произвести практический расчет современных высокоэффективных малогабаритных устройств для отвода тепла и применить их ко всему спектру устройств радиоэлектроники нуждающихся в охлаждении.

Параметры, задаваемые в исходных данных:

P = 67 Вт, мощность выделяемая охлаждаемым элементом;

q с = 296 °К, температура среды (воздуха) в градусах Кельвина;

q пред = 348 °К, предельная температура кристалла;

q р = nn ° K , средняя температура основания радиатора (вычисляется в процессе расчета);

H = 3 10 -2 м, высота ребра радиатора в метрах;

d = 0,8 10 -3 м, толщина ребра в метрах;

b = 1,5 10 -3 м, расстояние между ребрами;

l м = 380 Вт/(м °К), коэффициент теплопроводности материала радиатора;

L =8,3 10 -2 м, размер радиатора вдоль ребра в метрах;

B = 6,9 10 -2 м, размер радиатора поперек ребер;

А = 8 10 -3 м, толщина основания радиатора;

V ³ 2 м/сек, скорость воздуха в каналах радиатора;

Z = 27, число ребер радиатора;

u р = nn K , температура перегрева основания радиатора, вычисляется в процессе расчета;

e р = 0,7, степень черноты радиатора.

Предполагается, что источник тепла расположен по центру радиатора.

Все линейные размеры измеряются в метрах, температура в градусах Кельвина, мощность в ваттах, а время в секундах.

Конструкция радиатора и необходимые для расчетов параметры показана на Рис.1.

Порядок расчета.

1. Определяем суммарную площадь сечения каналов между ребрами по формуле:

S к = ( Z — 1)· b · H [1]

Для принятых исходных данных — S к = ( Z — 1)· b · H = (27-1) ·1,5 10 -3 ·3 10 -2 = 1,1 10 -3 м 2

Для центральной установки вентилятора, воздушный поток выходит через две торцевые поверхности и площадь сечения каналов удваивается и равняется 2,2 10 -3 м 2 .

2. Задаемся двумя значениями температуры основания радиатора и проводим расчет для каждого значения:

Отсюда определяется температура перегрева основания радиатора u р относительно окружающей среды.

Для первой точки u р = 57°К, для второй u р = 17°К.

3. Определяем температуру q , необходимую для расчета критериев Нуссельта ( Nu ) и Рейнольдса ( Re ):

где: q с температура окружающего воздуха, среды,

V – скорость воздуха в каналах между ребрами, в м/сек;

S к – суммарная площадь поперечного сечения каналов между ребрами,в м 2 ;

r — плотность воздуха при температуре q ср, в кг/м 3 ,

q ср = 0,5 ( q р + q с);

C р – теплоемкость воздуха при температуре q ср, в Дж/(кг х °К);

Читайте также:  Что такое всас вентилятора

P – мощность отводимая радиатором.

Для принятых исходных данных — q = q с + P /(2· V · S к· r · C р) = 296 К+67/( 2·2м/сек·1,1 10 -3 м 2 ·1,21·1005) = 302,3°К (29,3°С)

* Величина, для данного ребристого радиатора с центральной установкой вентилятора, V из расчетов 1,5 — 2,5 м/сек (См. Приложение 2), из публикаций [Л.3] около 2 м/сек. Для коротких, расширяющихся каналов, как например у кулера Golden Orb скорость охлаждающегося воздуха может достигать 5 м/сек.

4. Определяем величины критериев Рейнольдса и Нуссельта, необходимые для расчета коэффициента теплоотдачи ребер радиатора:

где: n — коэффициент кинематической вязкости воздуха при q с, м 2 из Приложения1, таблица 1.

Для принятых исходных данных — Re = VL/ n = 2·8,3 10 -2 / 15,8 10 -6 = 1,05 10 4

Nu = 0,032 Re 0,8 [5]

Для принятых исходных данных — Nu = 0,032 Re 0,8 = 0,032 (2,62 10 4 ) 0,8 = 52,8

5. Определяем коэффициент конвективного теплообмена ребер радиатора:

a к = Nu · l в / L Вт / (м 2 К) [6]

где, l — коэффициент теплопроводности воздуха (Вт/(м град)), при q с из Приложения 1, таблица1.

Для принятых исходных данных — a к = Nu· l в / L = 52,8 · 2,72 10 -2 / 8,3 10 -2 = 17,3

6. Определяем вспомогательные коэффициенты:

определяем значение mh и тангенса гиперболического th ( mh ).

Для принятых исходных данных — m = ( 2 · a к / l м · d ) 1/2 = (2 · 17,3 /(380 · 0,8 10 -3 )) 1/2 = 10,6

Для принятых исходных данных — m·H = 10,6 · 3 10 -2 = 0,32; th ( m·H ) = 0,31

7. Определяем количество тепла, отдаваемое конвекцией с ребер радиатора:

где: Z – число ребер;

l м = коэффициент теплопроводности металла радиатора, Вт/(м ·°К);

m – см. формулу 7;

S р – площадь поперечного сечения ребра радиатора, м 2 ,

u р – температура перегрева основания радиатора.

S р = L · d = 8,3 10 -2 · 0,8 10 -3 = 6,6 10 -5 м 2

P рк = Z · l м · m · S р · u р · th ( m · H ) = 27 · 380 · 10,6 · 6,6 10 -5 · 57 · 0,31 = 127 Вт.

8. Определяем среднюю температуру ребра радиатора:

q ср = ( q р/2) [ 1 + 1 / ch ( m · H )] [10]

где: ch ( mH ) – косинус гиперболический.

Для принятых исходных данных — q ср = ( q р /2) [ 1 + 1 / ch ( m · H )] = (353/2) [1+1/1,05]=344° K (71°С)

*Величина тангенса и косинуса гиперболических вычисляется на инженерном калькуляторе путем последовательного выполнения операций “ hyp ” и “ tg ” или ” cos ”.

9. Определяем лучистый коэффициент теплообмена:

f ( q ср, q с) = 0,23 [ 5 10 -3 ( q ср + q с )] 3

Для принятых исходных данных — f ( q ср, q с) = 0,23 [ 5 10 -3 ( q ср + q с )] 3 = 0,23 [5 10 -3 (335 + 296)] 3 = 7,54

j = b / ( b + 2 H ) = 1,5 10 -3 / (1,5 10 -3 + 3 10 -2 ) = 0,048

a л = e р f ( q ср, q с) j = 0,7 х 7,54 х 0,048 = 0,25 Вт/м 2 К

10. Определяем площадь поверхности излучающей тепловой поток:

S л = 2 L [ ( Z -1) · ( b + d ) + d ] +2 H · L · Z (м 2 ) [12]

Для принятых исходных данных — S л = 2 L [( Z -1) · ( b + d ) + d ] +2 H · L · Z = 0,1445 м 2

11. Определяем количество тепла отдаваемое через излучение:

Для принятых исходных данных — P л = a л S л ( q ср — q с) = 0,25 · 0,1445 · (344 – 296) = 1,73 Вт

12. Общее количество тепла отдаваемое радиатором при заданной температуре радиатора q р = 353К:

Для принятых исходных данных — P = P рк + P л = 127 + 1,73 = 128,7 Вт.

13. Повторяем вычисления для температуры радиатора q р = 313К, и строим по двум точкам тепловую характеристику рассчитанного радиатора. Для этой точки Р=38Вт. Здесь по вертикальной оси откладывается количество тепла отдаваемое радиатором P р, а по горизонтальной температура радиатора q р.

Из полученного графика определяем для заданной мощности 67Вт, q р = 328 °К или 55°С.

14. По тепловой характеристике радиатора определяем что при заданной мощности P р=67Вт, температура радиатора q р=328,5°С. Температуру перегрева радиатора u р можно определяем по формуле 2.

Она равна u р = q р — q с = 328 – 296 = 32°К.

15. Определяем температуру кристалла и сравниваем её с предельным значением установленным производителем

q к = q р + Р ( r пк + r пр ) °К = 328+67(0,003+0,1)=335 (62°С),[15]

q р температура основания радиатора для данной расчетной точки,

Р – результат вычисления по формуле 14,

r пк — тепловое сопротивление корпус процессора — кристалл, для данного теплового источника равна 0,003 К/Вт

r пр – тепловое сопротивление корпус-радиатор, для данного теплового источника равна 0,1К/Вт (с теплопроводящей пастой).

Полученный результат ниже определенной производителем предельной температуры, и близко данным [Л.2] (порядка 57°С). При этом температура перегрева кристалла относительно окружающего воздуха в приведенных расчетах 32°С, а в [Л.2] 34°С.

Читайте также:  Citroen jumper реле вентилятора

В общем виде, тепловое сопротивление между двумя плоскими поверхностями при применении припоев, паст и клеев:

r = d к · l к -1 · S конт -1 [16]

где: d к – толщина зазора между радиатором и корпусом охлаждаемого узла, заполненного теплопроводящим материалом в м,

l к – коэффициент теплопроводности теплопроводящего материала в зазоре Вт/(м К),

S конт – площадь контактной поверхности в м 2 .

Приближенное значение r кр при достаточной затяжке и без прокладок и смазок равно

При применении паст, тепловое сопротивление падает примерно в 2 раза.

16. Сравниваем q к с q пред, мы получили радиатор обеспечивающий q к = 325° K , меньше q пред=348°К, — заданный радиатор обеспечивает с запасом тепловой режим узла.

17. Определяем тепловое сопротивление рассчитанного радиатора:

r = u р / P (°К/Вт) [17]

r = u р / P (°/Вт) = 32/67 = 0,47°/Вт

Выводы:

Рассчитанный теплообменник обеспечивает отвод тепловой мощности 67Вт при температуре окружающего воздуха до 23°С, при этом температура кристалла 325 °К (62°С) не превышает допустимую для данного процессора 348°К (75°С).

Применение специальной обработки поверхности для увеличения отдачи тепловой мощности через излучение на температурах до 50°С оказалось неэффективно и не может быть рекомендовано, т.к. не окупает затрат.

Хотелось бы, чтобы данный материал помог Вам не только рассчитать и изготовить современный малогабаритный высокоэффективный теплообменник, подобный тем, что широко применяются в компьютерной технике, но и грамотно принимать решения по применению подобных устройств, применительно к Вашим задачам.

Приложение 1.

Константы для расчета теплообменника.

Значения констант для промежуточных значений температур, в первом приближении, можно получить построив графики функций для указанных в первом столбце температур.

Приложение 2.
Расчет скорости движения воздуха охлаждающего радиатор.

Скорость движения теплоносителя при вынужденной конвекции в газах:

Где: Gv – объемный расход теплоносителя, (для вентилятора 70х70, S пр = 30 см 2 , 7 лопастей, P эм = 2,3Вт, w = 3500 об/мин, Gv = 0,6-0,8 м 3 /мин. или реально 0,2-0,3 или V = 2м/сек),

S к – свободная для прохода площадь поперечного сечения канала.

Учитывая, что площадь проходного сечения вентилятора 30 см 2 , а площадь каналов радиатора 22 см 2 , скорость продувки воздуха определяется меньшим, и будет равна:

V = Gv / S = 0,3 м 3 /мин / 2,2 10 -3 м 2 =136 м/мин = 2,2 м/сек.

Источник

Расчет элементов системы охлаждения

Охлаждение двигателя применяется в целях принудительного отвода тепла от нагретых деталей для обеспечения оптимального теплового состояния двигателя и его нормальной работы. Большая часть отводимого тепла воспринимается системой охлаждения, меньшая – системой смазки и непосредственно окружающей средой.

В зависимости от рода используемого теплоносителя в автомобильных и тракторных двигателях применяют систему жидкостного или воздушного охлаждения. В качестве жидкого охлаждающего вещества используют воду и некоторые другие высококипящие жидкости, а в системе воздушного

Расчет водяного насоса.

Водяной насос служит для обеспечения непрерывной циркуляции воды в системе охлаждения. В автомобильных и тракторных двигателях наибольшее применение получили центробежные насосы с односторонним подводом жидкости.

Количество тепла, отводимого от двигателя водой (по данным теплового баланса):Qв= 50183Дж/c;

Средняя теплоёмкость воды: Сж=4187 Дж/кг*К

Средняя плотность воды:

– коэффициент подачи насоса

— температурный перепад воды при принудительной циркуляции

– механический КПД водяного насоса

Циркуляционный расход воды в системе охлаждения:

Расчётная производительность насоса:

Мощность потребляемая водяным насосом:

Расчёт радиатора состоит в определении поверхности охлаждения, необходимой для передачи тепла от воды к окружающему воздуху.

Дж/с – количество тепла, отводимого от двигателя и передаваемого от воды к охлаждённому воздуху;

– средняя теплоёмкость воздуха;

Объёмный расход воды: м 3 /с

Средняя плотность воды: кг/м 3

температурный переход воздуха в решётке радиатора;

температура воды перед входом в радиатор;

температурный перепад воды радиаторе;

средняя температура воздуха проходящего через радиатор;

Вт/(м 2 ∙град) коэффициент теплопередачи для радиаторов грузовых автомобилей.

Количество воздуха, проходящего через радиатор:

Массовый расход воды, проходящей через радиатор:

Средняя температура охлаждающего воздуха, проходящего через радиатор:

Средняя температура воды в радиаторе:

Поверхность охлаждения радиатора:

Вентилятор служит для создания направленного воздушного потока, обеспечивающего отвод тепла от радиатора. Массовый расход воздуха, подаваемый вентилятором:

– к.п.д. литого вентилятора

– коэффициент теплопередачи для радиаторов

– напор, создаваемый вентилятором.

Плотность воздуха при средней его температуре в радиаторе:

Фронтовая поверхность радиатора:

где м/с – скорость воздуха перед фронтом радиатора без учёта скорости движения автомобиля

Источник