проблема с созданием модели радиоэлектронного компонента

[chin 0]

Уважаемые форумчане,помогите советом!

Есть корпус с заданной геометрией и мощностями тепловыделения электронных компонентов(рис1). (корпус 1,5мх1,5м)

На рисунке помечен "пол"-это составная конструкция из 60 плиток как на рис 2. Мощность тепловыделения "пола" вцелом сопоставима с мощностями наиболее нагруженных элементов в центре корпуса, но толщины стенок каналов в среднем 5 мм,и для нормального разрешения модели сеткой потребуется запредельное число элементов сетки.

В тьюториалах электронная начинка заменяется паралелепипедами и т.д. с заданной мощностью. В моем случае "пол" будет охлаждаться за счет естественной (а скорее всего вынужденной-вентилятор прислоним к торцу) конвекции на стенках каналов "пола". Заменить в этом случае "пол" монолитным кирпичом можно только после оценки его собственного теплового режима.

Цель расчета-оценить тепловой режим всей конструкции корпуса и элементов.

Как учесть "пол"?

Использовать модель пористого тела? Но каждая стенка канала " пола" имеет свое тепловыделение -позволит модель это учесть?

Что посоветуете?

 

PS

Плитка с рис 2 - это модель в первом приближении (изначально стенки каналов это текстолитовые платы с элементами и металлические крышки над ними-чтобы хоть как то упростить модель пришлось сделать такие сэндвичи (текстолит-воздух-алюминий), материал у них будет с эквивалентной теплопроводностью)

[MotorManiac 130]

А тепло посредством пола отводится ? 

[chin 0]

Отвод тепла: часть элементов контактирует с трубами охлаждения(см. рис.). На боковых стенках и на крышке,которой на рисунке нет(5 мм алюминия)-конвекция. Снизу(там где "пол")-стоит текстолитовая крышка,она тоже конвективно охлаждается. Вся конструкция перегревается от внутреннего тепловыделения,плюс она будет стоять на солнцепеке без укрытия.

Охлаждение внутреннего объема видимо будет организовано радиаторами,аккумулирующими тепло и сбрасывающими его все туда же- на трубы охлаждения.

Внутри будет стоять вентилятор,перемешивающий горячий воздух,

Изменено 27 августа 2014 пользователем chin

[MotorManiac 130]

5.5 кВт.......неплохая духовка )

 

 

Вся конструкция перегревается от внутреннего тепловыделения,плюс она будет стоять на солнцепеке без укрытия. Охлаждение внутреннего объема видимо будет организовано радиаторами,аккумулирующими тепло и сбрасывающими его все туда же- на трубы охлаждения. Внутри будет стоять вентилятор,перемешивающий горячий воздух,

 

 

Не совсем понятно..... а если просто холодный воздух задувать в ящик этот )

[chin 0]

Просто холодный воздух (в плохом случае с температурой 50 градусов)- проходит по трубам охлаждения. Внутренняя полость должна быть герметична...

[MotorManiac 130]

Это сильно влияет на ситуацию ) По внутренним каналам нужно делать газодинамический расчет....по внутренним элементам нужно подумать - можно ли их так же спозиционировать на охлаждаемых элементах.

[chin 0]

Если внутренние каналы-это в моей терминологии "трубы охлаждения"-то расчет был такой: бралась отдельно модель канала с паралелепипедами,с тепловой мощностью 125 Вт(8 шт),на входе задавался объемный расход,на выходе-атмосферное давление. Выяснялся расход,нужный для обеспечения рабочей температуры блочков этих. По этому расходу и автоматически полученному перепаду давления-выбран вентилятор.

Похоже это на газодинамический расчет? Или надо еще что-то?

По поводу "спозиционировать на охлаждаемых элементах"-имеете в виду,что два цветных блочка (по 100Вт и по 500 Вт) надо будет тоже на трубы посадить? Надо подумать... (в проекте  зверские требования по массе и габаритам... Хотя если не пройдем по теплу,то масса и габариты никого уже не спасут)

Пока рабочая версия-радиаторы на всех свободных поверхностях,излишнее тепло попытаться вывести на крышку и сдуть в окружающую среду(на крышке для этого навесим вентилятор).

А как Вы смотрите на "пол"-что делать с ним? Можно как-то разбить задачу и рассчитать например "пол" отдельно. Но я не понимаю,как сделать для этого отдельного расчета эквивалентные условия,соответствующие температуре и потокам в корпусе...

[MotorManiac 130]

Похоже это на газодинамический расчет? Или надо еще что-то?

 

Я конфигурацию канала-трубы так и не понял  там ребра или что ?впринципе похож, какие коэф-ты теплоотдачи на поверхности трубы получились ? ну и сечение канала, скорость газа, расход, и вентилятор в рабочей точке )

 

Пока рабочая версия-радиаторы на всех свободных поверхностях,излишнее тепло попытаться вывести на крышку и сдуть в окружающую среду(на крышке для этого навесим вентилятор).

 

Вентиляторы могут не спасти, т.к. узким местом теплообмена может стать радиатор системы охлаждения элемента, прикинуть надо однако....

 

А как Вы смотрите на "пол"-что делать с ним? Можно как-то разбить задачу и рассчитать например "пол" отдельно. Но я не понимаю,как сделать для этого отдельного расчета эквивалентные условия,соответствующие температуре и потокам в корпусе...

 

См. ответ выше, т.к. охлаждение пола и стенок может не повлиять на Т элементов если внутри интенсификации процесса охлаждения не будет.

[chin 0]

Канал-сечение 60 на 200,длина 1500мм. Внутри ребра:см. рис1. При расходе воздуха в канале 0,1 м3/с, перепад давлений-250 Па. Характеристика вентилятора см. рис.2.

Коэффициенты теплоотдачи в канале, график характеристики системы и рабочая точка вентилятора не были заранее определены. После расчета модели трубы(с радиаторами и блочками и вентиляторами)-температура блочков стала 75 гр Ц - вот и весь расчет... Могу посчитать их сейчас.

А в "полу" ширина каналов 12 мм при длине 1500 мм-нарезать ребра там можно только с одной стороны канала(там алюминиевая стеночка).

Да уж,беспокоится об охлаждении пола при наличии неохлажденных блоков по 500 Вт-может оказаться,что мы наоборот будем их подогревать за счет внутреннего горячего воздуха...

 

См. ответ выше, т.к. охлаждение пола и стенок может не повлиять на Т элементов если внутри интенсификации процесса охлаждения не будет.

 

Внутри -это внутри каналов "пола" или внутри кропуса? если корпуса,то там запланирован вентилятор. Возможно даже несколько-один будет перемешивать воздух внутри корпуса,другой (диагональный) будет задувать воздух в каналы "пола" и охлаждать непосредственно его.

[MotorManiac 130]

При расходе воздуха в канале 0,1 м3/с

 

 

Это где-то скорость около 10м/с это слабовато конечно, но то что он оребрен это хорошо. А как то учитываете тепло которое блоки внутрь корпуса скинут ? он только 1 стороной прислонен к трубе. Если позволите, еще такое замечание по трубе охлаждения - уберите лишнее пространство или заполните их ребрами, ребра так же целесообразно вплотную примкнуть друг к другу, т.к. теплоноситель может пойти по периферии и не попасть в межреберное пространство.

 

Возможно даже несколько-один будет перемешивать воздух внутри корпуса,другой (диагональный) будет задувать воздух в каналы "пола" и охлаждать непосредственно его.

 

 

Возможно целесообразно внутрь установить рекуператор ? 

[chin 0]

Спасибо,насчет ребер-сделаю,это хорошая мысль.

 

 

 А как то учитываете тепло которое блоки внутрь корпуса скинут ? он только 1 стороной прислонен к трубе.
 

Которые блоки? если те,что по 125Вт,висящие на трубах охлаждения,то в комплексном расчете (все блоки-кирпичи, трубы с радиаторами,вентиляторы и конвекция на внешнем корпусе) это учитывается. Температура получается 180 градусов-это естественно недопустимо для электроники,надо 70.

 

Возможно целесообразно внутрь установить рекуператор ? 

 

Рекуператор - а он не нарушит герметичность корпуса? Если я правильно понимаю принцип его действия-он охлаждает внутренний воздух за счет сброса тепла на вращающийся ротор,а ротор сообщается с внешним холодным воздухом?

[MotorManiac 130]

Температура получается 180 градусов

 

Это ни о чем не говорит, при таком подходе решения  - запустили и получили мультики какие-то. Разбейте задачу на 2

 

1. Расчет кол-во тепла которое уйдет по трубе с воздухом, определение кол-во тепла которое уйдет в блок.

 

2. Расчет температур внутри блока (стенка, газ, элемент) с учетом п.1.

 

Сделать выводы - какая часть теплообмена нуждается или не нуждается в интенсификации и как ее осуществить.

 

 

 

Рекуператор

 

 

Теплообменник 

[chin 0]

Пытаюсь посчитать количество тепла,которое уйдет в блок. Блочки,висящие на трубе выделяют 125 Вт,транзисторы,дающие эту мощность,стоят на той стенке,которая прижата к трубе. Можно ли прикинуть температуру стенки(противоположной от стенки,контактирующей с трубой) блока как Т_ст=Т_возд+125/(альфа*площадь)? То есть принять как плоскую стенку с граничными условиями второго и третьего рода? До прогрева температура в корпусе 50 гр Ц, альфа для естественной конвекции на вертикальной стенке взять 5.

При расчете потока внутрь блока за температуру воздуха брать температуру начальную?

Изменено 2 сентября 2014 пользователем chin

[MotorManiac 130]

Это хорошо, это по науке :) 

 

Можно ли прикинуть температуру стенки(противоположной от стенки,контактирующей с трубой) блока как Тст=Твозд+125/(альфа*площадь)?

 

 

Это не очень корректно будет, т.к. теплосъем осуществляется и со стороны трубы ( это теплопроводность по радиатору и съем с газовой среды). В данном случае я воспользовался бы решением чисто внутренней задачи для 1 элемента, т.е. нужно смоделировать единичный элемент с частью радиатора - навесить на него граничные условия: коэффициент альфа на ребрах и коэф-ент альфа внутри, дальше посмотреть сколько тепла идет внутрь трубы и сколько тепла идет внутрь блока.

 

Что касается температур газовых сред - внутри трубы и внутри блока. Они не являются константами и более того первая будет меняться по длине трубы. Для определения данных температур целесообразно сделать несколько итераций и учесть еще одно уравнение для конв. теплообмена между корпусом и внешней средой.

 

1. Для внутренней трубы: Т воздуха вначале можно взять как 20С, после получения теплового баланса - определения количества Вт которое будет сниматься воздушной средой, можно сделать следующую итерацию => Т воздуха =  20C + ( Q*n / c*m ), где Q- тепловой поток, n- кол-во элементов, с- теплоемкость воздуха, m - массовый расход. Соответственно данную итерацию можно повторить 2-3 раза для лучшей сходимости результата.

 

2. Для определения кол-ва тепла которое пойдет во внутрь блока необходимо дописать 4-ре  уравнения:  Q1=F1*a1*(T1-Т внешнего воздуха), где Q1 - тепловой поток с внешнего корпуса к внешнему воздуху, F1 - площадь внешняя корпуса, a1 - коэф-ент конв. теплоотдачи внешнего воздуха, T - температура внешнего корпуса (окр. среды), T1 - температура стенки внешнего корпуса.

 

Q2= F2*a2*(Т внутр. воздуха - T1), по аналогии Q2 - от внутреннего воздуха к стенке , а2 - коэ-ент для внутреннего воздуха к стенке.

 

Q3 = F3*a3* (T элемента - Т внутреннего воздуха), аналогично, см. выше. Площадь только всех элементов я думаю :) 

 

Q1=Q2=Q3

 

--------------------------------------------------

 

Соответственно п.2 будет немного зависеть от п.1, решения данных задач даст вам представление о равновесных температурах в вашей системе. Потом можно будет сделать выводы нужно ли интенсифицировать процесс и что для этого необходимо.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. 

[chin 0]

Когда считаю конвекцию с оребренной стенки-мне нужен коэффициент теплоотдачи. В учебнике Сукомела нашлась формула для расчета приведенного коэффициента теплоотдачи с оребренной поверхности-учитывается альфа стенки между ребрами и альфа с торца ребра. У меня вот такие ребра в канале(см. рис.)

В таком случае альфа на торце ребра =0,а на стенке между ребрами можно ли принять альфа 80-как на плоской стенке при вынужденной конвекции и скорости воздуха 30 м/с? Хотя,у меня по расходу скорость 10 м/с-тогда наверно альфа должно быть 27(из пропорции?)

Изменено 3 сентября 2014 пользователем chin

[MotorManiac 130]

Вертикальные ребра не нужно ставить, они никакой роли не сыграют для съема тепла с тепловыделяющих элементов, лучше еще парочку горизонтальных поставить туда.

 

 

на стенке между ребрами можно ли принять альфа 80-как на плоской стенке при вынужденной конвекции и скорости воздуха 30 м/с? Хотя,у меня по расходу скорость 10 м/с-тогда наверно альфа должно быть 27(из пропорции?)

 

 

Ой ой, альфа 80 это не при таких скоростях достигается и способе натекания теплоносителя. Вы можете рассчитать альфа и в данной програме - взяв единичный канал прямоугольного сечения. Ну навскидку думаю должен быть в районе 12-18 (это средний по всей поверхности).... Ради интереса посмотрю критериальную зависимость в похожем эксперименте, сколько там получается можно посчитать. 

 

P.S. При решении задачи внутренней теплопроводности - подергайте кол-во ребер, и их толщину. Ибо внутренний  теплообмен радиатора не должен быть узким местом. 

[chin 0]

Посмотрите,пожалуйста,верно ли я ставлю задачу,а то какой-то бред получается.

 Корпус прибора заполнен воздухом и платами,поэтому я беру эквивалентную теплопроводность, равную 0,57 Вт/мК. Пишу уравнения даже без оребрения (вместо этого беру коэффициент конвекции 10 Вт/м2К):

Q1=α*F*(T₂-T_Возд)= 5*0,2*0,3(T₂-50)

Q2=λ_п* F /L_п*(T₁- T₂) =0,57*0,2*0,3/0,03*(T₁-T₂)

Q3= λ_а* F /L_а*(T₁- T₃)=120*0,2*0,3/0,004*(T₁-T₃)

Q4= α*F*(T₃-T_Возд)=10*0,2*0,3(T₃-50)

Q2+Q3=125 (это известное мне тепловыделение прибора)

Q1=Q2(в стационарном случае)

Q3=Q4(в стац. случ.)

Получаются в итоге температуры то почти 0,то 1000-бред какой-то. Может надо рассматривать как задачу с внутренними источниками?

[MotorManiac 130]

Ой совсем не так ) выше алгоритм написал как действовать. Рассчитайте 1 элемент с помощью мкэ, вы определили коэф-ты а на ребрах ? для канала круглого сечения для турбулентного режима a=0.023* (λ/d)*Re^0.8*Pr^0.8*Kt*Kl, d - эквивалентный диаметр. 

[chin 0]

Вот коэффициенты на ребрах:

в начале канала на стенках ребер до 65 альфа(в очень малой области).

Дальше по длине широкого ребра альфа порядка 7, по длине узких ребер порядка 1-2:

Сделаю каналы пошире,ребер поменьше будет.но альфа будет хоть порядка 7, а не 1-2.

[MotorManiac 130]

Ой.... а зачем было считать все каналы ? массообмена  же нету между ними ). Поскольку канал симметричный, то включите симметрию - уменьшите задачу на половину.

 

Нам же средний найти надо хотя бы )

 

в начале канала на стенках ребер до 65 альфа(в очень малой области).

 

Да, это на входном участке происходит дополнительная турбулизация потока, Kl коэффициент выше ее учитывает 

 

Дальше по длине широкого ребра альфа порядка 7, по длине узких ребер порядка 1-2:

 

 

Сетку смотрите..... 

 

P.S.  Я надеюсь вы не считаете задачу с теплопроводностью стенки :)