Тепловая модель системы мониторинга и контроля Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.396.6:004.9

Баранов А.С.; Рыбаков И.М.; Фролов М.А.

Научно-исследовательский институт физических измерений, Пенза, Россия

ТЕПЛОВАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И КОНТРОЛЯ

Одно из основных требований к датчико-преобразующей аппаратуре (ДПА) и системам - это надежная и безотказная работа в жестких климатических условиях: например, температуры в помещениях на

стартовых комплексах могут варьироваться от минус 40 до 55 °С. Для того, чтобы удовлетворять этим требованиям, необходимо следить за обеспечением тепловых режимов работы ДПА и систем.

Существует множество различных методов анализа тепловых режимов. Аналитические расчеты дают достаточно точный вариант только при рассмотрении теплового процесса как процесса теплопередачи, однако, при расчете теплового режима сложных приборов или систем необходимо учитывать как конвективный теплообмен, так и (в некоторых случаях) излучение. Множество усредняющих коэффициентов и большая погрешность результатов делают аналитические расчеты непригодными для точной оценки работы изделия. Поэтому, чтобы рассмотреть и оценить работу изделий, необходимо применение специализированных программных продуктов, позволяющих провести расчет тепловых режимов любой сложности, таких как SolidWorks, ANSYS, Nastran и др. В данной статье представлен расчет теплового режима работы системы мониторинга и контроля (СМиК) в программном продукте SolidWorks.

При разработке СМиК был проведен аналитический расчет теплового режима блоков в соответствии с условиями их эксплуатации, т. к. каждый электрошкаф системы находится в определенных климатических условиях согласно техническим условиям:

Блок терминальный находится в отапливаемом помещении в диапазоне температур от 15 °С до 35 °С.

Блок коммутации 00 находится в неотапливаемом помещении в диапазоне температур от минус 40 °С до 55 °С.

Блок коммутации 01 находится в неотапливаемом помещении в диапазоне температур от минус 40 °С до 55 °С.

Электрошкафы компонуются определенными модулями в зависимости от выполняемых функций шкафа. В процессе работы каждый модуль нагревается и излучает тепловую энергию в окружающее пространство, таким образом формируя температурное поле, которое состоит из значений температур её элементов, а также температуры в различных точках воздуха внутри шкафа. Большинство модулей работает при температурах от минус 40 °С до 70 °С, что является критерием оценки результата моделирования. Исходя из представленных выше данных, видно, что перегрев терминального блока наиболее вероятен при температуре окружающей среды 35 °С для терминального блока, и при температуре 55 °С для блоков коммутации .

Для расчета теплового режима использовалась методика расчета температуры в герметичном корпусе [1] .

1. Определение поверхности корпуса блока:

V = a ■ b ■ h = 0,264м3

Sk = 2 [a ■ b + (a + b) ■ h] = 2,68м2,

где a - длина [м] ; b - ширина [м] ; h - высота [м]; V - объем корпуса [м3] ; Sk - площадь поверхности корпуса [м2] .

2. Условная поверхность нагретой зоны:

К3 =V- = 0,083

3 V

S3 = 2 ■ [a ■ b + (a + b) ■ h ■ K3 ] = 0,663м2,

где Vi = 0,022 [м3] - объем элементов внутри блока; Кз - коэффициент заполнения блока; Sa -удельная площадь поверхности блока [м2] .

3. Рассеиваемая мощность:

qk

P

, Вт

P

Вт

q3 = -JL = 191,367— ,

S0 м

S

k

где P3=126,94 [Вт] - мощность, рассеиваемая элементами; qk - общая рассеиваемая мощность; qa -удельная рассеиваемая мощность.

4. Находим коэффициенты Ui и U2 в зависимости от удельной мощности корпуса блока (Рисунок 1):

Рисунок 1 - Зависимости перегрева корпуса (ui) и перегрева нагретой зоны (и2) от удельной мощности рассеивания

Принимаем Ui = 4,7; U2 = 21,5.

Находим коэффициент Кн1 и Кш в зависимости от давления среды вне корпуса блока H1 и Н2 (Рисунок

2) :

При давлении вне корпуса Hi = Н2 = 101325 Па,

KH1 = 0,82 +------1----<---= 0,999 ; KH2 = 0,8 +-----1---<---= 0,996 .

0,925 + 4,6 10—5 ■ H- 1,25 + 3,8 10—5 ■ H-

5. Перегрев корпуса блока: Uк — u- ■ Khj= 4,695 °С.

6. Перегрев нагретой зоны: U3 =Uk+(U2 — u1) ■ Kh2 = 21,429 °С.

7. Средний перегрев воздуха в блоке: Ue — 0,5 ■ (Uk+U3) — 13,062 °С.

P Вт

8. Удельная мощность элемента: q3n =—^ = 383,099—— ,

У м

где Рэл = 27,2 [Ватт] - мощность, рассеиваемая элементом; 8эл = 0,071 [м2] элемента (вместе с радиатором).

9. Перегрев поверхности элемента: U' — U3 ■ (a + b ■ ^-) = 26.797 °С.

Чз 10 11 12 13 14 15

площадь поверхности

10. Перегрев окружающей элемент среды: U эс —Ue ■ (a + b ■^®L) — 16.334 °С.

q3

11. Температура корпуса блока: Тк —Uk+Tc — 39,695 °С,

где Тс = 35 [°С] - температура окружающей среды.

12. Температура нагретой зоны: Т3 —U3 +Tc= 56,429 °С.

13. Температура поверхности элемента: ТЭ —UэЛ +Tc— 61,797 °С.

14. Средняя температура воздуха в блоке: Те —Ue +Tc— 48,062 °С.

15. Температура окружающей элемент среды: Тэс —Uэс +Tc— 51,334 °С.

Проведенный аналитический расчет теплового режима работы электрошкафов, входящих в состав СМиК, имеет большую погрешность, и на его основании нельзя судить об эффективности конструкции. Это обуславливается тем, что в расчете не учитываются свойства материалов конструкции и особенности её геометрии, (например, не учитывается плотное расположение РЭА внутри блока). Поэтому для

продолжения разработки СМиК принято решение провести расчет с помощью специализированного программного обеспечение (ПО) CAE-анализа, в частности ПО SolidWorks. Применение современного ПО SolidWorks [2], а именно модуля Flow Simulation, для решения поставленной задачи позволяет оценить характер работы системы посредством проведения имитационного моделирования работы электрошкафов системы с учетом всех воздействующих факторов, таких как:

- свойства окружающей среды (учитывается конвективный теплообмен электрошкафа с окружающим воздухом);

- свойств материала деталей (учитывается теплопередача между входящими в состав электрошкафа радиоэлектронной аппаратурой (РЭА), корпусом и деталями);

- свойства РЭА (учитывается тепловое излучение РЭА в процессе их работы);

- свойства воздушной среды внутри шкафа (возможно провести расчет работы электрошкафа в динамическом режиме, т.е. с учетом движения воздуха внутри блока и времени);

- свойства охлаждающих элементов (при необходимости возможно добавить в расчет элементы искусственного охлаждения, т. е. регулировать поток воздуха внутри электрошкафа).

Для проведения имитационного моделирования [3] построены твердотельные модели электрошкафов,

входящих в СМиК, представленные на рисунке 3.

а)

ї

L.

О

О

£ ч

ч

в §

S §

1 £ о р

2! § 1 і

Ї $ ЗІ

td в в % 1

8-нанаяъный 8-нанаяъный

входной модуль входной модуль

Репейный модула 1 3

У й її и

3 а X, х, а

Е § ь і & й $ 1 & 1 & 3 Ь П

U

U

Рисунок 3 - Твердотельные модели системы мониторинга и контроля: а) терминальный блок, б) блок коммутации 00, в) блок коммутации 01

Значения тепловой мощности каждого элемента системы для проведения моделирования выбирались, исходя из условия критической работы, т.е.: 87% мощности - полезная мощность, 13% - потери, переходящие в тепловую энергию.

С течением времени при повышении температуры окружающей среды и нагрева элементов, излучающих тепловую энергию, тепловой режим некоторых ПКИ меняется, что влияет на излучаемое тепло. Зависимость выходной мощности от температуры для блоков питания представлена на рисунке 4. Из рисунка 4 видно, что блоки питания имеют стабильное выходное напряжение при температурах от минус 25 °С до 40 °С, при повышении температуры выходная мощность блоков питания падает, а, следовательно, и тепловое излучение уменьшается.

Рисунок 4 - График зависимости выходной мощности от температуры для блоков питания

В результате моделирования беспрерывной работы терминального блока определены значения температуры в блоках при температуре окружающей среды 35 °С. Эпюры полей распределения температур представлены на рисунке 5. Рисунок 5а говорит о том, что максимальная температура внутри блока без элементов искусственного охлаждения составила 132,64 °С, что превышает допустимую температуру работы шкафа, а, следовательно, конструкцию необходимо доработать и обеспечить искусственным охлаждением. В связи с конструктивными особенностями шкафа установка элементов искусственного охлаждения возможно только на некоторых стенках шкафа и в определенных местах. В качестве охлаждающего элемента был выбран фильтрующий вентилятор фирмы Rittal, т.к. он обладает достаточной мощностью для охлаждения шкафа и должен обеспечить требуемый тепловой режим работы. Белая стрелка на эпюрах рисунках 5б-5е обозначает общую траекторию движения воздуха в блоке.

О О

3 -

— п

п к I

_JD I I

II II

132.64

125.13

117.62

110.11

102.60

Э5.08

87.57

80.06

72.55

65.04

57.53

50.02

42.51

35.00

Temperature [°С]

а)

62.41

60.30

50.19

56.08

53.97 51.86 49.75 47.64 45.53

43.42

41.31

39.20

37.09

34.98

Temperature [°С]

б)

(58.63 56.81 55.00 53.18 51.36 49.54 47.73 45.91 44.09 42.27 40.45 38.64 36.82 35.00 Temperature [°С]

в)

Е

69.08 66.46 63.84 61.21 . 58.59 . 55.97 . 53.34 . 50.72 . 48.10 . 45.47 . 42.85 . 40.23 . 37.60 .. 34.98

Temperature [°С]

г)

О о

1 _ □ о

□ш LQ [

I JJ И 11

50.55

49.35

48.15

46.95 45.75

44.56

43.36

42.16

40.96 39.77

38.57

37.37

36.17 34.98

Temperature [°С]

д)

Рисунок 5 - Эпюры полей распределения температуры терминального блока с вариантами использова ния элементов искусственного охлаждения

Из полученных результатов видно, что введение в конструкцию элементов ния позволяет понизить максимальную температуру внутри шкафа до 50,42 оптимальный тепловой режим работы.

В результате моделирования беспрерывной работы блоков коммутации 00 и распределения температуры внутри блоков при температуре окружающей среды рисунке в.

искусственного охлажде-°С, обеспечив тем самым

01 получены эпюры полей 55 °С, представленные на

Рисунок 6 - Эпюры полей распределения температур в блоках коммутации без использования элементов искусственного охлаждения

Максимальная температура нагрева блоков коммутации 00 и 01 составляет 68,1 °С и 69,4 °С соответственно, что не превышает максимальную температуру работы блока 70 °С.

Нарушение нормального теплового режима работы терминального блока (рисунок 5а) обуславливает -ся наличием блоков питания, которые обладают большей выделяемой мощностью теплового излучения, чем другие модули. График работы блока питания (рисунок 4) позволяет сделать вывод, что перегрев корпуса до температуры 132,64 °С привел бы к отказу блоков питания, а, соответственно, к отказу системы.

Применение современного программного обеспечения CAE-анализа позволило на ранних стадиях разработки рассмотреть характер работы системы мониторинга и контроля, оценить и устранить возможность возникновения дорогостоящих ошибок в процесс натурных испытаний электрошкафов на стартовом комплексе. Проведенные работы на раннем этапе проектирования позволяют сделать заключение об актуальности применения современных технологий CAE-анализа. Результаты имитационного моделирования работы шкафов системы в условиях повышенной температуры 35 °С и 55 °С при непрерывном режиме работы показали необходимость изменения конструкции системы - введения дополнительных элементов искусственного охлаждения. Полученные результаты позволили значительно снизить затраты на изготовление и разработку СМиК благодаря исключению вероятности возникновения брака от воздействия перегрева в процессе работы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Роткоп Л.Л., Спокойный Ю.Е. «Обеспечение тепловых режимов при конструировании радиоэлектронной аппаратуры» М.: «Сов. радио», 1976, 232 с.

2. Алямовский А.А «Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation» М.: ДМК Пресс, 2010, 464 с.

3. Мусаев Р.Ш., Фролов М.А., Трофимов А.А. «Имитационное моделирование чувствительного элемента тензорезистивного датчика абсолютного давления» Журнал «Измерения. Мониторинг. Управление. Контроль». №2, 2012 г. - с. 51-55