CC BY
23
УДК 658.51.011.56
А.М. СИНОТИН, Т.А. КОЛЕСНИКОВА
ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ПОВЕРХНОСТИ НА ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ТЕЛ ПРОСТЕЙШЕЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ, ФУНКЦИОНИРУЮЩИХ В РАЗРЕЖЕННОЙ СРЕДЕ
Описываются экспериментальные исследования по изучению влияния степени черноты поверхности на тепловой режим тел простейшей геометрической формы, функционирующих в разреженной среде.
1. Актуальность
Постоянное усложнение радиоэлектронной аппаратуры вызвано значительным расширением областей её применения и непрерывным внедрением новых достижений в науке и технике.
Надёжность работы радиоэлектронной аппаратуры, как известно, зависит от многих факторов: конструктивного исполнения, применения новейших разработанных элементов и узлов, новейших технологических процессов, условий эксплуатации в разных климатических зонах, влияния внешних факторов. Но одно из наибольших воздействий на стабильность параметров радиоэлектронной аппаратуры оказывает температура. Поэтому без поддержания заданного температурного режима трудно обеспечить длительную работоспособность, а также необходимую надёжность радиоэлектронного оборудования и его элементов [1-6].
При исследовании температурных полей сложных систем (каковыми являются все радиоэлектронные аппараты) приходится иметь дело с радиоэлементами, обладающими различной степенью черноты. Поэтому цель исследования - изучить влияние степени изменения черноты радиоэлементов на температурное поле функционирующего аппарата в условиях пониженного давления.
2. Постановка задачи
Путём экспериментального исследования изучить влияние степени черноты поверхности на тепловой режим тел простейшей геометрической формы (цилиндр конечных размеров, шар), функционирующих в разреженной среде. Для решения поставленной задачи была создана экспериментальная установка.
Она состоит из (рисунок):
Экспериментальная установка
1. Двухступенчатого пластинчато-роторного форвакуумного насоса типа Ъ - 30 производительностью 30 м3/ч до разрежения 510-4 мм рт. ст.
2. Вакуумной камеры.
3. Опорной плиты, через сверления в которой пропускались 44 герметичных разъёма:
- кольцевая прокладка толщиной 10 мм, изготовленная из вакуумной резины;
- сменные стеклянные вакуумные колпаки с размерами: Б=250 мм и Ь=450 мм; Б=450 мм и Ь=725 мм;
- пульт управления, на котором был смонтирован вакуумметр ВИТ - 1А- П;
- зеркальный миллиамперметр типа МА-011/5 (ГОСТ 1845 - 62);
- зеркальный вольтметр типа М - 45 (ГОСТ 1845 - 62);
- переключатель термопар двухполюсный на 30 положений;
- термометр со шкалой - 200 ^ + 200;
- зеркальный гальванометр типа ГЗП - 47 (ГОСТ 1845 - 65).
Вакуум измерялся термопарной манометрической лампой типа ЛТ - 2 (ТУ - СУЗ 390 000 ТУ), входящей в комплект прибора ВИТ - А - П.
Опытное тело было выполнено в виде шара - электрокалориметра. Температурное поле поверхности шара по сравнению с поверхностью цилиндра имеет равномерный характер распределения температурного поля.
Неравномерность температурного поля шара составляла ± 3 ^ 6 0С. Опытный шар, изготовленный из латуни, имел диаметр 40,25 мм. Для размещения нагревательного элемента было предусмотрено специальное цилиндрическое отверстие в теле шара. Нагреватель помещался внутри шара, отверстия закрывались крышками, выполненными из латуни. Степень черноты составляла в « 0,22 . Для установления влияния степени черноты на тепловой режим шара в вакууме поверхность его затем была покрыта высокотемпературным блестящим чёрным лаком с известной степенью черноты в = 0,8 .
Питание электрокалориметра осуществлялось постоянным током от селенового выпрямителя ВСА - 6 М.
Исследование теплоотдачи электрокалориметра производилось методом стационарного режима. Температура электрокалориметра измерялась медно-константановыми термопарами диаметром 0,1 мм, длиной 1 м, которые были приклеены на поверхности клеем БФ -2. На поверхности шара было размещено равномерно 8 термопар. Для уменьшения потерь тепла через электроды термопар последние были изготовлены из медной и константановой проволоки, покрытой лаком и шёлковой изоляцией, термопары подсоединялись при помощи многопозиционного переключателя к зеркальному гальванометру ГЗП -47. Перед экспериментами была произведена градуировка термопар. При дополнительном внешнем сопротивлении 240 Ом одно деление гальванометра составляло 0,58 градуса.
Потребляемая электрокалориметром мощность определялась по методу вольтметра -амперметра. Ток измерялся амперметром М253, напряжение - вольтметром В1500/5. Потребляемая мощность для каждого калориметра (цилиндра, шара) была постоянной на протяжении всех экспериментов.
Температура оболочки, т. е. стеклянного колпака, определялась с помощью двух термопар, приклеенных клеем БФ-2 на внутренней поверхности. Температура окружающего воздуха определялась по ртутному термометру с ценой деления 0,5 0С ГОСТ- 215-17.
Степень разрежения под колпаком измерялась вакуумметром ВИТ-1А 2 с помощью температурной манометрической лампы типа ЛТ-2.
Методика проведения экспериментальных исследований. Исследование влияния степени черноты поверхности на тепловой режим в разреженной среде было произведено на шаре - электрокалориметре. Степень черноты поверхности составляла в « 0,22 и в « 0,8 .
Среднеповерхностная температура шара была определена по среднеарифметическому значению.
Потребляемая мощность опытным электрокалориметром составляла (Р = 2,42 Вт).
Мощность, рассеиваемая шаром, во всех экспериментах составляла Рш=2,2 Вт:
Рш = Р - Рп , (1)
где Р - потребляемая мощность, Вт; Рп - мощность, рассеиваемая токопроводящими проводами, Вт.
Мощность, рассеиваемая токопроводящими проводами, вычислялась по выражению: Рп =д/ап ■Хп§пБ • (1П - 1,) • ■ у • 1 п, (2)
где аП - коэффициент теплоотдачи токопроводящих проводов, Вт/м2град.; X - коэффициент теплопроводности, Вт/мград; 8п - длина параметра сечения провода, м; Бп - площадь сечения провода, м2; 1-п - средняя температура провода, 0С; - температура окружающей
среды, 0С; у = ^ап ■ Бп / Xп ■ Бп - безразмерный параметр; 1 пт - длина токопроводящих проводов, м.
Конвективный коэффициент теплоотдачи шара определялся по формуле:
%■/ I4 _ГТо '
ак = а - ал = Рк /Б(1ср -1,) = е- С0 V—' 100У-V-100У , Вт/м2град. (3)
Т -Т
1 ср 1 I
Здесь Б - площадь поверхности шара, м2; в - степень черноты поверхности шара; С0 -коэффициент лучеиспускания абсолютно чёрного тела, Вт/м2К4; Тср = (1-ср. +273) - средняя температура поверхности, К; Т, - температура окружающей среды, К.
Результаты экспериментального исследования теплоотдачи шара при различных степенях разрежения приведены в табл. 1,2.
Как видно из табл. 1,2, температура перегрева шара при степени черноты в = 0,8 при остальных одинаковых параметрах снизилась на 50% по сравнению с температурой перегревав при степени черноты поверхности в = 0,22 .
Роль конвективного коэффициента теплоотдачи с увеличением степени черноты поверхности снижается, особенно это сказывается при низких давлениях.
Научные и практические результаты. Впервые по результатам проведенных экспериментальных исследований радиоэлементов, функционирующих в разреженной среде, установлено, что при расчёте температурных полей для деталей, имеющих геометрическую форму в виде шара или в виде ограниченного цилиндра, при давлении среды Н=10 -3 мм рт. ст. и степени черноты поверхности в <0,22, конвективную составляющую коэффициента теплоотдачи можно не учитывать, а расчёты производить с учётом только лучистой составляющей.
Анализ экспериментальных данных (табл. 1, 2) позволяет сделать вывод, что покрытие поверхностей радиодеталей веществом с высокой степенью черноты приводит к увеличению общего коэффициента теплоотдачи. Учёт полученных результатов позволит получить
Таблица 1
Н мм. рт. ст в = 0,22
0С ^-ор? 0С 1, 0С а, вт м2град ал вт м2град ак вт м2град ак/а 100%
750 21,5 75,5 54 8,03 1,63 7,40 92,2
10-1 20,0 153 133 3,26 2,38 0,88 27
10-2 20,0 173 153 2,83 2,62 0,21 7,4
610-3 20,0 175 155 2,78 2,67 0,11 3,96
Таблица 2
Н мм. рт. ст. в = 0,8
0С 0С г, 0С а, вт м2град ал вт м2 град ак вт м2град ак/а 100%
750 20 62,4 42,4 10,2 6,0 4,2 41
10-1 21 87,7 66,7 6,5 6,4 0,1 1,5
10-2 20 89,1 69,1 6,3 6,3 0 0
610-3 20 90,4 70,4 6,1 6,1 0 0
уточнённые расчёты температурных полей РЭА, работающих в этих же средах, на начальных этапах проектирования при расчёте температурных полей РЭА или при их синтезе.
Сравнение с лучшими аналогами. В литературных источниках [1-6] приведены сведения степеней черноты для различных материалов. Данные о степенях черноты для радиоэлементов и о влиянии степени черноты радиоэлементов, функционирующих в разреженных средах, в нормативных документах и в литературе отсутствуют. Поэтому полученные в результате проведенных экспериментов данные позволяют конструктору на начальной стадии проектирования оптимального по перегреву аппарата (особенно при синтезе) учитывать закономерности влияния степени черноты радиоэлементов функционирующих в условиях пониженного давления.
Анализ полученных экспериментальных результатов (табл. 1,2) позволяет сделать следующие выводы.
1.При расчёте теплового режима радиодеталей, имеющих геометрическую форму в виде шара или в виде ограниченного цилиндра, при давлении среды Н = 10-3 мм рт. ст. и степени черноты поверхности e J 0,22 конвективную составляющую коэффициента теплоотдачи можно не учитывать, а расчёт производить с учётом только лучистой составляющей.
2. Конвективный коэффициент теплоотдачи для ограниченных цилиндров при свободной конвекции в разреженной среде можно определять по формулам, представленным в [8].
3. Из табл. 1,2 видно, что для увеличения общего коэффициента теплоотдачи радиодеталей необходимо их поверхности покрывать веществом с высокой степенью черноты.
Список литературы: 1. Иванов О.А. Охлаждение аппаратуры РЛС. М., Военное издательство министерства обороны СССР, 1975. 96 с. 2. Дульнев Г.Н., Тарнавский Н.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. Л.: Энергия,1971. 287 с. 3. МихеевМ.А. Основы теплопередачи. Госэнергоиздат. 1956. 315 с. 4. ТёмкинА.Г. Обратные методы теплопроводности. М.: Энергия, 1973. 464 с. 5. МучникГ.Ф., Рубашов И.Б. Методы теории теплообмена. ч. 1. М.: Высшая школа, 1970. 288 с. 6. Лыков А.В. Теория теплопроводности. Госэнергоиздат. 1952. 392 с. 7. МайкоИ.М., СинотинА.М. Экспериментальное определение эффективной теплопроводности нагретых зон РЭА // Вопросы радиоэлектроники. ТРТО. 1972. №2. С. 23-25. 8. МайкоИ.М., Синотнн А.М., ДетиновЮ.М. О теплофизическом конструировании одноблоч-ных радиоэлектронных аппаратов с заданным тепловым режимом// Вопросы радиоэлектроники. ТРТО. 1974. N° 1. С.14-18. 8. СинотинА.М., СеменецВ.В. Метод определения эффективных теплороводностей сложных систем тел //АСУ и приборы автоматики. 2004. Вып. 127. С. 48 - 52
Поступила в редколлегию 10.11.2009 Синотин Анатолий Мефодиевич, канд. техн. наук, доцент кафедры социальной информатики ХНУРЭ. Научные интересы: проектирование, автоматизация и производство радиоэлектронной аппаратуры. Адрес: Украина, 31052, Харьков, ул. Полтавский Шлях, 41, кв. 2, тел. 7021 - 494.
Колесникова Татьяна Анатольевна, канд. техн. наук, доц. каф. ИКГ ХНУРЭ. Научные интересы: проектирование и производство биомедицинской радиоэлектронной аппаратуры. Адрес: Украина, Харьков, пр. Победы, 57 Г, кв. 35, тел. 3 - 37-61-47.
