Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 7, 2009 г.

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ АНАЛИЗ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ТЕРМОСТАТИРОВАНОГО КОНТЕЙНЕРА

 

Кофанов Ю.Н, Манохин А.И.

 

(МИЭМ)

                                               

ОБЪЕКТ РАСЧЕТА

 

«Контейнер термостатированый» 55-АОГК.1200-0-01 МЧ представляет собой стандартный вертикальный металлический плоский ящик типа AE 1007.600 версия Е9009, внутри которого располагается радиооборудование, представляющее собой устройство для измерения мощности с термостатироваными измерительными головками. Ящик  покрыт теплоизолирующим материалом, облегчающим задачу темостатирования (фиксации температуры на определенном уровне).

 

Model No.:

AE 1007.600

Designation:

Compact enclosure AE stainless steel 1.4301, with mounting plate

Variant:

n/a

Packs of:

1 ST

W x H x D:

500 mm x 500 mm x 210 mm

Mounting surface:

22 dm²

Volume:

65,50 dm³

Net weight/ST:

14,90 kg

EAN:

4028177000254

Customs number:

85381000

Protection categories:

NEMA 1, NEMA 4, NEMA 4x, NEMA 12, IP 66

 

Рис. 1. Контейнер

 

Внутри блока установлен вентилятор RP 3686.646: расход воздуха 46,2 м³


 

Теплоизолятор ящика ARMAFLEX AC 6-99E: Armaflex AC - универсальная теплоизоляция.


Температурные пределы: -50°С   +105°С
Теплопроводность: λ≤0,033 Вт/(м·К) при 10°C
Материал выпускают в виде листов толщиной от 6 до 32 мм. В нашем случае используют два слоя по 12 мм.

 

Шкаф AE 1007.600:

 

·        Вентилятор RP 3686.646 : расход воздуха 46,2 м³, 12 W, 110 - 240 V AC/DC

 

Артикул:

RP 3686.646

Описание:

Вентилятор AC, 230 В, 80*80*40 мм

Вес:

0.1 кг

 

Вентилятор RP 3686.646:

 

 

·        Обогреватель SK 3116.000 - 50 W, 110 - 240 V AC/DC

 

Артикул:

SK 3116.000

Описание:

Обогреватель для шкафа, IP 40, мощность нагрева 50 Вт, 110 - 240 В (AC/DC), макс. раб. температура: + 65°C ± 5°C

Ширина:

64 мм

Высота:

185 мм

Глубина:

54 мм

Объем:

1.069 дм³

Вес:

0.54 кг

 

 


3. Мощности тепловыделений блоков:

 

Обогреватель SK 3116.000 - 50 W, 110 - 240 V AC/DC

Вентилятор RP 3686.646 - 12 W, 110 - 240 V AC/DC

 

Рис. 2. Контейнер. Вид без боковой дверцы

 

Система термостатирования с помощью нагревателей поддерживает фиксированную температуру и настроена на включение/выключение в диапазоне 35/42 градуса С°. Для выравнивания температуры воздух продувается и перемешивается внутри контейнера.

 

Подробности конструкции можно увидеть на прилагаемых рисунках.

 

 

Рис. 3. Контейнер. Поперечное сечение

Вентилятор установлен на разделяющей объемы  стенке. Поток по кругу замыкается отверстием с другой стороны серединной стенки.

 

 

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ НА АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ АНАЛИЗ ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ  КОНТЕЙНЕРА

 

Провести путем математического моделирования теплового режима  с использованием подсистемы «Асоника-Т» исследования теплового режима контейнера с оборудованием, включающим в себя как радиоэлектронные устройства, так и нагреватели с вентиляторами.

Вариант  1-  рассчитать для температуры окружающего  воздуха = +35С

Вариант 2 -  рассчитать для температуры окружающего  воздуха = -40С

5. Требования к температуре окружающего воздуха по каждому из блоков, входящего в стойку (шкаф).

- обеспечить температуру окружающего  воздуха для головок измерительных E4412B 41±3C при установленном значении выключения на термостате SK 3110.000 = +42C

 

 

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ПРОЦЕССА КОНТЕЙНЕРА 1200

 

Моделирование стационарного теплового процесса

 

Для автоматизированного моделирования теплового режима контейнера будем использовать подсистему  «Асоника-Т», предназначенную для моделирования теплового режима конструкций произвольного вида. Для расчета аэродинамических параметров можно использовать подсистему «Асоника-А».

Расчет теплового режима можно проводить с различной степенью детализации. Сначала, для наглядности, поостроим МТП простейшего варианта. В дальнейшее по мере анализа полученных результатов можно усложнить МТП данной конструкции.

Сначала построим модель теплового процесса (МТП) протекающего в стойке в виде топологического графа. Узлы МТП моделируют элементы конструкции, воздушные объемы, и пр., а ветви виды теплообмена присутствующие в конструкции источники тепловыделения и температуры.  Затем для построенной, МТП подготовим исходные данные и произведем автоматизированный расчет [1-4].

Ниже приводятся обозначения ветвей графа МТП (отражают различные типы тепловых проводимостей), которые будут использоваться в дальнейшем при изображении моделей тепловых процессов.

Таблица 1.

Обозначение ветвей тепловых моделей

№ п/п

Тип ветви

Обозначение ветви в топологических моделях

Пояснение

1.       

2

Кондукция (теплопроводность)

2.       

16

Излучение

3.       

11

Контактный теплообмен

4.       

51

Вынужденная конвекция, обдув

5.       

61

Конвекция в канал

6.       

71

Тепломассоперенос

7.       

111

Источник с заданной температурой, °С

8.       

101

Источник с заданной мощностью, Вт

 

С точки зрения теплового режима будем считать, что контейнер герметичный и внутренний вентилятор гоняет воздух по кольцу  образованному внутренней серединной и боковыми стенками. Производительность вентилятора и поперечное сечение канала позволяют в первом приближении определить среднюю скорость продуваемого воздуха. В дальнейшем можно ее уточнить, построив модель полученных каналов и учтя реальную нагрузочную характеристику вентилятора.

В этом случае внутри контейнера существует вынужденная конвекция и излучение. Теплопроводностью (кондукцией) конструктивных элементов на корпус контейнера пренебрегаем.  Для построения модели сделаем допущения: 

·        Корпус контейнера изотермичен (т.е. имеет одинаковую температуру);

·        Корпус контейнера не имеет теплового контакта с внешними элементами других конструкций;

·        Термоизоляция контейнера изотермична;

·        Воздух внутри контейнера изотермичен;

·        Мощность тепловыделения равна суммарной мощности внутри контейнера.

·        Нагреватели не имеют теплопроводящий контакт с корпусом;

·        Производительность вентилятора равна паспортной.

 

 

Узлы МТП будут представлять следующее элементы:

·        Узел 1 - Окружающая среда;

·        Узел 2 -  Корпус;

·        Узел 3 – Термоизоляция;

·        Узел 4 - Воздух внутренний;

·        Узел 5 -  Нагреватели.

 

 

Рис. 4. Контейнер. 3D модель

 

Уточним некоторые геометрические параметры контейнера и МТП. Определим поперечное сечение потока тепла изнутри контейнера наружу и сведем параметры таблицу в виде двух сомножителей, произведение которых равно площади этого сечения.

Для нагревателя надо учесть, что, во-первых их 4 штуки, во-вторых каждый представляет собой развитую поверхность много более просто площади описывающего параллепипеда, т.к. там используется развитая поверхность - оребрение, т.е рассчитанную площадь паралепиппеда надо увеличить, например, в полтора раза.

Площадь сечения канала для продуваемого воздуха возьмем равной половине поперечного сечения корпуса (он разделен пополам перегородкой), и учтем, что часть сечение канала закрыта элементами, т.е. коэффициент заполнения сечения канала элементами, например равен 0.5.  

Таблица 2.

Геометрические параметры ветвей описывающих контейнер

 

 

Корпус

Обогреватель

Канал

Размер, а

мм

500

185

250

Размер, б

мм

500

45

 

Размер, h

мм

210

65

210

Площадь поперечника

мм*мм

920000

46550

52500

Первый сомножитель описания ветви МТП

 

500

185

250

Второй сомножитель

 

1840

252*4=1010

210

Количество/к-т запол-я

шт.

1

4

0.5

 

Просуммируем общую мощность тепловыделения контейнера: 4 нагревателя по 50 ватт и 12 ватт вентилятор:  50*4+12=212 Вт.

Скорость продува воздуха в простейшем случае определим исходя из производительности вентилятора и сечения канала. В дальнейшем ее можно уточнить построив модель аэродинамических процессов (МАП) контейнера в подсистеме «Асоника-А»

Исходя из принятых допущений, построим модель теплового процесса контейнера.

Рис. 5. МТП Контейнера 1200

 

В соответствии с конструктивными и теплофизическими параметрами подготовим в соответствии с этой моделью файл исходных данных.

С помощью автоматизированной подсистемы анализа тепловых режимов РЭС в нетиповом конструктивном исполнении входящей в состав “АСОНИКА – Т ” был проведен расчет при температурах окружающей среды 50 и -40 градусов.

 

Таблица 3

Результаты расчета стационарного теплового режима при температуре окружающей среды 35 и -40 градусов

 

№ узла

Имя узла

Температура

Температура

1

Окр. среда

35

-40

2

Корпус

58.9

-11.7

3

ТеплоИзоляция

100.8

30.2

4

Воздух внтр.

122.6

58.5

5

Нагреватели

187.5

143.4

 

Для расчета нестационарного теплового режима необходимо дополнить МТП контейнера тепловыми теплоемкостями элементов конструкции

 

Распечатка файла исходных данных «Асоника-Т» стационарного режима:

Контейнер термостатированый 55-АОГК.1200-0-01 МЧ

ТИПК=01

ТИПР=01

 ФПЧ=00

ТЕСТ=10

 5 - количество узлов модели

"1112223331111111122222222333333334444444455555555666666667777777788888888

   1  0111    35.0                                                       

   5  0101   212.0                                                       

   2  1 26   500.0  1840.0   500.0     1.0   760.0                       

   2  1 16   500.0  1840.0     0.8     1.0                               

   5  4 51   185.0  1010.0   185.0     0.5   760.0                       

   4  3 51   500.0  1840.0   500.0     0.5   760.0                       

   2  3  2   500.0  1840.0     6.0   0.033                               

   5  3 16   185.0  1010.0     0.8     0.7                                

*

*

Начальное время работы  0.0

Конечное время работы   30.0

Точность интегрирования 0.1

Минимальный шаг         0.2

Максимальный шаг        0.2

Начальная температура   20.0

 

Моделирование нестационарного теплового процесса

 

Для расчета нестационарного теплового режима необходимо дополнить МТП контейнера тепловыми теплоемкостями элементов конструкции, определяемыми, как произведения массы элемента на  удельную теплоемкость материала  из которого выполнен элемент.

Удельные вес термо-изоляциии был рассчитан исходя их веса и размеров найденного в Инетинете элемента – трубы выполненной из Armaflex AC  http://www.santech.ru/katalog/card.php3?cid=1333

Таблица 4.

Геометрические и теплофизические параметры Armaflex AC 

 

Armaflex AC

Разм. 

Величина 

Диаметр макс

мм

80

Толщина

мм

13

Диаметр мин

мм

67

Длина

м

2

Объем

м*3

0,010

Вес

кг

3,04

Уд. вес

кг/м**3

302,55

 

Сведем расчетные элементы в таблицу.

Таблица 5.

Геометрические и теплофизические параметры ветвей описывающих Контейнер 1200  для нестационарного режима

Элемент конструкции

Ед.

Контейнер

Изоляция

Обогреватель

Плотность

кг/м*3

7800

302,55

 

Толщина

мм

1

6

 

Объем

мм*3

0,00092

0,005233

 

Вес

кг

7,176

1,58

0,54 · 4 = 2,16

Уд теплоемкость

дж/(кг*к)

470

1500

900

Теплоемкость

дж/к

3372,72

2374,939

1944

 

Удельную теплоемкость нагревателя возьмем, считая его выполненным из алюминия. Удельную теплоемкость Armaflex AC  найти не удалось, поэтому была взята удельная теплоемкость бумаги.

Структура МТП остается прежней- различие в задании параметров определяющих нестационарный режим – теплоемкостях в соответствующих узлах МТП.

 

а)

б)

Рис. 6. МТП нестационарного режима Контейнера 1200:

а) с обозначенными источниками, б) с величинами источников.

 

 

 

Исходные данные для расчета нестационарного режима приведены ниже:

 

КОНТЕЙНЕР ТЕРМОСТАТИРОВАНЫЙ 55-АОГК.1200-0-01 МЧ

ТИПК=01

ТИПР=03

ФПЧ=00

ТЕСТ=10

5 - КОЛИЧЕСТВО УЗЛОВ МОДЕЛИ

"1112223331111111122222222333333334444444455555555666666667777777788888888

1  0111    35.0

5  0101   212.0

2  1 26   500.0  1840.0   500.0     1.0   760.0

2  1 16   500.0  1840.0     0.8     1.0

5  4 51   185.0  1010.0   185.0     0.5   760.0

4  3 51   500.0  1840.0   500.0     0.5   760.0

2  3  2   500.0  1840.0     6.0   0.033

5  3 16   185.0  1010.0     0.8     0.7

5  0121  1944.0

2  0121  3373.0

3  0121  2375.0

*

*

НАЧАЛЬНОЕ ВРЕМЯ РАБОТЫ  0.0

КОНЕЧНОЕ ВРЕМЯ РАБОТЫ   5000.0

ТОЧНОСТЬ ИНТЕГРИРОВАНИЯ 0.1

МИНИМАЛЬНЫЙ ШАГ         1.

МАКСИМАЛЬНЫЙ ШАГ        10.

НАЧАЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА   35.0

 

По приведенной МТП был проведен расчет нестационарного теплового режима, результаты которого в виде графиков приведены ниже.

 

Рис.7. Результаты расчета нестационарного  теплового режима Контейнера 1200 (номер узла соответствует номеру узла МТП) при температуре среды 35 градусов

 

Проведем расчет теплового режима при отрицательной температуре среды – 40 градусов.

Рис.8. Результаты расчета нестационарного  теплового режима Контейнера 1200 (номер узла соответствует номеру узла МТП) при температуре среды -40 градусов

 

Для показа возможности построенной МТП увеличим теплопроводность через теплоизоляцию в 10 раз, т.е. увеличим коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции с 0.033 дл 0.33 (Вт/М*К) при температуре 35 градусов и представим ниже результат в виде графика.

Рис.9. Результаты расчета нестационарного  теплового режима Контейнера 1200 (номер узла соответствует номеру узла МТП) при температуре среды 35 градусов при увеличении коэффициента теплопроводности теплоизоляции с 0.033 до 0.33 Вт/(м*К)

 

 

Выводы

 

Наиболее высокая температура, естественно, у нагревателя (узел 5), затем внутренний воздух (узел 4), затем изолятор (узел 3) и корпус (узел 3).  

Скорость нагрева сильно зависит от величины теплового сопротивления между источниками тепловыделения и окружающей средой.

Степень детализации расчета соответствует задаче показать основные возможности подсистемы. По расчету тепла можно увеличивать размерность МТП или степень детализации рассмотрения теплового режима.

Для более тонкой проработки можно добавить построение модели аэродинамических процессов МАП, что - бы точнее определить расчетные скорости продува воздуха в контейнере, которые затем можно подставлять в МТП для «Асоники-Т». 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Автоматизированная система АСОНИКА для проектирования высоконадежных радиоэлектронных средств на принципах CALS-технологий. Том 1 (+ CD-ROM) Издательство: Энергоатомиздат, 2007г., 368стр..

2. Кофанов Ю.Н., Манохин А.И., Увайсов С.У. Моделирование тепловых процессов при проектировании, испытаниях и контроле качества  радиоэлектронных средств: Учеб. пособие. / МГИЭМ., М.:, 1998 г., 140 с. 

 

3. Исследования тепловых характеристик РЭС методами математического моделирования. Монография / В. В. Гольдин, В. Г. Журавский, В.И. Коваленок и др.; Под ред. А. В. Сарафанова. М.: Радио и связь, 2003. - 456 с. ISBN 5-256-01697-0

 

4. Дульнев Г.Н., Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре, учебник, М.:Высшая школа, 1984. Дульнев Г.Н., Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре, учебник, М.: Высшая школа, 1984.

 

Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 7, 2009 г.