Теоретический и экспериментальный анализ тепловых потерь в электрических блоках текстильных машин

На предприятиях текстильной и легкой промышленности одним из важнейших фактором облегчения нормальных технологических и комфортных условий является поддержание влажностных и температурных условий производственных цехов. Это обеспечивается системами вентиляции и кондиционирования (централизованным^ локальными или комбинированны^.

Их расчеты и проектирование проводятся с учетом всех тепловых процессов и режимов их работы, расположенных в данном конкретном цехе. К таким источникам, наряду с другими, относятся системы электроснабжения, включая блоки автоматизации технологических режимов основного и вспомогательного уровня. За последние годы число таких систем значительно возросло, что обязывает проектировщиков систем вентиляции и кондиционирования учитывать тепловыделение различных источников тепла. И, если уровни таких тепловыделений в тепловом балансе при централизованной системе вентиляции и кондиционирования не очень велики, то в локальных системах учет этих тепловыделений становится важным.

Современные средства электроснабжения и контроля технологических процессов на предприятиях текстильной и легкой промышленности с технологических позиций представляет систему многих тел с внутренними источниками теплоты. Их температурное поле зависит от мощности источников теплоты, конструкции, геометрических параметров, режимов работы и систем охлаждения.

Анализ температурных полей таких систем, заключающийся в установлении количественной зависимости между температурой наиболее энергоемкой аппаратуры и факторами, влияющими на процесс теплообмена, является весьма сложной задачей, решение которой проводится экспериментально или методом моделирования, поскольку чисто теоретическое решение задачи в полном объеме практически невозможно. Тепловые процессы о в реальной аппаратуре, как правиле плохо поддаются математическому описанию из-за наличия большого числа основных и второстепенных факторов, влияющих на процесс.

В настоящее время широкое распространение получили две группы тепловых моделей электронной и электротехнической аппаратуры. Характерной особенностью моделей первой группы является разделение всех поверхностей модели на отдельные условно изотермические участки. Например, при определении среднеповерхностной температуры нагретой зоны условно изотермическими считаются поверхность корпуса и вся поверхность нагретой зоны, состоящая из поверхностей элементов и части шасси не занятой ими. В этом случае, анализ температурного поля внутри нагретой зоны проводится по схеме, приведенной ниже.

Каждую плату с деталями можно представить в виде пластины с равномерно распределенным источником теплоты мощностью ()л и равномерным полем температур и рассматривать процессы теплообмена, протекающие между изотермическими поверхностями. В этом случае возможно определить на только среднюю температуру внешней поверхности нагретой зоны, но и средние значения температур каждой платы Ti.

Процессы переноса теплоты в таких тепловых моделях рассматриваются так, как если бы они протекали между изотермическими поверхностями.

В тепловых моделях относящихся ко второй группе, нагретые зоны электронной и электротехнической аппаратуры, представляющие собой неоднородную систему многих тел, идеализируются в виде однородного тела. Свойства этого тела характеризуются эффективными значениями коэффициентов теплопроводности X и теплоемкости с. В тепловой модели нагретая зона представляет собой однородное анизотропное тело с распределенным по объему источником энергии Q (x, y, z). Исследование такой тепловой модели позволяет получить аналитическое выражение для поля температур нагретой зоны T (x, y, z).

Особенности тепловых моделей электронной аппаратуры определяют математический аппарат, применяемый для их анализа. Тепловые модели первой группы исследуют при помощи метода тепловых схем, который позволяет описать процессы теплообмена, используя системы неоднородных нелинейных алгебраических уравнений. Для изучения тепловых моделей второй группы применяются дифференциальные уравнения. При исследовании теплового режима сложных конструкций тепловая модель аппарата может содержать в себе элементы обеих указанных групп моделей. При этом отдельные части сложной электронной аппаратуры представляют в виде условно изотермических поверхностей, другие — в виде однородных тел.

С учетом вышеизложенного, целью настоящей работы являлось определение тепловыделений основных элементов электронной и электротехнической аппаратуры, используемых в системах электроснабжения и автоматического контроля производственных процессов в текстильной и легкой промышленности, для чего была предложена методика расчета количества выделенного тепла с учетом температурных зависимостей теплопроводности основных полупроводниковых материалов, применяемых в современной электронике и выполнена экспериментальная проверка этих расчетов на примере тепловыделений от блоков и элементов текстильных машин.

Научной новизной работы следует считать: установление механизмов теплопроводности в электронных полупроводниковых материалах на основе модели подвижности фононовопределение зависимости между теплопроводностью и теплопередачей электронных блоков, работающих в условиях естественной конвекции для анализируемых материалов, применяемых в различных элементах электроснабжения и контроляопределение температурных полей отдельных элементов энергопотребления на основе экспериментально полученных данных.

Практическая значимость работы заключается в: установлении зависимости величины тепловыделений блоков энергоснабжения, включая блоки автоматического контроля от их 6 теплофизических характеристик, что дает возможность проводить более точно расчеты систем вентиляции и кондиционированияполучении метода расчета тепловых потерь от электронных блоков текстильных машин, что позволит совершенствовать процесс проектирования систем вентиляции и кондиционирования на предприятиях текстильной и легкой промышленности. Основные рефераты работы изложены в публикациях:

1. Булекова Т. А., Воронович С. А., Жмакин Л. И. и др. Особенности расчетов процессов теплопереноса на основе моделей подвижности и релаксации моделей тепла. (Монография в соавторстве). — М.: МГТУ имени А. Н. Косыгина, 2001.

2. Марюшин J1.A., Курочкин И. А., Кузнецова Т. А. Исследования тепловыделений в полупроводниковых устройствах. Деп. в ВИНИТИ № 361-В2003 от 26.02.2003 г.

3. Марюшин JI.A., Курочкин И. А., Кузнецова Т. А. Тепловой расчет элементов автоматической аппаратуры на основе пластинчатых полупроводников. Деп. в ВИНИТИ № 360-В2003 от 26.02.2003 г. и докладывались на научно-технических конференциях и конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГТУ в 2000;2002 гг.

Выводы.

1. Проанализированы механизмы теплопроводности большинства электронных полупроводниковых материалов. На основе модели подвижности фононов показано, что основной моделью является упругое межфононное рассеяние, однако в большинстве материалов наблюдается наличие дополнительного упругого рассеяния фононов на примесях или дефектах решетки или неупругое межфононное рассеяние.

2. Получены температурные зависимости теплопроводности в виде степенных функций, которые наиболее удобны при учете их влияния на характер теплопередачи в электротехнической и электронной аппаратурах.

3. Установлена качественная зависимость коэффициента теплопередачи путем естественной конвекции от теплопроводности полупроводниковых электронных материалов с учетом температурной зависимости теплофизических свойств.

4. Рассчитаны величины тепловыделений от электрических и автоматических блоков, использующих анализируемые полупроводниковые элементы при наличии теплообмена за счет естественной конвекции.

5. Выполнено экспериментальное определение температурных полей автоматических блоков с помощью тепловизионной аппаратуры, которая позволила уточнить коэффициенты теплопередачи в реальных электротехнических и электронных блоках и их элементах, применяемых в текстильных машинах.

6. Показано, на основе выполненной работы, что тепловыделения от энергопотребляющих блоков текстильных машин составляют 10−15% от общего числа тепловыделений, что подтверждает необходимость их учета при проектировании локальных систем кондиционирования и вентиляции.

7. Полученные термограммы электрических элементов показали наличие сильных температурных пульсаций, что говорит о несовершенстве их конструкций с точки зрения организации теплоотводящих тепловых потоков.