毛勤儉，姬永清，吉 蕓

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所， 江蘇 南京 210007)

電子設(shè)備方艙熱學(xué)分析/*

毛勤儉，姬永清，吉 蕓

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所， 江蘇 南京 210007)

電子設(shè)備方艙熱設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)動(dòng)式指揮通信系統(tǒng)的可靠性影響很大，而現(xiàn)行的方艙熱設(shè)計(jì)方法存在缺陷，不能準(zhǔn)確計(jì)算方艙所需的能耗。文中分析了現(xiàn)行熱設(shè)計(jì)計(jì)算方法的不足，通過(guò)對(duì)方艙進(jìn)行熱學(xué)動(dòng)態(tài)特性分析，推導(dǎo)出更為精確的計(jì)算公式，可提高電子設(shè)備方艙的熱設(shè)計(jì)水平。

傳熱系數(shù)；比熱；熱平衡

引 言

近年來(lái)，機(jī)動(dòng)式通信系統(tǒng)和指揮系統(tǒng)在軍用和民用領(lǐng)域得到迅速發(fā)展和普及。通信系統(tǒng)和指揮系統(tǒng)主要由電臺(tái)、衛(wèi)星收發(fā)機(jī)、計(jì)算機(jī)、交換機(jī)等電子設(shè)備組成。承載這些電子設(shè)備的平臺(tái)越來(lái)越多地選擇具有保溫隔熱、電磁屏蔽等功能的方艙。對(duì)方艙溫度調(diào)節(jié)所需的加熱和制冷功率，許多方艙設(shè)計(jì)人員已進(jìn)行過(guò)研究，本文對(duì)此項(xiàng)工作再作討論，提出一些新的結(jié)論，供本專(zhuān)業(yè)人員參考。

1 電子設(shè)備方艙熱學(xué)要求

由于電子設(shè)備大多屬于熱敏感設(shè)備，即設(shè)備的工作溫度只能局限在某一區(qū)域內(nèi)，超出此溫度區(qū)域就會(huì)影響設(shè)備和系統(tǒng)的可靠性[1]，所以電子設(shè)備方艙不僅要具有保溫隔熱功能，還要求配備空調(diào)、燃油加熱器等設(shè)備，從而使方艙具有溫度調(diào)節(jié)功能。

結(jié)合相關(guān)軍用標(biāo)準(zhǔn)和用戶(hù)使用要求，對(duì)電子設(shè)備方艙的熱學(xué)性能要求歸納如下：

1)方艙隔熱性能以傳熱系數(shù)(熱流密度)表示，有3個(gè)等級(jí)即1.5 W/(m2·℃), 2.0 W/(m2·℃)和 2.5 W/(m2·℃)，這個(gè)要求由方艙結(jié)構(gòu)尤其是大板隔熱層保證[2]。

2)當(dāng)艙外溫度為-30 ℃時(shí)，要利用采暖設(shè)備，在30 min內(nèi)將艙內(nèi)溫度升至0 ℃以上。這時(shí)需要為方艙配置采暖設(shè)備，并設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓β省?/p>

3)當(dāng)艙外溫度為40 ℃時(shí)，要利用制冷設(shè)備，在40 min內(nèi)將艙內(nèi)溫度降至30 ℃以下。這時(shí)需要為方艙配置制冷設(shè)備，并設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓β省?/p>

本文假定方艙的第一項(xiàng)要求即隔熱性能達(dá)標(biāo)，僅討論用于方艙溫度調(diào)節(jié)的采暖設(shè)備或制冷設(shè)備所需功率的計(jì)算方法。

2 目前常用算法的缺陷

2.1 熱平衡的算法

假設(shè)方艙的保溫性能達(dá)標(biāo)，艙外溫度為寒冷，艙內(nèi)需加熱，其傳熱系數(shù)為λ，艙內(nèi)外溫差為T(mén)，加熱器功率為Q(含艙內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量)，方艙艙壁面積為S，則從艙壁傳出的熱量為

Q1=λST

(1)

如果進(jìn)行粗略計(jì)算，當(dāng)溫差為T(mén)時(shí)，只需艙內(nèi)加熱設(shè)備補(bǔ)充與Q1相等功率的熱量，即可使艙內(nèi)達(dá)到熱平衡,這是目前常用的一種算法[3]。但是，對(duì)于有些方艙，并不是達(dá)到了熱平衡就可以滿(mǎn)足要求的，還需要在限定時(shí)間內(nèi)將方艙溫度提升至要求的溫度，此時(shí)按式(1)計(jì)算顯然是不夠的，還應(yīng)加上提升方艙溫度所需要的功率。

2.2 熱平衡與溫升功率之和的算法

提升溫度消耗的熱能與比熱有關(guān)，比熱的物理概念是將物體溫度提高1 ℃所消耗的熱能，不同材料比熱不一樣。因此，提高方艙溫升的計(jì)算應(yīng)考慮艙內(nèi)所有設(shè)備和方艙部分材料的比熱以及艙內(nèi)空氣比熱，分別計(jì)算溫升消耗的熱量，求其和，再除以限定的時(shí)間，得到提高溫升所需的功率。但如此計(jì)算過(guò)于復(fù)雜，通常設(shè)方艙內(nèi)材料的平均比熱為C，在限定時(shí)間t內(nèi)將質(zhì)量為m的方艙設(shè)備的溫差提高T度所需要的功率為

(2)

由此可得加熱設(shè)備的總功率為

(3)

這樣計(jì)算即考慮了熱平衡又考慮了方艙溫升，基本可以滿(mǎn)足一般設(shè)計(jì)要求，是目前常用的第2種算法。

但是如果進(jìn)行仔細(xì)分析，這種算法還是不準(zhǔn)確。例如，當(dāng)溫度升高到指定工作溫度時(shí)，熱量的傳導(dǎo)損失依然存在，需要補(bǔ)充與Q1相等的熱量以保持方艙的熱平衡。但使艙體和設(shè)備繼續(xù)升溫的熱能不再需要，也不能再有了，否則溫度將會(huì)繼續(xù)升高。由此可見(jiàn)，按式(2)計(jì)算所得的功率會(huì)大于實(shí)際所需的功率。

3 熱學(xué)微分方程及其解

如果要更準(zhǔn)確地計(jì)算方艙加熱設(shè)備的功率，需要將方艙的熱學(xué)變化過(guò)程看成是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程。初始時(shí)，艙內(nèi)與艙外溫差為零，熱傳導(dǎo)損失為零，在這一瞬間，加熱設(shè)備的熱功率全部消耗在升溫上；在加熱初期，溫差較小，熱傳導(dǎo)消耗亦小，加熱設(shè)備的熱能小部分消耗在熱平衡上，大部分消耗在升溫上，所以此時(shí)方艙溫升比較快；在加熱后期，溫差比較大時(shí)，熱傳導(dǎo)損耗變大，大部分熱能消耗在熱平衡上，少量熱能貢獻(xiàn)給了溫升，這時(shí)溫升較慢，而且越來(lái)越慢；當(dāng)達(dá)到指定溫度時(shí)，溫差達(dá)到最大值，全部熱能用于熱平衡，艙內(nèi)溫度不再升高。經(jīng)驗(yàn)表明：艙內(nèi)溫度T與時(shí)間t的關(guān)系是一條前陡后緩的漸近線(xiàn)，如圖1所示。

圖1 艙內(nèi)溫度T與時(shí)間t的關(guān)系

為了更清楚地了解方艙熱學(xué)變化過(guò)程和準(zhǔn)確地計(jì)算方艙加熱設(shè)備的功率，需建立方艙熱學(xué)微分方程并求解。

設(shè)溫差變量為T(mén)，時(shí)間變量為t，初始溫度即艙外溫度為零點(diǎn)，艙內(nèi)熱能功率為Q，熱能功率Q減去溫差熱損耗后的剩余熱量使艙內(nèi)溫度升高，則據(jù)此建立以下微分方程：

(4)

(5)

兩邊積分得

(6)

將u=Q-λST代回式(6)得：

(7)

(8)

左=右，并令C3=C2+C1，則

(9)

令C=-C3λS，則

(10)

由原始條件當(dāng)t=0時(shí)，T= 0(溫差為零)，則有C=lnQ，代入式(10)得

(11)

即

(12)

由對(duì)數(shù)指數(shù)概念得：

(13)

或

(14)

當(dāng)加熱時(shí)間和艙內(nèi)溫度升高值確定時(shí)，則可按照式(14)計(jì)算加熱設(shè)備的功率，可見(jiàn)所需功率Q值將大于熱平衡所需功率。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)建立微分方程并導(dǎo)出式(13)和式(14)，進(jìn)一步明確了方艙溫度調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)過(guò)程和熱能分配，可以用于電子設(shè)備方艙的熱學(xué)計(jì)算。以上推導(dǎo)過(guò)程，雖然是以艙內(nèi)升溫過(guò)程為例進(jìn)行推導(dǎo)的，但其結(jié)果同樣適用于艙內(nèi)使用制冷設(shè)備的降溫過(guò)程。

[1] 邱成悌, 趙惇殳, 蔣全興. 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M]. 南京: 東南大學(xué)出版社, 2001.

[2] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì). GJB 870—1990 軍用電子設(shè)備方艙通用規(guī)范[S]. 北京: 國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部,1990.

[3] 江紅.軍用通信方艙的取暖和制熱設(shè)備選擇[J]. 指揮信息系統(tǒng)與技術(shù), 2011, 2(4): 76-78.

毛勤儉(1957-)，男，研究員，主要從事機(jī)動(dòng)式指控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)工作。

Thermal Analysis of Electronic Equipment Shelter

MAO Qin-jian，JI Yong-qing，JI Yun

(The28thResearchInstituteofCETC,Nanjing210007,China)

The thermal design of the electronic equipment shelter has a great effect on the reliability of command and communication system. The traditional thermal design calculation method cannot calculate the energy needed by the shelter accurately. The deficiency of the existing thermal design calculation method is analyzed in this paper. The more accurate calculation formula is derived by the thermal dynamic characteristic analysis of the shelter, which can be used to improve the thermal design level of the electronic equipment shelter.

heat transfer coefficient; specific heat; thermal balance

2014-01-03

V243

A

1008-5300(2014)03-0024-03