автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Теоретический и экспериментальный анализ тепловых потерь в электрических блоках текстильных машин

Содержание.

Введение.

Глава I. Анализ температурных зависимостей теплопроводности полупроводниковых материалов.

§1. Механизмы и модели теплопроводности.

§2. Анализ моделей теплопереноса в электронных полупроводниках группы Аш Вv.

§3. Анализ моделей теплопереноса в электронных полупроводниках группы Ап BVI.

Глава II. Тепловой расчет элементов автоматической аппаратуры на основе пластинчатых полупроводников.

§ 1. Краткий обзор методов расчета процессов теплообмена.

§2. Расчет тепловыделений электрических элементов автоматической аппаратуры.

Глава III. Исследования тепловыделений в полупроводниковых устройствах.

§1. Методика исследования тепловыделений в полупроводниковых устройствах.

§2. Исследования транзисторов источника питания постоянного тока.

Выводы.

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 фононов; определение зависимости между теплопроводностью и теплопередачей электронных блоков, работающих в условиях естественной конвекции для анализируемых материалов, применяемых в различных элементах электроснабжения и контроля; определение 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 кондиционирования; получении 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 26.02.2003г.

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 26.02.2003г. 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.

68

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

69

1. Абдуллаев Г.М. Физика селена. М., 1975.

2. Адрианов В.Н. Основы радиационного и сложного теплообмена. М., Энергия, 1972.

3. Аксенов А.И., Глушкова Д.Н., Иванов В.И. Отвод тепла в полупроводниковых приборах. -М., Энергия, 1971.

4. Алмев М.И. Теплопроводность полупроводников. Баку: АН Аз ССР, 1963.

5. Андреев В.И. Диффузия, дрейф и электропроводность в полупроводниках. М., 1983.

6. Бажанов С.А. Инфракрасная диагностика электрооборудования распределительных устройств. Приложение к журналу «Энергетик», М., НТФ «Энергопрогресс», 2000.

7. Баранский П.И. и др. Полупроводниковая электроника. Свойства материалов. Справочник. Киев, 1975.

8. Бейзер А. Основные представления современной физики. М., Атомиздат, 1973.

9. Белевцев Б.И. Электрические сверхпроводящие свойства и структура низкотемпературных пленок висмута и галлия. Харьков, 1973.

10. Ю.Берд Р., Стюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса. М., Химия, 1974.

11. Берман Р. Теплопроводность твердых тел. М., Мир, 1979.

12. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Т. Физика полупроводников. М., «Наука», 1977.

13. Вавилов В.П. Тепловые методы неразрушающего контроля (спр.). М.: Машиностроние, 1991.

14. Вавилов В.П., Климов А.Г. Тепловизоры и их применение. М.: Интел универсал, 2002.

15. Гидалевич В.Б. Теплообмен в вертикальной плоской щели в условиях естественной конвекции. Вопросы радиоэлектроники, серия ТРТО, 1968, вып.1.

16. Гроссорг Ж. Инфракрасная термография: основы, техника, применение. М.: Мир, 1988.

17. Дульнев Г.Н., Семяшкин Э.М. Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах. Энергия, Л., 1968.

18. Дульнев Г.Н., Тарновский Н.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. -Л.: Энергия, 1971.

19. Жузе В.П. Полупроводниковые материалы. Л., 1957.

20. Жузе В.Л. Полупроводниковые материалы. Вопросы химической связи. Л., 1960.

21. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. М., «Наука», 1982.22.3айман Д. Электроны и фононы. М., Мир, 1974.23.3айман Д. Принципы теории твердого тела. М., Изд. ин. лит., 1962.24.3айман Д. Модели беспорядка. М., Мир, 1974.

22. Ильярский О.И., Ударов Н.П. Термоэлектрические элементы. М., Энергия, 1970.

23. Иоффе А.Ф. Физика полупроводников. М.-Л., «Наука», 1957.

24. Иоффе А.Ф. Полупроводники. М., «Наука», 1955.

25. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Л., Энергия, 1976.

26. Исследования тепловых и магнитных свойств веществ при низких температурах. М., 1985.

27. Кайданов В.И. Электропроводность, термоэлектрические явления и теплопроводность полупроводников. М., 1986.

28. Краус А.Д. Охлаждение электронного оборудования. Л., Энергия, 1971.

29. Кржижановский Р.Е., Штерн З.Ю. Теплофизические свойства неметаллических материалов. Ленинград, 1973.

30. Кафанова Т.А. Исследование теплопроводности и электропроводности пленок меди, серебра и аллюминия. М., 1970.

31. Кикоин А.К. Что такое полупроводники. Свердловск, 1957.

32. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М., «Наука», 1976.

33. Кириллин В.В., Сычев В.В., Шейдлин А.Е. Техническая термодинамика. М., Энергия, 1968.

34. Кристаллохимические, физико-химические и физические свойства полупроводниковых веществ. М., 1973.

35. Куталадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. М., Госэнергоиздат, 1959.

36. Ландау Л.Д. Лившиц Е.М. Электродинамика сплошных сред.- М.: Физматиздат, 1959.

37. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М., Высшая школа, 1967.

38. Мейлихо Е.З., Лазарев С.Д. Электрофизические свойства полупроводников. Справочник физических величин. Москва, 1987.

39. Магден И.Н. Физика полупроводниковых материалов. М., Знание, 1975.

40. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М., Машиностроение, 1969.

41. Миснар А. Теплопроводность твердых тел, жидкостей, газов и их композиций. М., Мир, 1968.

42. Михеев М.А. Основы теплопередачи. М. - Л., Госэнергоиздат, 1956.

43. Михеев М.А., Михеева И.М. Краткий курс теплопередачи. М. - Л., Госэнергоиздат, 1960.

44. Могилевский Б.М., Чудновский А.Ф. Теплопроводность полупроводников. М., «Наука», 1972.

45. Мучник Г.Ф., Рубашов И.Б. Методы теории теплообмена. Ч.1., М., «Высшая школа», 1970.

46. Новицкий Л.А., Кожевников И.Г. Теплофизические свойства материалов при низких температурах. Справочник. М., Машиностроение, 1995.

47. Термоэлектрические генераторы. М., Атомиздат, 1976.

48. Космическая технология (под ред. Охотина А.С.). М., Мир, 1980.

49. Охотин А.С., Боровикова Р.П., Пушкарский А.С. Теплопроводность твердыхтел. М., Энергоатомиздат, 1992.

50. Охотин А.С., Жмакин Л.И., Иванюк А.П. Модели теплопереноса в конденсированных средах. М., Наука, 1990, 200 с.

51. Охотин А.С., Жмакин Л.И., Марюшин JI.A., Увдиев Д.Я. Процессы и механизма переноса. М., Наука, 1999, 270 с.

52. Охотин А.С.,Боровикова Р.П. , Пушкарский А.С. Теплопроводность твердых тел. М., Энергоатомиздат, 1992, 493 с.

53. Охотин А.С., Жмакин Л.И., Марюшин Л.А. Теплопроводность. Модели, механизмы, эксперементальные данные. М., Наука, 2000, 299 с. 59.Оптически возбужденные полупроводники при низких и сверхнизких температурах. М., 1988.

54. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов Л.А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. М., «Наука», 1984.

55. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник под ред. Григорьева В.А. и Зорина В.М. Книга IV. М., Энегоатомиздат, 1991.

56. Постников В.М. О сверхпроводимости тонких пленок висмута, свинца и т.д. Воронеж, 1971.

57. Полупроводники. Справочник. М., 1971.

58. Полупроводники и полупроводниковые материалы. М., 1955.

59. Полупроводниковые вещества. М., Изд. ин. лит-ра, 1960.

60. Рейсленд Д. Физика фононов. М., Мир, 1975.

61. Селен, теллур и их применение. М., 1965.

62. Смит Р. Полупроводники. -М., 1962.

63. Салех М.А.-Н. Влияние дефектов на электропроводность материала. Ленинград, 1975.

64. Стильбанс Л.С. Физика полупроводников. М., Сов. радио, 1967.

65. Сычев В.В. Сложные термодинамические системы. М., «Наука», 1980.

66. Таблицы физических величин. Справочник под ред. Кикоина И.К. М., Атомиздат, 1976.

67. Теплотехника и теплоэнергетика. Общие вопросы /Под общ. ред. Григорьева В.А. и Зорина В.М. М., Энергия, 1980.

68. Чапнин В.А. Физика полупроводников и её применение. М., «Знание», 1971. 75.Чижиков Д.М., Счастливый В.П. Селен и селениды. Москва: Наука, 1964. 76.Чижиков Д.М., Счастливый В.П. Теллур и теллуриды. - Москва: Наука, 1966.

69. Шматко О.А., Усов Ю.В. Электрические и магнитные свойства металлов и сплавов. Справочник.- Киев: Наукова думка, 1987.

70. Таблицы физических величин. Справочник под ред. Кикоина И.К. М., Атомиздат, 1976, 1008с.

71. Физико-химические свойства полупроводниковых веществ. Справочник. М., Наука, 1979, 339 с.

72. Физико-механические и электрические свойства материалов. Воронеж, 1976.

73. Фикс В.Б. Ионная проводимость в металлах и полупроводниках. М., Наука, 1969.

74. Физика полупроводников и полупроводниковая электроника. Вып. 1, 2. Саратов, 1968.

75. Фистуль В.И. Сильно легированные полупроводники. М., Наука, 1962.

76. Электрические и оптические свойства полупроводников: Сб. статей/Даг. Фил. АНСССР. Ин-т физики, Махачкала, 1980.

77. Электрические и оптические свойства полупроводников АШВУ. Сб. статей. Ответств. ред. Басов Н.Г., М. «Наука», 1980.

78. Электрические и оптические свойства полупроводников. Сб. статей. Ответств. ред. Скобельцын Д.В., М. «Наука», 1966.