автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Улучшение массогабаритных показателей электровакуумных и газоразрядных приборов большой и средней мощности

На правах рукописи

003456189

ФЕФЕЛОВ АНДРЕИ АНАТОЛЬЕВИЧ

УЛУЧШЕНИЕ МАССОГАБАРИТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ И ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ПРИБОРОВ БОЛЬШОЙ И СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ

05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рязань - 2008

003456189

Работа выполнена на кафедре промышленной электроники ГОУВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Улитенко Александр Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Степанов Владимир Анатольевич кандидат физико-математических наук, Басов Вадим Александрович

Ведущая организация: ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов»

Защита диссертации состоится 23 декабря 2008 года в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 212.211.03 в ГОУВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» по адресу: 390005, г. Рязань, ул. Гагарина 59/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет»

Автореферат разослан « 22 » ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.211.03 д.т.н. проф.

Б.И. Колотилин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Обеспечение заданного теплового режима является одной из важнейших задач, требующих решения при проектировании электровакуумных и газоразрядных приборов большой и средней мощности. Наличие устойчивой тенденции к уменьшению массы и габаритов устройств существенно усложняет разработку для них систем охлаждения. Массогабаритные показатели и энергопотребление последних часто сопоставимы, а иногда и превосходят аналогичные показатели охлаждаемых приборов. Во многих случаях можно говорить о том, что проектируемые системы охлаждения существенным образом определяют не только внешний вид разрабатываемого оборудования, но и его потребительские характеристики. В связи с этим актуальной остается задача поиска новых конструктивных решений и разработки методов расчета, позволяющих уменьшить массу, габаритны и энергопотребление проектируемых систем охлаждения.

Цель работы и задачи исследований

Целью настоящей диссертационной работы является улучшение массога-баритных показателей электровакуумных и газоразрядных приборов большой и средней мощности. Работа направлена на повышение надежности работы и улучшение эксплуатационных параметров приборов вакуумной и плазменной электроники. В связи с этим в ней поставлены следующие задачи:

- установление вида критериальной зависимости, описывающей условия конвективного теплообмена в теплообменниках с каналами в виде плоского зазора в диапазоне чисел Рейнольдса Яе, соответствующем ламинарному режиму течения;

- повышение точности расчета методом граничных элементов полей температур в отдельных узлах электронных приборов;

- разработка методики расчета двухконтурных жидкостных систем охлаждения мощных электронных приборов и устройств, позволяющей минимизировать их массогабаритные показатели;

- создание высокоэффективных систем охлаждения газоразрядных лазеров.

Методы исследований

При решении поставленных задач использовались методы дифференциального и интегрального исчисления. При проведении моделирования на ЭВМ использовались математический пакет программ MathCad и среда программирования Delphi.

Научная новизна

1. Определены закономерности теплообмена между теплоносителем и стенкой плоского канала при наличии продольных градиентов температуры и плотности теплового потока в стенке.

2. Разработаны методики вычисления с заданной точностью квазисингулярных интегралов, входящих во вторую формулу Грина, применительно к решению трехмерных неосесимметричных задач теплопроводности в узлах электронных приборов.

3. Предложена методика теплового расчета систем двухконтурного жидкостного охлаждения электронных приборов, выполненных на основе теплообменников с каналами в виде плоского зазора, позволяющая определить значения основных параметров системы охлаждения, соответствующих минимальным массогабаритным показателям комплекса «теплообменник-насос внутреннего контура».

Практическая значимость результатов работы

1. Установлено критериальное соотношение, описывающее процессы конвективного теплообмена в теплообменниках с каналами в виде плоского зазора, при существенном отличии условий теплообмена на стенках каналов от граничных условий Те = const и qc = const, где Tc,qc - температура и плотность теплового потока на стенке соответственно;

2. Создано программное обеспечение по расчету с применением метода граничных элементов трехмерных неосесимметричных задач теплопроводности в элементах электронных приборов, основанное на предложенных методах вычисления квазисингулярных интегралов;

3. Разработаны принципы проектирования систем двухконтурного жидкостного охлаждения, с теплопередающим трактом на основе теплообменников

с каналами в виде плоского зазора, позволяющие оптимизировать массогаба-ритные показатели и уровень энергопотребления системы охлаждения;

4. Разработана оптимизированная по массогабаритным показателям и уровню энергопотребления двухконтурная жидкостная система охлаждения аргонового лазера с рассеиваемой мощностью 25 кВт;

5. Разработана полностью герметичная система жидкостно-воздушного охлаждения волноводного С02-лазера с мощностью тепловыделения 30 Вт, предназначенного для эксплуатации на подвижных объектах;

6. Разработана схема проточного нагрева деионизованной воды, предназначенной для финишной очистки деталей электронных приборов, позволяющая снизить энергопотребление водонагревателя в 3,7 раза.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Использование предложенного критериального соотношения

In

Nu

= 6,213 X1 - 26,414* + 29,936

_(Рг/Р гГ

позволяет проводить расчет параметра Нуссельта Nu в каналах в форме плоского зазора со средней погрешностью 1,35% в диапазоне чисел Рейнольдса Re <2100 и Прандтля Рг<300. Здесь Я - величина зазора, L - длина канала, Re, Рг - значения критериев Рейнольдса и Прандтля, рассчитанные по средней температуре теплоносителя в ядре потока, Ргс - значение критерия Прандтля, рассчитанное при средней температуре стенки канала,

X = ln[7,93(///L)°'°565 Re0'0609 Pr0'0552].

2. Применение разработанных методик вычисления квазисингулярных интегралов снижает погрешность вычислений значений температуры вблизи определяющих границ расчетной области с 20% до 0,02 % при использовании для вычисления интегралов квадратурных формул Гаусса с 6-ю узлами.

3. Разработанная методика расчета двухконтурных систем жидкостного охлаждения с одновременным учетом масс теплообменника и насоса позволяет существенно минимизировать массогабаритные показатели теплопередающего тракта (со 100 кг до 57 кг в применении к системе охлаждения аргонового лазера ЛГН-512 с мощностью тепловыделения 25 кВт).

4. Автономная система жидкостно-воздушного охлаждения с возвратно-поступательным движением теплоносителя обеспечивает передачу тепловых потоков до 30 Вт под действием температурного напора в жидкостном тепло-передающем тракте не более 5 °С при уровне энергопотребления не более 4 Вт и полной герметичности жидкостной магистрали теплопередающего тракта.

Достоверность результатов исследований

Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением данных численного моделирования с известными аналитическими решениями и результатами экспериментов, практической апробацией результатов диссертационной работы, подтвержденной актами внедрения.

Реализация результатов работы

Разработанные принципы проектирования нашли практическое применение в ГОУВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» и на предприятиях отрасли (ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов», НПЦ «Мера» ОАО «Плазма», ЗАО «Лазервариоракурс»), что подтверждается актами внедрения.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на 8-м Всероссийском семинаре «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики» (ФГУП «НПО «Орион», Москва, 2007).

Публикации

По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ (из них три работы в журналах из перечня ВАК), в том числе подана заявка на изобретение № 2007103619/12(003902), по которой получено решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 210 страницах машинописного текста, содержит 94 рисунка и 2 таблицы. Список литературы состоит из 76 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулированы основные задачи исследований, дано краткое содержание работы по главам, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации проведен краткий аналитический обзор состояния проблемы обеспечения заданного теплового режима работы оборудования. Рассмотрено влияние температуры на надежность электронных приборов. Описаны основные физические механизмы отвода тепловых потоков и рассмотрены реализуемые на основе этих механизмов основные типы систем охлаждения. При этом особое внимание уделено системам теплоотвода на основе механизмов кондуктивного и конвективного теплообмена и, в частности, системам жидкостного охлаждения. Отмечена необходимость разработки методики расчета таких систем, позволяющей минимизировать массогабаритные показатели проектируемых электровакуумных и газоразрядных приборов.

При анализе теплового режима проектируемого оборудования в ряде случаев возникает необходимость в проведении численного моделирования полей температур в отдельных узлах устройств. В работе проведен краткий сравнительный анализ метода конечных разностей, метода конечных элементов и метода граничных элементов (МГЭ), получивших наиболее широкое распространение. Отмечена перспективность использования МГЭ в задачах расчета полей температур в условиях сложной геометрии расчетной области и наличия сильных местных градиентов температуры. Одновременно отмечено наличие проблемы, связанной с обеспечением приемлемой точности расчетов этим методом значений температуры вблизи границ расчетной области.

По результатам проведенного анализа сформулированы основные цели настоящей диссертационной работы.

Вторая глава диссертации посвящена разработке принципов проектирования систем охлаждения с теплопередающим трактом на основе жидкостных магистралей. Как правило, такие системы включают в себя жидкостные или воздухоохлаждаемые теплообменники, насосы, соединительные магистрали и резервуары с запасом теплоносителя. Важной частью расчета и оптимизации таких систем является анализ с использованием критериальных соотношений

тепловых режимов основных элементов теплопередающего тракта: рубашки охлаждения прибора и рекуперативного теплообменника. В отличие от рубашки охлаждения, где обычно справедливы граничные условия (ГУ) 2-го рода, правильное определение типа ГУ в каналах теплообменника представляет собой более сложную задачу. В частности, как показывает анализ, условия теплообмена в них существенно отличаются от обычно используемых условий Тс = const и <7С = const. Данное обстоятельство, в свою очередь, вызвало необходимость более детального изучения процессов теплообмена в плоских каналах большой протяженности. Такая форма каналов способствует реализации наиболее приемлемого соотношения между коэффициентом теплоотдачи и площадью поверхности теплообмена в условиях жесткого ограничения по гидравлическому сопротивлению и массогабаритным показателям теплообменника. Кроме того, к достоинствам таких каналов следует отнести их высокую технологичность и доступность для проведения механической очистки.

Анализ геометрии и условий теплообмена в каналах рассматриваемых теплообменников позволяет выделить характерную область, содержащую весь комплекс полей искомых физических величин и соответствующих ГУ (см. рисунок 1).

Математическая формулировка решаемой задачи при ламинарном режиме течения теплоносителей может быть записана в виде

Эх^ дхJ ду Д7>0

. дТ ,

* дх -v ду

дг( дV

Ц—т

дх2

дх2

+ 2

дхду\ дхду

д2 ( dV

>2

-2-

дхду

5>

wV И

.2 1^.2

1

дх2

2-л д2 ( дУ

ду

= р

^ дхду Т =Т Т =Т

(дТ/дп)г = О, Т е Г2,Г8,Г9,Г|0 fv|/ = 0, уе Г„ Г7 \(дТ/дп)т = \е(дТс/дп)г, \ч = -т/{рЬ), уеГ„Г5, [Т = ТС, Т £ Г,,Г3, Г5,Г7,

дхдук дудху

д\ дхду

ау

I дх1

= 0, уеГ2,Г„

= 0, уеГ2,Г8.

где р, ц, ср, т - плотность, вязкость, удельная теплоемкость при постоянном давлении и массовый расход теплоносителя соответственно, у - функция тока, Ь - ширина канала (размер канала по оси г), - теплопроводность материала стенок каналов, Гвх>2 - температуры теплоносителей на входах в каналы горячего и холодного контуров, А — оператор Лапласа в двухмерном случае.

Рисунок 1 - Схематичное изображение характерной области теплообменника: Сз

- каналы; Сг - теплообменная пластина; Г\ -Ло - границы расчетных областей; Я, Яс -высота канала и толщина теплообменной пластины соответственно; £ - длина канала теплообменника.

Тестирование программы, разработанной на основе представленной математической модели, показало хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных: значения температур горячего и холодного теплоносителей на выходах из каналов теплообменника, полученные в результате расчетов, отличались от данных эксперимента не более чем на 0,5-4,5 °С.

Дальнейшие исследования были направлены на получение критериального соотношения, описывающего процессы теплообмена в каналах в виде плоского зазора. Хорошее совпадение экспериментальных данных с данными численного моделирования позволило выполнить этот этап исследований на ЭВМ.

Обработка полученных данных методом теории подобия показала, что в диапазоне чисел Рейнольдса Яе<2100и Прандтля Рг<300 особенности теплообмена в каналах рассматриваемой формы могут быть описаны критериальным соотношением

1п

1Чи

= 6,273Х2 -26,414Х + 29,936,

.(РГ/РГ.Г

позволяющим рассчитывать коэффициент теплоотдачи а со средней погрешностью 1,35%.

Корректность анализа условий теплообмена, выполняемого на основе критериальных соотношений во многом определяется точностью вычисления средних температур рабочих жидкостей и поверхностей теплообмена. В по-

следнем случае точность определения средней температуры, зависит от полноты информации о ее распределении по рассматриваемой поверхности. Задача о нахождении распределения температуры в твердом теле может быть эффективно решена с помощью МГЭ.

В трехмерном случае математическая формулировка задачи о распределении температуры в твердом теле с учетом ГУ 1-го, 2-го и 3-го рода имеет вид: V2T(M) = 0, MeV Т(р) = const, peS{, / = 1,/,,- ГУ1,

Q(p) = const, ре S„ i = \J2,-ГУ2, (1)

= peS,, ¡ = Щ,- ГУЗ,

_2 Э2 82 д2 д . д . д . ¡j где V =—- +—- +—V = —1 +—j +—k, V - замыкание области V, S„

¡ = 1,1 - поверхности, которыми образовано тело (/ = /,+ /2 + /3), а - коэффициент теплоотдачи с поверхности 5;, Тж - температура жидкости, омывающей поверхность 51, X - коэффициент теплопроводности материала объекта, £}(р) -плотность теплового потока через поверхность 5,.

Наличие фундаментального решения уравнения Лапласа в виде функции ю(М,М0) = 1/г(Л/,А/0), где г(М,М0) - расстояние между точками Ми М0 рассматриваемого тела в декартовой системе координат, дает возможность после введения на поверхности рассматриваемой области сетки из N плоских треугольных граничных элементов (ГЭ) записать интегральный аналог первого уравнения системы (1) через вторую формулу Грина в виде

е(м)г(м)=х[х(9,„/.п -ту,;)], (2)

1-1 п-1

где / - число поверхностей, которыми представляется тело, - количество ГЭ /й поверхности, в(М) = 2к, если и В(М) = 4л, если МеУ,

р е 5] п, с,| П - узловая точка ГЭ (точка пересечения медиан треугольника)

со*(/?,Л/) = (Уа>'(/?,Л/),п(р)), п(/;) - вектор внешней единичной нормали к

поверхности ГЭ, - площадь п-го ГЭ /-Й поверхности.

При численной реализации МГЭ квазисингулярный характер поведения фундаментального решения уравнения Лапласа при »0 затрудняет

численное интегрирование входящих во вторую формулу Грина интегралов, содержащих функции со(/?,А/) или со' (р, М). В связи с этим возникает потребность в разработке соответствующих методик расчета указанных интегралов.

Методика расчета интегралов, содержащих со (/?,Л/). В системе координат, связанной с треугольным ГЭ с номером п (см. рисунок 1) рассматриваемый интеграл после соответствующих преобразований может быть представлен в виде (индекс «/» опущен)

-1 — (3)

>/(*> - Х'У+(у'^ - У')2 + -1 1 1

или /„ =^3(/„,~/п2), где /„, = /п2 = /1п[/2(«)]*, а и /,(*)

о о

определяются следующими выражениями:

/, (') = К2 - - «г - + у1(&2 - *') -«2- х'М + (У^ - У)2 + ^ ,

Л =^ - х)2+- У)2+2 •

4 =Хэ/1п

о

Рисунок 2 - Положение треугольного граничного элемента с номером п в связанной с ним системе координат О'Х'У'г'.

Характер изменения функций /,(«), /2 (л) на интервале интегрирования представлен на рисунке 3.

0 0,5 1 5 0 0,5

Рисунок 3 - Характер изменения функций на

интервале интегрирования

Гладкость поведения функций / (.?), в областях Р]2, Р2\, /и позволяет эффективно аппроксимировать их в этих областях многочленами второй степени и представить интегралы /п|, в виде

/„, = )[1п(|/(я)|)-1п(|д,(г)|)]л+ }1п(|Л,(*)|)* +

о о

+ )[]п(|/(л)|)-1п(|д2(л)|)]л+][1п(|д2(л)|)л,

I, I,

'„2 = }[1п(|/2(5)|)-1п(|р2|(а)|)]л+ }1п(|А|(,)'|)Л +

о о

+|[1п(|/2 (*)1) - (4)]*+ Мр» (5)1)л>

»2 Н

где л2 - абсциссы точек Р1 и Р2.

Вычисление значений интегралов /п, проведенные с использованием описанной методики показали уменьшение погрешности вычисления 1п на 3 порядка величины.

Методика расчета интегралов, содержащих со (р, М ). Рассмотрим сначала внутреннюю задачу, т.е. задачу о вычислении значения температуры в какой-либо точке внутри области V, ограниченной образующими поверхностями рассматриваемого узла электронного прибора. В декартовой системе координат

и

О'Х'У'Е, связанной с ГЭ с номером п, выражение для рассматриваемого интеграла после некоторых преобразований будет иметь вид 1

(4)

¿У.

>/[(** - - (4 - ) + (У^ - у')1 + +(?**- У')1

Представим интеграл /„' в виде /* = Га + Ъ(г^/1а), где /* - значение интеграла, вычисленного с применением квадратурной формулы Гаусса с числом узлов N на интервале интегрирования, 8(>;5//п) - ошибка интегрирования, -

расстояние от точки % расчетной области до узловой точки (точки пересечения медиан) ^ п-го ГЭ, /„ - длина наибольшей стороны ГЭ.

Рассматривая (2) при условии, что на всех участках поверхности 5 тела задано одинаковое значение температуры Г0, для любой точки области V полу-

(5)

чим

где Л'гэ - общее число ГЭ поверхности 5.

Представим бв виде 3(гп5///п)= />(>"„;//„)1> где р - некоторый неизвестный параметр. Из (5) найдем, что

' ^ч—^ А-

4^+Е/; /Е

/ ^ I.

Теперь выражение (2) в случае произвольного распределения температур по поверхности тела может быть записано в виде

(6)

Значение показателя степени к, установленное опытным путем оказалось равно 4.

В случае решения внешней задачи методика расчета в целом аналогична рассмотренной ранее для внутренней задачи. Отличие заключается в выражении для параметра р, которое теперь принимает вид

(7)

Р-Ы/Ъ

Расчеты значений температуры, проведенные в задачах, имеющих аналитическое решение, показали, что при использовании разработанных методик вычисления квазисингулярных интегралов погрешность вычислений значений температуры вблизи определяющих границ расчетной области снижается на три порядка величины.

Проведенные теоретические исследования послужили отправным моментом при разработке методики проектирования систем двухконтурного жидкостного охлаждения, позволяющей минимизировать их массогабаритные показатели. Поиск оптимального соотношения основных параметров системы охлаждения проводится на основе установленных в ходе разработки методики зависимостей массы, габаритного объема и КПД от потребляемой мощности для 92 марок центробежных насосов. В частности, в диапазоне мощностей насосов от 250 Вт до 5,5 кВт зависимость массы насоса от его мощности имеет следующий вид:

Параметры задачи о поиске минимума массогабаритных показателей: мощность тепловыделения прибора, его основные геометрические размеры, максимально допустимая температура охлаждаемой поверхности Гпр тах, максимально допустимый уровень энергопотребления системы охлаждения, массовый расход, движущий напор и температура воды, поступающей во внешний контур системы охлаждения, максимально возможная длина теплообменника -считаются заданными. Далее, задаваясь некоторым (заведомо большим) значением площади поверхности теплообмена, подбираем необходимую величину массового расхода воды в горячем контуре, выдерживая при этом минимально возможную величину зазора в каналах. Далее рассчитываем суммарную массу комплекса «теплообменник-насос» и полученное значение сравниваем с таковым, найденным на предыдущем шаге расчетов. При переходе к следующему шагу расчетов значение площади поверхности теплообмена последовательно уменьшаем. При этом необходимая величина массового расхода теплоносителя горячего контура, а также мощность и масса насоса, будут расти. По достиже-

нии минимума суммарной массы комплекса «жидкостный теплообменник-насос внутреннего контура» расчеты останавливаем.

В третьей главе диссертации описаны результаты применения разработанных в главе 2 методик при конструировании систем охлаждения, предназначенных для решения конкретных задач.

Рассмотрены этапы проектирования системы двухконтурного жидкостного охлаждения аргонового лазера ЛГН-512 с мощностью тепловыделения 25 кВт. Параметры системы охлаждения, рассчитанные с использованием описанной в главе 2 методики минимизации массогабаритных показателей комплекса «жидкостный теплообменник-насос внутреннего контура», позволили разместить основные элементы системы в моноблоке размерами 680x640x280 мм. Общая масса системы охлаждения с моноблоком составила 57 кг, суммарное энергопотребление двух насосов «Агидель» - 800 Вт.

Приведено детальное описание этапов проектирования принципиально новой конструкции автономной системы охлаждения волноводного С02-лазера с мощностью тепловыделения 30 Вт. Сравнительный анализ возможных вариантов конструкции теплообменника активного элемента, проведенный с привлечением математического аппарата МГЭ, изложенного в главе 2, привел к выполнению его корпуса в виде сплошного керамического цилиндра с тремя цилиндрическими сквозными каналами, расположенными в диаметральной плоскости, центральный из которых заполняется активной средой, а два крайних используются для прокачки охлаждающей жидкости.

Общий вид сконструированной с учетом проведенных исследований жидкостно-воздушной системы охлаждения представлен на рисунке 4.

Прокачка теплоносителя внутреннего контура системы охлаждения в возвратно-поступательном режиме, что обеспечивается соответствующим конструктивным исполнением насоса (электромагнитного нагнетателя), позволяет обеспечить надежную герметизацию жидкостного участка теплопередающего тракта при одновременном снижении массы насоса и потребляемой им мощности. Результаты испытаний системы охлаждения показали, что при частоте колебаний поршня 0,3 Гц температура оболочки разрядного капилляра составила 36,8 °С. При этом, уровень энергопотребления системы составил 4 Вт. Термическое сопротивление жидкостного теплопередающего тракта оказалось равным 5 "С.

возвратно-поступательным режимом движения теплоносителя: 1 - активный элемент лазера со встроенным теплообменником; 2 - двухкамерный нагнетатель; 3 - импульсный источник питания; 4 - жидкостная магистраль; 5 - воздушный радиатор; 6 - компенсатор теплового расширения жидкости; 7 - кольцевые электромагниты; 8 - якорь (поршень); 9 - амортизатор

Рассмотрены результаты применения разработанных критериальных соотношений и программ для проектирования энергосберегающей системы проточного нагрева деионизованной воды, используемой в технологическом процессе финишной очистки деталей электронных приборов. Исследование технологического процесса позволило предложить следующую схему нагрева деионизованной воды (см. рисунок 5).

Рисунок 5 - Энергосберегающая схема проточного нагрева деионизованной воды: 1

- ванна каскадного типа; 2 - электронагреватель; 3 - блок питания с системой терморегулирования; 4 - термочувствительный элемент; 5 - слив, 6 - теплообменник.

Снижение энергопотребления на нагрев воды с 16,3 кВт до 4,4 кВт, достигнута за счет использования тепловой энергии отработанной воды, которая с выхода ванны 1 поступает в горячий контур пластинчатого теплообменника 6,

где она, двигаясь в противотоке с холодной водой, передает ей запасенное тепло.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, состоят в следующем.

1. Определены закономерности теплообмена между теплоносителем и стенкой плоского канала при наличии продольных градиентов температуры и плотности теплового потока в стенке, предложено критериальное соотношение, позволяющие проводить расчет процессов теплообмена в теплообменнике с каналами в виде плоского зазора с погрешностью определения критерия N111,35% в диапазоне чисел Яе<2100 и Рг<300.

2. Разработаны методики вычисления квазисингулярных интегралов от фундаментального решения уравнения Лапласа и его нормальной производной, позволяющие снизить с 20% до 0,02 % погрешность вычислений значений температуры вблизи определяющих границ расчетной области при использовании для вычисления интегралов квадратурных формул Гаусса с 6-ю узлами.

3. Разработана методика расчета систем двухконтурного жидкостного охлаждения электронных приборов с теплопередающим трактом на основе теплообменников с каналами в виде плоского зазора, позволяющая минимизировать массогабаритные показатели комплекса «прибор - система охлаждения».

4. Разработана система жидкостного охлаждения аргонового лазера ЛГН-512, обеспечивающая при массе 57 кг и энергопотреблении на прокачку теплоносителя 800 Вт отвод и рассеяние теплового потока мощностью 25 кВт.

5. Разработана полностью герметичная система жидкостно-воздушного охлаждения С02-лазера, предназначенного для эксплуатации на подвижных объектах, обеспечивающая отвод и рассеяние теплового потока мощностью 30 Вт при энергопотреблении 4 Вт и термическом сопротивлении теплопередаю-щего тракта 5°С.

4. Разработана энергосберегающая система нагрева деионизованной воды, предназначенной для промывки деталей электронных приборов, позволяющая снизить уровень энергопотребления электронагревателя в 3,7 раза.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Фефелов A.A. Применение математического аппарата метода граничных элементов для решения задач теплопроводности // Вестник рязанской государственной радиотехнической академии. - 2005. - Вып. 16. - С. 117 - 120.

2. Фефелов A.A. Разработка методики реализации метода граничных элементов и использование разработанного алгоритма триангуляции поверхности для решения задач теплопроводности // Научное приборостроение: Межвузовский сборник научных трудов. Рязань: РГРТА - 2006. - С. 83 - 90.

3. Улитенко А.И., Фефелов A.A. Высокоэффективный жидкостный теплообменник с плоскими каналами // Современные наукоемкие технологии. -2007.-№10. -С. 24-27.

4. Улитенко А.И., Фефелов A.A. Критериальное уравнение для пластинчатого теплообменника с гладкими каналами без турбулизаторов // Современные наукоемкие технологии. - 2007. - №11. - С. 29 - 33.

5. Фефелов A.A., Улитенко А.И., Маннанов А.Ф. Решение методом граничных элементов задачи о распределении температуры в призматическом стержне при заданных граничных условиях первого и третьего рода // Вестник рязанского государственного радиотехнического университета - 2007. - Вып. 21.-С. 81-85.

6. Фефелов A.A. Применение математического аппарата метода граничных элементов при решении задачи Дирихле в системах, не обладающих аксиальной симметрией // Тезисы докладов 8-го всероссийского семинара «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», ФГУП «НПО «Орион», Москва, 2007.

7. Фефелов A.A. Оценка квазисингулярных интегралов при численной реализации метода граничных элементов в трехмерных неосесимметричных задачах теплопроводности // Вестник рязанского государственного радиотехнического университета. - 2008. - Вып. 23. -№1. - С. 24 -30.

8. Заявка № 2007103619/12(003902), Российская Федерация, МПК А 01 J 9/04 (2006.01). Устройство для охлаждения молока / А.И. Улитенко, A.A. Фефелов (РФ); заявители Улитенко А.И., Фефелов A.A.; Заявлено 30.01.2007; приоритет 30.01.2007.

ФЕФЕЛОВ АНДРЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

УЛУЧШЕНИЕ МАССОГАБАРИТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ И ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ПРИБОРОВ БОЛЬШОЙ И СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 22 ноября 2008 г. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага ксероксная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 51 экз. Заказ № Рязанский государственный радиотехнический университет. 390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1. Редакционно-издательский центр РГРТУ

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВ.

1.1. Влияние теплового режима на надежность и параметры электронных приборов.

1.2. Основные виды теплопередачи, используемые в системах охлаждения электронных приборов и устройств.

1.2.1. Передача тепла излучением.

1.2.2. Передача тепла конвекцией.

1.2.3. Передача тепла теплопроводностью.

1.3. Системы жидкостного охлаждения.

1.3.1. Устройство и принцип работы.

1.3.2. Пути повышения эффективности жидкостного охлаждения.

1.3.3. Проблема отложений.

1.4. Постановка задачи.

2. СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ С ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩИМ ТРАКТОМ НА ОСНОВЕ ЖИДКОСТНОЙ МАГИСТРАЛИ.

2.1. Выбор теплоносителя промежуточного контура.

2.2. Элементы гидроаэромеханики.

2.2.1 Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости.

2.2.2. Гидравлические потери.

2.2.3. Затраты мощности на перемещение теплоносителя.

2.3. Основные элементы индивидуальных систем охлаждения.

2.3.1. Нагнетатели.

2.3.2. Стабилизатор потока.

2.3.3. Расширительный резервуар.

2.3.4. Арматура контура.

2.3.5 Промежуточные теплообменники.

2.4. Основные положения теплового расчета теплообменников.

2.4.1. Уравнения теплового баланса и теплопередачи.

2.4.2. Общие замечания по выбору геометрии каналов теплообменника.

2.5. Оценка граничных условий в каналах теплообменников.

2.6. Теоретическое исследование условий конвективного теплообмена в плоских каналах при ламинарном режиме течения теплоносителя.

2.6.1. Анализ геометрии системы. Математическая формулировка задачи.

2.6.1.1 Система дифференциальных уравнений Навье-Стокса. Уравнение сплошности потока жидкости.

2.6.1.2. Уравнение конвективного теплообмена.

2.6.1.3. Уравнение кондуктивного теплообмена.

2.6.1.4. Граничные условия для температуры.

2.6.1.5. Граничные условия для компонент скорости.

2.6.2. Конечно-разностная аппроксимация системы дифференциальных уравнений.

2.6.3. Численное моделирование теплообмена в плоских каналах при ламинарном режиме течения теплоносителя.

2.7. Численная реализация метода граничных элементов в трехмерных неосесимметричных задачах кондуктивного теплообмена.

2.7.1. Триангуляция трехмерной поверхности.

2.7.2. Запись интегральной формулировки решаемой задачи.

2.7.3. Процедура коллокаций.

2.7.4. Вычисление интегралов.

2.7.5. Тестирование.

2.8. Оптимизация массогабаритных показателей систем двухконтурного жидкостного охлаждения.

2.8.1. Зависимость массогабаритных показателей насоса от его мощности.

2.8.2. Анализ условий теплообмена в системе охлаждения. Основные расчетные соотношения.

2.8.3. Последовательность расчетов.

2.8.4. Дополнительные замечания.

2.9. Выводы.

3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ

С ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩИМ ТРАКТОМ НА ОСНОВЕ ЖИДКОСТНОЙ МАГИСТРАЛИ.

3.1. Система охлаждения ионного лазера с рассеиваемой мощностью 25 кВт.

3.1.1. Анализ исходных данных. Определение основных геометрических параметров теплообменника.

3.1.2. Конструкция системы охлаждения.

3.1.3. Результаты испытаний.

3.2. Встроенная система охлаждения волноводного С02-лазера средней мощности для эксплуатации на подвижных объектах.

3.2.1. Выбор конструкции теплообменника активного элемента.

3.2.1.1. Анализ теплового режима работы активного элемента с рубашкой жидкостного охлаждения.

3.2.1.2. Анализ теплового режима работы активного элемента с каналами жидкостного охлаждения.

3.2.2. Конструкция системы охлаждения. Основные расчетные соотношения.

3.2.3. Импульсный источник питания нагнетателя.

3.2.4. Результаты испытаний.

3.3. Энергосберегающая система проточного нагрева деионизованной воды.

3.3.1. Анализ условий теплообмена.

3.3.2. Описание конструкции теплообменника.

3.3.3. Конструкция проточного электронагревателя.

3.3.4. Электронный блок управления нагревателем.

3.3.5. Результаты испытаний.

3.4. Выводы.

Обеспечение заданного теплового режима является одной из важнейших задач, требующих решения при проектировании электровакуумных и газоразрядных приборов большой и средней мощности. Наличие устойчивой тенденции к уменьшению массы и габаритов устройств существенно усложняет разработку для них систем охлаждения. Массогабаритные показатели и энергопотребление последних часто сопоставимы, а иногда и превосходят аналогичные показатели охлаждаемых приборов. Во многих случаях можно говорить о том, что проектируемые системы охлаждения существенным образом определяют не только внешний вид разрабатываемого оборудования, но и его потребительские характеристики. В связи с этим актуальной остается задача поиска новых конструктивных решений и разработки методов расчета, позволяющих уменьшить массу, габаритны и энергопотребление проектируемых систем охлаждения.

Целью настоящей диссертационной работы является улучшение массо-габаритных показателей электровакуумных и газоразрядных приборов большой и средней мощности. Работа направлена на повышение надежности работы и улучшение эксплуатационных параметров приборов вакуумной и плазменной электроники.

В первой главе диссертации проведен краткий аналитический обзор состояния проблемы обеспечения заданного теплового режима работы оборудования. Рассмотрено влияние температуры на надежность электровакуумных и газоразрядных приборов. Описаны основные физические механизмы отвода тепловых потоков и рассмотрены реализуемые на основе этих механизмов основные типы систем охлаждения. Особое внимание уделено системам теплоотвода на основе механизмов кондуктивного и конвективного теплообмена и, в частности, системам жидкостного охлаждения. Отмечена необходимость разработки методики расчета, оптимизирующей массогабаритные показатели таких систем.

В рамках рассмотрения численных методов расчета полей температур в отдельных узлах электронных приборов проведен краткий сравнительный анализ метода конечных разностей, метода конечных элементов и метода граничных элементов, получивших наиболее широкое распространение. Отмечена перспективность использования метода граничных элементов в задачах расчета полей температур в условиях наличия сильных местных градиентов температуры. Одновременно отмечено наличие проблемы, связанной с обеспечением приемлемой точности расчетов этим методом значений температуры вблизи границ расчетной области.

По итогам анализа литературных данных были сформулированы основные задачи диссертационной работы:

- установление вида критериальной зависимости, описывающей условия конвективного теплообмена в теплообменниках с каналами в виде плоского зазора в диапазоне чисел Рейнольдса Re, соответствующем ламинарному режиму течения;

- повышение точности расчета методом граничных элементов полей температур в отдельных узлах электронных приборов;

- разработка методики расчета двухконтурных систем жидкостного охлаждения мощных электронных приборов и устройств, позволяющей минимизировать их массогабаритные показатели;

- создание высокоэффективных систем охлаждения газоразрядных лазеров и других устройств.

Вторая глава диссертации посвящена разработке принципов проектирования систем охлаждения с теплопередающим трактом на основе жидкостных магистралей. Как правило, такие системы включают жидкостные теплообменники или воздушные радиаторы, насосы, соединительные магистрали и резервуары с запасом теплоносителя.

Важной частью расчета и оптимизации таких систем является анализ с использованием критериальных соотношений тепловых режимов основных элементов теплопередающего тракта: рубашки охлаждения прибора и рекуперативного теплообменника. В отличие от рубашки охлаждения, где обычно известно распределение плотности теплового потока по поверхности теплообмена (граничное условие 2-го рода), правильное определение типа граничных условий (ГУ) в каналах теплообменника представляет собой более сложную задачу. В частности, как показывает анализ, условия теплообмена в них существенно отличаются от ГУ Гс = const и qc = const, где Тс и qc - температура и плотность теплового потока на стенке соответственно. Данное обстоятельство, в свою очередь, вызвало необходимость более детального изучения процессов теплообмена в плоских каналах большой протяженности. Такая форма каналов способствует реализации наиболее приемлемого соотношения между коэффициентом теплоотдачи и площадью поверхности теплообмена в условиях жесткого ограничения по гидравлическому сопротивлению и мас-согабаритным показателям теплообменника. Кроме того, к достоинствам таких каналов следует отнести их высокую технологичность и доступность для проведения механической очистки.

Изучение процессов теплообмена в плоских каналах проводилось методом численного моделирования. Анализ условий теплообмена в каналах позволил выделить характерную область, содержащую весь комплекс полей искомых физических величин и соответствующих ГУ и записать математическую формулировку решаемой задачи в виде системы дифференциальных уравнений, включающей уравнение кондуктивного теплообмена в теплооб-менных пластинах, уравнение конвективного теплообмена в потоке жидкости в каналах с учетом зависимости удельной теплоемкости и коэффициента теплопроводности жидкости от температуры, уравнение Навье - Стокса течения вязкой несжимаемой жидкости в каналах с учетом зависимости коэффициента вязкости жидкости от температуры.

Результаты проведенного моделирования течения и теплообмена теплоносителей в каналах в режиме противотока оказались в хорошем согласии с данными экспериментов, полученными ранее в ходе испытаний нескольких опытных образцов теплообменников с плоскими каналами. Отличие в температурах горячего и холодного теплоносителей на выходах из каналов от данных эксперимента находилось в пределах от 0,5 °С до 1,5 °С.

Дальнейшие исследования были направлены на получение критериального соотношения, описывающего процессы теплообмена в плоских каналах. В результате проведенного моделирования и последующей обработки полученных данных методом теории подобия было установлено, что в диапазоне чисел Рейнольдса Ые до 2100 и Прандтля Рг до 300 особенности теплообмена в плоских каналах могут быть описаны следующим критериальным соотношением

Nu

T3 /D \0'1447 ~

Pr/Prc) 6,273X2 -26,414X + 29,936, где X = ln93(H/L)°m5 Re0'0609 Pr0'0552].

Полученное соотношение позволяет рассчитывать значение критерия Нуссельта N11 и определять коэффициент теплоотдачи а в каналах со средней погрешностью 1,35% при максимальном ее значении 7,4%.

По результатам проведенных исследований было сформулировано следующее научное положение, выносимое на защиту:

- использование предложенного критериального соотношения позволяет проводить расчет параметра Нуссельта Nu в каналах в форме плоского зазора со средней погрешностью 1,35% в диапазоне чисел Рей-нольдса Re < 2100 и Прандтля Рг < 300. Здесь H — величина зазора, L — длина канала, Re, Рг - значения критериев Рейнольдса и Прандтля, рассчитанные по средней температуре теплоносителя в ядре потока, Ргс — значение критерия Прандтля, рассчитанное при средней температуре стенки канала,

Далее в работе рассмотрены особенности численной реализации метода граничных элементов (МГЭ) применительно к решению трехмерных задач кондуктивного теплообмена в условиях отсутствия аксиальной симметрии и заданных на поверхностях объекта граничных условиях первого, второго и третьего рода.

Дана математическая формулировка задачи в виде системы уравнений, включающей дифференциальное уравнение Лапласа для поля температуры и уравнения граничных условий на поверхностях теплообмена. Описана последовательность перехода от данной системы уравнений к ее численному интегральному аналогу на основе второй формулы Грина. Данная операция связана с разбиением поверхности объекта на граничные элементы, в качества 6,273Х2 - 26,414Х + 29,93 6

X = \п 7,93 [Н/Ь)°'°565 Re0,0609 Pr

0,0552 ве которых удобно использовать плоские треугольники, положение которых в пространстве и геометрические параметры легко определяются.

В случае квазисингулярного поведения подынтегральной функции фундаментального решения уравнения Лапласа предложена методика численного интегрирования, позволяющая повысить точность вычисления значения интеграла и основанная на определении местоположения особенности подынтегральной функции. При этом предварительно проводится однократное интегрирование, приводящее к подынтегральной функции в виде натурального логарифма от дроби, в числителе и знаменателе которой стоят функции интегрируемой переменной. Анализ данных вспомогательных функций позволяет определить положение особенности.

В случае квазисингулярного поведения нормальной производной подынтегральной функции фундаментального решения уравнения Лапласа предложена методика численного интегрирования, позволяющая повысить точность вычисления значения интеграла. Методика основана на предположении о виде функции ошибки интегрирования. В качестве аргумента функции предложено использовать безразмерный параметр (/>//„)- отношение расстояния от узловой точки элемента до точки, в которой проводится расчет значения температуры, к характерному размеру граничного элемента. Показано, что характер изменения подынтегральной функции на интервале интегрирования напрямую зависит от значения данного параметра, и в случае если это значение менее 0,1 в использовании специальных методик оценки интеграла (что связано с дополнительным объемом вычислений) нет необходимости, поскольку характер изменения подынтегральной функции таков, что позволяет применять стандартные квадратурные формулы Гаусса.

Численное моделирование распределения температур в тестовых задачах с известным аналитическим решением, проведенное с использованием разработанных методик вычисления квазисингулярных интегралов, позволило установить, что погрешность расчетов значений температуры вблизи границ расчетной области уменьшилась на три порядка величины. При этом значение параметра р, входящего в выражение для корректирующей функции при решении внутренней задачи, т.е. задачи о распределении температур внутри объекта, должно определяться по формуле где Г - искомое значение интеграла, вычисленное с применением стандартных квадратур Гаусса, а значение показателя степени к равно 4, 7УГэ - число граничных элементов.

Расчеты значений температуры в тестовых задачах, имеющих аналитическое решение, показали, что применение разработанных методик расчета квазисингулярных интегралов позволяет снизить погрешность вычислений значений температуры вблизи поверхности твердого тела на три порядка величины: с 20% до 0,02% при использовании для вычисления интегралов квадратурных формул Гаусса с 6-ю узлами.

По результатам проведенных исследований было сформулировано следующее научное положение, выносимое на защиту:

- применение разработанных методик вычисления квазисингулярных интегралов снижает погрешность вычислений значений температуры вблизи определяющих границ расчетной области с 20% до 0,02 %при использовании для вычисления интегралов квадратурных формул Гаусса с 6-ю узлами.

Проведенные теоретические исследования послужили отправным моментом при разработке методики проектирования систем двухконтурного жидкостного охлаждения, позволяющей минимизировать их массогабарит-ные показатели. Поиск оптимального соотношения основных параметров системы охлаждения проводится на основе установленных в ходе разработки методики зависимостей массы, габаритного объема и КПД центробежного насоса от потребляемой им мощности. В частности, в диапазоне мощностей насосов от 250 Вт до 5,5 кВт зависимость массы насоса от его мощности имеет следующий вид: а при решении внешней задачи по формуле

0,7462 нас

Опираясь на полученное соотношение, можно организовать последовательность расчетов, позволяющих при имеющихся исходных данных и выбранной конструкции теплообменника получить систему охлаждения минимальной массы.

При анализе исходных данных обычно являются известными мощность тепловыделения прибора, его основные геометрические размеры, максимально допустимая температура охлаждаемой поверхности Тиртак, максимально допустимый уровень энергопотребления системы охлаждения, массовый расход, движущий напор и температура воды, поступающей во внешний контур системы. Кроме того, как правило, имеются ограничения по габаритным размерам теплообменника. Далее, задаваясь некоторым значением площади поверхности теплообмена, подбираем необходимую величину массового расхода воды в горячем контуре, выдерживая при этом минимально возможную величину зазора в каналах. Далее рассчитываем суммарную массу комплекса «теплообменник-насос» и полученное значение сравниваем с таковым, найденным на предыдущем шаге расчетов. При переходе к следующему шагу расчетов значение площади поверхности теплообмена последовательно уменьшается. При этом очевидно, необходимая величина массового расхода теплоносителя горячего контура, а также мощность и масса насоса, будут расти. При достижении минимума суммарной массы комплекса «теплообменник-насос» расчеты останавливаем.

В диссертационной работе описан алгоритм данной методики применительно к жидкостному теплообменнику с каналами, имеющими форму плоского зазора.

В третьей главе диссертации представлены результаты использования разработанных методик и программного обеспечения при проектировании систем охлаждения, предназначенных для решения конкретных задач.

Рассмотрены этапы проектирования системы двухконтурного жидкостного охлаждения аргонового лазера ЛГН-512 с мощностью тепловыделения 25 кВт. Параметры системы охлаждения, рассчитанные с использованием описанной в главе 2 методики комплексного анализа условий теплообмена в теплопередающем тракте, позволили разместить основные элементы системы в моноблоке размерами 680x640x280 мм. Общая масса системы охлаждения с моноблоком составила 57 кг, суммарное энергопотребление двух насосов «Агидель» - 800 Вт. Сравнение созданной системы охлаждения с ранее использовавшимися системами аналогичного назначения показало, что разработанная методика расчета двухконтурных систем жидкостного охлаждения позволила минимизировать массогабаритные показатели теплопере-дающего тракта: снизить массу системы охлаждения в 2 раза и энергопотребление в 1,5 раза.

Приведено описание этапов проектирования принципиально новой конструкции автономной системы охлаждения волноводного СО?-лазера с мощностью тепловыделения 30 Вт, предназначенного для эксплуатации на подвижных объектах. Сравнительный анализ возможных вариантов конструкции теплообменника активного элемента, проведенный с привлечением математического аппарата МГЭ, изложенного в главе 2, привел к выполнению его корпуса в виде сплошного керамического цилиндра диаметром 15 мм с тремя цилиндрическими сквозными каналами диаметром 2 мм каждый, расположенными в диаметральной плоскости, центральный из которых заполняется активной средой, а два крайних используются для прокачки охлаждающей жидкости.

Реализованная в системе охлаждения прокачка теплоносителя внутреннего контура в возвратно-поступательном режиме, что было обеспечено соответствующим конструктивным исполнением насоса, позволила обеспечить полную герметичность жидкостного участка теплопередающего тракта при одновременном снижении массы насоса и потребляемой им мощности. Результаты испытаний показали, что созданная автономная система жидкостно-воздушного охлаждения с возвратно-поступательным движением теплоносителя позволяет при уровне энергопотребления не более 4 Вт осуществить передачу тепловых потоков до 30 Вт под действием температурного напора в жидкостном теплопередающем тракте не более 5 "С и обеспечить полную герметичность жидкостной магистрали теплопередающего тракта. По сравнению с использовавшимися ранее системами охлаждения аналогичного назначения, предусматривавшими сброс отводимого теплового потока на массивный элемент конструкции, разработанная система обеспечивает снижение энергопотребления в среднем в 6 раз при примерно равных массогабаритных показателях. По отмеченным показателям сконструированная система охлаждения приближается к системам охлаждения на основе тепловых труб. Однако, последние в отличие от разработанной системы критичны к существенному изменению ориентации в пространстве.

По результатам проведенных исследований были сформулированы следующие научные положения, выносимые на защиту:

- разработанная методика расчета двухконтурных систем жидкостного охлаждения с одновременным учетом масс теплообменника и насоса позволяет существенно минимизировать массогабаритные показатели теплопере-дающего тракта (со 100 кг до 57 кг в применении к системе охлаждения аргонового лазера ЛГН-512 с мощностью тепловыделения 25 кВт).

- автономная система жидкостно-воздушного охлаждения с возвратно-поступательным движением теплоносителя обеспечивает передачу тепловых потоков до 30 Вт под действием температурного напора в жидкостном теп-лопередающем тракте не более 5 °С при уровне энергопотребления не более 4 Вт и полной герметичности жидкостной магистрали теплопередающего тракта.

Приведено описание этапов проектирования энергосберегающей системы проточного нагрева деионизованной воды, используемой в технологическом процессе финишной очистки деталей электронных приборов. Описана конструкция теплообменника, используемого для предварительного нагрева деионизованной воды. Применение теплообменника позволило сократить потребление электроэнергии на нагрев воды в 3,7 раза. По конструкции теплообменника подана заявка на изобретение и получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.

В результате проведенной работы были получены следующие новые научные результаты:

- определены закономерности теплообмена между теплоносителем и стенкой плоского канала при наличии продольных градиентов температуры и плотности теплового потока в стенке.

- разработаны методики вычисления с заданной точностью квазисингулярных интегралов, входящих во вторую формулу Грина применительно к решению трехмерных неосесимметричных задач теплопроводности в элементах электронных приборов;

- предложена методика теплового расчета систем двухконтурного жидкостного охлаждения электронных приборов, выполненных на основе теплообменников с каналами в виде плоского зазора, позволяющая определить значения основных параметров системы охлаждения, соответствующих минимальным массогабаритным показателям комплекса «теплообменник-насос внутреннего контура».

Практическая значимость полученных результатов заключается

- в установлении критериального соотношения, описывающего процессы конвективного теплообмена в теплообменниках с каналами в виде плоского зазора, при существенном отличии условий теплообмена на стенках каналов от граничных условий Тс = const и qc = const;

- в создании программного обеспечения по расчету с применением метода граничных элементов трехмерных неосесимметричных задач теплопроводности в узлах электронных приборов, основанного на предложенных методах вычисления квазисингулярных интегралов;

- в разработке принципов проектирования систем двухконтурного жидкостного охлаждения, с теплопередающим трактом на основе теплообменников с каналами в виде плоского зазора, позволяющей оптимизировать массо-габаритные показатели и уровень энергопотребления системы охлаждения;

- в разработке оптимизированной по массогабаритным показателям и уровню энергопотребления двухконтурной жидкостной системы охлаждения аргонового лазера с рассеиваемой мощностью 25 кВт;

- в разработке полностью герметичной системы жидкостно-воздушного охлаждения волноводного СОг-лазера с мощностью тепловыделения 30 Вт, предназначенного для эксплуатации на подвижных объектах;

- в разработке схемы проточного нагрева деионизованной воды, предназначенной для финишной очистки деталей электронных приборов, позволяющей снизить энергопотребление водонагревателя в 3,7 раза.

Результаты диссертационной работы нашли практическое применение на предприятиях отрасли, что подтверждено актами внедрения (см. приложение).

Результаты работы, касающиеся разработки методик вычисления квазисингулярных интегралов, докладывались на 8-м всероссийском семинаре «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики» (ФГУП «НПО «Орион», Москва, 2007). По результатам проведенной работы опубликовано 6-ть статей.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю к.т.н. доценту кафедры промышленной электроники Улитенко А.И., оказавшему неоценимую помощь в конструировании систем охлаждения и последующем их внедрении. Автор благодарен также коллективам кафедр «Теоретической и прикладной механики» и «Общей и экспериментальной физики», оказавшим большую моральную поддержку и создавшим благоприятные условия для выполнения данной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке принципов проектирования систем двухконтурного жидкостного охлаждения, позволяющих улучшить массогабаритные показатели электровакуумных и газоразрядных приборов большой и средней мощности.

Основу диссертации составили:

1) теоретические исследования конвективного теплообмена в каналах, имеющих форму плоского зазора, направленные на получение критериального соотношения, позволяющего определять коэффициент теплоотдачи а в каналах при существенном отличии условий теплообмена от граничных условий Тс = const nqc = const',

2) теоретические исследования в области метода граничных элементов, направленные на повышение точности расчета полей температур в отдельных узлах электронных приборов и разработку методики численной реализации метода применительно к расчету трехмерных стационарных неосесим-метричных тепловых полей при заданных на поверхностях теплообмена граничных условиях 1-го, 2-го и 3-го рода;

3) теоретические исследования, направленные на разработку методики расчета основных параметров систем двухконтурного жидкостного охлаждения, позволяющей минимизировать массогабаритные показатели комплекса «жидкостный теплообменник — насос внутреннего контура».

Проведенные исследования легли в основу проектирования индивидуальных систем охлаждения электронных приборов. Практические испытания показали высокую эффективность разработанных систем.

1. Методы расчета теплового режима приборов / Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов A.B. — М.: Радио и связь, 1990. — 312 е.: ил.

2. Дульнев Г.Н., Тарановский H.H. Тепловые режимы электронной аппаратуры. — JL: Энергия, 1971. — 247 с.

3. Кушманов И.В., Васильев H.H., Леонтьев А.Г. Электронные приборы. — М.: Связь, 1973. 360 с.

4. Теплообмен в электронных приборах / Под ред. С.Н. Сорокина. — Саратов.: Изд-во Саратовского университета, 1970. — 134 с.

5. Фогельсон Т.Б., Бреусова Л.Н., Вагин Л.Н. Импульсные водородные тиратроны. М.: Советское радио, 1974. - 212 с.

6. Рыбачек В.П., Федяев В.К., Юркин В.И. Методика расчета первеанса электронной пушки // Электроника: Межвуз. сб. научн. трудов. — Рязань, 1976. С. 113-117.

7. Елецкий A.B., Смирнов Б.М. Газовые лазеры. М.: Атомиздат, 1971. -150 с.

8. Справочник по лазерам. В 2-х томах. Т. 1 / Под ред. акад. A.M. Прохорова. М.: Советское радио, 1978. - 504 с.

9. Исакеев А.И., Киселев И.Г., Филатов В.В. Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов. Л.: Энергоиздат, 1982. -137 с.

10. Конструкции корпусов и тепловые свойства полупроводниковых приборов / А.Н. Годов, H.H. Горюнов, B.C. Громов, А.И. Курносов, В.А. Мозгалев; Под общ. ред. H.H. Горюнова. М.: Энергия, 1972. - 120 с

11. Козырь И .Я. Качество и надежность интегральных микросхем. — М.: Высшая школа, 1987. 143 с.

12. Закс Д.И. Параметры теплового режима полупроводниковых микросхем. — М.: Радио и связь, 1983. 128 с.

13. Обеспечение тепловых режимов изделий электронной техники / A.A. Чернышев, В.И. Иванов, А.И. Аксенов, Д.Н. Глушкова. М.: Энергия, 1980.-216 с.

14. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. — 367 с.

15. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: Пер. с англ. / Справочник. -М.: Атомиздат, 1979. 216 с.

16. Пошехонов П.В., Соколовский Э.И. Тепловой расчет электронных приборов. М.: Высшая школа, 1977. - 160 с.

17. Излучательные свойства твердых материалов / Л.Н. Латырев, В.А. Петров, В.Я. Чеховский и др.; Под ред. А.Е. Шейндина. М.: Энергия, 1974. - 472 с.

18. Себиси Т., Брэдшоу П. Конвективный теплообмен. Физические основы и вычислительные методы: Пер. с англ. — М.: Мир, 1987. 592 е., ил.

19. Власова Е.А., Зарубин B.C., Кувыркин Г.Н. Приближенные методы математической физики: Учеб. для вузов / Под ред. Зарубина B.C., Крищенко А.П. М.: Изд.-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.-700 с.(Сер. Математика в техническом университете; Вып. XIII).

20. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Механика сплошных сред. М. Гос. издат. техн.-теор. лит., 1953. — 788 с.

21. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977.-344 с.

22. Дульнев Г.Н. Теплообмен в радиоэлектронных устройствах. — М.: Госэнергоиздат, 1963. 288 с.

23. Кейс В.М., Лондон А.Л. Компактные теплообменники. — М.: Энергия, 1967.-223 с.

24. Петровский Ю.В., Фастовский В.Г. Современные эффективные теплообменники. М., Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 256 с.

25. Алтуфьев В.М. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. -М., Л.: Энергия, 1966. 184 с.

26. Костерев Ф.М., Кушнырев В.Н. Теоретические основы теплотехники. -М.: Энергия, 1978. 360 с.

27. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре.- М.: Высш. шк., 1984. 247 с.

28. Улитенко А.И., Прадед В.В., Пушкин В.А. Компактная система охлаждения мощных газовых лазеров // Холодильная техника. 2003. №10.

29. Пехович А.И., Жидких В.М. Расчет теплового режима твердых тел.- Л.: Энергия, 1976. 352 с.

30. Самарский A.A. Теория разностных схем. М.: Наука, 1977. - 656 с.

31. Бреббия К. и др. Методы граничных элементов: Пер. с англ./ Бреббия К., Теллес Ж., Вроубел Л. М.: Мир, 1987. 524 с.

32. Калиткин H.H. Численные методы. М.: Наука, 1978. 512 с.

33. Вержбицкий В.М. Численные методы (математический анализ и обыкновенные дифференциальные уравнения): Учебное пособие для вузов. -М.: Высш. шк., 2001. 382 е., ил.

34. Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена: Пер. с англ. — М.: Мир, 1988.-544 е., ил.

35. Джордж А., Лю Дж. Численное решение больших разреженных систем уравнений: Пер. с англ. М.: Мир, 1985. 336 с.

36. Галанин М.П., Щеглов И.А. Разработка и реализация алгоритмов трехмерной триангуляции сложных пространственных областей: итерационные методы. Препринт — ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, 2006.

37. Трубицын A.A. Вычисление сингулярных интегралов методом граничных элементов // Журнал вычислит, матем. и матем. физики. 1995. -Т. 35.-№ 4.-С. 532 -541.

38. Hammer P.C., Marlowe O.J. and Stroud A.H. Numerical integration over simplexes and cones. Math. Tables Other Aids Comput. 10, 1956.

39. Минсар А. Теплопроводность твердых тел, жидкостей, газов и их композиций. М.: Мир, 1968. 464 с.

40. Волохов В.А. Хрычиков Э.Е., Киселев В.И. Системы охлаждения теплонагруженных радиоэлектронных приборов. — М.: Советское радио, 1975.- 144 с.

41. Роткоп Л.Л., Спокойный Ю.Е. Обеспечение тепловых режимов при конструировании радиоэлектронной аппаратуры. М.: Сов. радио, 1976. -232 с.

42. Белостоцкий Б.Р., Любавский Ю.В., Овчинников В.М. Основы лазерной техники. М.: Советское радио, 1972. — 408 с.

43. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. — М.: Энергия, 1977.-247 с.

44. Краус А.Д. Охлаждение электронного оборудования. — Л.: Энергия, 1971.-247 с.

45. Дрейцер Г. А. Современные проблемы интенсификации теплообмена в каналах // Инженерно-физический журнал. — 2001. Т. 74. - № 4.-С. 33 -40.

46. Справочник по теплообменникам: В 2 т. Т. 1 / Пер. с англ., под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова. — М.: Энергоатомиздат, 1987. 560 с.

47. Вааз С.Л. Тепловые трубы и их применение. — М.: ЦНИИ1. Электроника», 1974. 81 с.

48. Башта Т.М. и др. Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы. М.: Машиностроение, 1970. - 504 с.

49. Лепешкин A.B. Гидравлические и пневматические системы / A.B. Лепешкин, A.A. Михайлин. Под ред. Ю.А. Беленкова. М.: Издательский центр «Академия». - 2004. - 336 с.

50. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т.2 / Пер. с англ. под ред. Мартыненко О.Г. и др. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 352 е., ил.

51. Каст В. И др. Конвективный тепло- и массоперенос / В. Карст, О Кришер, Г. Райнике, К. Винтермантель. Пер. с нем. И.Н. Дулькина. — М.: Энергия, 1980. 49 е., ил.

52. Том А., Эйплт К. Числовые расчеты полей в технике и физике. — М.; Л.: Энергия, 1964. 208 с.

53. Харламов С.Н., Бубенчиков A.M. Вычислительный алгоритм для расчета внутренних закрученных течений вязкой жидкости // Труды международной конференции RDAMM-2001, 2001. Т. 6, Ч. 2, Спец выпуск. -С. 413 -420.

54. Н.Б. Варгафтик. Справочник по тепло физическим свойствам газов и жидкостей. — М.: Наука, 1972. — 720 с.

55. Улитенко А.И., Фефелов A.A. Критериальное уравнение для пластинчатого теплообменника с каналами без турбулизаторов // Современные наукоемкие технологии. — 2007. № 11. - С. 29 - 33.

56. Ruppert J. A Delaunay refinement algorithm for quality 2-dimentional mesh generation, NASA Ames Research Center, Submission to Journal of Algorithms, 1994.

57. Скворцов A.B. Алгоритмы построения триангуляции с ограничениями // Вычислительные методы и программирование. — 2002. -Т.З.-С. 82-92.

58. Скворцов A.B. Обзор алгоритмов построения триангуляции Делоне // Вычислительные методы и программирование. 2002. - Т.З. - С. 14-39.

59. Роджерс Д., Адаме Дж. Математические основы машинной графики. -М.: Мир, 2001. 604 с.

60. Фефелов A.A. Применение математического аппарата метода граничных элементов для решения задач теплопроводности // Вестник рязанской государственной радиотехнической академии. 2005. - Вып. 16. — С. 117-120.

61. Рябов В.М. Квадратурные формулы для вычисления сингулярных интегралов от осциллирующих функций // Журнал вычислит, матем. и матем. физики. 1996. - Т. 36. - № 8. - С. 39 - 44.

62. Литвин А.И., Секисова С.Е., Симонженков С.Д. Вычисление интегралов с логарифмической особенностью // Журнал вычислит, матем. и матем. физики. 2000. - Т. 40.-№ 11.-С. 1589 - 1592.

63. Никольский С.М. Квадратурные формулы. 4-е изд. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1988. - 256 с.

64. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. Пер. с англ. М.: Наука, 1964. -488с.

65. Кулинченко В.Р. Справочник по теплообменным расчетам. К.: Тэхника, 1990.- 165 с.

66. Ионные лазеры на парах металлов / Иванов И.Г., Лагуш Е.Л., Сэм М.Ф. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 256 с.

67. Патент RU 2160986 С2, МКИ А 01 J 9/04, F 25 D 3/00. Способ охлаждения молока и устройство для его осуществления / Улитенко А.И. // № 99103143/13; заявлено 16.02.1999; Опубликовано 27.12.2000 Бюл. № 36.

68. Ройзен Л.И., Дулькин И.Н. Тепловой расчет оребренных поверхностей. Под ред. В.Г. Фастовского. — М.: Энергия, 1977. 256 е.: ил.

69. Улитенко А.И. Системы охлаждения электронных приборов на основе артериальных тепловых труб: дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. РРТИ. Рязань, 1987. - 192 с.

70. Улитенко А.И., Фефелов A.A. Высокоэффективный жидкостный теплообменник с плоскими каналами // Современные наукоемкие технологии. 2007. - №10. - С. 24 - 27.