Особенности обеспечения теплового режима гиростабилизированного гравиметра

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург

Особенности обеспечения теплового режима гиростабилизированного гравиметра

Д.С. Громов

А.А. Краснов

Гравиметр гиростабилизированный (ГГС) предназначен для измерения приращения ускорения силы тяжести относительно начального опорного гравиметрического пункта и состоит из гироплатформы и расположенного на ней датчика гравиметрического. Настоящая работа проводилась в рамках разработки нового гравиметра, путем доработки и усовершенствования существующих приборов схожего назначения. Главная особенность конструкции с точки зрения теплового режима состоит в том, что в приборе необходимо обеспечить поддержание температуры упругой системы гравиметра (УСМГ) на уровне +13+15 ^оС, в то время как рабочая температура поплавковых гироскопов, расположенных на гироплатформе, составляет +45+48 ^оС. Для обеспечения этих требований в конструкции ГГС применены вентиляторы, обеспечивающие принудительную циркуляцию воздуха и отвод тепла в системе, термоэлектрические модули (ТЭМ, Элементы Пельтье) и радиаторы для термостатирования УСМГ, а так же экраны и направляющие для распределения воздушных потоков. Всё это делает задачу достаточно оригинальной и нетривиальной в решении.

Целями настоящей работы являются:

определение распределений температур в приборе при различных температурах окружающей среды;

подтверждение или опровержение целесообразности применения предложенных изначально средств для теплоотвода и термостатирования;

выработка рекомендаций по усовершенствованию конструкции прибора с целью обеспечения требуемых тепловых режимов.

Постановка задачи

Были предоставлены следующие исходные данные для проведения теплового расчета ГГС:

Рабочий диапазон температуры среды Т_ср: от +5 до +35 ^оС.

Перечень элементов гравиметрического датчика и гироплатформы с указанием мощностей тепловыделений (см. таблицы 1 и 2).

Техническая документация на электровентиляторы.

Температура термостатирования УСМГ: +15 ^оС.

Рабочая температура поплавковых гироскопов (по датчику на поплавковой камере гироскопа): +48 ^оС.

Охлаждение внутреннего объема ГГС предлагается производить путем прокачки воздуха из окружающей среды с использованием электровентилятора 4114 NH4 "Papst" осевого типа.

Отвод тепла от ТЭМ термостата датчика гравиметрического предлагается производить с использованием радиаторов и электровентилятора RER 100-25/14 "Papst" центробежного типа.

Геометрическая модель ГГС (Рис. 1,2), выполненная с помощью CAD Pro/Engineer.

Таблица 1. Перечень элементов ДГ

Таблица 2. Перечень элементов ГП

Рис. 1. Геометрическая модель ГГС (внешний кожух не показан)

Рис. 2. Геометрическая модель ГГС в вертикальном разрезе

В приборе предполагается наличие двух контуров циркуляции воздуха (см. рис. 2). В основной части ГГС воздух с температурой окружающей среды попадает в прибор через два окна в крышке прибора, уходит вниз по каналу между внутренним и внешних кожухами, проходит через основную часть гироплатформы, охлаждая тепловыделяющие элементы, и вытягивается наружу с помощью вентилятора 4114 NH4 через отверстие в середине крышки. Охлаждение плат электроники в основании ГГС планируется обеспечить с помощью естественной конвекции: воздух попадает в основание через отверстия в нижней крышке и выходит наружу через 3 небольших окна на боковой стенке основания. Два этих контура являются независимыми друг от друга в аэродинамическом смысле, а ввиду существенного теплового сопротивления между основанием и основной частью гироплатформы? практически и в тепловом смысле тоже. Вентилятор RER100 обеспечивает дополнительную циркуляцию воздуха вдоль ребер радиаторов, расположенных на ТЭМ.

Средства расчета и основные допущения при создании расчетной модели

Расчет выполнен в программе для конечно-элементного теплового и гидрогазодинамического анализа CFDesign. Для перехода от реальной конструкции прибора к расчетной модели требуется существенно упростить геометрическую модель, описать основные принципы построения расчетной модели, а также сделать ряд допущений и приближений:

Геометрическая модель значительно упрощена. Согласно известным методикам, из неё удалены элементы крепежа, отверстия, фаски, незначительные зазоры и элементы.

Учтена теплопередача теплопроводностью (кондукция) и конвекцией (вынужденная конвекция при движении воздуха в основном объеме ГГС вследствие работы вентиляторов и естественная в основании), влияние теплообмена излучением в задачах преимущественно вынужденной конвекции считается незначительным.

Теплообмен конвекцией во внутреннем объеме прибора рассчитан непосредственно в программе, конвективно-лучистый теплообмен во внешнюю среду задан граничным условием на соответствующих поверхностях.

Коэффициент теплоотдачи б в окружающую среду с верхней и боковых поверхностей прибора оценен заранее. Значения б при температурах +5+35 ^оС принято б = 7 Вт/(м²·К), что соответствует свободному теплообмену в неограниченном пространстве.

Вентиляторы, как осевой так и центробежный, учтены в виде специальных моделей с учетом их расходных характеристик, мощности тепловыделений и скорости вращения согласно технической документации.

Защитные решетки и сетки в местах входа и выхода воздуха из внутренних объемов прибора представлены в виде эквивалентных моделей с учетом их коэффициентов пропускания, направления движения воздушных потоков через них и материалов, из которых они изготовлены.

Учтены контактные тепловые сопротивления в наиболее значимых с тепловой точки зрения контактах.

ТЭМ задаются в виде сплошных тел с известными температурами на рабочих поверхностях и тепловыделениями, оцененным заранее согласно технической документации на них.

Ввиду установки ГГС на 3 амортизатора со значительными тепловыми сопротивлениями на пути возможного теплового потока вниз от прибора на установочную поверхность, данные тепловые потоки считаются незначительными, не учитываются в расчете, а сами амортизаторы и установочная плита не моделируются.

В силу того, что платы электроники не рассчитываются детально и считаются объёмными источниками с равномерным распределением тепловыделений, по результатам расчетов нельзя однозначно говорить о максимальных температурах отдельных элементов плат при наличии в них сосредоточенной значительной мощности тепловыделений.

Результаты расчетов

Упрощенная геометрическая модель передана в расчетную среду CFDesign. Материалы входящих в модель элементов конструкции заданы согласно указанным в изначальной геометрической модели. Граничные условия с верхней и боковых поверхностей - условие конвекции, снизу прибора теплообмен практически отсутствует, поэтому не учитывается. Мощности тепловыделений заданы согласно таблицам 1,2. Расчетная конечно-элементная сетка сгенерирована в полуавтоматическом режиме с необходимыми уточнениями в областях расположения вентиляторов и состоит приблизительно из 1,5 млн. элементов. В процессе расчета решается задача вынужденного конвективного теплообмена в замкнутом пространстве гироплатформы параллельно с задачей свободной конвекции в основании с расположенными в нем платами электроники. Расчеты проведены для двух вариантов температуры окружающей среды: +5 ^оС и +35 ^оС, соответственно, минимальной и максимальной согласно ТЗ. Промоделированы варианты с присутствием и отсутствием полусферического щитка под гироскопическим модулем и оценена возможность использования вентилятора с меньшей производительностью.

Все результаты проведения расчетов, оформленные в виде графической информации, слишком объемны для размещения их в рамках данной статьи. На рис. 3 представлено для примера распределение температуры в сечении ГГС при температуре окружающей среды +35 ^оС.

Рис. 3. Распределение температур в сечении ГГС при Т_ср = +35 оС

По результатам расчетов сделаны следующие выводы:

Предложенные изначально методы и средства в целом способны обеспечить необходимый тепловой режим ГГС, но требуются некоторые доработки и изменения в конструкции прибора.

Термостат с ТЭМ, радиаторами, вентилятором RER100 и пассивной тепловой изоляцией способен обеспечить требуемую температуру УСМГ и уровень её поддержания в заданных условиях эксплуатации.

Вентилятор 4114 NH4 обеспечивает избыточную скорость движения воздуха в приборе. Платы электроники эффективно охлаждаются даже при Т_ср = +35 ^оС, но возможны сложности с выводом поплавковых гироскопов на требуемый тепловой режим при температуре окружающей среды +5 ^оС.

Охлаждение основания ГГС с расположенными в нем платами электроники и источником питания исключительно с помощью естественной конвекции не эффективно. Движение воздушных потоков в небольшом ограниченном объеме не существенно и сильно затруднено плотной горизонтальной компоновкой плат и малой пропускающей способностью крышки основания, возможен перегрев источника питания при Т_ср = 35 ^оС.

Отсутствие полусферического щитка интенсифицирует процессы теплообмена в зоне гироскопического модуля и негативно сказывается на температуре поплавковых гироскопов. При той же мощности тепловыделений гироскопов температура в них меньше на 3-5 ^оС, следовательно, для вывода гироскопов на требуемый уровень температур необходимо существенно увеличивать мощность.

Использование менее мощного вентилятора, например, 4214 NHH с макс расходом 205 м³/час вместо предложенного изначально 4114 NH4 (макс. расход 355 м³/час) обеспечивает достаточный общий теплоотвод от основных тепловыделяющих элементов и способствует достижению гироскопами требуемых температур при меньшей мощности системы терморегулирования.

По результатам расчетов сделаны следующие рекомендации и предложения по разработке гравиметра гиростабилизированного:

Рассмотреть возможность регулирования мощности вентилятора 4114 NH4. При температуре окружающей среды +35 ^оС целесообразно устанавливать больший расход воздуха, чем при +5 ^оС. Это позволит обеспечить интенсивный отвод тепла в первом случае и меньшие энергозатраты для прогрева поплавковых гироскопов во втором.

Щиток под гироскопическим модулем следует оставить в конструкции ГГС и выполнить его сплошным, без отверстий. Ожидается, что гироскопы будут быстрее и с меньшими энергозатратами выходить на рабочий режим, при этом теплоотвод от основных тепловыделяющих элементов значительно не ухудшится.

Рассмотреть возможность изготовления дополнительного кожуха, закрывающего непосредственно поплавковые гироскопы.

Интенсифицировать конвективный теплообмен в основании ГГС путем установки нескольких вентиляторов либо на боковые проемы основания "на выдув" воздуха (улучшит сквозную вентиляцию основания), либо непосредственно направленных на наиболее теплонапряженный элемент - блок питания (направления воздушных потоков не ясны без проведения расчетов, но очевидно, что проблема возможного перегрева блока питания и интенсификации теплообмена в целом будет успешно решена).

Увеличить расстояние между основанием ГГС и установочной плитой для более свободного доступа воздуха в основание для охлаждения плат электроники в нём.

Выполнить нижнюю крышку основания ГГС максимально пропускающей воздушные потоки. Увеличить число и диаметр отверстий в ней до максимальных величин, позволяющих обеспечить требуемый IP прибора.

В результате работы выполнены расчеты тепловых режимов гравиметра гиростабилизированного при температурах окружающей среды +5 ^оС и +35 ^оС, рассмотрены некоторые варианты возможных изменений в конструкции прибора, сделаны выводы и предложены рекомендации по обеспечению требуемого теплового режима. Ожидается, что погрешность вычислений, вызванная примененными в работе допущениями и приближениями, не превысит 20%.

Очевидно, что задача обеспечения требуемого теплового режима ГГС в указанном диапазоне температур окружающей среды является выполнимой с учетом предложенных рекомендаций. Возможность и целесообразность применения иных методов и конструктивных решений (как по отдельности так и совместно с вышеописанными) в дальнейшем целесообразно проверять с помощью аналогичных расчетов на уже готовой и отработанной конечно-элементной тепловой модели прибора.

Список литературы

гиростабилизированный гравиметр тепловой температура

1. Григорьев В.А. и др. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник. - М.: Энергоиздат, 1982. - 512 с.

2. Дульнев Г.Н. Теория тепломассообмена. Конвекция. Радиация. Массообмен. Учебное пособие, - Л.: ЛИТМО, 1977. - 92 с.

3. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Высшая школа, 1984. - 247 c.

4. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. - М.: Энергия, 1971. - 216 с.

5. CFDesign Customer Portal [Электронный ресурс] / владелец прав: компания Autodesk Co. - Электрон. дан. - Обновляется регулярно. - Режим доступа: http://www.cfdesign.com/support/customerportal, свободный доступ. - Заголовок с экрана.

Размещено на Allbest.ru