Питома поверхнянева потужність корпуса блоку розраховується:
qк=Po/Sк, (5.1)
де P0 – потужність, яка розсіюється на елементах; Sк – площа зовнішньої поверхні блоку, що визначається:
Sк = 2(L1L2 + L1L3 + L2L3), (5.2)
де L1,L2,L3 – відповідно довжина, ширина, висота корпуса.
Розрахунок теплового режиму засобу проводитиметься не для всього оптоелектронного комплексу, а лише для частини, в якій знаходяться датчики глибини і обертів, блок спряження та блок живлення. Ця частина пристрою виконана у вигляді навісного блоку, який кріпиться до свердлільного станка. Лінійні розміри її корпуса:
L1=10 см – довжина,
L2=3,5 см – ширина,
L3=6 см – висота.
Потужність, яка розсіюється на цих елементах складає Р0=10 Вт.
Відповідно визначаємо:
По графіку (рис. 5.1, а) визначається перегрів корпусу Dt в першому наближенні.
Для отриманого значення qk при природньому повітряному охолодженні в негерметизованому корпусі маємо Dt=29оС.
Рис. 5.1 – Графічний засіб визначення перегріву нагрітої зони Dtз, (а) і охолоджувального повітря Dtв (6) при різноманітних способах тепловідводу; l – примусове повітряне охолодження в герметичному корпусі; 2 – примусове повітряне охолодження в негерметизованому корпусі; 3 – природне повітряне охолодження в герметизованому корпусі; 4 – природне повітряне охолодження в негерметизованому корпусі.
Далі визначається коефіцієнт променевипускання для верхньої, бокової і нижньої поверхні корпуса:
де to – базова температура навколишньої середи;ei – ступінь чорноти i-ої зовнішньої поверхні корпуса, визначається в залежності від матеріалу корпуса. Для будь-якої поверхні матеріалу корпуса e i=0.5 (табл. 41.9 [5]).
При to=24оС маємо:
для будь-якої поверхні корпуса.
Визначальна температура tм для числа Грасгофа Gr розраховується для кожної поверхні корпуса:
tм = to + 0,5Dtк, (5.4)
Відповідно маємо:
tм = 24 + 0,5·29=38,5оС
Тоді число Грасгофа обчислюється наступним чином:
де Lопрi – визначальний розмір i-ої поверхні корпуса; bм – коефіцієнт об’ємного розширення газу: bм=(tм+273)-1; g=9,8 м/с2 – прискорення вільного падіння; nм – кінетична глейкість газу, для повітряnм = 15.5 10-6 м2/с (табл. 41.10 [5]).
Відповідно маємо:
bм=(38,5+273)-1 =3,21·10-3
і для і-ї поверхні корпуса число Грасгофа:
Число Прандля Pr визначається для визначальної температури tм з табл. 41.10 [5] і в даному випадку дорівнює 0,9.
Визначимо (GrPr)м для кожної поверхні корпуса:
Gr1Pr1=3,418·106
Gr2Pr2=1,465·105
Gr3Pr3=7,382·105
Для умови 500< (GrPr)м<2×107 – режим обтікання газу ламінарний, тобто плавне обтікання.
Коефіцієнти конвекційного теплообміну розраховується для кожної поверхні:
де l м – теплопровідність газу, для повітря з табл. 4.10 [3];
l м=2.6310-2Вт/(м К); Ni – враховує орієнтацію стінки. N1=0, 7, N2=1, N3=1, 3.
Відповідно маємо:
Теплова провідність між поверхнею корпуса і навколишнім середовищем визначається:
Відповідно маємо:
Перегрів корпуса в другому наближенні розраховується:
Де Ккп – коефіцієнт, що залежить від коефіцієнта перфорації (Ккп=0,6 [5]; Кн1 – Коефіцієнт, що враховує тиск повітря. Кн1=0,6 [5].
Відповідно маємо:
Помилка розрахунку визначається:
Відповідно маємо:
Оскільки обчислене значення d <0,1, можна зробити висновок, що розрахунок зроблений правильно.
Температура корпуса визначається:
tк = tо + Dtко, (5.10)
Відповідно маємо:
tк = 24 +28,663=52,663оС
Тобто температура нагрітого корпуса складатиме приблизно 53 оС
Розрахунок температури нагрітої зони
Умовна питома поверхня потужність НЗ визначається:
де Рз – потужність, яка розсіюється в нагрітій зоні; L1, L2, L3 – відповідно довжина, ширина, висота нагрітої зони.
За умови, що Рз=10 Вт, та що лінійні розміри НЗ всередині корпуса: L1=9 см – довжина, L2=2,5 см – ширина, L3=5 см – висота, маємо:
Перегрів нагрітої зони в першому наближенні визначається на (рис.5.1) і складає .
Коефіцієнт теплообміну випромінювання між поверхнями нагрітої зони розраховується:
де e пі – наведений ступінь чорноти i – поверхні НЗ:
де e зi – ступінь чорноти i-поверхні НЗ; eзн=eзб=eзв= 0,91; eкі – ступінь чорноти i – поверхні корпуса;eкі=0.9; Sзi – площа i – поверхні НЗ; Sкi – площа i – поверхні корпуса.
Відповідно маємо:
Тоді коефіцієнти теплообміну випромінювання між поверхнями нагрітої зони:
По визначальній температурі tм визначаються числа Прантдля і Грасгофа:
tм=(tk+t0+Δtз)/2 (5.14)
Gri=βм·g(hвиз і3/vм2)· Δtз, (5.15)
де hвиз і – розмір і-ї поверхні НЗ, що визначається.
Відповідно маємо:
tм=(52,663 +24+39)/2=57,832о
bм=(57,832+273)-1 =3,023·10-3
і для і-ї поверхні НЗ число Грасгофа:
Число Прандтля Рr визначається для визначальної температури tм з табл. 41.10 [5]. В даному випадку число Прандтля дорівнює 0,9.
Перевіримо умову: (GrPr)>1000:
Gr1Pr1=3.155·106
Gr2Pr2=2.762·104
Gr3Pr3=5.41·106
Умова виконується.
Розрахуємо коефіцієнти конвективного теплообміну між НЗ та корпусом:
αзкн=λм/hн, (5.16)
де λм – теплопровідність газу, для повітря з табл. 41.10 [5], λм=2,63·10-2.
Відповідно маємо:
αзкн= 2,63·10-2/0,025=1.052,
Теплопровідність між НЗ і корпусом визначається:
де Кб – коефіцієнт, що враховує кондуктивний теплообмін, Кб=0,5 [5].
Відповідно маємо:
Значення нагрітої зони в другому наближенні розраховується:
де Кw – коефіцієнт, що враховує внутрішнє переміщення повітря, Кw=0,6 [5]; КН2 – коефіцієнт, що враховує тиск повітря усередині корпуса, КН2=0.6, [5].
Відповідно маємо:
Помилка розрахунку визначається:
Відповідно маємо:
Оскільки обчислене δ<0,1, робимо висновок, що розрахунок був проведений вірно.
Температура НЗ розраховується:
tз=to+Δtзо. (5.22)
Тоді маємо:
tз=24+40.193=64.193оС.
Тобто, температура зони розмірами 9´2.5´5 см нагрітої всередині корпусу складає приблизно 64о.