Цель работы
Целью работы является ознакомление с конструкцией и основными характеристиками радиаторов, а также проведение экспериментального исследования их теплофизических свойств.
Лабораторным заданием является измерение температуры в заданных точках при изменении мощности, подаваемой на диод, установленный на радиатор, с выдержкой в течении 5 мин.
Объект исследования
В качестве исследуемого радиатора используется двухсторонне оребренный радиатор типа РДЕ-9 на поворотной оси, ребра которого расположены горизонтально (рисунок 1). [3]
Радиатор изготовлен прокатыванием из алюминиевого сплава с химическим покрытием теплоотвода (анодирование) и имеет следующие геометрические размеры: основание теплоотвода L1xL2=48x50 мм, толщина ребра δ1=2 мм, толщина основания δ=4 мм, расстояние между ребрами b= 7 мм, высота ребра h=13 мм, число ребер n=9 шт. На радиаторе установлен полупроводниковый диод Д214Б, с внутренним тепловым сопротивлением Rп.к.=40 ºС/Вт. Он крепится к радиатору с помощью гайки. Для обеспечения электрической изоляции корпуса диода от радиатора используется прокладка их полиэтилентерафталата (ПЭТФ), обеспечивающая значение теплового контактного сопротивления Rк.т. не более 1 ºС/Вт. [3]
Режим измерения: свободная конвекция, мощность подаваемая на диод P1=1 Вт, P2=2 Вт, P3=3 Вт, P4=4 Вт, P5=5 Вт.
Схема установки приведена на рисунке 2.
Рисунок 1 – Исследуемый радиатор РДЕ-9
1 – указатель скорости воздушного потока;
2 – заслонка регулирующая скорость воздушного потока;
3 – исследуемый радиатор на поворотной оси;
4 – рабочий участок трубы;
5 – нагревательный элемент;
6 – осевой вентилятор.
Рисунок 2 – Схема аэродинамической трубы для исследования теплофизических характеристик радиатора
Результаты исследования
Результаты, полученные во время исследования, приведены в таблице 1, где Тк – температура на корпусе диода, Трр – температура ребра радиатора, Тор – температура основания радиатора, Твых – температура на выходе рабочего участка трубы, Твх – температура на входе рабочего участка трубы. Время выдержки при заданной мощности – 5 мин.
Таблица 1 – Результаты замеров
| P, Вт | Тк, °С | Трр, °С | Тор, °С | Твых, °С | Твх, °С |
Расчет по экспериментальным данным
Эффективный коэффициент теплоотдачи радиатора определяется из формулы (1).
, (1)
, (2)
где 
- суммарная площадь поверхностей радиатора, м2, определяется по формуле (4);
- среднеповерхостный перегрев основания радиатора, рассчитывается по формуле (3), °С.
, (3)
где ТОР - температура основания радиатора, °С;
ТРР - температура ребра радиатора, °С;
ТВХ - температура входа в рабочий участок трубы, °С;
ТВЫХ - температура выхода в рабочий участок трубы, °С.
Геометрические размеры радиатора:
Основание теплоотвода L1хL2=48х50 мм
Толщина ребра b1=2 мм
Толщина основания b=4 мм
Расстояние между ребрами а=7 мм
Высота ребра h=13 мм
Число ребер n= 9 шт
Диаметр диода Д214Б d=21,5 мм.
(4)
Перегрев радиатора при P=0 Вт
Перегрев радиатора при P1=1 Вт
Перегрев радиатора при P2=2 Вт
Перегрев радиатора при P3=3 Вт
Перегрев радиатора при P4=4 Вт
Перегрев радиатора при P5=5 Вт
Для построения графика зависимости перегрева радиатора от удельной мощности необходимо рассчитать удельную мощность в соответствии с формулой (5).
Ps=P/S (5)
Ps1=1/0,0147=68,02 Вт/м2
Ps2=136,05 Вт/м2
Ps3=204,08 Вт/м2
Ps4=272,10 Вт/м2
Ps5=340,13 Вт/м2
Расчет погрешности
Погрешность определения эффективного коэффициента теплоотдачи определим исходя из погрешностей измерения мощности и температуры.
Максимальная относительная погрешность измерения выражается из приведенной погрешности (6).
γ=±ΔХ/ХN·100, (6)
где ΔХ – относительная погрешность;
ХN – предел измерения прибора.
Класс точности ваттметра (наибольшее значение допустимой приведенной погрешности) 0,5. Предел измерения мощности 37,5 Вт.
ΔР=±0,5·37,5/100=±0,187 Вт.
Класс точности прибора для измерения температуры – 1. Предел измерения температуры 200 °С.
ΔТ=±1·200/100=±2 °С.
Относительная погрешность для косвенно измеряемой величины определяется по формуле (7)
(7)
Подставим в формулу для определения эффективного коэффициента теплоотдачи (2) выражение для расчета среднеповерхостного перегрева (3) в и значение площади поверхности, определенное по формуле (4).
(8)
Проведя преобразования (8) получим формулу (9), по которой будет проводится расчет косвенной погрешности.
(9)
Исходя из формул (7,8):
Подставляя полученное выражение в формулу (7) получим:
(10)
По формуле (10) рассчитаем относительную погрешность.
4 %
%
%
%
%
Абсолютная погрешность вычисляется по формуле (11).
(11)
Таким образом эффективный коэффициент теплоотдачи с учетом погрешности:
Теоретический расчет
Теоретически расчет проведен при мощности рассеивания Р= 3 Вт, среднеповерхостного перегрева основания радиатора 2 °С.
Для двусторонне оребренного радиатора общее расчетное тепловое сопротивление рассчитывается по формуле (12) [1].
(12)
где 
, 
– тепловые сопротивления каждой из оребренных поверхностей, °С/Вт.
Поскольку площади оребренных поверхностей, с учетом выборки под корпус диода, равны, общее тепловое сопротивление будет определяться по формуле (13) [1].
(13)
Тепловое сопротивление оребренной поверхности определяется по формуле (14) [1].
(14)
°С/Вт
°С/Вт
Эффективный коэффициент теплоотдачи определяется по формуле (15).
(15)
Построение графиков
На рисунке 3 приведена зависимость эффективного коэффициента теплоотдачи от среднеповерхостного перегрева основания радиатора. Заштрихованная область относится к ребристым радиаторам, у которых размер квадратного основания меняется от 40 до 80 мм и высота ребер составляет ~12,5 мм [2], т.е. тип радиатора сопоставим с исследуемым РДЕ-9. Пунктирной линией на график нанесена кривая, полученная в ходе лабораторного исследования.
На рисунке 4 приведена зависимость среднеповерхостного перегрева основания радиатора от удельной мощности рассеиваемой радиатором. Сплошной линией на графике в первом приближении показана зависимость для ребристого радиатора при свободной конвекции [2], т.е. для радиатора сопоставимого с исследуемым. Пунктирной линией на график нанесена кривая, полученная в ходе лабораторного исследования.
Рисунок 3 – График зависимости эффективного коэффициента теплоотдачи от среднеповерхостного перегрева основания радиатора
Рисунок 4 – График зависимости среднеповерхостного перегрева основания радиатора от удельной мощности рассеиваемой радиатором в условиях свободной конвекции
Вывод
Полученные теплофизические характеристики радиатора отражены на рисунках 3, 4.
График зависимости эффективного коэффициента теплоотдачи от среднеповерхостного перегрева основания радиатора показывает, что с увеличением перегрева основания радиатора коэффициент теплоотдачи нелинейно снижается.
Данный график не совпадает с графиком, полученным в результате расчетов и опытов [2]. Несовпадение обусловлено недостаточным временем выдержки на заданной мощности, в следствии чего, полученные значения среднеповерхостного перегрева основания радиатора отличаются от значений при термостабилизации.
График зависимости среднеповерхностоного перегрева основания радиатора от значения удельной мощности, рассеиваемой радиатором в условиях свободной конвекции показывает, что с увеличением удельной мощности радиатора среднеповерхностоный перегрев основания радиатора нелинейно возрастает.
Данный график также не совпадает с графиком, приведенным в теоретических материалах [3]. Это обусловлено, как и в случае с вышеуказанным графиком недостаточным временем выдержки при заданной мощности, и соответственно более низким значением среднеповерхостного перегрева основания радиатора.
Теоретический расчет эффективного коэффициента теплоотдачи подтвердил полученные опытным путем данные, с учетом погрешности.
Список литературы
1 Аксенов А.И., Глушкова Д.Н., Иванов В.И. Отвод тепла в полупроводниковых приборах, М. «Энергия», 1971. 176 с.
2 Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в РЭА. Москва,В.Ш.,1984. 265 с.
