陳彥,李曉峰,劉劍,鄧環(huán)宇
(北京無線電測量研究所,北京 100854)
太陽輻射由紫外線、可見光和紅外線組成,以電磁波的形式傳輸?shù)降厍蛏?,可使地球表面的各種氣候因素等發(fā)生變化,包括溫度、濕度、氣壓等,并對環(huán)境中的各種設(shè)備產(chǎn)生一定的影響。比如在強(qiáng)烈的日光照射下,電子設(shè)備表面和內(nèi)部溫升將會(huì)明顯提高,其中表面溫度可達(dá)80 ℃以上,內(nèi)部溫度也可升高(10~20)℃,將嚴(yán)重影響和破壞內(nèi)部電子元器件的正常工作。
太陽輻射對電子產(chǎn)品的影響主要是加熱效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)。紅外光譜部分會(huì)產(chǎn)生加熱效應(yīng),引起產(chǎn)品短時(shí)高溫和局部過熱,造成運(yùn)動(dòng)零件的卡死或松動(dòng),結(jié)構(gòu)件及相關(guān)焊縫的強(qiáng)度降低,聚合物和合成橡膠的性能發(fā)生變化,以及涂層和其他保護(hù)層氣泡和剝落等;紫外光譜部分會(huì)產(chǎn)生光化學(xué)效應(yīng),由于紫外線的作用,疊加高溫作用,電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的密封圈和塑料制品等會(huì)逐漸老化、變色、發(fā)粘和龜裂,密封性能變差,天然和合成橡膠及聚合物破壞,油漆涂層變色、粉化、起泡、開裂、剝落,加速金屬表面銹蝕,降低電子設(shè)備的工作壽命及可靠性。
本文將主要針對加熱效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究和仿真驗(yàn)證。
如圖1 所示,箱體不透明,根據(jù)箱體熱平衡原理,熱量來源主要是箱體表面接收到的太陽輻射Q,一部分熱量Q2 被箱體表面反射回環(huán)境,另一部分熱量Q1 被箱體表面吸收,箱體表面溫度升高;由傳熱學(xué)原理可知,箱體表面吸收的熱量Q1 一部分q’通過對流方式傳遞至外環(huán)境,另一部分q 通過導(dǎo)熱+對流的方式傳遞至箱內(nèi)環(huán)境,引起箱內(nèi)空氣溫度的升高。
圖1 箱體傳熱路徑示意圖
若箱體結(jié)構(gòu)尺寸相同,接收到的太陽輻射Q 相等,但箱體表面顏色不同,太陽輻射吸收率不同,因此吸收熱量Q1 不同,導(dǎo)致箱體表面溫度和箱體向箱內(nèi)傳遞的熱量q 也不同,由q=cmΔt 可知,箱內(nèi)空氣溫度也存在差異。
結(jié)合工程實(shí)際,為了研究太陽輻射對戶外密閉箱體的熱影響,選用三種不同顏色的密閉箱體,放置于戶外太陽輻射環(huán)境下,分別采集機(jī)箱表面、箱內(nèi)環(huán)境以及箱外環(huán)境的溫度數(shù)據(jù),分析太陽輻射對箱體的溫升情況,并在此基礎(chǔ)上綜合研究不同季節(jié)、顏色、是否遮陽等對箱體熱影響的差異性。
三種顏色分別為深綠色、沙漠黃色和白色;箱體為空箱體,內(nèi)部無發(fā)熱設(shè)備;為消除太陽方位角、高度角對機(jī)箱的影響,三個(gè)機(jī)箱南北放置,且放置的距離足夠遠(yuǎn),如圖2 所示。
圖2 試驗(yàn)箱體放置圖
溫度采集儀器設(shè)備如表1 所示,在試驗(yàn)前均進(jìn)行標(biāo)定或者補(bǔ)償。
表1 試驗(yàn)用儀器及功用
試驗(yàn)前,將熱電偶溫度測點(diǎn)分別布置在三個(gè)機(jī)箱相應(yīng)位置處,包括向陽面(頂面)的內(nèi)外表面(測點(diǎn)1 和測點(diǎn)2),背陽面的內(nèi)外表面(測點(diǎn)3 和測點(diǎn)4)、內(nèi)部空間(測點(diǎn)5 和測點(diǎn)6)以及外環(huán)境,如圖3 、表2所示。
表2 試驗(yàn)測點(diǎn)布置
圖3 試驗(yàn)測點(diǎn)布置示意圖
數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2020 年8 月至2021 年9月。因數(shù)據(jù)量較大,每隔30 min 取一組數(shù)據(jù)。
取每天14 ∶00 的環(huán)境溫度值,得出環(huán)境溫度隨月份變化曲線,如圖4、5 所示:6、7、8 和9 月的最高環(huán)境溫度較高,分別為37.8 ℃、37.3 ℃、36.5 ℃和35.5 ℃;11、12 和1 月份最高環(huán)境溫度較低,分別為19.5 ℃、7.1 ℃、8 ℃;最低溫度和平均溫度變化趨勢與最高溫度一致。
圖4 環(huán)境溫度隨月份變化曲線
圖5 箱內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線
以7 月2 號(hào)至7 月4 號(hào)的數(shù)據(jù)為例:箱內(nèi)溫度每天早上6 ∶00開始快速上升,至上午10 ∶00 左右升至較高水平,持續(xù)至下午16 ∶00 左右開始快速下降,即每天的10 ∶00~16 ∶00 時(shí)間段內(nèi),箱內(nèi)環(huán)境溫度處于較高水平(具體時(shí)間點(diǎn)跟日出日出時(shí)間相關(guān))。
以7 月和9 月為例,取每月1 號(hào)至10 號(hào)的溫度數(shù)據(jù),箱內(nèi)溫度每天的變化曲線如圖6、7 所示。
圖6 箱內(nèi)溫度每天變化情況_7 月
圖7 箱內(nèi)溫度每天變化情況_9 月
1)顏色對箱內(nèi)溫度影響較大,顏色越深、吸收率越高,箱內(nèi)溫度越高。
2)不同顏色之間的差異較大:白色吸收率小,箱內(nèi)溫升小,深綠色和沙漠黃色吸收率大,箱內(nèi)溫升大;深綠色和沙漠黃色差異較小。
1)絕對溫度
如圖8 所示,每年6、7、8、9 月份箱內(nèi)最高溫度較高(深綠色機(jī)箱54 ℃,沙漠黃色機(jī)箱52 ℃,白色機(jī)箱42 ℃),即戶外密閉箱體在內(nèi)部設(shè)備不工作的工況下,溫度已經(jīng)達(dá)到50 ℃以上。
圖8 不同顏色箱內(nèi)最高溫度月度變化
2)相對溫升
不同顏色箱體的箱內(nèi)溫度相對環(huán)境溫升情況如圖9、10 所示(取每月每天14 ∶00 時(shí)刻的平均溫度)。
圖9 箱內(nèi)平均溫升隨月度變化
圖10 箱內(nèi)最高溫升隨月度變化
①9~12 月份箱內(nèi)環(huán)境平均溫升較高;
②三個(gè)機(jī)箱箱內(nèi)平均溫升排序?yàn)樯罹G色>沙漠黃色>白色,其中深綠色為(8,14)℃,沙漠黃色為(7,12)℃,白色為(2,4)℃;
③箱內(nèi)最高溫升全年變化不大,深綠色為(17,22)℃,沙漠黃色為(14,19)℃,白色為(5,7)℃。
以9 月份深綠色溫度數(shù)據(jù)(圖11)為例,箱體向陽面、背陽面、箱內(nèi)溫度隨時(shí)間變化如下所示。
圖11 深綠色箱體向陽面-背陽面-箱內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線
1)溫度排序?yàn)橄蜿柮妫鞠鋬?nèi)空氣>背陽面,太陽輻射較強(qiáng)時(shí),向陽面比箱內(nèi)高(5~15)℃;
2)在晝夜溫差大的情況下,受太陽輻射影響,日落以后箱體及箱內(nèi)溫度快速降低,低于環(huán)境溫度。
箱體可分為向陽面和背陽面,向陽面直接吸收輻射熱量并轉(zhuǎn)化為熱量,背陽面熱量來源于向陽面的熱傳導(dǎo)。以9 月份深綠色箱體溫度數(shù)據(jù)為例,取箱體向陽面和背陽面的內(nèi)表面溫度(圖12~15):
圖12 箱體背陽面溫度隨時(shí)間變化
圖13 箱體向陽面溫度隨時(shí)間變化
圖14 深綠色箱體向陽面-背陽面溫度情況
圖15 深綠色箱體向陽面-背陽面溫差
1)不同顏色太陽輻射吸收率不同,受自然對流影響,深綠色和沙漠黃色背陽面表面溫度基本一致,但比白色箱體表面溫度高;深綠色和沙漠黃色向陽面表面溫差較背陽面大;
2)太陽輻射較強(qiáng)時(shí)間段,向陽面表面溫度比背陽面溫度高(10~20)℃(深綠色箱體);
3)晚上向陽面溫度低于背陽面,可能原因?yàn)橄蜿柮鏋轫斆?,背陽面為?cè)面,晚上環(huán)境溫度低于箱內(nèi)溫度,且頂面對流換熱強(qiáng)度強(qiáng)于側(cè)面;
4)對于戶外密閉箱體,采取一定的遮陽措施,將極大地降低箱體和箱內(nèi)溫度,改善內(nèi)部電子設(shè)備工作環(huán)境。
為充分驗(yàn)證太陽輻射熱影響,取深綠色箱體進(jìn)行太陽輻射熱影響的仿真分析,校核仿真與試驗(yàn)對比情況,為后續(xù)太陽輻射熱影響的計(jì)算提供支撐。
取20210902 的溫度數(shù)據(jù),綠色箱體表面的太陽輻射吸收率取0.6,地點(diǎn)為北京,晴朗天氣(太陽輻射無遮擋),箱體表面風(fēng)速取3 m/s,計(jì)算一天內(nèi)(0 點(diǎn)到24 點(diǎn))箱體向陽面(頂面)和箱內(nèi)空氣溫度的變化。
環(huán)境溫度仿真輸入?yún)⒖紝?shí)測值的模擬曲線,如圖16 所示。
圖16 環(huán)境溫度仿真輸入
根據(jù)以上邊界條件進(jìn)行仿真分析,得出綠色箱體溫度、箱內(nèi)溫度與實(shí)測值對比,分別如圖17、18 所示。
圖17 箱體表面溫度仿真與實(shí)測對比
1)箱體表面及箱內(nèi)空氣溫度仿真與實(shí)測值整體變化趨勢一致;
2)受表面太陽輻射實(shí)際吸收率、表面對流情況及天氣日照等影響,仿真與實(shí)測在具體數(shù)值上有一定的差異,后續(xù)需要進(jìn)一步深入和細(xì)化的研究。
由測試結(jié)果可知,太陽輻射對戶外密閉箱體(特別是深顏色)的熱影響較為明顯,以常用深綠色和沙漠黃色為例,箱內(nèi)溫升范圍達(dá)到了(14~22)℃,在熱設(shè)計(jì)時(shí)要給予重點(diǎn)考慮;對于戶外密閉箱體,采取遮陽措施將極大地改善散熱環(huán)境,降低箱體和箱內(nèi)溫度,提高內(nèi)部電子設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性;在晝夜溫差大的情況下,晚上箱體及箱內(nèi)溫度低于環(huán)境溫度,存在凝露的可能,要進(jìn)行防凝露設(shè)計(jì),避免凝露導(dǎo)致的電子設(shè)備壽命縮短、可靠性降低現(xiàn)象;由仿真與實(shí)測對比分析可知,兩者較為符合,在后續(xù)工程設(shè)計(jì)和型號(hào)應(yīng)用方面,可利用仿真手段對太陽輻射熱影響進(jìn)行充分的預(yù)測,并采取合適的手段,提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度和設(shè)備的使用壽命和可靠性。
圖18 箱內(nèi)空氣溫度仿真與實(shí)測對比