INSTALATII DE BORD LA AVIOANELE DE TRANSPORT SI CERCETARI IN ANALIZA FENOMENELOR TERMICE

1.3 Instalatia de energie electrica

Instalatia de energie electrica de la bordul avioanelor alimenteaza aparatura radio, iluminatul incandescent si fluorescent, majoritatea aparatelor de bord, din care multe computerizate, cum sunt cele din navigatie, precum si asigurarea functionarii a sute de supape electromagnetice, robinete etc. care se afla in compunerea celorlalte instalatii si sisteme. Modernizarea avioanelor din punctul de vedere al utilizarii instalatiei electrice a condus la marirea sigurantei zborurilor. Avioanele moderne de transport poseda numai generatoare de curent alternativ (c.a.) acesta fiind transformat in curent continuu (c.c.) pentru consumatorii de c.c. cu ajutorul grupurilor de transformare si redresare [7,8 26,119,140].

In figura 1.3.1. este reprezentat panoul de comanda si control a tuturor surselor primare, montat in cabina echipajului, pe plafon.

Fig. 1.3.1. Panoul de comanda si control al instalatiei de energie electrica la avionul BAC.1.11:

1- comutator pentru verificarea invertorului; 2 - indicatorul de verificare a invertorului; 3 - bec alb; 4 - comutator pentru cuplarea sursei de la sol; 5- becuri portocalii de avertizare a joasei presiuni la CSD (Constant Speed Drive); 6 - frecvensmetru; 7 - comutatoare de decuplare CSD in caz de defectare a generatorului; 8 - voltmetru; 9 - kilovolltametre pentru primele doua generatoare; 10 - comutator de selectare a sursei de energie electrica in vederea verificarii frecventei si tensiunii c.a. ;

1.9 Fenomene termoelectrice

In orice material conducator supus unui gradient de temperatura este generata o tensiune electrica. Acest fenomen, numit efect Seebeck absolut (ESA), este caracterizat prin coeficientul Seebeck absolut, , definit ca variatia instantanee ESA in raport cu temperatura, pentru o temperatura data,  = [d(ESA)/dT]_ si se datoreaza difuziei de purtatori de sarcina cu energie mai mare din zona cu temperatura ridicata, T + T, spre zonele cu temperatura mai coborata, T. Aplicarea unei diferente de temperaturi la capetele unui cuplu termoelectric, format din doua materiale conductoare diferite, va produce o tensiune la nivelul circuitului functie de distributia de temperatura, fig.1.9.1 [39,137].

Fig. 1.9.1. Circuitul specific efectului Seebeck.

Tensiunea rezultata se numeste tensiune termoelectromotoare relativa, Seebeck (TTRS). Ea apare numai pe baza diferentei de potential intern, respectiv ESA, la nivelul materialelor din care este confectionat. Coeficientul relativ Seebeck (CRS), se defineste ca valoarea instantanee de variatie a tensiunii termoelectromotoare relative Seebeck cu temperatura:

CRS = [d(TTRS)/dT].

Cea mai importanta aplicatie a fenomenului Seebeck este masurarea temperaturi prin termometrie termoelectrica. Acest lucru este posibil datorita faptului ca energia termica este convertita direct in energie electrica.

Fig. 1.9.2. Circuit specific efectului Peltier

Peltier a demonstrat ca energia sub forma de caldura este absorbita sau eliberata atunci, cand un curent electric strabate un circuit format din doua materiale diferite, fig. 1.9.2. Acelasi fenomen apare si datorita unor proprietati de neomogenitate, gradienti de concentratie sau interfata materialelor multifaza la nivelul conductorilor.

Efectul Thomson este egal cu schimbul de caldura reversibil, in interiorul unui conductor omogen, aflat intr-un gradient de temperatura si concomitent supus unui curent electric. Acest efect poate sa apara in orice segment neizoterm al unui conductor. Coeficientul Thomson este egal cu valoarea caldurii reversibile schimbate intr-un conductor raportata la unitatea de gradient de temperatura si de unitatea de curent. Thomson a denumit-o "caldura specifica de electricitate". Efectul Thomson, nu este o tensiune, chiar daca, la fel ca si efectul Peltier, este exprimat in unitati de energie ce contine volti in unitatea de masura.

Elemente de termodinamica relativ la efectele Seebeck, Peltier si

Thomson

In conditiile in care T tinde spre zero obtinem variatia instantanee a coeficientului Peltier in raport cu emperatura. Astfel, ecuatia (1.30) avea expresia:

. (1.31)

Aceasta expresie reprezinta teorema termodinamica fundamentala pentru un circuit termoelectric inchis. Ea ne arata relatiile energetice de legatura intre efectul electric Seebeck si efectele termice Peltier si Thomson. Componentele expresiei (1.31) reprezinta fenomene termice distincte induse de tensinea termoelectromotoare relativa Seebeck ce rezulta datorita gradientului de temperatura (energie) de la nivelul conductoarelor A si B [39,137].

1.9.2 Legile termoelectricitatii

Cand doua termoelemente, confectionate din acelasi material omogen, formeaza un termocuplu conform ecuatiei (1.31), nu va exista nici o tensiune termoelectromotoare indusa, deoarece cele doua valori _A si _B sunt identice.

Tot din ecuatia (1.31) rezulta ca in absenta unei diferente de temperatura intre capetele unui conductor omogen, valoarea tensiunii termoelectromotoare existente in conductor va fi nula, chiar si in prezenta unui gradient termic la nivelul conductorului.

O alta lege purtand acelasi nume, precizeaza ce valoarea coeficientilor relativi Seebeck a doua termocupluri formate din termoelementele A-C si C-B, fiecare avand temperaturile jonctiunilor la aceeasi valoare, pot fi exprimati prin dE_AB/dT = (_A - _C) + (_C - _B) = _A - _B. Termoelementele, precum platina, care sunt comune ambelor termocupluri, sunt utilizate pentru imperecherea acestora. In acest caz contributia materialului termoelementului comun este indicata mai sus prin valoarea _C.

Legea temperaturilor succesive, stabilita pe baza integrarii ecuatiei (1.31) corespunzatoare unor intervale de temperatura, cu T₀ ca valoare de referinta si T₀ < T₁ < T₂ < T₃ este [39,137]:

, (1.32)

care este la fel cu:

. (1.33)

1.10 Caracteristici termice ale radiatoarelor utilizate in montaje electronice

Analiza transferului termic intr-o incinta permite optimizarea schimbului de caldura in aparatura electronica.

O forma constructiva foarte raspandita, integrata adesea chiar in structura portanta a aparatelor, o constituie radiatoarele realizate ca profile din aluminiu, extrudate, cu nervuri paralele, ca cel din fig. 1.10.1.

Fig. 1.10.1. Tranzistor de putere montat pe un radiator extrudat

Aproximarea cea mai simplificatoare (solutia de ordin 0) neglijeaza rezistenta termica aferenta conductiei si considera toti peretii radiatorului ca izotermi, caracterizati de aceeasi temperatura - cea a zonei de contact dintre radiator si sursa (componenta montata pe radiator). In aceasta situatie, conductanta termica a radiatorului se va calcula ca rezultanta a mai multor conductante legate in paralel, aferente convectiei si radiatiei corespunzatoare fiecaruia din elementele partiale, cu configuratie simpla, in care se descompune radiatorul. Pozitia normala de exploatare a unui astfel de radiator este cea verticala, in care nervurile formeaza conducte in forma de U.

Conductanta

C = C_ext + NC_int1 + 2C_int2, (1.34)

unde N este numarul de conducte cu latimea b, formate in radiator.

In cazul in care se modifica pozitia radiatorului conductanta termica a acestuia scade cu 15 - 20 %.

1.11 Cercetari actuale cu metode moderene in studiul transferului terimic in echipamente electronice

Pentru rezolvarea problemelor termice in incintele electronice sunt solutii cunoscute cum ar fi: radiatoare de caldura, ventilatoare, nervuri si aripioare, si racirea cu lichid.

Cerinte ale echipamentelor de racire: volum al instalatiei cat mai mic, masa redusa a instalatiei, durarta mare de viata, posibilitatea de a lucra in conditii dure.

Prognoza puterii disipate de cipurile de mare performanta in timp

Prognoza nivelului fluxului de caldura al ecipamentului de racire in timp

Rezistenta termica pentru cateva fluide de racire

De cele mai multe ori solutiile constructive de racire ale echipamentelor electronice, sunt alese in functie experienta in domeniu sau chiar la intamplare. La momentul actual, simularile in domeniul dinamicii fluidelor (CFD) conduc la alegerea unor solutii optime. Aditional softuri de tip "dar daca?" ajuta inginerii in negocierea unei solutii favorabile.

CFD aplica legile de conservare ale fizicii pentru a crea un model care determina temperatura, presiunea si ale variabile in diferite puncte ale modelului. Simularile sunt relativ rapide si usor de construit, iar predictia este de mare acuratete, erorile fiind mai mici de 10% sau chiar mai bune.

Inaintea aparitiei analizelor cu CFD, inginerul trebuia sa abordeze problematica transferului de caldura printr-un ciclu de tipul: prototip-testare-modificare prototip si asa mai departe. De cele mai multe ori, solutiile in domeniul transferului termic se dovedesc contraintuitive, si existenta unor restrictii in privinta echipamentului complica problma. Deasemenea nu exista nici o garantie ca inginerul va alege combinatia de posibilitati favorabila pentru studiu.

Folosind analiza CFD, aceste probleme dispar. Inginerul poate economisi timp, bani pentu realizarea prototipului, softul utilizat in analiza putand alege directia in care sa modifice parametrii astfel incat sa determine o solutie optima.

1.12 Obiectivele tezei de doctorat

Lucrarea de doctorat are urmatoarele obiective:

■ Calculul solicitarilor termice ale conductoarelor electrice, din aparatura de bord a aeronavelor de transport, la functionarea in regim stationar si nestationar. Analiza procesului termic stationar al unui sistem conductor neomogen cand exista un flux termic longitudinal egalizator. Elaborarea unui algoritm pentru calculul temperaturilor in sistemul neomogen cu n contacte frontale.

■ Modelarea aerodinamica a ventilatorului axial care asigura racirea unui radiator ce echipeaza un microprocesor utilizat in comanda aparaturii de bord a aeronavelor de transport.

■ Elaborarea unui algoritm pentru calculul sistemului termic procesor - radiator-ventilator in regim de functionare stationar si nestationar. Determinarea, cu ajutorul programului COSMOSFloWorks 2005 Standard, a distributiei temperaturii, vitezei si presiunii in sistemul procesor - radiator-ventilator.

■ Analiza sondelor de prelevare a presiunii statice utilizate la avioanele de transport si alegerea unei locatii de amplasare care sa asigure o eroare de masurare cat mai mica sau unde aceasta sa varieze uniform cu numarul Mach si unghiul de atac. Determinarea cu programul FLUENT a presiunii pe suprafata sondei cu si fara orificii la regimuri de zbor subsonice si supersonice.

■ Elaborarea unui program de cercetare experimentala.