«Принудительное воздушное охлаждение»

Под принудительным воздушным охлаждением понимают – охлаждение потоком воздуха, объем, и скорость которого определяется специальными устройствами. Таким образом могут охлаждаться непосредственно части РЭА или к-н промежуток исполняется для отвода тепла от теплонагруженных узлов и деталей. Эффективность принудительного воздушного охлаждения тем больше, чем ниже его температура и больше его скорость. Принудительный поток воздуха после отвода им тепла от теплонагруженных элементов или от корпуса РЭА могут заменятся непосредственно поступающим холодным воздухом, а в замкнутом объеме корпуса он может только принудительно перемещаться и тепло от нагретых элементов передавать более холодной поверхности корпуса РЭА. При этом перемещаемый воздух внутри РЭА не будет успевать отдавать свое тепло корпусу, естественно теплообмен будет хуже, чем при непрерывной смене нагретого воздуха более холодным поступающим извне.

Принудительное воздушное охлаждение РЭА направлено поступающим воздухом может осуществляться двумя путями:

1. Обдувом внешней поверхности РЭА;

2. Сквозным продувом воздуха через внутренний объем РЭА.

В первом случае поток воздуха отводит тепло только от поверхности корпуса РЭА и для того чтобы тепло от внутренних частей РЭА лучше передавалось корпусу необходимо не только обеспечить их хорошие термичные контакты с корпусом, но и ввести перемешивание внутренних объемов воздуха, т.е. нужно два принудительных потока воздуха. При сквозном продуве воздуха нужен только один принудительный поток.

Единственным ограничением при сквозном продуве воздуха является требование к чистоте и влажности. При помощи спецфильтров и очистителей удается очистить воздух и сделать его сухим. Хотя иногда некоторые узлы и блоки дополнительно защищают от пыли и влаги спецкорпусами. Принудительный поток воздуха используют для охлаждения РЭА, создается специальными воздуходувными устройствами, которые в свою очередь требуют определенных мощностей. И так как это устройство как и любое другое преобразующее Эл. Энергию обладает не очень большим КПД, то часть его энергии выделяется в виде теплоты. Чем больший объем и скорость воздуха, тем большая мощность воздуходувного устройства будет требоваться, а, следовательно, и большие его габариты и выделяемая тепловая энергия. Это накладывает определенные ограничения на применение охлаждения принудительным потоком и потоком воздуха. Для обеспечения хорошей эффективности принудительного воздушного охлаждения также необходимо соблюдать определенные конструктивные требования, а именно должна быть предусмотрена хорошая обтекаемость воздуха. Теплонагруженных узлов и блоков, также необходимо устранять застойные зоны, в которых могут происходить накопление пыли и как следствие возникать местные перегревы.

«Расчет теплообмена».

Из уравнения Ньютона видно, что определение количества тепла при конвективном обмене несложно достаточно только знать перепад температур, площадь, через которую передается тепло и коэффициент теплообмена. Но основная состоит в том, что коэффициент теплообмена λ оказывается сложной функцией большого числа переменных. Конвективный теплообмен описывается с математической ДУ-й и условиями однозначности с большим количеством переменных. ДУ-я отражают наиболее общие черты явлений и не учитывают частных количественных особенностей. Такими частными особенностями является геометрическая форма и размеры схемы, в которой протекает тепловой процесс, физические свойства элементов конструкции участвующих в процессе, а так же условия протекания процессов на границах тел. Классифицируя процессы по их частным особенностям можно выделить группы явлений, под которыми понимается совместимость физических процессов, описываемых одинаковыми по форме и содержанию условиями однозначности. Следовательно различие отдельных физических процессов отнесенных к данной группе явлений, состоит только в том, что величины входящие в условие однозначности или различные численные значения. Решение схемы ДУ-й в этом случае является достаточно трудным. В настоящее время точные решения существуют только для отдельных частных случаев. С помощью эксперимента для определенных значений аргумента можно получить численные значения искомых переменных и затем подобрать уравнения описывающие результаты опытов. Но экспериментально исследование такого сложного процесса, как конвективный теплообмен оказывается сложным, т.к. приходится иметь дело с большим количеством переменных одно из которых исследуется, а другие нужно сохранять неизменными. Эта задача решается с помощью энергии подобия. С ее помощью физические величины объединяются в безразмерные комплексы таким образом, что число комплексов оказывается меньше величин, из которых составлены эти комплексы. Полученные безразмерные комплексы можно рассматривать как новые переменные.

Теория подобия устанавливает такие условия при которых результаты лабораторных исследований могут распределять на другие явления подобные рассматриваемому. Конвективный теплообмен определяется следующими факторами.

1. Коэффициент объемного расширения газа или жидкости:

2. Коэффициент теплопроводности:

3. Уд. теплоемкость при постоянном давлении:

4. Коэффициент кинематической вязкости жидкости:

5. Ускорение силы тяжести:

6. Коэффициент теплопроводности жидкости:

7. Совместимость параметров, характеризующих форму строения поверхности и ее размер:

8. Плотность ρ.

Все эти факторы в уравнении Ньютона концентрируются в одной величине коэффициенте теплообмена. На основе теорий подобия эти факторы объединяются в безразмерные комплексы и нац. критерии подобия.

Наиболее распространены следующие критерии:

1. критерий Мукельта – х-т интенсивность теплообмена на границе житкость-стенка:

В случае, если вместо плоской стенки имеется труба, то вместо толщины стенки нужно подставить величину живого диаметра:

S – площадь поперечного сечения М²;

U – периметр, м.

2. критерий Рейнольса – х-т отношение сил инерции и сил вязкости в потоке житкости:

ω – скорость потока жидкости, м/с;

l – определяющий размер, м.

3. критерий Грасгоора – характеризует взаимодействие подъемных сил и сил вязкости:

4. критерий Пекле – характеризует отношение конвективных и кондукционных (за счет теплопроводности) потоков тепла:

5. критерий Грандля – характеризует теплофизические свойства вещества:

При расчете конвективного теплообмена ограничения тремя критериями: 1); 3); 5. таким образом зависимость между многочисленными парами можно представить в виде критериального уравнения, связывающего следующие три критерия:

(15)

Уравнение (15) находится с помощью экспериментальных исследований для какого либо частного случая, определяя при этом необходимые связи между парами охлаждаемого объекта и охлаждающей среды. Но теория подобия позволяет расписывать результат одного опыта на целую группу явлений, зависимость (15) будет справедлива для объектов подобных по форме, если теплообмен заданных объектов происходит в условиях подобных объекту подвергавшемуся экспериментальному исследованию и для которых была найдена величина произведения определяющих критериев.

Для коэффициента теплопередачи тел с одним определяющим размером (N вертикальность стенки тел цилиндрической формы) существует объективная зависимость:

c, n – эмпиричные коэффициенты.

m – индекс, который указывает на то, что значения физических параметров λ, а, ν газа или жидкости нужно определить для средней арифметической температуры:

t – температура поверхности тела;

t_ос – температура среды.

Величина коэффициентов c и n для разных значений аргумента является справедливой величиной, для рассматриваемого случая состоит:

	C	n
>1·10–3 1·10–3÷5·102 5·102÷2·107 2·107÷1·1013	0,5 1,18 0,54 0,135	0 1/8 1/4 1/3

Различают четыре значения теплообмена которым соответствуют четыре режима движения:

1) пленочный режим N_vm=0.5

Этот режим реализуется в том случае, когда у поверхности тела образуется почти неподвижная пленка, нагретой жидкости или газа. Интенсивность теплообмена очень мала. Этот режим движения и место N, у тел с плавными очертаниями при небольших тепловых напорах. Теплообмен в этом случае обусловлен явлениями теплопроводности:

2) закон 1/8 – он составит минимальному режиму движения жидкости или газа. Интенсивность теплообмена неоднозначна. Это значение движения типичное для среды, омывающие тонкие проводники.

3) закон ¼ - соответствует интенсивному ламинарному и локонообраному (переходной между ламинарным и турбулентным) движению жидкости или газа.

Интенсивность теплообмена увеличивается. Такой режим движения жидкости или газа имеет место около плоских и цилиндрических корпусов РЭА средних размеров и около плоских ребер радиатора;

4) значение 1/3 – соответствует вихревому движению жидкости, при котором теплообмен протекает очень интенсивно. В этом случае размер тела не влияет на интенсивность процесса.

Подобный режим движения жидкости или газа наблюдается возле внешних поверхностей корпуса РЭА больших размеров.

«Термоэлектрическое охлаждение»

Основано на использовании явлений Пельтье, заключающегося в том, что на границе двух различных проводников при прохождении электрического тока в электроцепи выделяются или поглощается тепло в зависимости от его направления.

Эффект Пельтье тем сильнее, чем больше термо-ЭДС, которая особенно резко проявляется на границе двух полупроводников. Эффект Пельтье объясняется тем, что в разнородных полупроводниках кинетическая энергия различна если направление токов таково, что электроны с большей энергией переходят в проводник с меньшей энергией электронов, то происходит выделение тепла на контакте за счет передачи избыточной энергии электронов кристаллической решетке. Если направление токов таково, что электроны с меньшей энергией переходят в проводник с большей энергией электронов, то происходит охлаждение контактов, т.к. пришедший электрон дает восполнить недостающую энергию за счет энергии решетки.

В случае контактов полупроводников с дырочной и электронной проводимостью разность кинетической энергии носителей по обе стороны контакта при этом особенно велика.

При движении электронов из электронного полупроводника в дырочный в месте контакта происходит рекомбинация электронов и дырок, электрон при этом из 3п попадает в 3в и энергия взаимодействия электрона и дырки переходит в тепло. Она выделяется на контакте, и температура контакта становится больше температуры окружающей среды.

Если электроны в n-области и дырки в p-области отделятся от контакта и при этом электроны из в3 дырочного полупроводника втягиваются полем p-n перехода в зону проводимости электронного полупроводника, то возникающая энергия в результате термогенерации электрона и дырки движется в сторону от контакта, а т.к. на создание электронно-дырочных пар будет затрачено энергия, то она восполниться за счет энергии решетки. Это приводит к охлаждению контакта.

В данном случае последовательно соединены два полупроводниковых электрона, один из которых обладает электронной, а другой дырочной проводимостью.

При данном направлении тока между соседними электронами 1 и 2 существует разность температур.

Причем на электроне 1 выделяется тепло, а на 2 поглощается. Для поддержания охлаждения электрона 2 должен сохранятся постоянный уровень температуры на электроне 1, электрон 2 охлаждается до тех пор, пока энергия тепла постепенно поступает в него из окружающей среды Qос, и тепло поступающее по устройству Qx не станет равнымпоглощаемому теплу Пельтье Qп. Следовательно:

Q_п=Q_ос+Q (17)

Количество тепла Пельтье, выделявшегося в 1с силе тока:

-Q_п=П·I·t

где П – коэффициент Пельтье.

Ток проходящий через рассеиваемое устройство, так же создает тепло Джоуля:

Q_дж=I²·Rt

Независимо от перепада температур тепло Джоуля распределяется поровну между холодным и горячим эл-том. Общий тепловой баланс в этом случае определяется алгебраичной суммой тепла Джоуля и Пельтье.

Графически эти зависимости выглядят следующим образом:

При некотором значении тока I_опт имеет место так же понижение температуры холодного спая. Но оно не очень резко выражено, а, следовательно, величина тока оказывается в некоторой области. Если ток существенно больше I_опт, то эффективность охлаждения значительно уменьшается, а при чрезмерной его величине он вообще может исчезнуть за счет повышения тепла Джоуля.

Из (17) можно найти максимум теплоты в зависимости от величины тока:

(18)

(19)

Из (19) следует что холодопроизводительность растет с увеличением термоэлектродвижущих сил электронов, его электрической цепи, т.к.

П=(α₁- α₂)·t

α_1,α₂– термо-ЭДС элементов устройства.

Уменьшение сопротивления всей цепи также приводит к росту холодопроизводительности в реальных условиях восполняется уменьшением сопротивления электрической цепи термоэлектрического охлождаемого устройства не удается, т.к. с его уменьшением в равной мере возростает теплопроводимость, что уменьшит холодопроизводительность.

Термоэлементы характеризуются эффективностью охлаждения, параметр которой определяется:

(20)

– термоэлектрический коэффициент;

– уд. электропроводимость;

– уд. теплопроводимость;

Параметр Ζ является функцией температуры и конструкции носителей заряда. Причем для каждой заданной температуры существует оптимальное значение кон-ции, при которой величина Ζ максимальна. КПД термоэлемента тем больше, чем выше электропроводность полупроводникового материала, т.к. при этом уменьшается внутреннее сопротивление и потери на тепло. КПД тем меньше, чем больше его теплопроводность, т. к. при этом увеличивается поток тепла от горячего спая к холодному. Наибольшей эффективностью охлаждения обладают полупроводники (Висмута, Сурма, Хальтогенды).

В целом номенклатура материала, обеспечивающая удовлетворительное значение Ζ ограничено, поэтому возможности получения больших разностей температур между спаем термоэлементов также ограничен.

При использовании термоэлементов для охлаждения частей конструкции РЭА между ними существует теплообмен, т. е. холодный спай термоэлемента должен отбирать тепло от охлаждаемого элемента конструкции. Если учесть отвод тепла от холодного спая термоэлемента, то эффективность работы охлаждаемого устройства можно оценить отношением:

Q_ОС – количество тепла отводимого в единицу времени термоэлемента.

Р – затрачиваемая на это мощность

– холодильный коэффициент.

Наибольшее значение можно получить при возможно минимальной разности температур в спае, что достигается отбором тепла от горячего спая.

Приведенные оптимальные величины параметров термоохлаждающего устройства выведены без учета факторов, влияющих на электронную проводимость и теплопараметров и в реальных конструкциях, как правило, приходится отступать от оптимальных сечений элементов устройства и питающего тока, обычно эффективность от термоэлектрического охлаждения получается существенно меньше ожидаемого.

От правильного конструкторского решения единичного термоэлемента в значимой степени зависит хаотичная работа всего термоохлождающего устройства. Основным требованием которому должна удовлетворять конструкция термоэлемента, является устранение или значительное уменьшение механического напряжения, возникающих в нем в результате сжатия холодных и расширения горячих коммутационных пластин. При подключении к термоэлементу питающего напряжения верхняя коммутационная пластина начинает охлаждаться и соответственно сжиматься, а нижняя – наоборот. В результате этого возникает пара сил. Под влиянием этих сил в термоэлементе создаются значительные механические напряжения, которые могут привести к его разрушению т.к. устранит полностью механические напряжения невозможно будет разработано несколько конструкций термоэлементов в которых механические напряжения снижены настолько, что они не приводят к механическому разрушению (выходу термоэлемента из строя). Одна из них предусматривает возможность более короткой холодной коммутаций пластины. В соответствии с этим ветви термоэлемента не должны быть далеко разнесены одна от другой. Второй из возможных конструкционных вариантов термоэлемента состоит в том, что холодная коммутационная пластина изготавливается в виде рессор.

В этом случае под влиянием в термоэлементе напряжений она будет изгибаться не выходя за пределы упругой деформации, но сечение рессоры должно быть таким, что бы проходящий через нее ток не выделял заметного джоулевого тепла.

Третья конструкция холодной пластины предусматривает наличие в ней два идущих навстречу друг другу смещенных тонких пропила.

В результате этого в пластине образуется тонкая перемычка небольшой длины, которая выполняет роль упругой пластины. Благодаря незначительной длине перемычка не вносит значительного сопротивления в электрическую цепь термоэлемента.

Другой путь уменьшения вредного влияния механических напряжений возникающих в термоэлементе предусматривает создание демпфирующих слоев между ветвями термоэлемента и коммутационными пластинами. Демпфирующий сой должен быть изготовлен из материала обладающего достаточной пластичностью и малым омическим сопротивлением.

К обеим ветвям термоэлемента 3 припаиваются свинцовые пластинки 2. Затем к ним припаиваются верхние и нижние коммутационные пластины 1. В результате хорошей пластичности свинца применение таких демпфирующих пластин, почти полностью снимает напряжения, возникающие в термоэлементе.

Для повышения эффективности охлаждения обычно применяют термобатарею. Они представляют собой группу термоэлементов, с помощью которых осуществляется последовательное (каскадное) охлаждение. В таком устройстве горячие спаи верхнего каскада опираются на холодные слои второго каскада. Между элементами каждого каскада прокладываются тонкие электроизоляционные прокладки. Каждый термоэлемент образует самостоятельную электрическую цепь. В такой конструкции термобатареи холодный спай нижнего элемента отдают тепло с горячего спая среднего, а его холодный спай охлаждает горячий спай верхнего термоэлемента. При этом холодопроизводительность каждого каскада должна быть такой, чтобы обеспечить эффективный отбор тепла от вышележащих каскадов. Нельзя достигнуть минимальной температуры с помощью термобатарей рассчитанной теоретически и еще больше снизить температуру второго каскада т.к. он должен выделять тепло, которое в свою очередь должно поглощать первое. Для наилучшего использования каждого каскада термобатарей в целях достижения наиболее низких температур батарея должна состоять из звеньев резко понижающейся мощности. С помощью термобатарей можно повысить холодильный коэффициент, когда требуется снижение температуры, близкое к максимально достигнутому. Так двухкаскадная батарея имеет преимущество перед одним термоэлементом только при малых величинах .

Двухкаскадная термобатарея целесообразна для случаев, когда нужно получить максимальное снижение температуры без учета потребляемой эл. мощности. Использование трехкаскадной батареи часто бывает нерациональным.

Основной недостаток термобатарей – низкий КПД:

- для 1-й каскадной – 30%;

- для 2-х каскадной – 0,3%;

- для 10-ти каскадной – 0,13%;

- небольшая механическая прочность;

- большая масса.

Плотность теплового потока не превышает 10 Вт/см². Основным преимуществом является возможность получения окружающей среды и сравнительно точное и плавное регулирование температуры.