Системи забезпечення теплового режиму ЕА

ЛЕКЦІЯ 13

Література: [3, с.154…157; 4, с.208…219].

Серед систем забезпечення теплових режимів ЕА (СЗТР), найбільш поширеними є системи з природним повітряним охолодженням. Вони будуються за двома схемами: з герметичним і перфорованим корпусом. Вони найбільш прості і не потребують додаткових витрат енергії, проте забезпечують охолодження при невеликих питомих потужностях розсіяння. За рахунок раціонального використання перфорації кількість відведеного тепла може бути збільшена приблизно на 30%, а перегрів всередині блоку зменшений на 20%. При цьому оптимальне співвідношення між сумарною площею перфорованих отворів і зовнішньою поверхнею корпусу лежить в межах 20-30%; оптимальний розмір отворів 6-12 мм.

Конструкція ЕА з природним повітряним охолодженням повинна задовольняти ряду вимог:

- Забезпечувати хороше обтікання охолоджуючим повітрям всіх елементів конструкції, особливо теплонавантажені;

- Теплонавантажені елементи повинні розташовуватися у верхній частині блоку, ближче до стінок;

- Теплонавантажені елементи повинні захищатися від обтікання нагрітим повітрям;

- При впливі променистої енергії теплочутливі елементи повинні захищатися екранами;

- Всі теплонавантажені елементи повинні мати хороші теплові контакти з несучими вузлами.

Для інтенсифікації теплообміну при природному охолодженні застосовують спеціальні екрани, що направляють потоки повітря, ребра окремих поверхонь, додаткові радіатори.

Системи з примусовим повітряним охолодженням будується за двома схемами: з герметичним і перфорованим корпусом.

Примусове повітряне охолодження має три різновиди: внутрішнє перемішування, зовнішній обдув і продування.

Примусова вентиляція може відводити до 60-80% тепла, що виділяється в блоці. Конструкція, в якій використовується примусово повітряне охолодження, повинна відповідати таким вимогам:

- Володіти малим аеродинамічним опором який протікає за повітрям;

- Забезпечувати хороший доступ холодного повітря до теплонавантажених елементів;

- Мати захист внутрішнього об'єму від пилу;

- Включати в себе елементи конструкції для вирівнювання поля швидкостей потоку охолоджуючого повітря;

- Здійснювати автоматичне відключення РЕЗ при виході з ладу системи вентиляції.

Системи з випарним охолодженням також можуть бути як з природним так і з примусовим рухом теплоносія. В обох випадках збільшення потоку відбірной потужності досягається за рахунок кипіння охолоджувальної рідини на охолоджувальній поверхні всередині замкнутого обсягу РЕЗ. Висока ефективність механізму випарного охолодження використовується в різновидах радіаторів - теплових трубах.

Попередній вибір системи охолодження.

Для попереднього вибору системи охолодження використовуються експериментально отримані дані, представлені у вигляді графіків або обмежувальних параметрів. Попередній вибір здійснюється на підставі попередніх даних по величині теплового потоку на одиницю площі теплообміну:

(13.1)

де Р - сумарна потужність, що розсіюється в РЕА;

kР - коефіцієнт, що враховує тиск повітря (при атмосферному тиску kР = 1);

SП - поверхня теплообміну визначається геометричними розмірами корпусу і коефіцієнтом заповнення його обсягу

Рис.13.1

Наприклад, систем природно - повітряного охолодження дозволяють відводити потоки щільністю q ≤ 0,2 Вт/см2, примусово - повітряного охолодження - щільністю до q ≤ 1Вт/см2, рідинного охолодження – щільністю

q ≤ 20Вт/см2 і випарного охолодження - q ≤ 200Вт/см2.

Графічно ці області можна представити таким чином (див. рис.13.1).

Термоелектричне охолодження.

Термоелектричне охолодження грунтується на використанні явища Пельтье (французький фізик). Цей ефект полягає в тому, що на межі двох різних провідників при проходженні струму в електричному ланцюзі виділяється або поглинається тепло (залежно від напрямку струму). Ефект Пельтье тим сильніше, чим більше термоелектродвижучі сили. Вони особливо різко проявляються на кордоні двох напівпровідників (див. рис. 13.2).

Рис.13.2 – Термоелемент.

При зазначеному на рис. 13.2 напрямку струму, між з'єднувальними елементами 1 і 2 існує різниця температур, причому на елементі 1 виділяється тепло, а на елементі 2 - воно поглинається.

Для підтримки охолодження (стаціонарного режиму) елемента 2 повинен зберігатися постійний рівень температури на елементі 1.

(13.3)

Де - кількість тепла Пельтье виділяється або поглинається на одиницю часу і пропорційна силі струму.

(13.4)

де Т - температура холодного шару;

П - коефіцієнт Пельтье (приблизно рівний різниці термоЕРС елементів);

- Джоулева теплота, що виділяється на опорі елемента R за час t.

- теплота, що передається від гарячого шару до холодного за рахунок теплопровідності.

Як бачимо, термоелемент може здійснювати як охолодження так і нагрівання, що особливо важливо в режимі активного термостатування

(для цього достатньо змінити напрям руху струму). Залежність виділеної в термоелементі від протікаючого через нього струму, представлена ​​на рис 4.3. Звернемо увагу: що при певному значенні струму I має місце максимальне зниження температури холодного шару. Якщо струм істотно більше IОПТ, то ефект охолодження може взагалі зникнути через зростання джоулевої теплоти.

Рис.13.3

Для підвищення ефективності охолодження застосовують двох-і більше каскадні термобатареї (один з варіантів таких батарей з паралельним живленням зображений на рис.13.4). Кращими матеріалами для елементів каскадів є тверді розчини на основі телуриду вісмуту (Bi2Te3) з легуючими добавками. Залежність перепаду температури від числа каскадів N термобатареї наведено на рис.13.5.

Рис.13.4 – Термобатарея.

Як бачимо, має місце ефект насичення, пов'язаний з тим, що кожен каскад не тільки відбирає тепло але і створює його (джоулева втрата). До недоліків _ термобатарей слід віднести низький ККД (30% для однокаскадної батареї, 12% для двокаскадної і 0,013% для десятикаскадної), більшу масу, досить велику постійну часу, низьку механічну міцність.

Рис.13.5

Одним з найважливіших переваг термобатарей є можливість отримувати температури нижче температури навколишнього середовища.

Дата добавления: 2014-01-07