При стационарном режиме»

В реальных конструкциях обычно среда с одинаковой температурой определяется от среды с другой температурой какой-либо стенкой. В этом случае неизвестны температуры обеих поверхностей стенки, но известны температуры сред., по обе поверхности стенки:

Определяя температурное поле в среде получаются кривые, направление в сторону от стенок. Обычно температурный градиент заменяет только в сравнительно тонком слое у самой поверхности стенки, а на больших расстояниях от стенки в большинстве случаев существует только значительные разности температур. Для упрощения эту температурную кривую заменяет ломаной линией. Это явление объясняется предположением, что тонкий пограничный слой δ связан со стенкой в то время, как за пределами этого слоя в результате хаотичных движений в среде, разности температур не наблюдается. Это существенное упрощение происходящих явлений можно рассматривать только, как первое грубое приближение.

В пограничном слое передача тепла осуществляется путем теплопроводности, как первое грубое приближение температурный градиент в слое представляется в виде прямой, а перенос тепла описывается уравнением (3), в котором нужно подставить значение коэффициентов теплопроводности среды λ и толщину пограничного слоя δ:

(6)

Следовательно пользуясь (6) и зная толщину пограничного слоя можно определить количество передаваемого тепла. Толщина поглощаемого слоя в значительной степени зависит от характера движения среды, N от скорости движения вдоль стенки, от формы самой стенки, от характера ее поверхности.

В реальных условиях определить величину δ почти невозможно, поэтому в практических расчетах пользуются не величиной, а отношением, либо без определения истиной толщины поглощаемого слоя δ. Это отношение называется коэффициентом теплообмена λ. С учетом этого уравнение (6) примет вид:

- уравнение Ньютона (7)

Коэффициент λ зависит от ряда факторов, N диэлектрических форм тела, состояния поверхности, характера движения среды. Определить коэффициент теплообмена λ расчетным путем невозможно, используя значение, найденные экспериментально, но т.к., эти значения справедливы только для условий, в которых они определены, то для близких к ним условий вводится специальный поправочный коэффициент N, величина λ для движущегося воздуха равно от 10 до 250 ккал/м²ºС, движущаяся вода равна от 500 до 5000 ккал/м²ºС. Газы которые обладают небольшой тепло-проводностью и меньшим коэффициентом, чем жидкости так как являются частным от деления коэффициента теплопроводности на толщину δ.

Применяя (7) к условиям, существующим у обеих поверхностей стенок.

(8)

При установившимся тепловом режиме количество передаваемого от горячей среды к стенке должно быть равно количеству тепла переходящего через стенку и количеству тепла передаваемого стенкой более холодной среде если уравнение (8) представить в виде, соответствующего уравнению, описывающему закон Ома, получим:

(9)

Отношение называется термичным сопротивлением теплообмена (R_t).

Для системы изображений весь процесс теплопередачи будет описываться тремя уравнениями:

т.е зависимость между количеством передаваемого через стенку тепла и температурами среды t₁ и t₂ без описания результирующим уравнением, посредством его почисленого сложения:

(10)

Т.е частных термичных сопротивлений равно общему термичному сопротивлению, включенных последовательно.

Из (10) получается (11):

(11)

K – коэффициент теплопередачи

Для уд. теплового потока справедливо выражение:

(12)

Если корпус РЭА имеет ме-е стенки, значит отношение в \λ=0 коэффициент теплопередачи:

(13)

Для определения K₀ существует номограмная зависимость K₀= K(λ₁, λ₂) и является справочными величинами.

В случае, если корпус РЭА изготовлен из неметаллических материалов, значит отношение в \λ≠0. Значение K с учетом (13) будет определятся:

(14)

При увеличении значения термичного сопротивления стенки, снижение коэффициента теплопередачи тем больше, чем лучше условие теплообмена, созданного путем конвекции как с одной так и с другой стороны стенки – при больших значениях коэффициента K₀термичным сопротивлением стенки пренебрегать нельзя. В справочной литературе существуют намограмы зависимости с помощью которого можно опровергнуть соотношение коэффициента теплопередачи для различных металлов.

«Классификация систем охлаждения»

Отвод тепла от нагретых поверхностей элементов конструкции может производиться:

1. контактным способом за счет теплопроводности;

2. естественным воздушным охлаждением;

3. принудительным воздушным охлаждением;

4. жидкостным охлаждением;

5. испарением жидкости;

6. за счет использования эффекта Пельтье;

7. за счет излучения.

Отвод тепла за счет теплопроводности осуществляется в том случае, если горячее тепло и контакт с более холодным, а более холодное обладает хорошей теплопроводностью, и большую теплоемкость и объем или может отдавать свое тепло в окружающую среду. Охлаждение конвекцией происходит за счет отбора тепла от горячего тела к более холодному массами вещества N газами или жидкостями. В этом случае интенсивность охлаждения зависит от температуры охлаждающего вещества и скорости его движения, т.е. от скорости обмена уже нагревшихся частей РЭА с более холодными частями среды. В нормальных условиях если температура корпуса РЭА выше 20 ºС, то он может отдавать в окружающее пространство. Тепло будет отдаваться тем больше, чем больше температура корпуса и его поверхность, а так же чем быстрее нагретый воздух смениться более холодным. Чтобы в естественных условиях теплообмена за счет конвекции был по возможности большим, нужно соблюдать определенные оптимальные условия. В случае если температура окружающей среды выше температуры поверхности РЭА процесс теплообмена происходит в обратном направлении, т.е. РЭА нагревается. Охлаждение конвекцией может быть интефицировано, N, за счет увеличения скорости обмена нагревающихся частей воздуха к более холодному. Такую систему охлаждения называют – системой принудительного воздушного охлаждения. Еще более эффективной является жидкостная система охлаждения, т.к. применяя вместо воздуха жидкость, величина теплопроводности которой примерно на порядок больше, чем у газов, поэтому при использовании жидкости коэффициент теплообмена больше и лучше. На основании величин коэффициентов теплообмена, N можно учесть, что части РЭА или аппаратуру в целом которая превышает температуру 100 ºС, выгоднее охлаждать водой таким образом, чтобы она имела возможность испаряться. Такую систему охлаждения называют – испарительной системой.

Недостатком такой системы является тот, что не всегда в конкретных условиях можно располагать требуемым запасом холодной воды и обеспечить надлежащую конструкцию РЭА. Поэтому

Наиболее распространенным является воздушное охлаждение, а другие виды используются как промежуточные. Для охлаждения в некоторых конструкциях РЭА может быть использован эффект Пельтье, он заключается в том, что на границе 2-х различных проводников при прохождении тока в электрической цепи выделяется или поглощается тепло, в зависимости от направления тока. Эффект Пельтье тем сильнее чем больше термоэлектродвижущаяся сила. Этот способ целесообразен для охлаждения малых объемов или поверхностей. Он хорошо поддается регулированию и поэтому удобно использовать его, N, для микротермостатов.

Радиальный теплообмен непосредственно для РЭА не используется, т.к. его эффективность при сравнительно низких температурах очень мала.

«Контактный способ охлаждения»

Сущность этого способа состоит в том, что от нагретой части конструкции тепло передается через контакт к более холодной, которая может таким же путем передавать тепло еще более холодной части или той части конструкции, которая, обладая лучшими условиями отдачи тепла в окружающую среду, обеспечит хороший теплообмен.

Качество этого способа охлаждения зависит от ряда факторов:

1. Прежде всего, важно качество контакта между поверхностями охлаждаемой и охлаждающей постоянными конструкции, которая определяется его электрическим сопротивлением. Чем меньше эл. сопротивление контакта, тем меньше осуществляется передача тепловой энергии от более горячей части конструкции к более холодной;

2. Если охлаждающая часть конструкции не использует условие для хорошего теплообмена с окружающей средой или со спец. теплоносителей, то использовать ее для охлаждения теплонагружающих частей конструкции нельзя;

3. Если охлаждающая часть конструкции обладает малой теплопроводностью и теплоемкостью, то термичное сопротивление контакта будет большим, а время распределения теплового потока будет малым. В результате этого теплообмен будет плохим, и возникнут местные перегревы. С течением времени температура по всему объему охлаждающей части конструкции выравнивается, а ее теплообмен с окружающей средой благодаря этому увеличивается и теплообмен улучается.

Местные перегревы при этом ослабевают, и наступает стоящий режим. Как правило, целесообразно, что бы охлаждающая часть конструкции была выполнена из меди, латуни или алюминия, либо был большой размер, для обеспечения хорошего теплообмена с окружающей средой за счет естественного воздушного охлаждения, либо подвергаться принудительному воздушному или жидкостному охлаждению. Контактный способ охлаждения нужно использовать в конструкциях РЭА, для всех его частей, от которых необходимо или желательно отводить тепло. И имея в виду, что охлаждающая часть конструкции может сама перегреваться и контакт с ней в более холодных, но требующих охлаждения частей нежелательно. В реальных конструкциях используют одну общую деталь, N, шасси или корпус, к которой прикрепляют отдельные узлы и детали. Определяя способ их крепления нужно учитывать должен ли тот или иной узел или деталь отдавать свое тепло базовой детали или теплоизолируется от нее, чтобы не получить дополнительного тепла, передаваемого через нее от теплонаружных узлов и деталей. Контактный способ охлаждения реализуется только при небольших размерах и малых мощностях рассеивания (менее 20 Вт).

Контактный способ охлаждения применяется почти во всех конструкциях малогабаритных блоков и аппаратов, т.к. в них всегда имеется базовый элемент, т.е., шасси или корпус, к которому присоединяются узлы и детали. В случае, если по конструктивным соображениям базовый элемент не может быть (N, при использовании печатных плат), то отводить тепло теплонагруженных элементов целесообразно специально.

В конструкциях блоков и узлов с заливкой изоляции местами тепло от нагревающегося элемента через заливочный мост передается к корпусу, а при его отсутствии в окружающую среду. В таких конструкциях обычно трудно обеспечить не только хорошую теплопроводность заливочного моста, но и хороший контакт с нагревающимися элементами узла. Плохой термичный контакт может быть следствием его плохой адгезии либо в результате, N, быстрой заливки или же неравномерного охлаждения заливочного материала. В случае когда влагопроницаемость и диэлектрические характеристику заливочного материала не столь существенны, как теплопроводность, в него добавляют различные порошкообразные мосты с большой теплопроводностью, N, оксиды алюминия, магния и порошки. При использовании механических порошков надо учесть, что при их введении в состав компанида повышается его теплопроводность. Теплопроводящие порошки вводятся в количестве (20-35) объемных процентов в зависимости от вида порошка.

«Естественное воздушное охлаждение»

Простейшим способом такого вида охлаждения является естественная конвенция. Чтобы отвод тепла от элементов конструкции находился внутри РЭА, д/б обеспечена хорошая теплоотдача путем теплового контакта всех теплонагруженных элементов с корпусом РЭА. При этом очень важно, что контакты и по возможности малое термичное сопротивление. В РЭА с относительно большими размерами и мощностями отдача тепла элементов к корпусу может производится за счет внутренней конвекции происходящей в результате перемещения воздушного потока, находится в его разомкнутом объеме, или специально введенного нейтронного газа. Эффективность естественного охлаждения, тем больше, чем больше разность температур между корпусом и окружающей средой и чем больше площадь поверхности корпуса РЭА. На теплообмен также влияет плотность окружающей среды, N, воздуха, при уменьшении которой отвод тепла от корпуса уменьшается. Вдоль поверхности корпуса РЭА, находится в нормальных условиях, распространяется поток воздуха. Более теплые части воздуха, обладая меньшей плотностью и большей кинетической энергией, перемещается вверх и на их место поступает более холодные части. Чем больше по объему такой обмен, тем лучше охлаждение корпуса. Если проанализировать тепловой поток вдоль корпуса РЭА выполненного в виде параллелепипеда, то можно учесть, что он имеет различные формы, скорость и температуру.

На боковых стенках охлаждение лучше, чем на нижних. Происходит это потому, что здесь прохождению теплового потока ничто не препятствует, он движется быстрее а следовательно, быстрее теплые части воздуха заменяется более холодными, что благоприятно сказывается на теплообмене. В худшем положении находится нижняя стенка РЭА. Нагретые части воздуха у поверхности окна не могут перемещаться вверх, и движется только в сторону. Проходя от центральных частей к ее боковым частям нагретый воздух заменяет воздух, близкий к нему по температуре, а не отводит от дна тепло. Тепловой поток здесь имеет сложную форму плохой теплообмен, а значит плохое охлаждение. Верхняя часть корпуса находится в лучшем положении чем дно, но иногда хуже, чем боковые стенки. Здесь нагретые части воздуха можно свободно перемещается вверх, но поступление более холодных слоев воздуха затруднительно, т.к. снизу поступать неоткуда, а с боков имеются только потоки, нагретые боковыми стенками. На разных частях поверхностях корпуса РЭА и на различных участках все время движущегося теплового потока и различные температуры, которые образуют тепловые градиенты, определяющие направление и скорость тепловых потоков. Нужно учесть, что если возле отдельных поверхностей РЭА будут находится другие тела, то движение потоков может заметно изменится. Чем ближе к стенкам РЭА будут расположены посторонние тела, тем большее сопротивление будет испытывать тепловой поток, а следовательно будут хуже условия для охлаждения.

На характер конвективного охлаждения оказывает влияние форма РЭА и качество поверхностей его стенок, т.к. качество естественного воздушного охлаждения РЭА зависит от его температуры и поверхности корпуса, то оно не может произвольно улучшаться. А именно увеличение температуры ограничено допустившими ее значением, для отдельных узлов и деталей РЭА. Величина поверхности связана с габаритами, естественно в некоторых случаях возможно улучшение охлаждения за счет увеличения поверхности корпуса путем реализации, на поверхности корпуса специальных радиаторов (продольные ребра охлаждения). Кроме того, можно предусмотреть наличие в корпусе РЭА специальных жалюзей, обеспечивающих поступление холодного воздуха внутрь РЭА, где он способствует лучшему теплообмену с нагретыми узлами и деталями. Теплообмен с помощью поступающего в РЭА воздуха позволяет уменьшить перегрев тех узлов и деталей от которых по к-л причинам конкретным способом тепло отводится плохо. Внутренняя конвекция воздуха в РЭА также способствует уменьшению времени установления теплового режима во всем РЭА, что устраняет возможность кратковременных перегревов отдельных узлов и деталей.

Реализация конструкции при нахождении в нормальных окружающих условиях при естественном воздушном охлаждении могут создавать тепловой поток от (0,25 до 0,05) Вт/см² охлаждаемой поверхности при допустимом перегреве корпуса 30 ºС и температуре окружающего воздуха = 50 ºС.

«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 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.

«Основы эргономики при конструировании РЭА»