CC BY
15Решетневскуе чтения. 2018
УДК 537.32
РАСЧЕТ ХОЛОДИЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ С УЧЕТОМ ТЕРМИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ*
Е. Н. Васильев
Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44 E-mail: [email protected]
Определено влияние термических сопротивлений на холодильный коэффициент системы термоэлектрического охлаждения теплонагруженных элементов радиоэлектронной аппаратуры.
Ключевые слова: холодильный коэффициент, термоэлектрическая система охлаждения, термическое сопротивление.
CALCULATION OF COEFFICIENT OF PERFORMANCE OF THERMOELECTRIC COOLING SYSTEM WITH THERMAL RESISTANCES ACCOUNT
E. N. Vasil'ev
Institute of Computational Modelling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation E-mail: [email protected]
Influence of thermal resistances on the coefficient of performance of the thermoelectric cooling system of heat-loaded elements of radio electronic equipment is defined.
Keywords: coefficient of performance, thermoelectric cooling system, thermal resistance.
Одним из перспективных направлений для охлаждения и терморегулирования теплонагруженных элементов (ТНЭ) радиоэлектронной аппаратуры является применение термоэлектрических систем охлаждения и терморегулирования (ТЭСОТ), которые обладают рядом достоинств по сравнению с другими системами охлаждения, а именно: возможностью плавного регулирования температуры в достаточно широком диапазоне путем изменения величины и направления тока питания термоэлектрических модулей (ТЭМ), малой тепловой инерционностью, высокой надежностью, отсутствием движущихся частей, компактностью и небольшим весом, бесшумностью работы. В тоже время термоэлектрический способ охлаждения характеризуется сравнительно невысоким холодильным коэффициентом COP (coefficient of performance), что обусловлено как рабочими характеристиками ТЭМ, так и наличием потерь температурного перепада на термических сопротивлениях систем подвода и отвода теплоты.
Рассмотрим конструкцию ТЭСОТ для охлаждения ТНЭ 1, составными элементами которой являются теплораспределяющая пластина (ТРП) 2, ТЭМ 3 и кулер 4, в местах соединения элементов имеются тепловые контакты 5 (рис. 1). ТРП выравнивает распределение тепловой мощности, поступающей от ТНЭ на поверхность ТЭМ. ТЭМ выполняет функцию теплового насоса, передающего теплоту с холодной
стороны на горячую. Кулер отводит во внешнюю среду суммарную тепловую мощность, выделяемую как ТНЭ, так и ТЭМ. Эффективность ТЭСОТ зависит от рабочих характеристик и параметров всех элементов конструкции и их взаимного влияния [1-6]. В настоящей работе исследуется влияние термических сопротивлений ТРП, кулера и примыкающих к ним тепловых контактов на холодильный коэффициент ТЭСОТ.
/
I ^
* —
Рис. 1. Схема ТЭСОТ
При проведении расчетов в качестве исходных данных необходимо использовать рабочие характеристики ТЭМ. Такие характеристики можно получить из расчетов [7]. Для серийно выпускаемых ТЭМ наиболее доступной и достоверной информацией по их параметрам и рабочим характеристикам является сопроводительная документация производителя.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности в рамках научного проекта № 18-47-242005.
Тепломассообменные процессы в конструкциях ЯЯ> энергетическихустановок^и систем жизнеобеспечения
В данной работе анализ проведен на примере серийного модуля «S-127-14-11» производства НПО «Кристалл». Для расчета характеристик ТЭСОТ использовалась математическая модель, позволяющая определять характеристики охлаждения в зависимости от силы тока I электропитания ТЭМ, термических сопротивлений систем теплоотвода (кулера) и тепло-подвода (ТРП), мощности тепловыделения ТНЭ [4; 5].
Значение COP численно равно отношению холо-допроизводительности ТЭМ к потребляемой им электрической мощности. При нулевых значениях термических сопротивлений кулера, ТРП и тепловых контактов рассчитанные графики СОР соответствуют аналогичным графикам производителя. Учет значений термических сопротивлений приводит к снижению СОР. На рис. 2 приведены зависимости СОР от силы тока питания ТЭМ при разнице температур между посадочным местом ТНЭ и внешней средой AT = -10 °C для значений суммарного термического сопротивления кулера и примыкающих к нему тепловых контактов Rs = 0, 0,1, 0,3 и 0,5 K/W. К аналогичному снижению СОР приводит учет термического сопротивления ТРП. Следует отметить, что потери температурного перепада на термических сопротивлениях систем подвода и отвода теплоты влияют на величину COP неявным образом. СОР при прочих неизменных условиях снижается с увеличением температурного перепада ATtem, производимого ТЭМ. Поэтому при заданном значении AT величину ATtem необходимо увеличивать для компенсации потерь температурного перепада на термических сопротивлениях, что приводит к соответствующему снижению COP для ТЭСОТ в целом. Расчет и анализ характерных значений термических сопротивлений кулера, ТРП и тепловых контактов представлен в работах [5; 6].
Рис. 2. Зависимость СОР от силы тока при значениях Rs = 0, 0,1, 0,.3 и 0.5 K/W при значениях AT = -10 °C
Таким образом, проведенные расчеты показали значительное влияние термических сопротивлений систем подвода и отвода теплоты на холодильный коэффициент ТЭСОТ.
Библиографические ссылки
1. Васильев Е. Н. Влияние термических сопротивлений на характеристики термоэлектрического охлаждения теплонагруженных элементов радиоэлектронной аппаратуры // Решетневские чтения : материалы
XXI Междунар. науч. конф. (08-11 нояб. 2017, Красноярск). Красноярск, 2017. Ч. 1. С. 233-234.
2. Васильев Е. Н., Деревянко В. А. Анализ эффективности применения термоэлектрических модулей в системах охлаждения радиоэлементов // Вестник СибГУ. 2013. № 4 (50). С. 9-13.
3. Vasil'ev E. N. Calculation of characteristics of thermoelectric cooling system of heat-loaded elements of radio electronic equipment // Сибирский журнал науки и технологий. 2018. Т. 19, №. 1. С. 17-21.
4. Васильев Е. Н. Расчет и оптимизация режимов термоэлектрического охлаждения теплонагруженных элементов // Журнал технической физики. 2017. Т. 87, № 1. С. 80-86.
5. Васильев Е. Н. Оптимизация режимов термоэлектрического охлаждения теплонагруженных элементов с учетом термического сопротивления тепло-отводящей системы // Журнал технической физики. 2017. Т. 87, № 9. С. 1290-1296.
6. Васильев Е. Н. Расчет термического сопротивления теплораспределителя системы охлаждения теп-лонагруженного элемента // Журнал технической физики. 2018. Т. 88, № 4. С. 487-491.
7. Васильев Е. Н. Математическая модель для расчета характеристик термоэлектрических модулей охлаждения // Журнал Сиб. федер. ун-та. Сер. «Техника и технология». 2015. Т. 8, № 8. С. 1017-1023.
References
1. Vasil'ev E. N. [Thermal resistances influence on characteristics of thermoelectric cooling of heat-loaded elements of radio electronic equipment ]. Materialy XX Mezhdunar. nauch. konf. "Reshetnevskie chteniya" [Materials XVII Intern. Scientific. Conf "Reshetnev reading"]. Krasnoyarsk, 2017, P. 233-234. (In Russ.)
2. Vasil'ev E. N., Derevyanko V. A. [Analysis of thermoelectric modules efficiency in cooling systems]. VestnikSibSAU. 2013, No. 4 (50), P. 9-13. (In Russ.)
3. Vasil'ev E. N. Calculation of characteristics of thermoelectric cooling system of heat-loaded elements of radio electronic equipment // Siberian Journal of Science and Technology, 2018, Т. 19, №. 1, Р. 17-21.
4. Vasil'ev E. N. Calculation and Optimization of Thermoelectric Cooling Modes of Thermally Loaded Elements // Technical Physics. 2017. Vol. 62, No. 1, P. 90-96.
5. Vasil'ev E. N. Optimization of Thermoelectric Cooling Regimes for Heat-Loaded Elements Taking into Account the Thermal Resistance of the Heat-Spreading System // Technical Physics. 2017, Vol. 62, No. 9, P. 1300-1306.
6. Vasil'ev E. N. Calculation of the Thermal Resistance of a Heat Distributer in the Cooling System of a Heat-Loaded Element // Technical Physics. 2018. Vol. 63, No. 4, P. 471-475.
7. Vasil'ev E. N. [Mathematical Model for the Calculation of the Characteristics of the Cooling Thermoelectric Modules]. Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. 2015, Vol. 8, No. 8. P. 1017-1023. (In Russ.)
© Васильев Е. Н., 2018
