Использование гибридной системы охлаждения на основе вихревой трубы и термоэлектрического холодильника для получения криогенных температур | Статья в сборнике международной научной конференции

Библиографическое описание:

Галкина Н. В. Использование гибридной системы охлаждения на основе вихревой трубы и термоэлектрического холодильника для получения криогенных температур [Текст] // Технические науки: теория и практика: материалы II Междунар. науч. конф. (г. Чита, январь 2014 г.). — Чита: Издательство Молодой ученый, 2014. — С. 26-28. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/88/4826/ (дата обращения: 18.10.2018).

В современных летательных аппаратах авиационного и космического назначения все более широкое применение находят различные оптико–электронные и квантовые системы и устройства навигационного, боевого и научного назначения. Лазерные дальномеры, прицелы, системы наведения, лидары, гироскопы — вот далеко не полный перечень устройств, основным элементом которых является оптико–электронный прибор. Одним из основных элементов оптико–электронных систем (ОЭС) являются инфракрасные приёмники (ИК–приёмники). Обеспечение охлаждения до криогенных уровней температуры ИК — приёмников, элементов оптических систем и других устройств, устанавливаемых на летательных аппаратах, — важнейшее требование, предъявляемое многим авиационным и космическим проектам. Существует множество систем охлаждения, разной степени совершенства, которые могут удовлетворить тем или иным техническим требованиям. Одной из такой системы охлаждения является использование гибридной системы охлаждения на основе вихревой трубы и термоэлектрического холодильника.

На рисунке 1 представлена принципиальная схема системы охлаждения.

Рис. 1. Принципиальная схема системы расчета

Мощность теплового потока, которую необходимо отводить от ИК-приёмника 10 Вт. Температура холодного спая термоэлектрического холодильника -100°С, а температура горячего спая -60°С. Температура холодного воздуха на выходе из вихревой трубы -70°С, давление воздуха на выходе — 1 атм.

Необходимо определить геометрические параметры термоэлектрического холодильника и вихревой трубы.

Для расчета термоэлектрического холодильника предлагается использовать методику [1]. Для начала расчета выбираем характеристики материалов.

              

      

Температура горячего слоя принимается равной Тн=213 К (-60°С), а холодного — Тс=173 К (-100°С)

Оптимальной геометрии соответствует:

;

ТА=ΔТ+2Тс;

;

Сопротивление вычисляет по формуле:

Использование одного термоэлемента приведет к слишком большому значению тока и чрезвычайно маленькому напряжению. Гораздо лучше использовать 100 термоэлементов, которые с точки зрения электрического тока соединены последовательно, а теплопроводности — параллельно.

Определим теплопроводность:

.

Требуемый электрический ток:

Электрическая мощность:

.

Коэффициент преобразования:

.

Теперь, зная требуемые значения величин R и , можно определить геометрические параметры ветвей термоэлемента. Изготовление термоэлемента упрощается, если длина обеих его ветвей одинакова, т. е. lA=lB=l.

Используя полученные ранее численные значения, определим:

Также необходимо оговорить максимально допустимую плотность электрического тока Jmax. Примем, что Jmax=300 А/см2 и что максимально допустимый ток через термоэлемент равен 19 А.

Отсюда получим: ;

АВ=0,095 см2

Подставив полученные значения, определим длину элементов.

При тепловой мощности 10 Вт получаем напряжение:

Для нашего расчета термоэлектрический холодильник имеет следующие параметры:

B, В·К-1/2

R, Ом

, Вт/К

I, А

, Вт

l, см

V, В

0,0275

0,0054

0,0222

17,42

2,06

0,085

11,82

Расчет вихревой трубы осуществляется на основе методики [2].

Заданные параметры:

Степень расширения в вихревой трубе — π=12, относительная температура холодного потока — θх=0,75, допустимый подогрев холодного потока ΔТх=10°С, давление холодно потока — рх=105 Па.

Рассчитаем давление воздуха, которым питается вихревая труба по формуле:

р1=π·рх

Используя значения температуры холодного потока и значение относительной температуры холодного потока определим величину температуры воздуха на входе в вихревую трубу.

;

Определим потребный расход холодного потока:

По обобщенным характеристикам [2] для расчетного значения π находим расчетное значение μ. По найденному значению μ определим общий расход сжатого воздуха через вихревую трубу:

;

Определим суммарную площадь всех сопел:

;

Диаметр вихревой трубы определим по следующей формуле:

;

Длина вихревой трубы:

.

Для нашего расчета вихревая труба имеет следующие параметры:

р1, МПа

Т1, К

Gx, кг/с

G1, кг/с

Fc, мм2

D, мм

L, мм

1,2

270,67

0,001

0,0067

24,17

26,69

240,2

Литература:

1.                 А да Роза «Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы», Издательский дом Интеллект МЭИ, Долгопрудный — Москва, 2010

2.                 А. П. Меркулов «Вихревой эффект и его применение в технике», Изд. 2-е перераб. И доп. — Самара. Оптима. 1997

Основные термины (генерируются автоматически): вихревая труба, термоэлектрический холодильник, холодный поток, относительная температура, расчетное значение, электрический ток, давление воздуха, расчет.

Похожие статьи

Вихревой эффект Ранка-Хилша. Вихревая труба.

Была изготовлена вихревая труба и проведен эксперимент с замером распределения температуры по внутренней поверхности трубы, на выходе горячего и холодного воздуха. По результатам эксперимента получили холодный поток воздуха -2⁰Ϲ и горячий +50⁰Ϲ.

Определение технических характеристик термоэлектрического...

Целью данного расчета является определение электрической мощности термоэлектрического радиатора

Рис. 4. Расчетная модель термоэлектрического радиатора. В общем случае, мощности тепловых

Единица измерения. Значение. Максимальная температура применения.

Использование эффекта Зеебека для увеличения интенсивности...

Для относительно точных расчетов необходимо учитывать влажность воздуха и давление

В общем же случае можно считать, что статическое давление потока воздуха от

вентилятора, термоэлектрический преобразователь, единица времени, окружающий воздух, тепловая...

Анализ систем жидкостного охлаждения электронной аппаратуры

Так как все составляющие ПК работают на электрическом токе, то им свойственно

В [4] рассмотрены методики расчетов теплового режима блоков электронной аппаратуры и их программная реализация.

Определение технических характеристик термоэлектрического...

Концентраторы потоков для ветроэнергетических установок

Это повышает температуру потока воздуха.

Воздушный поток входит по касательной в трубу и создает там вихревое движение.

Он преобразует механическую энергию в электрическую.

Обоснование применения кремния для изготовления...

Температура холодного спая термоэлектрического холодильника -100°С, а температура горячего спая -60°С. Температура холодного.

Использование гибридной системы охлаждения на основе вихревой трубы и термоэлектрического холодильника для...

Расчет рабочих характеристик контурных тепловых труб

В табл. 1 рассмотрен случай, когда температура пробегает три значения: , и . Таблица 1. Потери давления на различных участках КТТ.

Это свойство можно использовать в процессе расчета контурной трубы, когда необходимо учитывать величину теплового потока...

Системы охлаждения полупроводниковых электрорадиоизделий

9. Горячев Н. В. Программа инженерного расчёта температуры перегрева кристалла

Определение технических характеристик термоэлектрического... В связи с этим, задача

Аэродинамическое сопротивление ТЭГ при скорости набегающего потока воздуха vв = 30 м/с...

Оценка эффективности работы элементов системы охлаждения...

температура окружающего воздуха, оС

Значения относительного коэффициента сопротивления секции иформулы для определения

При расхождении значений больше заданной точности расчет повторяется при новом значении массовой скорости воздуха.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Вихревой эффект Ранка-Хилша. Вихревая труба.

Была изготовлена вихревая труба и проведен эксперимент с замером распределения температуры по внутренней поверхности трубы, на выходе горячего и холодного воздуха. По результатам эксперимента получили холодный поток воздуха -2⁰Ϲ и горячий +50⁰Ϲ.

Определение технических характеристик термоэлектрического...

Целью данного расчета является определение электрической мощности термоэлектрического радиатора

Рис. 4. Расчетная модель термоэлектрического радиатора. В общем случае, мощности тепловых

Единица измерения. Значение. Максимальная температура применения.

Использование эффекта Зеебека для увеличения интенсивности...

Для относительно точных расчетов необходимо учитывать влажность воздуха и давление

В общем же случае можно считать, что статическое давление потока воздуха от

вентилятора, термоэлектрический преобразователь, единица времени, окружающий воздух, тепловая...

Анализ систем жидкостного охлаждения электронной аппаратуры

Так как все составляющие ПК работают на электрическом токе, то им свойственно

В [4] рассмотрены методики расчетов теплового режима блоков электронной аппаратуры и их программная реализация.

Определение технических характеристик термоэлектрического...

Концентраторы потоков для ветроэнергетических установок

Это повышает температуру потока воздуха.

Воздушный поток входит по касательной в трубу и создает там вихревое движение.

Он преобразует механическую энергию в электрическую.

Обоснование применения кремния для изготовления...

Температура холодного спая термоэлектрического холодильника -100°С, а температура горячего спая -60°С. Температура холодного.

Использование гибридной системы охлаждения на основе вихревой трубы и термоэлектрического холодильника для...

Расчет рабочих характеристик контурных тепловых труб

В табл. 1 рассмотрен случай, когда температура пробегает три значения: , и . Таблица 1. Потери давления на различных участках КТТ.

Это свойство можно использовать в процессе расчета контурной трубы, когда необходимо учитывать величину теплового потока...

Системы охлаждения полупроводниковых электрорадиоизделий

9. Горячев Н. В. Программа инженерного расчёта температуры перегрева кристалла

Определение технических характеристик термоэлектрического... В связи с этим, задача

Аэродинамическое сопротивление ТЭГ при скорости набегающего потока воздуха vв = 30 м/с...

Оценка эффективности работы элементов системы охлаждения...

температура окружающего воздуха, оС

Значения относительного коэффициента сопротивления секции иформулы для определения

При расхождении значений больше заданной точности расчет повторяется при новом значении массовой скорости воздуха.

Задать вопрос