Использование гибридной системы охлаждения на основе вихревой трубы и термоэлектрического холодильника для получения криогенных температур

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 Т_н=213 К (-60°С), а холодного — Т_с=173 К (-100°С)

Оптимальной геометрии соответствует:

;

Т_А=ΔТ+2Т_с;

;

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. l_A=l_B=l.

Используя полученные ранее численные значения, определим:

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

Отсюда получим: ;

А_В=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 — θ_х=0,75, допустимый подогрев холодного потока ΔТ_х=10°С, давление холодно потока — р_х=10⁵ Па.

Рассчитаем давление воздуха, которым питается вихревая труба по формуле:

р₁=π·р_х

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