УДК 536.24
DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-9-15
РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИАТОРА ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ С ЛОКАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКОЙ
А. Б. Сулин, Т. В. Рябова, А. А. Никитин
Университет ИТМО,
Россия, 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49
Рассмотрена задача оптимизационного расчета геометрических характеристик оребренной теплообменной поверхности с локальным источником теплоты в условиях естественной конвекции. Решение получено для условия максимальной удельной объемной мощности теплообмена. Предложена инженерная методика учета локального характера приложения тепловой нагрузки. Расчетные характеристики приведены в функции от температурного напора, высоты ребра и толщины основания радиатора.
Введение
Термоэлектрические охлаждающие устройства и тепловые насосы широко применяются для обеспечения тепловых режимов [1, 2]. Рациональные подходы к проектированию данных устройств позволяют достичь оптимальных решений по энергопотреблению и массогабаритным показателям [3, 4]. Применение радиаторов с естественной конвекцией для отвода теплоты от модулей Пельтье является оправданным, например, для термоэлектрических охладителей малой производительности в связи с высокой надежностью и простотой реализации такого типа конструкций [5, 6]. Процессы теплопередачи в радиаторах с естественной конвекцией исследованы, например, в [7 — 13]. В то же время расчет системы теплоотвода с оптимальными геометрическими параметрами при локально приложенной тепловой нагрузке осложнен неодномерностью температурного поля в основании радиатора и требует применения обоснованной расчетной методики.
Объект исследования
Рис. 1. Геометрическая схема системы Fig. 1. The geometric scheme of the system
Решение задачи оптимизации геометрических параметров оребренной системы выполняется на основе совместного анализа процессов теплопроводности в ребрах и теплоотдачи на их поверхности с целью достижения максимального теплового потока при заданном объеме радиатора [14, 15]. Геометрическая схема рассматриваемой системы приведена на рис. 1.
В предположении постоянной величины коэффициента теплоотдачи удельный тепловой поток на единицу объема радиатора может быть записан в виде:
Q а • 9n ( 2h
— =----1 1 +--П
V h { S+5
где Q — тепловая нагрузка от модуля Пельтье, Вт; V = LBh — объем, занимаемый радиатором, м3; а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К); Sn — температурный напор в основании ребра, °C; п — эффективность прямого ребра прямоугольного профиля; геометрические характеристики в соответствии с рис. 1.
Коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции на вертикальных ребрах
Nus ■ ^ ж
где Хж — коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(мК).
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК. СЕРИЯ АВИАЦИОННО-РАКЕТНОЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ ТОМ 4 № 2 2020 OMSK SCIENTIFIC BULLETIN. SERIES AVIATION-ROCKET AND POWER ENGINEERING VOL. 4 NO. 2 2020
А. Б. СУЛИН, Т. В. РЯБОВА, А. А. НИКИТИН. С. 9-15 A. B. SULIN, T. V. RYABOVA, A. A. NIKITIN. P. 9-15
Число Нуссельта
Записав (9) в виде
NrS = cll RaS
О-Нв ^(f
где cr = 0= 12; c2 = 129; m = 0,534; n = 0,284. Число Рэлея
P=<A,
где g — ускорение св ободного падения, м/с2; v — коэффициент кинематической вязкости, м2/с; в — ко эф фициент о бъемного расширения 1/К; Pr — число Прандтля.
Задача офтнмизационного расчета заключается в определении межреб=еноге jdćicстояния S и толщины ребра 5, ефи kosojssil удо-ьньш тепловой поток на единицу объема qv будет максимальным. Мачематически оптимизационная зодмча формулеоуется уфавиениями
де(¥ ) ds
с учетом завасиою цтей ноь =исфе яоиентii теплоотдачи (2) и (3( a аиегжр свфижения дояэф-скр тивности ребра, ашороксимированного зависи-мосто=
П = l 1 =
c a оо
можно убедиться, чтв Ь глсбо зивнсит от h и определяется параоатрвмво и и 10. С ростом 0 и уменьшением L опоимальное мнжр-бер=-е расстояние уменьшаетам. 00 елотина оптим ал-н ой
толщины ребра 5он мрактически не зависит от а и 0 и определяетвя о основном параметрами
Локальный хароатер приложения тепловой нагрузки к основанию оребренного радиатора предложено учитыисть, вредттавляя основание пртмоугольным реб°юм на коатгой трубе [16], ноторея является локальным иLточнакoм теплоты. Классическое выражение иго эффективности ребра [17] преобр-эветсо о аид
tp(mf&) нГО &
Здесь в выраженци
гое а я 5осн — ковффициент теплопроводности а толщина основания фафиато;<!■
Lеловная высота прямоурельного ребра
-& = P,5d. (= -^ (l т-0,35 In p),
где X — котф фицивнт оеплипроа-дности м аса фи -ала ребра, Вт/(м К).
Дифференцируе (1) по 5 и приравнивач ре-зультрф вулю о =тт-,о]у[ 16) поцупаем
Тогда соотношвнио (6^ с уоеоем (7) и—еет вод
Дифференцируо (1f по 5 с учетом (3) и (5)
получаем завиcммостL и скомого отношеоия
и о=0е
от комплексов — и —— .
Sonm = в у8Е - Rahf
-о.вбе
лев условный риаметр локаелного «пятна» тепло-в-й иаерузки
где Fte — площадв а-рмобатар-п Модуля Пельтье).
Р у 1,2Р
■ о,в I,
Поскольку до= гвзов в/лиолн- = слабо заJ и оп-г
висит от теплопроводное™ poCj:0 можно опро=ее
Оаее
лить зависимосаь в от компеегSa —— .
ошв L
где А — больший размер основания радиатора; С — меньший размер основания радиатора.
Обсуждение результатов
На базе описанной методики выполнена серия расчетов оптимальных геометрических характеристик свободно конвективных радиаторов в функции от температурного напора, высоты ребра и толщины основания. Соотношение габаритных размеров основания заданы как 3:1; 1:1; 1:3. На рис. 2 приведены расчетные зависимости дл- площади основания радиатора оптимальной геооетфии при заданном температурном напоре во сн овании оребрения 15 К для различных тол-|Л
\\ \\ \\
FI-——’" UK \\ \\
O&— \\ v\\ \\\\ 4 \\ 4 \\ \\ * \\
пи- ск" \\ 4 S 4 vN. N \\ - &Os 4 & V \\ \\ ч\\ .
[ГР&& » ч\\. 1 1 OS. ’ N 4
•ч ^ *4 .N *
— - — 5=3mm
-6-5mm — — 6=7mm
Рис. 2. Геометрические характеристики радиатора оптимальной геометрии в функции от высоты ребер и толщины основания Толщина основания радиатора:
-------3 мм;--------5 мм;-----— 7 мм;
--------3 mm;--------5 mm;-----— 7 mm;
щин основания и высоты ребер от 20 до 40 мм. Мощность тепловой нагрузки принята равной 25 Вт. Площадь локального источника теплоты принята равной 20x20 мм.
На рис. 3 приведены расчетные зависимости для площади основания радиатора оптимальной геометрии при заданной толщине основания 5 мм в зависимости от высоты ребра и температурного напора.
Поскольку применение радиаторов с естественной конвекцией без побудителей расхода для термоэлектрических систем охлаждения и термостатирования обладают максимально высокой надежностью, их оптимизационный расчет является актуальной задачей. Эффективная работа радиаторов с естественной конвекцией зависит от многих факторов: толщина основания радиатора, толщина и высота ребер, межреберное расстояние, температурный напор от радиатора к окружающей среде, ориентация радиатора относительно вектора силы гравитации, соотношения геометрических размеров основания радиатора. Применительно к использованию данных радиаторов для отвода локальной тепловой нагрузки, например, от модуля Пельтье, осложняющим анализ обстоятельством является многомерность температурного поля в основании. Перечисленные факторы учтены в предложенной в данной статье методике расчета. Показано, что вертикально ориентированный радиатор обладает наихудшими геометрическими характеристиками вследствие затруднения свободно конвективных течений в межреберном пространстве, в то время как у горизонтально ориентированного радиатора данные характеристики наилучшие.
Выводы и заключение
По результатам серии расчетов могут быть сделаны следующие выводы.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК. СЕРИЯ АВИАЦИОННО-РАКЕТНОЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ ТОМ 4 № 2 2020 OMSK SCIENTIFIC BULLETIN. SERIES AVIATION-ROCKET AND POWER ENGINEERING VOL. 4 NO. 2 2020
А. Б. СУЛИН, Т. В. РЯБОВА, А. А. НИКИТИН. С. 9-15 A. B. SULIN, T. V. RYABOVA, A. A. NIKITIN. P. 9-15
□s V & Л \\
CDs Г \\ \\ \\ * \\ \\
ik nn As \\ \\ N
CDs A \\ \\\\ . \\4 S s V\\ . \\ X&. N A * s
B- □> V xS. ^ SC -* .s. ‘ .
• ^h=20mm
Рис. 3. Геометрические характеристики радиатора оптимальной геометрии в функции от температурного напора и высоты ребер
Высота ребра:--------20 мм;--------30 мм;----— 40 мм;
Rib height:------20 mm;---------30 mm;------— 40 mm;
Таким образом, теоретически показано, что оптимальная организация геометрии естественно конвективного радиатора может привести к снижению его массогабаритных показателей в 2 — 3 раза.
Список источников
of a natural convection heat sink for small thermoelectric cooling modules // Applied Thermal Engineering. 2019. Vol. 160. 114062. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2019.
design optimization of heat pipe sink with a variable height fin array under natural convection // Applied Thermal Engineering. 2019. Vol. 159. 113939. DOI: 10.1016/j.
applthermaleng.2019.113939.
СУЛИН Александр Борисович, доктор технических наук, ординарный доцент факультета низкотемпературной энергетики.
SPIN-код: 5540-5765 AuthorID (РИНЦ): 445299 AuthorID (SCOPUS): 6507491881 Адрес для переписки: miconta@rambler.ru РЯБОВА Татьяна Владимировна, кандидат технических наук, старший преподаватель факультета низкотемпературной энергетики, заместитель декана по учебной работе.
SPIN-код: 7445-1807 AuthorID (РИНЦ): 700649 Адрес для переписки: Ryabova_tatyana@corp.ifmo.ru НИКИТИН Андрей Алексеевич, кандидат технических наук, декан факультета низкотемпературной энергетики.
SPIN-код: 8352-1164
AuthorID (РИНЦ): 626563
ORCID: 0000-0002-0084-7282
AuthorID (SCOPUS): 57206142757
Адрес для переписки: andyquest@mail.ru
Для цитирования
Сулин А. Б., Рябова Т. В., Никитин А. А. Расчетные характеристики радиатора естественной конвекции с локальной тепловой нагрузкой // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2020. Т. 4, № 2. С. 9-15. DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-9-15.
Статья поступила в редакцию 03.03.2020 г. © А. Б. Сулин, Т. В. Рябова, А. А. Никитин
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК. СЕРИЯ АВИАЦИОННО-РАКЕТНОЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ ТОМ 4 № 2 2020 OMSK SCIENTIFIC BULLETIN. SERIES AVIATION-ROCKET AND POWER ENGINEERING VOL. 4 NO. 2 2020
А. Б. СУЛИН, Т. В. РЯБОВА, А. А. НИКИТИН. С. 9-15 A. B. SULIN, T. V. RYABOVA, A. A. NIKITIN. P. 9-15
UDC 536.24
DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-9-15
DESIGN CHARACTERISTICS OF NATURAL CONVECTION RADIATOR WITH LOCAL HEAT LOAD
A. B. Sulin, T. V. Ryabova, A. A. Nikitin
ITMO University,
Russia, Saint Petersburg, Kronverkskiy Ave., 49, 197101
The problem of optimized calculation of the geometric characteristics of a finned heat-exchange surface with a local heat source under conditions of natural convection is considered. The solution was obtained for the condition of the maximum specific volumetric heat transfer power. An engineering technique is proposed for taking into account the local nature of the application of heat load. The design characteristics are given as functions of temperature head, fin height and thickness of the radiator base.
References
design optimization of heat pipe sink with a variable height fin array under natural convection // Applied Thermal Engineering. 2019. Vol. 159. 113939. DOI: 10.1016/j.
applthermaleng.2019.113939. (In Engl.).
SULIN Aleksandr Borisovich, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor of Cryogenic Engineering Department.
SPIN-code: 5540-5765
AuthorID (RSCI): 445299
AuthorID (SCOPUS): 6507491881
Address for correspondence: miconta@rambler.ru
RYABOVA Tatyana Vladimirovna, Candidate of Technical Sciences, Deputy Dean for Educational Affairs, Senior Lecturer of Cryogenic Engineering Department.
SPIN-code: 7445-1807; AuthorID (RSCI): 700649
Address for correspondence:
Ryabova_tatyana@corp.ifmo.ru
NIKITIN Andrey Alekseyevich, Candidate of
Technical Sciences, Dean Cryogenic Engineering
Department.
SPIN-code: 8352-1164 AuthorID (RSCI): 626563 ORCID: 0000-0002-0084-7282
AuthorID (SCOPUS): 57206142757
Address for correspondence: andyquest@mail.ru
For citations
Sulin A. B., Ryabova T. V., Nikitin A. A. Design characteristics of natural convection radiator with local heat load // Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2020. Vol. 4, no. 2. P. 9—15. DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-9-15.
Received March 3, 2020.
© A. B. Sulin, T. V. Ryabova, A. A. Nikitin
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК. СЕРИЯ АВИАЦИОННО-РАКЕТНОЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ ТОМ 4 № 2 2020 OMSK SCIENTIFIC BULLETIN. SERIES AVIATION-ROCKET AND POWER ENGINEERING VOL. 4 NO. 2 2020