Quality control of functioning of the structure “object-thermoelectric cooler-heat sink” of the system of providing thermal modes

Abstract

The analysis of the mathematical model of the system of providing thermal modes with the use of thermoelectric cooling to assess the influence of the conditions of heat exchange of the heat sink with the medium on the main parameters, reliability indicators and dynamic characteristics of a single-cascade thermoelectric cooler at a given temperature level of cooling, medium temperature, geometry of branches of thermoelements for different current operating modes is considered. The results of calculations of the main significant parameters, reliability indicators, dynamic and energy characteristics of a single-cascade cooler and heat sink of the selected design at a given temperature level of cooling, medium temperature, thermal load, geometry of branches of thermoelements for various characteristic current operating modes are given, when the conditions of heat exchange on the heat sink of the given design under variation of the heat transfer coefficient. It is shown that with the increase of air flow velocity on the heat sink the heat transfer coefficient increases and thus the temperature drop on the heat sink of the thermoelectric cooler with the medium decreases, which allows to significantly reduce the relative failure rate of the cooler and thus increase the probability of failure-free operation of the whole device. When operating a system for providing thermal modes comprising a cooling device, a heat sink, and an electric fan used for dissipating heat output to the environment, different modes of operation of the electric fan (air flow rate) can be used. With the increase in air flow rate of the electric fan increases the velocity of air flow in the live section of the heat sink of a given design, which leads to an increase in the heat transfer coefficient. This, in turn, makes it possible to reduce the temperature drop at a given design of the system for ensuring thermal modes. The possibility of control of reliability indicators, namely, relative intensity of failures and probability of failure-free operation of thermal mode systems of different designs (current modes, number of thermocouples, surface area of the heat sink) at a given cooling level (medium temperature, thermal load, geometry of thermocouples) under changing conditions of heat exchange of the heat sink with the medium is considered.

Розглянуто аналіз математичної моделі системи забезпечення теплових режимів з використанням термоелектричного охолодження для оцінювання впливу умов теплообміну тепловідвідного радіатора із середовищем на основні параметри, показники надійності та динамічні характеристики однокаскадного термоелектричного охолоджувача за заданого температурного рівня охолодження, температури середовища, геометрії гілок термоелементів для різних струмових режимів роботи. Наведено результати розрахунків основних значущих параметрів, показників надійності, динамічних та енергетичних характеристик однокаскадного охолоджувача і тепловідвідного радіатора обраної конструкції при заданому температурному рівні охолодження, температурі середовища, тепловому навантаженні, геометрії гілок термоелементів для різних характерних струмових режимів роботи за умови зміни умов теплообміну на тепловідвідному радіаторі заданої конструкції при варіації коефіцієнта тепловіддачі. Показано, що зі збільшенням швидкості потоку повітря на тепловідвідному радіаторі збільшується коефіцієнт тепловіддачі й у такий спосіб зменшується перепад температур на тепловідвідному спаї термоелектричного охолоджувача із середовищем, що дає змогу значно зменшити відносну інтенсивність відмов охолоджувача й у такий спосіб підвищити ймовірність безвідмовної роботи всього пристрою. Під час функціонування системи забезпечення теплових режимів, що складається з охолоджувального пристрою, тепловідвідного радіатора, електровентилятора, застосовуваного для відведення теплової потужності в навколишнє середовище, можна використовувати різні режими роботи електровентилятора (витрата повітря). Зі зростанням витрати повітря електровентилятором збільшується швидкість потоку повітря в живому перерізі тепловідвідного радіатора заданої конструкції, що призводить до зростання коефіцієнта тепловіддачі. Це, своєю чергою, дає змогу зменшити перепад температури за заданої конструкції системи забезпечення теплових режимів. Розглянуто можливість керування показниками надійності, а саме, відносною інтенсивністю відмов і ймовірністю безвідмовної роботи систем забезпечення теплових режимів різних конструкцій (струмові режими, кількість термоелементів, площа поверхні радіатора) за заданого рівня охолодження (температура середовища, теплове навантаження, геометрія термоелементів) у разі зміни умов теплообміну тепловідвідного радіатора із середовищем.