Содержание к диссертации
Введение
1. Основные направления повышения эффективности проектирования систем охлаждения рэс на основе моделирования и оптимизации термоэлектрических устройств 12
1.1 Основные задачи и процедуры проектирования систем охлаждения РЭС с использованием термоэлектрических устройств 12
1.2 Средства моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств в современных САПР РЭС 25
1.3 Цель и задачи исследования 28
2. Разработка математического обеспечения процесса проектирования термоэлектрических охлаждающих устройств 30
2.1 Основные задачи и процедуры проектирования систем охлаждения РЭС с использованием термоэлектрических устройств 30
2.2 Математические модели параметров и характеристик термоэлектрических устройств 31
2.2.1 Общая характеристика 31
2.2.2Получение максимальной холодопроизводительности 35
2.2.3 Получение максимального холодильного коэффициента 37
2.2.4 Сравнительная оценка экстремальных режимов 40
2.2.5 Математическая модель термобатареи охлаждения 46
2.3 Критерии и оптимизационные модели для проектирования термоэлектрических охлаждающих устройств 51
63
2.3.1 Экономичные охладители 53
2.3.2 Компактные охладители при заданных термоэлементах
2.3.3 Компактные охладители при ограниченном токе 78
2.3.4 Термобатарея на минимальном токе 84
2.3.5 Термоэлектрические интенсификаторы теплообмена 87
2.3.6 Комплексно оптимизированные устройства 91
2.4 Основные выводы второй главы 96
3. Алгоритмизация процедур моделирования и оптимизации характеристик термоэлектрических охлаждающих устройств 98
3.1 Основные процедуры и структура процесса автоматизированного проектирования термоэлектрических охлаждающих устройств 98
3.2 Алгоритмы моделирования основных параметров и характеристик охлаждающих устройств 103
3.2.1 Моделирование неэкстремального термоэлектрического охлаждающего устройства 103
3.2.2 Моделирование термоэлектрического охлаждающего устройства с проектируемым радиатором 107
3.2.3 Моделирование термоэлектрического охлаждающего устройства с заданным радиатором 109
3.3 Алгоритмизация процедур оптимизации при проектировании термоэлектрических охлаждающих устройств 111
3.4 Основные выводы третьей главы 117
4. Разработка средств программного обеспечения подсистемы моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств рэс 118
4.1 Основные задачи и процедуры проектирования систем охлаждения РЭС с использованием термоэлектрических устройств 118
4.2 Использование разработанного программного обеспечения для оптимизации термоэлектрического охлаждающего устройства и анализ его эффективности по результатам внедрения 125
4.3 Основные выводы четвертой главы 126
Заключение 127
Список использованных источников
- Средства моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств в современных САПР РЭС
- Математические модели параметров и характеристик термоэлектрических устройств
- Алгоритмы моделирования основных параметров и характеристик охлаждающих устройств
- Использование разработанного программного обеспечения для оптимизации термоэлектрического охлаждающего устройства и анализ его эффективности по результатам внедрения
Введение к работе
Актуальность темы. Термоэлектрическое (ТЭ) охлаждение завоевало признание во многих отраслях современной техники. Сравнение с традиционными охлаждающими устройствами по энергетическим и массогабаритным характеристикам выявляет области техники, где преимущества применения ТЭ охлаждения неоспоримы: в первую очередь, это радиоаппаратура, электронные компоненты, оборудование и т.п.
В настоящее время практически все крупные радиоэлектронные комплексы оборудуются специальными системами терморегулирования. Однако масса, габариты, надежность терморегулирующих систем не всегда сравнима с соответствующими показателями РЭС, особенно актуально это для микроминиатюрных устройств с высокими удельными тепловыми потоками. Решение задачи температурной стабилизации такой аппаратуры может быть получено применением в качестве систем обеспечения тепловых режимов полупроводниковых термоэлектрических преобразователей, оптимально сочетающихся с ней по важнейшим энергетическим и массогабаритным показателям. Это обусловлено рядом их достоинств, к числу которых относятся: возможность получения искусственного холода при отсутствии движущихся частей и холодильного агента; универсальность; возможность работы при любой ориентации в пространстве и при отсутствии гравитационных сил; простота устройства, компактность, возможность применения практически в любой компоновочной схеме; высокая степень надежности; практически неограниченный срок службы; простота и широкий диапазон регулирования холодопроизводительности.
Несмотря на значительный прогресс в области термоэлектрической техники, на сегодняшний день все еще открыт вопрос о создании эффективных систем термоэлектрического охлаждения, позволяющих с максимальной эффективностью организовать отвод тепла от радиоэлектронных приборов и элементов. В связи с этим весьма важным является решение вопросов повышения эффективности процесса проектирования термоэлектрических охлаждающих систем РЭС путем моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих модулей.
Таким образом, разработка методов и средств, позволяющих создать как самостоятельный специализированный проблемно-ориентированный комплекс, так и специализированную подсистему промышленной САПР для проектирования термоэлектрической системы охлаждения РЭС, является актуальной задачей.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с ГБ НИР 2000.17 «Проектирование и технология электронных средств» в рамках одного из основных направлений Воронежского государственного технического университета «Интеллектуальные информационные системы».
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка моделей, алгоритмов и программного обеспечения комплекса моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств при проектировании на их основе термоэлектрической системы охлаждения РЭС.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: провести анализ этапов и особенностей проектирования систем охлаждения РЭС на основе термоэлектрического охлаждения и разработать соответствующие процедуры; разработать математические модели для режимов максимальной холодопроизводительности и максимального холодильного коэффициента, при различных внешних ограничениях и исходных данных, обеспечивающие приемлемую точность моделирования; осуществить разработку алгоритмов моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств РЭС, позволяющих обеспечить как автономность работы комплекса, так и встраиваемость в современные промышленные САПР; реализовать предложенные модели, алгоритмы и процедуры в программно-методическом комплексе моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств РЭС.
Методы исследования. При выполнении работы использованы элементы теории системного анализа, автоматизированного проектирования, методы вычислительной математики, математического моделирования и оптимизации, теория полупроводниковых приборов, теория цепей и структурного программирования, теория теплопроводности твердых тел.
Научная новизна. В результате проведенного исследования получены и выносятся на защиту следующие результаты, характеризующиеся научной новизной: структура и состав математического обеспечения и проектных процедур моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств РЭС, отличающиеся учетом конструктивных, функциональных, технологических особенностей устройств данного типа, позволяющие получить в результате значения оптимизированных параметров; математические модели термоэлектрических охлаждающих устройств РЭС, отличающиеся возможностью анализа при различных режимах работы — максимальной холодопроизводительности, максимального холодильного коэффициента и учетом влияния перепада температуры на термобатарее и ориентированных на применение в задачах оптимизации; оптимизационные модели термоэлектрической охлаждающей батареи, отличающиеся учетом различных критериев оптимизации - по току, объему и массе термоэлектрических элементов, по потребляемой мощности, объему и массе радиатора, и позволяющие получить наиболее рациональные конструктивно-функциональные варианты построения устройств; алгоритмы моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств РЭС, позволяющие учитывать необходимые критерии оптимизации при различных режимах работы, отличающиеся сведением к задаче выпуклого программирования и решением её методом штрафных функций с уменьшающимся значением параметра штрафа.
Практическая ценность. На основе предложенных моделей и алгоритмов разработано информационное и программное обеспечение комплекса моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих систем РЭС, использование которого позволяет сократить временные затраты на проектирование при повышении качества получаемых решений.
Внедрение результатов работы. Результаты проведенных исследований использовались в ГБ НИР 2000.17 «Проектирование и технология электронных средств» выполненной на кафедре КИПРА ВГТУ. Основные положения диссертации в виде автоматизированного программного комплекса внедрены в ОАО «Корпорация НПО "Риф"» г. Воронеж и используются в учебном процессе специальности 200800 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» ВГТУ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах:
Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, КГТУ, 2003, 2004,
2005);
Международной конференции «Системные проблемы качества надежности, качества, информационных и электронных технологий» (Сочи,
2003, 2004);
Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии» (Воронеж, 2005);
Научно-технических конференциях Воронежского государственного технического университета в 2003, 2004, 2005 гг.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, из них 11 в соавторстве и 1 лично соискателем. Основной ход работы изложен в 3 отчетах о НИР.
В работах опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежит: [1, 2, 3] ~ анализ существующих процедур и математических моделей проектирования термоэлектрических охлаждающих устройств РЭС; [4, 5] - предложены математические модели проектирования термоэлектрических охлаждающих устройств РЭС; [6, 7, 8, 9] - проведен анализ существующих алгоритмов оптимизации параметров термоэлектрических охлаждающих устройств; [10, 12] - разработка программного и информационного обеспечения для задач, рассматриваемых в диссертации.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 101 наименование, 8 приложений. Основная часть работы изложена на 146 страницах, содержит 31 рисунок и 4 таблицы.
В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ работы рассмотрены этапы и особенности проектирования термоэлектрических охладителей, особенности термоэлектрических модулей, как объекта проектирования, проведен анализ существующего математического обеспечения современных программных средств проектирования термоэлектрических охлаждающих систем РЭС.
Проанализирован состав современных САПР РЭС и отмечены их недостатки, ограничивающие возможность применения для моделирования и оптимизации термоэлектрических систем охлаждения РЭС.
Определена необходимость разработки математических моделей термоэлектрических устройств, имеющих простой аналитический вид, обеспечивающих удовлетворяющую для инженерной практики точность (10-15 %), учитывающих все существенные физические процессы, протекающие в модуле Пельтье, работающем в качестве охладителя или термостата, а также методов оптимизации и создания на их базе проблемно-ориентированного комплекса. Выбраны критерии оптимизации, варьируемые параметры и ограничения, накладываемые на выходные и варьируемые параметры.
На основании проведенного анализа существующего математического обеспечения процедур моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств сформулированы основные задачи, решаемые в рамках данных исследований, и поставлена цель работы - разработка моделей, алгоритмов и программных средств комплекса моделирования и оптимизации термоэлектрических устройств для построения на их основе термоэлектрической системы охлаждения РЭС.
ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ сформирован состав и структура математического обеспечения моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств.
При решении задачи моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств важное значение имеют модели, позволяющие устанавливать количественные зависимости между электрофизическими, конструктивными параметрами и множеством их эксплуатационных параметров. Известные в литературе модели либо громоздки, либо не обеспечивают достаточную точность.
Предложен ряд математических моделей, учитывающие различные критерии оптимизации и внешние ограничения - модель экономичных термоэлектрических охладителей РЭС, модель компактных охладителей при заданных термоэлементах, модель компактных охладителей работающих при ограниченном токе, модель охладителей работающих на минимальном токе, модель термоэлектрических интенсификаторов теплообмена, модель для комплексно оптимизированных устройств.
В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ выбран метод решения задачи нелинейного программирования, к которой сводится задача моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств. Как наиболее простой и быстрый выбран метод штрафных функций с уменьшающимся значением параметра штрафа. Для минимизации штрафной функции выбран метод покоординатного спуска.
Разработан алгоритм моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств РЭС, основанный на методе штрафных функций с уменьшающимся значением параметра штрафа для оптимального выбора значений перепада температуры и количества термоэлементов в системе охлаждения.
Предложен алгоритм вычисления основных выходных параметров W,I,VB,GE,Vp,GP, которые необходимы для формирования штрафной функции, основанный на электрической модели комплексно оптимизированного термоэлектрического охладителя.
ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена описанию программного обеспечения (ПО) комплекса моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств, строящегося на основе предложенных моделей и алгоритмов.
ПО имеет модульную структуру, обмен информацией между модулями осуществляется путем использования общих областей памяти. Взаимодействие с внешними приложениями осуществляется путем формирования промежуточных файлов.
Основой ПО является головной модуль, который выполняет функции ввода, вывода информации, а также осуществляет взаимодействие между основными программными модулями. Кроме того, головной модуль осуществляет диалоговое взаимодействие с проектировщиком.
Рассмотрено применение разработанного ПО при моделировании и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств, проведен анализ его эффективности по результатам использования.
В ЗАКЛЮЧЕНИИ представлены основные результаты диссертационной работы.
1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ РЭС НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Средства моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств в современных САПР РЭС
Реализованные в настоящее промышленные системы автоматизированного проектирования РЭС характеризуются блочно-модульной системой построения и включают в себя комплексы проблемно- и объектно-ориентированных программ и процедур /44, 47-53, 56-62/.
Среди современных комплексов программных средств, которые могут применяться для теплового проектирования РЭС можно выделить следующие:
Отечественные РАПИРА-9, ПРАМ-9, ТЕРМ, АСОНИКА-Т, ПАТЕПС, PCPANT, КРИОТЕРМ и т.д. /65, 95, 96/, зарубежные Auto Therm, Photo Therm, Sauna и др. /44, 47, 48/. Данные программные комплексы и подсистемы теплового проектирования различаются по степени точности, универсальности, стоимости, пользовательскому интерфейсу, возможности интеграции и т.д. Однако для проектирования систем охлаждения РЭС на основе ТЭ модулей предназначен только один отечественный комплекс программных средств КРИОТЕРМ, одноименной фирмы «Криотерм» г.С Петербург (www.kriotherm. spb.rui.
Данный программный комплекс отвечает на два главных вопроса -Сколько и какие модули необходимо использовать? и Что будет, если в системе охлаждения использовать данные модули? Программный комплекс КРИОТЕРМ состоит из следующих частей: 1. Performance Graphs - Графики характеристик. 2. Choice of modules - Выбор модулей. 3.Thermoelectric system calculation - Анализ термоэлектрической системы. "Perfomance Graphs"
Данной часть программы иллюстрирует особенности работы конкретного модуля. Часть "Perfomance Graphs" позволяет оценить возможности выбранного термоэлектрического модуля с помощью графиков - стандартных или детальных.
Стандартные графики позволяют рассмотреть общие закономерности изменения основных характеристик. Имеются наиболее важные графики (например, зависимость холодопроизводительности от разности температур между сторонами модуля). Детальные графики позволяют оценить характер изменения различных характеристик модуля при некоторых фиксированных параметрах. "Choice of Modules"
При начале разработки системы охлаждения на основе термоэлектрических модулей стоит обратить внимание на часть программы "Choice of Modules". С ее помощью можно получить необходимые рекомендации по применению модулей для целей охлаждения.
На начальном этапе проектирования термоэлектрической системы необходимо определить, при каких параметрах она должна работать. Этими параметрами являются температуры среды и охлаждаемого объекта, а также холодопроизводительность системы. Значение холодопроизводительности может быть рассчитано с помощью данной программы, если известны характеристики теплоизоляции.
На основе анализа исходных данных можно получить ответ на вопрос, сколько модулей и какого типа требуется использовать в системе охлаждения. Проведя анализ находятся необходимые параметры модуля -оптимальное напряжение, потребляемую мощность и другие величины. Для каждого из вариантов предлагается графические зависимости характеристик и дополнительная информация, из которых пользователь получит более полное представление о работе термоэлектрической системы охлаждения. "Thermoelectric system calculation" Третья часть программы - "Thermoelectric system calculation" - поможет смоделировать, какие характеристики будет обеспечивать заданная система охлаждения при использовании определенных термоэлектрических модулей.
Главная цель моделирования состоит в нахождении температуры охлаждаемого объекта, например, температуры внутри камеры термоэлектрического холодильника.
Основные параметры элементов конструкции системы охлаждения должны быть известны. Необходимо ввести следующие величины: - тип, количество используемых модулей и электрическую схему их соединения; - тепловое сопротивление изоляции; - тип охлаждения (Natural, Forced, Flow) по горячей и холодной сторонам и тепловые сопротивления сторон; - мощность тепловыделений в объекте; - температуру среды; - напряжение или ток источника питания.
Математические модели параметров и характеристик термоэлектрических устройств
Рассмотрим стационарно работающую термопару, горячий спай которой имеет температуру Тп а холодный Т0. По термопаре пропускается ток в направлении, обратном ее термо-ЭДС, и это позволяет рассматривать термопару как простейшую термоэлектрическую холодильную установку (рис 2.2).
Структура простейшей термоэлектрической установки В согласии с термодинамикой, на холодном спае каждую секунду поглощается тепло Q0, а на горячем выделяется ,. Предполагается, что ветви термопары адиабатически изолированы и теплообмен происходит только на спаях. Поэтому /2/ Й-0 = Л (2.1) где, А - работа произведенная током в 1 секунду. Важнейшей экономической характеристикой термопары является коэффициент К который определяется из выражения /3/ А (2.2)
Другой важной характеристикой является холодопроизводительность QQ, которая в принятых нами обозначениях может быть выражена следующим образом /3/ Q0 = Il(T0)J + k / ах + Ksn— ах (2.3)
Здесь и в дальнейшем одним штрихом отмечены величины, относящиеся к положительной ветви (проводник А), а двумя — к отрицательной (проводник В). Используя (2.3) и учитывая, что работа тока складывается из тепла Джоуля, выделившегося в ветвях термопары, и работы против термо-ЭДС /аДГ, получим из (2.1) /3/ К = ах + k?s dT ах (2.4) где R - омическое сопротивление пары.
Очевидно, что основная трудность дальнейшей конкретизации общих выражений для К и Q0 заключена в необходимости оценки величины теплового потока, протекающего сквозь краевые сечения ветвей пары. В первом приближении справедлива следующая оценка этой величины т. т -k,s dT dx =k-AT+ г, т jk\pkdTdT \k\rdTdT [2 j_ Tv Ун , г l,i T„ s П 1 (jkdT)2 jkdT (2.5) В выражении (2.5) учтены два возможных направления тока, причем (-) соответствует тому из них, который имеет место в А, а (+) - в В. Выражение (2.5) с небольшой погрешностью может быть заменено значительно более удобным выражением /3/ -k,s— dx = к-АТ + І2р-+-ІтАТ (2.6)
І 2 s 2 V Здесь мы не обращаем внимание на то, что в общем случае теплоты Джоуля и Томсона не делятся строго пополам. Тем не менее мы воспользуемся выражением (2.6) для дальнейшего исследования, а затем покажем, как можно уточнить конечные результаты в тех случаях, когда различие между (2.5) и (2.6)оказывается существенным. /3/
Из выражения (2.11) с очевидностью следует, что возможности термоэлектрического понижения температуры весьма ограничены, так как при достижении предельной разности температур /3/ Л7 =(ЄГ0/-ІЛЮЄ+Г (2.13) 2 d d QQ и К одновременно обращаются в 0. Согласно термодинамической теории термоэлектричества /2/ кинетические коэффициенты а, П и х" - х связаны между собой соотношениями Томсона. Используя эти соотношения получим из (2.12) (т"-Г)Л7_ 1 % da 27"0 2T0 dT = a0+— fr—,/Г (2.14) и, выполнив интегрирование по частям, найдем 2а 271 а здесь а0=а(Т0), от, =«(?;), а 1 ї; ff« JadT (2.16) о
Для удобства дальнейшего расчета мы предположим, что е = а (2.17) При a = const это равенство является тождеством, непосредственно вытекающим из (2.17). При or = а{Т) равенство (2.17) выполняется лишь в известном приближении, однако в большинстве случаев величина е-а пренебрежимо мала. Ниже мы вернемся к оценке этой величины и проиллюстрируем справедливость (2.17) на примере полупроводников с наиболее характерной зависимостью а(Т). /3/ Используя (2.17) и имея в виду, что Е = аМ получим а=ет0/-(+)дг-і/ л (2.18) ad 2 aT0I- + )AT-l-I2R К = d d , 2 (2.19) aATI + I2R v }
Формулы (2.18) и (2.19) дают общие выражения для Q0 и К, справедливые при любых d d" и I. Особый интерес, однако, представляют для нас случаи, в которых специальный выбор величин d d" и / позволяет добиться либо максимальной холодопроизводительности Q0, либо максимальной экономичности (холодильного коэффициента). Ниже мы остановимся на этих случаях подробнее и докажем справедливость несколько модернизированных результатов Альтен-кирха /10/, которые в такой форме применимы и к полупроводниковым материалам. Общий метод исследования, которым мы воспользуемся, позволит нам в дальнейшем уточнить ряд результатов и оценить погрешность приближенных формул.
Алгоритмы моделирования основных параметров и характеристик охлаждающих устройств
Подходящее неэкстремальное устройство моделируется с помощью общих соотношений. Задаваясь приемлемыми значениями отдельных величин, анализируются остальные характеристики устройства. В зависимости от имеющихся данных выбирается один из следующих алгоритмов /79-82/
Алгоритм 1 - представлен на рис. 3.1: 1. Задаемся потребляемой мощностью {W, є) и числом элементов термобатареи (и, р из (14) табл 2.1). 2. Токовый режим в этом случае определяется выражением j = yjpfcep), которое следует из формул (4), (6) табл. 1.2и(1)табл 1.3 3. Приведенный перепад температур определяется как в-lj-f -Р 4. Корректируется величина = 2+— t которая вначале при расчете j полагалась равной = 1+ /= 2 +zTu 5. Уточняются значения j и 6. Значение N определяется выражением N = аРЬТшх 1 + откуда находим площадь радиатора F. 7. Остальные параметры /, U, AT находятся по формулам таблиц 1.2 и 2.1
Можно выделить две основные группы задач проектирования термоэлектрических устройств - устройства с проектируемым радиатором и с заданным радиатором.
Рассмотрим устройства с проектируемым радиатором. Обычно радиатор, вне зависимости от типа его теплообмена со средой, вносит основной вклад в габариты и массу устройства. Поэтому, сократив до минимума эти его характеристики (пропорционально площади F), мы практически решим задачу минимизации массы и габаритов устройства в целом. К сокращению габаритов и массы обычно стремятся в первую очередь при условии, что мощность не превышает допустимого предела. Это предельное значение мощности Wn часто задается или может быть принято разработчиком.
Моделирование и анализ работы устройства производится в несколько этапов. Начинается он с оценки минимально возможной площади радиатора Fum {VMIN- GMN) И соответствующей потребляемой мощности WF. Выбор методики определяется размерами и конфигурацией объекта охлаждения и тепловой нагрузкой Q0. В некоторых случаях имеет смысл проверить оба варианта. Найдя величины FMlN и W, нужно сравнить последнюю с заданным значением Wn, Далее возможны различные схемы анализа.
A. Если W Wni полученные результаты для FMIN могут быть приняты для проектирования устройства. Однако смоделированная термобатарея может оказаться неприемлемой по ряду других причин. Например, она будет либо конструктивно, либо технологически неудобной, либо (при выборе из стандартного ряда) отсутствовать в этом ряду. В атком случае выбирается ближайшая к ней подходящая термобатарея с меньшим числом термоэлементов. Если же и она значительно отличается, то требуется дополнительный анализ.
Б. Для повышения экономичности устройства полученную выше мощность W можно несколько уменьшить. Поскольку мы находимся в районе минимума F, небольшое отклонение от оптимума не приведет к заметному увеличению габаритов и массы радиатора. Поэтому задавшись мощностью, на 15...25% меньше расчетной, моделируем устройство с минимальным радиатором. Если смоделированная таким образом термобатарея не может быть реализована, выбираем ближайшую приемлемую термобатарею и для нее и принятого значения W(e) анализируем характеристики устройства.
B. Если по результатам анализа устройства на FUIN окажется W Wni следует принять величину Wn в качестве заданной и для неё смоделировать устройство. Затем выбирается реальная термобатарея, и для неё, если это необходимо, также исходя из условия заданной мощности Wn моделируются характеристики устройства.
Использование разработанного программного обеспечения для оптимизации термоэлектрического охлаждающего устройства и анализ его эффективности по результатам внедрения
Разработанное программное обеспечение использовалось для моделирования и оптимизации двух существующих термоэлектрических систем охлаждения - с проектируемым малогабаритным радиатором и с заданным радиатором.
Исходные и оптимизированные значения перепада температуры и количества термоэлементов приведены в приложении 4 и 5. Анализируя полученные результаты можно сделать вывод о том, что, в первом случае выбрав более оптимальный перепад температуры и количество термоэлементов, мы смогли понизить потребляемую мощность и соответственно ток, что является важным, так как данная система охлаждения должна работать в экономичном режиме. За счет более низкого перепада температур необходимо спроектировать более крупный радиатор, однако из-за уменьшения массы термоэлектрических модулей, общая масса устройства все равно оказывается ниже. Объем конструкции увеличился незначительно и этим можно пренебречь.
Во втором случае, имеющаяся теплоотводящая конструкция позволяет, за счет выбора оптимальных значений перепада температуры и количества термоэлементов не только существенно понизить массу и объем термоэлектрической батареи, но и снизить потребляемую мощность.
Разработанное программное обеспечение программно-методического комплекса моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств прошло экспериментальную проверку и внедрено в виде автоматизированного программного комплекса в ОАО «Корпорация НПО "Риф"» г. Воронеж. Соответствующий акт внедрения представлен в приложении 6.
Также разработанное программное обеспечение, используется в учебном процессе на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры» ВГТУ в виде лабораторного практикума и курсового проектирования по курсам «Теплофизическое проектирование РЭС» и «Информационные технологии проектирования РЭС», акты внедрения представлены в приложениях 7 и 8.
1. На основе ранее предложенных математических моделей, алгоритмов и процедур разработана структура программно-методического комплекса моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств РЭС, обеспечивающая полную интерактивную и диалоговую поддержку программных средств.
2. Разработанное программное обеспечение комплекса моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств РЭС зарегистрировано в Государственном фонде алгоритмов и программ Российской Федерации, внедрено в проектные работы отдела главного технолога и отдела информационных систем ОАО «Корпорация НПО "Риф"» и используется в производственном цикле изготовления термоэлектрических охлаждающих устройств РЭС а также в учебный процесс Воронежского государственного технического университета в виде лабораторного практикума по дисциплинам «Теплофизическое проектирование РЭС» и «Информационные технологии проектирования РЭС» специальности 200800 «Проектирование и технология РЭС» дневной и заочной формы обучения. 1 В диссертационной работе получены следующие основные научно-технические результаты: 1. Рассмотрены основные задачи этапа проектирования термоэлектрических охлаждающих устройств, проведен анализ используемого математического и программного обеспечения, намечены основные пути по повышению эффективности проектирования. 2. Сформирован состав математического обеспечения, позволяющий осуществлять моделирование и оптимизацию термоэлектрических охлаждающих устройств РЭС при различных условиях оптимизации. 3. Предложены математические модели термоэлектрических охлаждающих устройств РЭС, обеспечивающие возможность анализа при различных режимах работы - максимальной холодопроизводительности, максимального холодильного коэффициента и учетом влияния перепада температуры на термобатарее, а также оптимизационные модели термоэлектрической охлаждающей батареи, позволяющие учитывать различные критерии оптимизации - по току; объему и массе термоэлектрических элементов; по потребляемой мощности; объему и массе радиатора.
4. Разработаны алгоритмы, охватывающие решение задач моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств для самых распространенных условий работы.
5. На базе предложенных математических моделей, алгоритмов и процедур разработан программно-методический комплекс моделирования и оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств, обеспечивающий полную интерактивную и диалоговую поддержку программных средств.
