СВЕТОДИОДНЫЙ ПРОЖЕКТОР С ОХЛАЖДЕНИЕМ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИЕЙ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ - 40 ͦ С

В настоящее время в целях экономии энергии на освещение, широкое применение получили светодиоды, из которых изготавливают осветительные приборы. Светодиод — это прибор на основе полупроводника, который излучает свет при пропускании через него электрического тока. Светодиодные осветительные приборы значительно выгоднее ламп накаливания или ртутных ламп. В условиях общего сокращения расходов, разработки новых стандартов, зеленых инициатив и принятия законодательных актов, направленных на защиту окружающей среды, создаются большие возможности для использования светодиодного освещения, как на национальном, так и на международном уровне.

Светодиодные осветительные приборы сравнительно новое изобретение. Но, не смотря на это, они в большинстве случаев превосходят традиционные источники света по энергетической эффективности, качеству света, рентабельности и экологичности. Светодиодные осветительные приборы превосходят лампы накаливания практически во всех областях применениях, а разрядные лампы высокого давления – в областях, требующих использования цветного света.

Светодиоды в фонаре необходимо поддерживать при определенных температурах, чтобы не было перегрева и выхода их из строя, так же чтобы не было потери интенсивности свечения. Поэтому для разработки фонаря со светодиодами необходимо учитывать их охлаждение.

Для охлаждения пластины светодиодов (их самих) используются охладительные отверстия, которые располагаются вокруг каждого светодиода на плате, через них проходит теплоноситель (окружающий воздух) с помощью свободной или вынужденной конвекции и отбирает тепло, тем самым охлаждая светодиоды.

Представим ниже некоторые элементы светодиодного осветительного прибора:

 1.   Пластина с отверстиями 2 шт.: верхняя и нижняя, Предназначенные для крепления и расположения светодиодов, а так же для отвода теплого воздуха от диодов через отверстия.

Для модели светодиодного прожектора выбираем сверхяркие круглые светодиоды с диаметром 5 мм с цветом «холодный белый» 116 штук одинаковые.

После анализа рынка производителей светодиодов, я остановился на американской фирме “CREE”, и именно светодиод “Cree 5-mm Round LED C543A-WMN” я буду использовать в светодиодном прожекторе.

Ниже я предоставлю расчеты по системе охлаждения моего светодиодного прожектора при температуре окружающей среды -40 ͦ с в городе Казань при охлаждении свободной конвекцией.

1.     Характеристики светодиодов и табличные данные воздуха в рабочей среде светодиодов

tсв=85 ͦ с- рабочая температура светодиода (по паспорту производитель утверждает, что максимальная его рабочая температура +95 ͦ с, но допустим допущение 10 ͦ с);

Qсво=100 мВт- рассеиваемая мощность одного светодиода;

 nсв= 116- количество светодиодов в прожекторе.

 Найдем табличные значения для воздуха из Н.Б. Варгафтик «Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей» для температуры работы светодиодов:

Ср=1,009 -изобарная теплоемкость воздуха, кДж/(кг·К); λ =0,030275 – теплопроводность воздуха, Вт/(м·К);

ρсв=0,985 – плотность воздуха, кг/м3;

ν =21,47*10-6– коэффициент кинематической вязкости, м2/с;

β =2,8*10-3– коэффициент объемного расширения, 1/К;

 Рr=0,70675 – критерий Прандтля.

 2. Расчет необходимого количества отвода тепла от светодиодов

 1) Найдем суммарное количество тепла, которое необходимо отвести от светодиодов в прожекторе, по формуле:

Qcв= Qсво* nсв=100*10-3*116=11,6, Вт;

 3. Расчет геометрические характеристики охлаждающих отверстий.

 1) Исходные данные:

 d= 2.5*10-3 м, -диаметр охлаждающего отверстия;

 nотв= 624, - количество охлаждающих отверстий.

2) Найдем площадь одного отверстия охлаждения в пластине по формуле:

1) Найдем площадь всех охладительных отверстий в пластине по формуле:

Sотв = Sотво ∗ nотв=4,906*10−6*624=3,062*10−3, м2;

1.    Расчет количества тепла отводимого свободной конвекцией при  температуре окружающей среды -40 ͦ с

 1) Исходные данные: 

Pокр=101325 Па- давление окружающей среды;

 tокр= -40 ͦ с- температура окружающей среды;

 g=9.8155 м/с2- ускорение свободного падения для Казани; l=5 мм- длина канала охлаждения в пластине;

Найдем разность температур работы светодиода и окружающей среды:


Определим число Грасгофа для воздуха, проходящего через охладительные отверстия, в пластине прожектора, по формуле 

1)       Узнаем режим течения для воздуха, проходящего через охладительные отверстия, в пластине прожектора, по табл.:

Pr*Gr=931,6*0.70675=658,5 > 5*102, и 658,5 < 2*107 значит режим переходный.

2) Из табл.1.5 находим значения коэф. С и n: 

С= 0,54 и n=0,25; 

3)    Найдем значение Nu для свободного конвективного движения воздуха через охладительные отверстия по формуле :

При небольших разностях температур отношение (Pr/Prст) можно принять равной 1.


Найдем коэффициент теплоотдачи воздуха проходящего через охладительные отверстия, по формуле:

Тепло, которое нужно отводить от светодиодов в прожекторе 11,6 Вт, а количество тепла, которое отводит воздух -40 ͦ с, при свободной конвекции через охладительные отверстия пластины 12,7 Вт. Никаких дополнительных систем охлаждения применять не нужно.

В результате расчетов получили, что при нормальном атмосферном давлении и температуре окружающей среды -40 ͦ с в Казани, система охлаждения окружающим воздухом, построенная только на принципе свободной конвекции прекрасно справляется с охлаждением светодиодов через охладительные отверстия в пластине.

 

 

Список литературы

 

1.     Джонатан Вейнерт – справочник «Светодиодное освещение –   принципы работы, преимущества и область применения», г. 2010, стр.156;

2. Шуберт Ф.Е. – «Светодиоды», г.2008, стр. 496;

 

3. Г.А. Мухачев, В.К. Щукин – «Термодинамика и теплопередача», г.1991, стр. 480.