Full Text

Введение Очевидно, что динамика рабочих процессов приводных систем является совокупной динамикой их элементов и определяется динамикой самого медленного элементного звена. В магнитореологических приводных системах, как правило, отсутствуют подвижные механические элементы, что положительно сказывается на динамике подобных систем. Управление рабочими параметрами магнитореологических приводов происходит за счет контроля расходных характеристик потока магнитореологической среды. Исходя из этого динамика магнитореологических систем зависит от динамики процессов изменения реологических свойств рабочих сред. Процессы изменения энергий взаимодействия частиц, обусловленные приложением внешних управляющих электромагнитных полей, выходят на стационарные режимы за достаточно короткое время, и переходные процессы длятся 100-200 нс. При этом реологические свойства магнитореологических сред зависят не только от энергии взаимодействия частиц магнетика, но и от вязкости жидкости носителя. Как известно, вязкость жидких сред имеет существенную зависимость от их температуры. Процессы теплопереноса в рабочей среде обладают скоростями значительно меньшего порядка в сравнении с процессами изменения энергий взаимодействия частиц в электромагнитных полях, следовательно, именно их необходимо рассматривать как одну из медленных составляющих процесса регулирования реологических свойств рабочей среды в магнитореологических проводах, наряду с релаксационными процессами частиц. Но в отличие от релаксационных процессов некоторые негативные аспекты в процессах теплопереноса легко решаемы посредством применения инновационных материалов, а повышение стабильности термодинамических характеристик - путем создания новых конструктивных решений [1-10]. Актуальность Основными особенностями развития систем и механизмов являются: рост и расширение параметров, увеличение их стабильности, сокращение времени переходных процессов и снижение массогабаритных показателей. Все это приводит к потребности создания принципиально новых конструкций элементов систем и применения концептуально иных материалов. Несмотря на то, что магнитореологические и полупроводниковые технологии существуют уже не первый десяток лет, они все еще имеют неисчерпаемый потенциал для развития и совершенствования за счет разработки оптимальных конструкций и применения новых функциональных материалов. Известной проблемой эксплуатации магнитореологических систем является повышение температуры магнитореологической жидкости во внешних электромагнитных полях, приводящее к нестабильности расходных характеристик. Ее решение возможно как за счет рационализации конструкции устройства управления термодинамическими параметрами, так и при помощи совершенствования физических свойств функциональных материалов. Зависимость вязкости рабочей среды от температурных параметров не стоит рассматривать исключительно как негативный фактор, так как он позволяет оказывать контролируемое влияние на реологические свойства - расходные характеристики потока магнитореологической жидкости, т.е. может служить инструментом управления рабочими процессами. Исходя из этого системы, способные осуществлять контроль и стабилизацию термодинамических процессов в рабочих средах магнитореологических сред, востребованы. Как уже было отмечено, динамические характеристики магнитореологических систем во многом определяются их термодинамикой, поэтому оптимизация процессов выделения/поглощения/переноса тепла значительно улучшает динамику рабочих процессов. Полупроводниковые термоэлектрические элементы позволяют создавать высокоэффективные компактные системы термостатирования, уменьшая затраты материалов и пространства. Следовательно, совершенствование конструкций системы термостатирования магнитореологических приводов и развитие методов их расчета являются актуальными направлениями [11, 12]. Численная модель Как известно, в полупроводниках с ростом температуры увеличивается количество свободных носителей электрического заряда, как электронов в зоне проводимости, так и дырок в валентной зоне, а при наложении внешнего электрического поля в полупроводниковом материале появляется дрейфовая компонента скорости (у дырок в направлении поля, у электронов против направления поля) [13-15]. В полупроводниках плотность тока является суммой электронного и дырочного токов: где n, p - концентрации свободных электронов и дырок; vn, vp - дрейфовые скорости носителей заряда; q - электрический заряд. Заряды у электронов и дырок противоположны по знаку, но так как векторы дрейфовых скоростей тоже направлены в противоположные стороны, суммарный ток есть сумма модулей значений электронного и дырочного токов. Очевидно, что дрейфовые скорости носителей заряда имеют зависимость от внешнего электрического поля, поэтому введем коэффициенты пропорциональности: где E - напряженность электрического поля. где sn, sp - электронная и дырочная составляющие электропроводности полупроводника; s - электропроводность полупроводника. Для определения технических характеристик и динамики тепловых эффектов рассмотрим рабочий процесс реологического дросселя-термостата [16], конструкция которого изображена на рис. 1, 2, для фиксированных объемов хладагента и магнитореологической рабочей среды. где Тi - температура; li - коэффициент теплопроводности; cri - теплоемкость; t - время; ri - плотность; - член уравнения, учитывающий источники и стоки теплоты. Член, описывающий влияние переноса теплоты на теплопроводность по закону Фурье: . Схемы расчетных областей изображены на рис. 1-3. Рис. 1. Реологический дроссель-термостат: 1 - гидролиния; 2, 3 - патрубки; 4 - полупроводниковые термоэлектрические элементы; 5 - перфорированная пластина Рис. 2. Реологический дроссель-термостат: 1 - гидролиния; 2, 3 - тоководы; 4, 5 - герметизирующая пластина; 6, 7 - токопроводящая пластина; 8 - полупроводниковые термоэлектрические элементы; 9 - перфорированная пластина Рис. 3. Термоэлектрический элемент Пельтье Начальные и граничные условия: по оси x: по оси z: где a1, a6 - средний по поверхности коэффициент теплоотдачи среде; - единичный вектор внешней нормали; - температура граничной среды. Член уравнения, учитывающий источники и стоки теплоты: Для W1, W3 Тепловые эффекты, возникающие в полупроводнике, формируют мощность тепловыделения в полупроводнике, их можно классифицировать следующим образом [17-22]: Эффект Пельтье где А - площадь сечения n и p ветвей; В - коэффициент, характеризующий тепловые эффекты в спае. Холодный спай: В = -1; -Q. Горячий спай: В = 1; +Q. Коэффициент Зеебека где - коэффициенты Зеебека n и p ветвей. Эффект Джоуля где - высота полупроводника. Удельное электрическое сопротивление ветвей термоэлемента где Rn, Rp - сопротивления n и p ветвей. Эффект Томсона Коэффициент Томсона Тепловые эффекты в хладагенте: где V2 - эффективный объем хладагента; A2 - площадь поверхности контакта хладагента. Горячий спай: B = 1; +Q; Холодный спай: B = -1; -Q; где А4 - площадь поверхности контакта спая; V4 - эффективный объем спая; Np-n - число n и p ветвей. Коэффициент Томсона Коэффициент Томсона где А5 - площадь поверхности контакта полупроводника; V5 - эффективный объем полупроводника. Тепловые эффекты в магнитореологической рабочей среде: где А6 - площадь поверхности контакта магнитореологической рабочей среды; V6 - эффективный объем магнитореологической рабочей среды; k2, k6 - коэффициенты теплопроводности сред. Мощность , где QC - поглощаемая тепловая мощность, QC = aIΔT, где I - сила тока; a - термоЭДС полупроводников; e - холодильный коэффициент: где М - вспомогательный коэффициент; где z - добротность полупроводникового вещества; Th - горячая поверхность; TC - холодная поверхность. Рассмотрим вариант оптимизации рабочих процессов реологического дросселя-термостата посредством варьирования материалов и сред. Результаты численного моделирования Получены зависимости градиента температур на горячей и холодной поверхностях термоэлектрического элемента от мощности (рис. 4-6) для двух вариантов охлаждающих сред и двух вариантов материала поверхностей термоэлектрических элементов. Рис. 4. Зависимость градиента температур на горячей и холодной поверхностях от мощности для случая «рабочая среда - циркулирующий воздух», материал поверхностей термоэлектрического элемента - композитная керамика Рис. 5. Зависимость градиента температур на горячей и холодной поверхностях от мощности для случая «рабочая среда - жидкий хладагент», материал поверхностей термоэлектрического элемента - композитная керамика Рис. 6. Зависимость градиента температур на горячей и холодной поверхностях от мощности для случая «рабочая среда - жидкий хладагент», материал поверхностей термоэлектрического элемента - сплав алюминия Рассмотрены варианты зависимости градиента температур на горячей и холодной поверхностях от мощности при принудительной циркуляции хладагента и воздуха в полости, образованной корпусом и горячей стороной термоэлектрического элемента. Результаты численного моделирования показывают высокую эффективность жидкостного охлаждения по сравнению с воздушным охлаждением, так как реализация большего градиента температур на поверхностях термоэлектрического элемента обеспечивает высокую скорость достижения заданных значений температуры и стабилизации рабочих параметров приводной системы. Проведены расчеты зависимости градиента температур на горячей и холодной поверхностях от мощности для поверхностей термоэлектрического элемента, выполненных из композитной керамики, и поверхностей термоэлектрического элемента, изготовленных из алюминиевого сплава. Очевидно, что алюминиевый сплав обладает более высокой теплопроводностью в сравнении с керамикой на основе оксида алюминия. Это подтверждается результатами численного эксперимента. Результаты моделирования подтверждают, что описанная численная модель позволяет рационализировать выбор охлаждающих сред и материалов для реологического дросселя-термостата, что дает возможность оптимизировать работу магнитореологических приводных систем и сократить время их переходных процессов. В то же время предложенная численная модель способна производить оптимизацию по целому ряду других физических и геометрических параметров. Новизна исследовательской работы Разработаны методологические основы повышения эффективности проектирования реологического дросселя-термостата, отличающиеся возможностью определения оптимальных геометрических характеристик его элементов за счет оценки тепловых потоков, наблюдаемых в объемах сред и элементов конструкции в процессе эксплуатации реологического дросселя-термостата, позволяющие производить расчет потока тепла, отводимого от рабочей среды привода к рабочей среде охлаждающего жидкостного контура, с учетом термических процессов, протекающих в полупроводниковых ветвях сборки термоэлектрических элементов. Получены результаты численного моделирования реологического дросселя-термостата оригинальной запатентованной конструкции, позволяющие оценить эффективность возможных вариантов оптимизации систем термостатирования, созданных на основе реологического дросселя-термостата и рационализации его рабочих параметров по ряду геометрических характеристик элементов реологического дросселя-термостата и физических свойств материалов и сред. Выводы Полученные результаты доказали эффективность выбранных вариантов оптимизации рабочих процессов реологического дросселя-термостата и рационализации его рабочих параметров. Очевидна существенная зависимость динамики рабочих процессов от физических свойств функциональных материалов и эффективность оптимизации динамики магнитореологических систем за счет рационального применения конструктивных материалов. Разработанная конструкция реологического дросселя-термостата эффективна при малых массогабаритных показателях. Применение систем термостатирования с полупроводниковыми термоэлектрическими элементами, изготовленными из сверхпроводящих материалов, позволяет существенно снизить время переходных процессов в магнитореологических приводах.

About the authors

K. V Naigert

South Ural State University (national research university)

V. A Tselischev

Ufa State Aviation Technical University

References

Statistics

Views

Abstract - 60

PDF (Russian) - 37

Refbacks

• There are currently no refbacks.