Полный текст статьи
Печать

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.

 

2. Сетка диодов, предназначенная для преобразования электрической энергии в энергию светоизлучения.

 

3. Отражатель, предназначенный для защиты диодов, концентрирования и направления светового потока.

 

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 0  ͦ с в городе Казань при охлаждении свободной конвекцией.

Расчет количества тепла отводимого вынужденной конвекцией, при температуре окружающей среды 0  ͦ с

1) Исходные данные:

Pокр=101325 Па- давление окружающей среды;

tокр= 0 ͦ с- температура окружающей среды;

g=9.8155 м/с2- ускорение свободного падения для Казани;

l =5 мм- длина канала охлаждения в пластине;

2) Найдем разность температур работы светодиода и окружающей среды:

                                   

3) Определим плотность теплового потока, которую нужно отвести от светодиодов, для нормальной их работы, по формуле:                   

4) Найдем коэффициент теплоотвода воздуха, который обеспечит нормальную работу светодиодов в  фонаре, по формуле:5) Найдем число Нуссельта для потока воздуха, охлаждающего светодиоды, по формуле:

6) Найдем число Рейнольдса. Чтобы найти число Рейнольдса, запишем одно из уравнений Нуссельта для вынужденной конвекцией.  Предположим, что у нас ламинарный режим течения воздуха через отверстия охлаждения  и воспользуемся формулой, и если предположили правильно, то число Рейнольдса будет удовлетворять условию 2320>Re, если нет, возьмем другой режим течения воздуха:

 


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

Определим коэффициент , по таблице, у нас l/d=5/2.5=2, значит коэффициент 

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

                                                                                                                         

 Теперь подставим известные значение в уравнение найдем число Re: 3,68=0,15*Re0.33*0.706750.43*633,480.1*1.7, следует Re=725,77;     

Это значение числа Рейнольдса удовлетворяет установленному условию, 2320>Re, значит, режим мы правильно выбрали, и число Рейнольдса верно определили.

7) Найдем значение скорости течения воздуха через охладительные отверстия в решетки, при охлаждении светодиодов вынужденной конвекцией, при температуре окружающей среды 0 ͦ с, по формуле:

                     

Значит если обеспечить скорость потока воздуха, проходящего через охладительные отверстия пласты прожектора, 3,12 м/с, то он будет работать в оптимальном рабочем режиме при температуре окружающей среды 0 ͦ с.

При других температуре окружающей среды 0 ͦ с охлаждение свободной конвекцией воздухом не хватает, то есть количество отводимого тепла от светодиодов меньше чем необходимо. Для того чтобы светодиоды находились в необходимом температурном режиме, произведена интенсификация теплообмена, с помощью охлаждением светодиодов окружающим воздухом путем вынужденной конвекцией через охладительные отверстия в пластине. При расчетах системы охлаждения, выявили, что при определенных скоростях охлаждающего воздуха создается рабочая температура светодиодов.