Аналіз пристрою Пельтьє з епоксидним компаундом для суднових автоматизованих систем охолодження та термостабілізації
DOI:
https://doi.org/10.33216/1998-7927-2025-288-2-37-48Ключові слова:
пристрій Пельтьє, термоелектричний ефект, епоксидний компаунд, напівпровідники, суднові системи охолодження, термостабілізаціяАнотація
У суднових автоматизованих системах охолодження та термостабілізації важливо забезпечити ефективний контроль теплових режимів в умовах підвищеної вологості та механічних навантажень. Через це в даних суднових системах використовуються пристрої Пельтьє на основі термоелектричних модулів, які є перспективними завдяки компактності, надійності та відсутності рухомих частин. Ефективність роботи зазначених пристроїв значною мірою залежить від їх конструктивних особливостей, вибору матеріалів і теплових характеристик. Дослідження спрямоване на аналіз впливу модифікованого епоксидного компаунду на експлуатаційні властивості пристроїв Пельтьє, що може забезпечити їхню довговічність і стабільність роботи в морських умовах.
Проведено аналіз електричних, теплових і механічних процесів у пристроях Пельтьє через систему диференціальних рівнянь у матричній формі. Для моделювання й оптимізації конструкції чисельно виконано розрахунок, що дозволив встановити розподіл температурних і механічних параметрів у матеріалах пристрою. Проаналізовано вплив епоксидного компаунду на ефективність відведення тепла, а також робочі характеристики розглянутого пристрою, включно з теплопередачею, структурною цілісністю і механічною стабільністю. Встановлено ефективність і доцільність використання пристроїв Пельтьє у суднових системах охолодження електронного обладнання, такого як радари, навігаційні прилади, блоки зв’язку та сервери управління судном, холодильних установках для медичних вантажів, термостабілізації оптичних систем і автономних енергетичних комплексах.
Розроблено мініатюрний пристрій Пельтьє (8×8×3 мм) з 21-ю термоелектричною парою. Використано структуру П-подібного ланцюга для рівномірного розподілу теплових навантажень. Розміри кожного напівпровідника було ретельно підібрано для забезпечення оптимального теплового режиму: при висоті 1,5 мм об’єм кожного напівпровідника складає 1 мм³. Тепловідведення з гарячої поверхні корпусу пристрою Пельтьє здійснено за рахунок вимушеної (примусової) конвекції з коефіцієнтом тепловіддачі h=50 Вт/(м2·К) і теплового випромінювання εтв=0,9 для зменшення механічних напружень і збільшення терміну служби пристроїв у складних експлуатаційних умовах. Встановлено, що модифікований епоксидний компаунд з наповнювачем покращує робочі характеристики термоелектричних модулів у морських умовах. Отримані результати можуть бути використані для вдосконалення конструкцій термоелектричних модулів та розробки нових систем термостабілізації для водного транспорту.
Посилання
1. Анатичук Л. І. Термоелектричні перетворювачі енергії. Термоелементи. Елементна база термоелектрики: монографія. Т. 2 / Л. І. Анатичук; ред. Л. М. Вихор, О. Я. Лусте. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2003. 376 с.
2. Goldsmid H. Julian. Introduction to Thermoelectricity. 2nd ed. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2016. 278 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-49256-7
3. Анатичук Л. І., Вихор Л. М. Вплив електричних та теплових опорів контактів і комутацій на холодильний коефіцієнт термоелектричного модуля. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2021. №3. С. 19-33.
4. Тимощук О. М., Шапран Ю. А. Аналіз методів та засобів нейтралізації вібрації суднового дизель-генератора. Водний транспорт: збірник наукових праць Державного університету інфраструктури та технологій. Київ: ДУІТ, 2025. Вип. 1(42). С. 61-72. DOI: https://doi.org/10.33298/2226-8553.2025.1.42.09
5. Дмитриченко М. Ф., Гутаревич Ю. Ф., Тріфонов Д. М., Сирота О. В. Застосування термоелектричних перетворювачів енергії для зменшення впливу природно-кліматичних факторів на технічну готовність транспортного засобу. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2020. №3. С. 58-69.
6. Лобунець Ю. М. Оцінка характеристик ОТЕС з термоелектричними перетворювачами енергії. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2013. №1. С. 62-67.
7. Анатичук Л. І., Прибила А. В., Кібак А. М. Термоелектричні кондиціонери для сидінь автотранспорту. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2020. №4. С. 90-104.
8. Анатичук Л. І., Прибила А. В. Про ефективність термоелектричних кондиціонерів для транспортних засобів. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2019. №1. С. 86-96.
9. Анатичук Л. І., Лисько В. В., Прибила А. В. Раціональні області використання термоелектричних рекуператорів тепла. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2022. №3-4. С. 44-69.
10. Анатичук Л. І., Кузь Р. В. Про особливості розвитку робіт по створенню термоелектричних рекуператорів для транспортних засобів. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2019. №5. С. 45-67.
11. Кузь Р. В. Теорія та проектування термоелектричних генераторів, що використовують відходи тепла на транспортних засобах. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2020. №2. С. 5-12.
12. Анатичук Л. І., Гаврилюк М. В., Лисько В. В., Руснак О. С., Тінко Е. В. Стендові експериментальні дослідження термоелектричного джерела тепла та електрики для транспортних засобів великої потужності. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2021. №4. С. 41-49.
13. Анатичук Л. І., Лисько В. В. Про можливості використання термоелектричних генераторів для транспортних передпускових нагрівачів великих потужностей. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2019. №3. С. 80-92.
14. Тараненко С. В., Кириченко О. С., Колесник В. В., Костюченко В. І., Пріступа С. В., Пастух О. В., Голубєва С. М. Моделювання стаціонарного теплового поля струмопровідних шин суднових ГРЩ. Водний транспорт: збірник наукових праць Державного університету інфраструктури та технологій. – Київ: ДУІТ, 2021. Вип. 3 (34). С. 13-21.
15. Кириченко О. С. Порівняльний аналіз характеристик термоелектричних модулів з різними геометричними формами напівпровідників для електрообладнання транспорту. Вчені записки Таврійського національного університету імені В. І. Вернадського. Серія: Технічні науки. Київ: ТНУ ім. В. І. Вернадського, 2023. Т. 34(73), № 1. С. 256-263. DOI: https://doi.org/10.32782/2663-5941/2023.1/39
16. Prospective directions of scientific research in engineering and agriculture: collective monograph. / Hladyshev D., Hnat H. – etc. (International Science Group). Boston, USA: Primedia eLaunch, 2023. 464 p. DOI: https://doi.org/10.46299/ISG. 2023. MONO.TECH.1
17. Кириченко О. С. Критерії формування готовності до професійної діяльності інженерів на основі 3D-моделювання. Освітологічний дискурс: наукове електронне видання. Київ: Київ. ун-т ім. Б. Грінченка, 2017. №3-4(18-19). С. 296-308. DOI: https://doi.org/10.28925/2312-5829.2017.3-4.2938
18. Кириченко О. С., Білюк І. С., Шарейко Д. Ю., Фоменко А. М., Гаврилов С. О., Бугрім Л. І. Чисельне тривимірне моделювання термоелектричного охолоджувача вимірювального електроустаткування автоматичних систем. Вчені записки Таврійського національного університету імені В. І. Вернадського. Серія: Технічні науки. Київ: ТНУ ім. В. І. Вернадського, 2018. Т.29(68), Ч.1, №6. С.58-63.
19. Анатичук Л. І., Лисько В. В. Методика визначення термоелектричних параметрів матеріалів у складі термоелектричних модулів охолодження. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2021. №3. С. 73-85.
20. Анатичук Л. І., Гаврилюк М. В., Лисько В. В. Обладнання для визначення параметрів термоелектричних модулів охолодження. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2021. №4. С. 58-68.
21. Лисько В. В., Тудорой П. Ф. Комп’ютерне моделювання процесу екструзії стрічкових термоелектричних матеріалів на основі Bi2-Te3. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України. 2019. №2. С. 61-69.
22. Рибчаков Д.Є. Комп’ютерне моделювання процесу екструзії термоелектричного матеріалу на основі Bi2-Te3, прямокутної форми. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2020. №4. С. 14-22.
23. Рибчаков Д. Є., Сербин М. В. Комп’ютерний метод опису технологій та властивостей термоелектричних матеріалів на основі Bi2-Te3, отриманих методом пресування. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2021. №4. С. 5-12.
24. Рибчаков Д. Є., Сербин М. В. Комп’ютерний метод опису технологій та властивостей термоелектричних матеріалів на основі Bi2-Te3, отриманих методом Бріджмена. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2021. №3. С. 45-52.
25. Gubarevych O., Wierzbicki S., Melnyk O., Kyrychenko O., Riashchenko O. Increasing the accuracy of calculated indicators of operational reliability of industrial electric motors. Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance and Reliability. Lublin, Poland: Polish Maintenance Society. 2025. Vol. 27, No. 3. DOI: https://doi.org/10.17531/ein/203006
26. Дубинець В. Г., Хільчевський В. В., Савченко О. В. Основи методу скінченних елементів. Чернігів: ЧДТУ, 2007. 288 с.
27. Oyman Serteller N. F. A basic introduction to Finite Element Methods for solving electrical problems. Energy Education Science and Technology Part B: Social and Educational Studies. Trabzon, Turkey: Sila Science, 2011. Vol. 3, No. 4. P. 487-496.
28. Кириченко О. С. Вплив режиму та способу конвекції на робочі характеристики сконструйованого термоелектричного модуля суднового електрообладнання. Водний транспорт: збірник наукових праць Державного університету інфраструктури та технологій. Київ: ДУІТ, 2025. Вип. 2 (43). С. 5-19. DOI: https://doi.org/ 10.33298/2226-8553.2025.2.43.01
29. Тараненко С. В., Кириченко О. С., Пріступа С. В., Голубєва С. М., Пастух О. В. Термоелектричні модулі з компенсованими комутаційними пластинами для пристроїв суднової енергетики. Водний транспорт: збірник наукових праць Державного університету інфраструктури та технологій. Київ: ДУІТ, 2023. Вип. 1(37). С. 201-213. DOI: https://doi.org/10.33298/2226-8553.2023. 1.37.23
30. Кириченко О. С. Термоелектричні модулі з різними способами контактного з’єднання напівпровідникових термоелементів. Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. Київ: СНУ ім. В. Даля, 2023. № 1(277). С. 31–37. DOI: https://doi.org/10.33216/1998-7927-2023-277-1-31-37
31. Горський П. В. Демпфування термомеханічних напружень як засіб підвищення циклічної стійкості термоелектричних перетворювачів енергії. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2023. № 4. С. 17-26.
32. Анатичук Л. І., Балазюк В. М., Лусте О. Я., Малишко В. В. Про підвищення циклічної стійкості термоелектричних модулів охолодження. Термоелектрика. Чернівці: Інститут термоелектрики НАН України та МОН України, 2003. № 4. С. 71-75.
33. Тараненко С. В., Кириченко О. С., Пріступа С. В., Голубєва С. М. Демпфування термічних напружень в термоелектричних модулях суднового електрообладнання. Водний транспорт: збірник наукових праць Державного університету інфраструктури та технологій. Київ: ДУІТ, 2024. Вип. 1(39). С. 69-82. DOI: https://doi.org/10.33298/2226-8553.2024.1.39.07
34. Kyrychenko O., Golubieva S., Morneva M. Modeling of thermoelectric modules with thermal stress damping for transport electrical equipment. 2023 IEEE 5th International Conference on Modern Electrical and Energy System (MEES, IEEE Scopus) (Kremenchuk, Ukraine). Piscataway, New Jersey, USA: IEEE, 2023. P. 1-6. DOI: https://doi.org/10.1109/MEES61502.2023. 10402432
