Простой расчет площади теплоотвода для мощных транзисторов и тиристоров

Влияние температуры окружающей среды

При увеличении температуры окружающей среды увеличивается и температура печатной платы с установленным на ней светодиодом. Чтобы компенсировать рост температуры корпуса светодиода, необходимо увеличить размер печатной платы и/или размер радиатора, что часто бывает затруднительно из-за ограничений в размере корпуса готового устройства. Возможно, придется поступиться некоторыми светотехническими параметрами при поиске компромисса в решении данной задачи. При этом необходимо учитывать, что пиковая длина волны может изменяться примерно на 0,1 нм на каждый градус C изменения относительно комнатной температуры (25°C). Графики на рисунках 13-16 показывают изменение длины волны на красном, желтом, зеленом и синем светодиоде соответственно, а график на рис.17 – на белом светодиоде. Видно, что с нагревом свечение будет казаться голубым.

Рис. 12

Рис. 13

Рис. 14

Рис. 15

Рис. 16

Рис. 17

Световой поток также меняется в значительных пределах (Рис.18).

Необходимо предусмотреть уменьшение прямого тока через светодиод, если невозможно снизить тепловое сопротивление при повышении температуры окружающей среды.

Рис. 19

Рис. 20

Материалы для изготовления

Радиаторы для охлаждения светодиодов различаются по конструкции и материалу.

Окружающий воздух может принять не более 5-10 Вт с единичной поверхности

При выборе материала для изготовления радиатора следует принять во внимание выполнение следующего условия: теплопроводность его должна быть не менее 5-10 Вт. Материалы с меньшим параметром не смогут обеспечить передачу всего тепла, которое может принять воздух

Для изготовления радиаторов традиционно используют алюминий, медь или керамику. В последнее время появились изделия, выполненные из теплорассеивающих пластмасс.

Алюминиевые

Основным недостатком алюминиевого радиатора является многослойность конструкции. Это неизбежно приводит к возникновению переходных тепловых сопротивлений, преодолевать которые приходится с помощью применения дополнительных теплопроводящих материалов:

  • клейких веществ;
  • изолирующих пластин;
  • материалов, заполняющих воздушные промежутки и пр.

Алюминиевые радиаторы для светодиодов 1 вт

Медные

Медь обладает большей теплопроводностью, чем алюминий, поэтому в некоторых случаях ее использование для изготовления радиаторов оправдано. В целом же данный материал уступает алюминию в плане легкости конструкции и технологичности (медь – менее податливый металл).

Изготовление медного радиатора методом прессования – наиболее экономичным – невозможно. А обработка резанием дает большой процент отходов дорогостоящего материала.

Медные радиаторы

Керамические

Одним из наиболее удачных вариантов теплоотводчика является керамическая подложка, на которую предварительно наносятся токоведущие трассы. Непосредственно к ним и подпаиваются светодиоды. Такая конструкция позволяет отвести в два раза больше тепла по сравнению с металлическими радиаторами.

Лампочка с керамическим радиатором

Пластмассы теплорассеивающие

Все чаще появляется информация о перспективах замены металла и керамики на терморассеивающую пластмассу. Интерес к этому материалу понятен: стоит пластмасса намного дешевле алюминия, а ее технологичность намного выше. Однако теплопроводность обычной пластмассы не превышает 0,1-0,2 Вт/м.К. Добиться приемлемой теплопроводности пластмассы удается за счет применения различных наполнителей.

При замене алюминиевого радиатора на пластмассовый (равной величины) температура в зоне подвода температур возрастает всего на 4-5%. Учитывая, что теплопроводность теплорассеивающей пластмассы намного меньше алюминия (8 Вт/м.К против 220-180 Вт/м.К), можно сделать вывод: пластический материал вполне конкурентоспособен.

Лампочка с радиатором из термопластика

Формула для расчета охлаждения силового элемента

Для случая расчета теплоотвода электронного силового элемента то же самое можно сформулировать так:

[Температура кристалла силового элемента, грЦ
] = [Температура окружающей среду, грЦ
] + [Рассеиваемая мощность, Вт
] *

где [Полное тепловое сопротивление, грЦ / Вт
] = + [Тепловое сопротивление между корпусом и радиатором, грЦ / Вт
] + (для случая с радиатором),

или [Полное тепловое сопротивление, грЦ / Вт
] = [Тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом, грЦ / Вт
] + [Тепловое сопротивление между корпусом и окружающей средой, грЦ / Вт
] (для случая без радиатора).

В результате расчета мы должны получить такую температуру кристалла, чтобы она была меньше максимально допустимой, указанной в справочнике.

Определение количества радиаторов для однотрубных систем

Есть еще один очень важный момент: все вышеизложенное справедливо для двухтрубной системы отопления. когда на вход каждого из радиаторов поступает теплоноситель с одинаковой температурой. Однотрубная система считается намного сложнее: там на каждый последующий отопительный прибор вода поступает все более холодная. И если хотите рассчитать количество радиаторов для однотрубной системы, нужно каждый раз пересчитывать температуру, а это сложно и долго. Какой выход? Одна из возможностей — определить мощность радиаторов как для двухтрубной системы, а потом пропорционально падению тепловой мощности добавлять секции для увеличения теплоотдачи батареи в целом.

В однотрубной системе вода на каждый радиатор поступает все более холодная

Поясним на примере. На схеме изображена однотрубная система отопления с шестью радиаторами. Количество батарей определили для двухтрубной разводки. Теперь нужно внести корректировку. Для первого отопительного прибора все остается по-прежнему. На второй поступает уже теплоноситель с меньшей температурой. Определяем % падения мощности и на соответствующее значение увеличиваем количество секций. На картинке получается так: 15кВт-3кВт=12кВт. Находим процентное соотношение: падение температуры составляет 20%. Соответственно для компенсации увеличиваем количество радиаторов: если нужно было 8шт, будет на 20% больше — 9 или 10шт. Вот тут и пригодится вам знание помещения: если это спальня или детская, округлите в большую сторону, если гостиная или другое подобное помещение, округляете в меньшую

Принимаете во внимание и расположение относительно сторон света: в северных округляете в большую, в южных — в меньшую

В однотрубных системах нужно в расположенных дальше по ветке радиаторах добавлять секции

Этот метод явно не идеален: ведь получится, что последняя в ветке батарея должна будет иметь просто огромные размеры: судя по схеме на ее вход подается теплоноситель с удельной теплоемкостью равной ее мощности, а снять все 100% на практике нереально. Потому обычно при определении мощности котла для однотрубных систем берут некоторый запас, ставят запорную арматуру и подключают радиаторы через байпас, чтобы можно было отрегулировать теплоотдачу, и таким образом компенсировать падение температуры теплоносителя. Из всего этого следует одно: количество или/и размеры радиаторов в однотрубной системе нужно увеличивать, и по мере удаления от начала ветки ставить все больше секций.

Приблизительный расчет количества секций радиаторов отопления дело несложное и быстрое. А вот уточнение в зависимости от всех особенностей помещений, размеров, типа подключения и расположения требует внимания и времени. Зато вы точно сможете определиться с количеством отопительных приборов для создания комфортной атмосферы зимой.

Особенности декоративных радиаторов

Дизайнерские изделия не обладают столь хорошими техническими показателями:

  • Теплоотдача несколько ниже, что связано с дополнительным слоем краски, в некоторых случаях — орнаментом.
  • Средняя мощность меньше, поскольку габариты зачастую урезают. Это помогает создать интерьер, но мешает прямому назначению батареи.
  • Гидравлическое сопротивление падает, поскольку трубы делают небольшими, аккуратными.
  • В отличие от простых радиаторов, декоративные значительно дороже.

Перечисленные особенности выглядят негативно, но красота требует жертв. Проблемы легко решить незначительными изменениями конструкции или совмещением радиаторного отопления с другим.

Зачем диодам нужно охлаждение

Несмотря на высокие показатели светоотдачи светодиоды излучают света примерно на треть потребляемой мощности, а остальное выделяется в тепло. Если диод перегревается структура его кристалла нарушается, начинает деградировать, световой поток снижается, а степень нагрева лавинообразно увеличивается.

Причины перегрева светодиодов:

  • Слишком большой ток;
  • плохая стабилизация питающего напряжения;
  • плохое охлаждение.

Первые две причины решаются применением качественного источника питания для светодиодов. Такие источники часто называют драйвер для светодиода. Их особенность заключается не в стабилизации напряжения, а именно в стабилизации выходного тока.

Дело в том, что при перегреве сопротивление светодиода снижается и ток, протекающий через него, возрастает. Если в качестве блока питания использовать стабилизатор напряжения – процесс получится лавинообразным: больше нагрев – больше ток, а больший ток – это больший нагрев и так по кругу.

Стабилизируя ток, вы отчасти стабилизируете и температуру кристалла. Третья причина – это плохое охлаждение для светодиодов. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

Конструктивные особенности

Конструктивные радиаторы делятся на две группы:

  • игольчатые;
  • ребристые.

Первый тип, в основном, применяется для естественного охлаждения светодиодов, второй – для принудительного. При равных габаритных размерах пассивный игольчатый радиатор на 70 процентов эффективнее ребристого.

Радиаторы игольчатого типа для мощных и смд светодиодов

Но это не значит, что пластинчатые (ребристые) радиаторы годятся только для работы в паре с вентилятором. В зависимости от геометрических размеров, они могут применяться и для пассивного охлаждения.

LED-лампа с ребристым радиатором

Оба типа радиаторов в поперечном сечении могут быть квадратными, прямоугольными или круглыми.

Очень точный расчет радиаторов отопления

Выше мы привели в пример очень простой расчет количества радиаторов отопления на площадь. Он не учитывает многие факторы, такие как качество теплоизоляции стен, вид остекления, минимальная наружная температура и многие другие. Пользуясь упрощенными вычислениями, мы можем наделать ошибок, в результате чего некоторые комнаты получатся холодными, а некоторые – слишком жаркими. Температура поддается коррекции с помощью запорных кранов, но лучше всего предусмотреть все заранее – хотя бы ради экономии материалов.

Если во время строительства своего дома вы уделили достойное внимание его утеплению, то в дальнейшем вы хорошо сэкономите на отоплении. Как производится точный расчет количества радиаторов отопления в частном доме? Будем учитывать понижающие и повышающие коэффициенты

Для начала затронем остекление. Если в доме установлены одинарные окна, используем коэффициент 1,27. Для двойных стеклопакетов коэффициент не применяется (на самом деле он составляет 1,0). Если в доме стоят тройные стеклопакеты, применяем понижающий коэффициент 0,85

Как производится точный расчет количества радиаторов отопления в частном доме? Будем учитывать понижающие и повышающие коэффициенты. Для начала затронем остекление. Если в доме установлены одинарные окна, используем коэффициент 1,27. Для двойных стеклопакетов коэффициент не применяется (на самом деле он составляет 1,0). Если в доме стоят тройные стеклопакеты, применяем понижающий коэффициент 0,85.

Стены в доме выложены в два кирпича или в их конструкции предусмотрен утеплитель? Тогда применяем коэффициент 1,0. Если обеспечить дополнительную теплоизоляцию, можно смело использовать понижающий коэффициент 0,85 – расходы на обогрев уменьшатся. Если теплоизоляции нет, применяем повышающий коэффициент 1,27.

Обратите внимание, что обогрев домовладения с одинарными окнами и плохой теплоизоляцией приводит к большим тепловым (и денежным) потерям. Выполняя расчет количества батарей отопления на площадь, необходимо учитывать соотношение площади полов и окон

В идеале это соотношение составляет 30% – в этом случае применяем коэффициент 1,0. Если вы любите большие окна, а соотношение составит 40%, следует применить коэффициент 1,1, а при соотношении 50% нужно умножить мощность на коэффициент 1,2. Если соотношение составит 10% или 20%, применяем понижающие коэффициенты 0,8 или 0,9

Выполняя расчет количества батарей отопления на площадь, необходимо учитывать соотношение площади полов и окон. В идеале это соотношение составляет 30% – в этом случае применяем коэффициент 1,0. Если вы любите большие окна, а соотношение составит 40%, следует применить коэффициент 1,1, а при соотношении 50% нужно умножить мощность на коэффициент 1,2. Если соотношение составит 10% или 20%, применяем понижающие коэффициенты 0,8 или 0,9.

Высота потолков – не менее важный параметр. Применяем здесь следующие коэффициенты:

Таблица расчета количества секций радиатора отопление в зависимости от площади помещения и высоты потолков.

За потолком находится чердак или еще одна жилая комната? И здесь мы применяем дополнительные коэффициенты. Если наверху отапливаемый чердак (или с утеплением), умножаем мощность на 0,9, а если жилое помещение – на 0,8. За потолком обычный неотапливаемый чердак? Применяем коэффициент 1,0 (или просто не берем его в расчет).

После потолков примемся за стены – вот коэффициенты:

  • одна наружная стена — 1,1;
  • две наружные стены (угловая комната) – 1,2;
  • три наружные стены (последняя комната в вытянутом доме, хате) – 1,3;
  • четыре наружные стены (однокомнатный домик, хозпостройка) – 1,4.

Также в расчет берется средняя температура воздуха в самый холодный зимний период (тот самый региональный коэффициент):

  • холода до –35 °C – 1,5 (очень большой запас, позволяющий не замерзнуть);
  • морозы до –25 °C – 1,3 (подходит для Сибири);
  • температура до –20 °C – 1,1 (средняя полоса России);
  • температура до –15 °C – 0,9;
  • температура до –10 °C – 0,7.

Последние два коэффициента используются в жарких южных регионах. Но даже тут принято оставлять солидный запас на случай холодов или специально для теплолюбивых людей .

Получив итоговую тепловую мощность, необходимую для обогрева выбранного помещения, следует разделить ее на теплоотдачу одной секции. В результате мы получим требуемое количество секций и сможем отправиться в магазин

Обратите внимание, что данные расчеты предусматривают базовую мощность обогрева в размере 100 Вт на 1 кв. м

Если вы боитесь ошибиться в расчетах, обратитесь за помощью к профильным специалистам. Они выполнят максимально точные расчеты и вычислят требуемую для обогрева тепловую мощность.

Расчет тепловой мощности

Мы рассмотрим несколько способов расчета, учитывающих разное количество переменных.

По площади

Расчет по площади основан на санитарных нормах и правилах, в которых русским по белому сказано: один киловатт тепловой мощности должен приходиться на 10 м2 площади помещения (100 ватт на м2).

Чем ниже температура на улице, тем больше потери тепла.

Понятно, что метод дает весьма значительную погрешность:

  • Панорамное остекление в одну нитку явно даст большие теплопотери по сравнению со сплошной стеной.
  • Расположение квартиры внутри дома не учитывается, хотя понятно, что если рядом теплые стены соседних квартир — при одинаковом количестве радиаторов будет куда теплее, чем в угловой комнате, имеющей общую стену с улицей.
  • Наконец, главное: расчет верен для стандартной высоты потолков в доме советской постройки, равной 2,5 — 2,7 метра. Однако еще в начале 20-го века строились дома с высотой потолков в 4 — 4,5 метра, да и сталинки с трехметровыми потолками тоже потребуют уточненного расчета.

Давайте все-таки применим метод для расчета количества чугунных секций радиаторов отопления в комнате размером 3х4 метра, находящейся в Краснодарском крае.

Площадь равна 3х4=12 м2.

Необходимая тепловая мощность отопления — 12м2 х100Вт х0,7 районного коэффициента = 840 ватт.

При мощности одной секции в 180 ватт нам потребуется 840/180=4,66 секции. Число мы, понятно, округлим в большую сторону — до пяти.

Запас по тепловой мощности никогда не помешает. При необходимости можно просто прикрыть вентиля перед радиатором.

Простой расчет по объему

Не наш выбор.

Расчет по общему объему воздуха в помещении явно будет более точным уже потому, что учитывает разброс высоты потолков. Он тоже весьма прост: на 1 м3 объема необходимо 40 ватт мощности отопительной системы.

Давайте посчитаем необходимую мощность для нашей комнатки под Краснодаром с небольшим уточнением: она находится в сталинке 1960 года постройки с высотой потолка 3,1 метра.

Объем помещения равен 3х4х3,1=37,2 кубометра.

Соответственно радиаторы должны иметь мощность 37,2х40=1488 ватта. Учтем районный коэффициент 0,7: 1488х0,7=1041 ватт, или шесть секций чугунного лютого ужаса под окном. Почему ужаса? Внешний вид и постоянные течи между секциями через несколько лет эксплуатации восторга не вызывают.

Если же вспомнить, что цена чугунной секции выше, чем у алюминиевого или биметаллического импортного радиатора отопления — идея покупки такого отопительного прибора и впрямь начинает вызывать легкую панику.

Уточненный расчет по объему

Более точный расчет систем отопления выполняется с учетом большего числа переменных:

  • Количества дверей и окон. Усредненные потери тепла через окно стандартного размера — 100 ватт, через дверь — 200.
  • Расположение комнаты в торце или углу дома заставит нас использовать коэффициент 1,1 — 1,3 в зависимости от материала и толщины стен здания.
  • У частных домов используется коэффициент 1,5, поскольку куда выше потери тепла через пол и крышу. Сверху и снизу ведь не теплые квартиры, а улица…

Базовое значение — те же 40 ватт на кубометр и те же региональные коэффициенты, что и при расчете по площади комнаты.

Давайте выполним расчет тепловой мощности радиаторов отопления для комнаты с теми же габаритами, что и в предыдущем примере, но мысленно перенесем ее в угол частного дома в Оймяконе (средняя температура января -54С, минимум за время наблюдений — 82). Ситуация усугубляется дверью на улицу и окошком, из которого видны жизнерадостные оленеводы.

Базовую мощность с учетом только объема помещения мы уже выполнили: 1488 ватт.

Окно и дверь прибавят 300 ватт. 1488+300=1788.

Частный дом. Холодный пол и утечка тепла через крышу. 1788х1,5=2682.

Угол дома заставит нас применить коэффициент 1,3. 2682х1,3=3486,6 ватта.

К слову, в угловых комнатах отопительные приборы стоит монтировать на обе внешние стены.

Наконец, теплый и ласковый климат Оймяконского улуса Якутии приводит нас к мысли о том, что полученный результат можно умножить на региональный коэффициент 2,0. 6973,2 ватта требуется для обогрева маленькой комнатушки!

https://youtube.com/watch?v=mVNWfHKN-Pw

Расчет количества радиаторов отопления нам уже знаком. Общее количество чугунных или алюминиевых секций составит 6973,2/180=39 секций с округлением. При длине секции 93 миллиметра баян под окном будет иметь длину 3,6 метра, то есть едва поместится вдоль более длинной из стенок…

«- Десять секций? Хорошее начало!» — такой фразой житель Якутии прокомментирует это фото.

Секционные чугунные радиаторы нового поколения

Сегодня на рынке появились новые чугунные одно-, двух- и трехканальные секционные радиаторы серии ЧМ от отечественного производителя, отличающиеся компактными размерами и оригинальным дизайном. Их можно устанавливать в любых помещениях, поскольку они занимают минимум свободного пространства, гарантируя при этом качественное отопление.

Оптимальное соотношение основных показателей и эстетичный внешний вид по праву позволяют считать данный тип чугунных радиаторов одними их самых перспективных.

Секции данных радиаторов изготавливаются из серого чугуна. Литье выполняется в современных печах в песчано-глинистые формы, что обеспечивает стабильное качество и великолепные характеристики отопительных приборов. Высокая теплоотдача гарантируется вертикальными ребрами. Кроме того, эти радиаторы улучшены с точки зрения практичности и гигиены, так как в них исключены какие-либо полости, в которых может собираться пыль.

Особенности охлаждения мощных светодиодов

Как указывалось ранее, обеспечить эффективный отвод тепла от светодиода можно при помощи организации пассивного или активного охлаждения. Светодиоды мощностью потребления до 10 вт целесообразно устанавливать на алюминиевые (медные) радиаторы, так как их массогабаритные показатели будут иметь приемлемые значения.

Применение пассивного охлаждения для светодиодных матриц мощностью 50 Вт и более становится затруднительным; размеры радиатора составят десятки сантиметров, а масса возрастёт до 200-500 грамм. В этом случае стоит задуматься о применении компактного радиатора вместе с небольшим вентилятором. Этот тандем позволит снизить массу и размеры системы охлаждения, но создаст дополнительные трудности. Вентилятор необходимо обеспечить соответствующим напряжением питания, а также позаботиться о защитном отключении светодиодного светильника в случае поломки кулера.

Каким бы ни был радиатор, он способен обеспечить хороший, но не самый лучший тепловой контакт с подложкой светодиода. Для снижения теплового сопротивления на контактируемую поверхность наносят теплопроводящую пасту. Эффективность её воздействия доказана повсеместным применением в системах охлаждения компьютерных процессоров. Качественная термопаста устойчива к затвердеванию и обладает низкой вязкостью. При нанесении на радиатор (подложку) достаточно одного тонкого ровного слоя на всей площади соприкосновения. После прижима и фиксации толщина слоя составит около 0,1 мм.

Формула и пример расчета

Учитывая вышеперечисленные факторы, можно сделать расчёт. На 1 м 2 понадобится 100 Вт, соответственно, на отопление комнаты в 18м 2 нужно затратить 1800 Вт. Одна батарея из 8-ми чугунных секций выделяет 120 Вт. Делим 1800 на 120 и получаем 15 секций. Это весьма средний показатель.

В частном доме с собственным водонагревателем мощность теплоносителя высчитывается по максимуму. Тогда 1800 делим на 150 и получаем 12 секций. Столько нам понадобится для обогрева комнаты в 18м 2. Существует весьма сложная формула, по которой можно рассчитать точное количество секций в радиаторе.

Формула выглядит так:

  • q1 — это вид остекления: тройной стеклопакет 0,85; двойной стеклопакет 1; обычное стекло 1,27;
  • q 2 — теплоизоляция стен: современная теплоизоляция 0,85; стена в 2 кирпича 1; плохая изоляция 1,27;
  • q3 — отношение площади окон к площади пола: 10% 0,8; 20% 0,9; 30% 1,1; 40% 1,2;
  • q 4 — минимальная температура снаружи: -10 0 С 0,7; -15 0 С 0,9; -20 0 С 1,1; -25 0 С 1,3; -35 0 С 1,5;
  • q5 — количество наружных стен: одна 1,1; две (угловая) 1,2; три 1,3; четыре 1,4;
  • q6 — тип помещения над расчётным: обогреваемое помещение 0,8; отапливаемый чердак 0,9; холодный чердак 1;
  • q7 — высота потолков: 2,5 м — 1; 3 м — 1,05; 3,5м — 1,1; 4м — 1,15; 4,5м — 1,2;

Проведём расчёт для угловой комнаты 20 м 2 с высотой потолка 3 м, двумя 2-х створчатыми окнами с тройным стеклопакетом, стенками в 2 кирпича, расположенной под холодным чердаком в доме в подмосковном посёлке, где зимой температура опускается до 20 0 С.

Получится 1844,9 Вт. Разделим на 150 Вт и получим 12,3 или 12 секций.

Радиаторы делаются из трёх видов металла: чугунные, алюминиевые и биметаллические. Чугунные и алюминиевые радиаторы имеют одинаковую теплоотдачу, но нагретый чугун остывает медленнее алюминия. Биметаллические батареи имеют большую теплоотдачу, чем чугунные, но они быстрее остывают. Стальные радиаторы имеют высокую теплоотдачу, но они подвержены коррозии.

Самой комфортной для человеческого организма температурой в помещении принято считать 21 0 С. Однако для хорошего крепкого сна больше подходит температура не выше 18 0 С, поэтому немалую роль играет и назначение отапливаемого помещения. И если в зале площадью 20 м2 нужно установить 12 секций батареи. то в аналогичном спальном помещении предпочтительнее установить 10 батарей, и человеку в такой комнате будет комфортно спать. В угловом помещении такой же площади смело размещайте 16 батарей. и Вам не будет жарко. Т. е. расчёт радиаторов в помещении весьма индивидуален, и можно давать только приблизительные рекомендации, сколько секций необходимо установить в той или иной комнате. Главное, произвести установку грамотно, и тепло всегда будет в вашем доме.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий