ANALYSIS OF METHODS FOR CALCULATING HEAT TRANSFER IN THERMOELECTRIC COOLING SYSTEMS FOR HEAT-STRESSED ELEMENTS
Authors: Бородкин С.В. , Иванов А.В. , Батаронов И.Л. , Кретинин А.В. 
Published: April 2021

На основе уравнений теплопереноса в движущейся среде и соотношений теплопередачи в термоэлектрическом охладителе приведен сравнительный анализ методик расчета поля температуры в теплонапряженном элементе. Рассмотрены методики на основе: 1) теплового баланса, 2) среднего коэффициента теплоотдачи, 3) дифференциального коэффициента теплоотдачи, 4) прямого расчета в рамках метода конечных элементов. Установлено, что первые две методики не дают адекватного распределения поля температур, но могут быть полезны для определения принципиальной возможности заданного охлаждения с использованием термоэлектрических элементов. Последние две методики позволяют корректно рассчитать температурное поле, но для использования третьей методики необходим дифференциальный коэффициент теплоотдачи, который может быть найден из расчета по четвертой методике. Сделан вывод о необходимости комбинированного использования методик в общем случае. Методы теплового баланса и среднего коэффициента теплоотдачи позволяют определить принципиальную возможность использования термоэлектрического охлаждения конкретного теплонапряженного элемента (ТЭ). Реальные параметры системы охлаждения должны определяться в рамках комбинации методов дифференциального коэффициента теплоотдачи и конечных элементов (МКЭ). Первый из них позволяет определить теплонапряженные области и рассчитать параметры системы охлаждения, которые обеспечивают тепловую разгрузку этих областей. Второй метод используется для проведения численных экспериментов по определению коэффициента теплоотдачи реальной конструкции
The article presents on the basis of the equations of heat transfer in a moving medium and the relations of heat transfer in a thermoelectric cooler, a comparative analysis of methods for calculating the temperature field in a heat-stressed element. We considered methods based on: 1) heat balance, 2) average heat transfer coefficient, 3) differential heat transfer coefficient, 4) direct calculation using the finite element method. We established that the first two methods do not provide an adequate distribution of the temperature field but can be useful for determining the principal possibility of a given cooling using thermoelectric elements. The last two methods allow us to correctly calculate the temperature field; but to use the third method, we need a differential heat transfer coefficient, which can be found from the calculation using the fourth method. We made a conclusion about the need for combined use of methods in a general case. The methods of thermal balance and average heat transfer coefficient allow us to determine the principal possibility of using thermoelectric cooling of a specific heat-stressed element. The actual parameters of the cooling system should be determined using a combination of the differential heat transfer coefficient and the finite element method. The first of them allows us to determine the heat-stressed areas and calculate the parameters of the cooling system that provide thermal discharge of these areas. The second method is used to perform numerical experiments to determine the heat transfer coefficient of a real structure