FIA 4 Sisteme de rcire forat 1. Sisteme de rcire forat pe baz de elemente disipatoare de cldur (radiatoare) n cazul acestor sisteme elementele active sunt aduse n contact direct cu elementele care disip cldura conducnd

astfel la un proces mai accentuat de rcire prin conducie.

Fig.1 Sistem de rcire cu radiator fix Fig.2 Sistem de rcire cu radiator mobil

n figura 1 este reprezentat elementul activ 1, de tip band, n contact cu radiatorul 2, de tip plac. Aceast soluie are dezavantajul c banda din AMF este n contact permanent (i n timpul procesului de nclzire) astfel c pentru a crete temperatura pn la cea de transformare de faz este nevoie de o cantitate mai mare de energie. Soluia se poate aplica pentru elemente active de forme simple (fir, band, plac) i nu poate fi aplicat pentru elemente de tip arc. De asemenea are dezavantajul c elementul activ este n micare n faza de revenire la forma memorat, astfel c este posibil ca la un moment dat s nu mai fie n contact cu radiatorul. Dezavantajele soluiei cu radiator fix n contact permanent cu elementul activ sunt eliminate de sistemele cu radiator mobil, n contact cu elementele din AMF doar n faza de rcire.

n figura 2 s-au folosit urmtoarele notaii: 1 i 1 fire din AMF n configuraie antagonist; 2 radiator mobil; 3 cuplaj cu alunecare; 4 element acionat. Cnd este activat elementul 1 antreneaz n sensul a, att elementul 4 ct i radiatorul 2 care ajunge n contact cu firul 1, aflat n faza de rcire. Datorit cuplajului 3 cursa elementului 4 poate continua chiar dac radiatorul 2 rmne n contact cu 1. Funcionarea este similar la activarea firului 1, caz n care radiatorul 2 ajunge n contact cu firul 1, aflat n faza de rcire. i n acest caz procesul de rcire poate fi fcut mai rapid prin alegerea unui material cu coeficient de conductibilitate temic mare i prin profilarea lui astfel nct suprafaa n contact cu mediul nconjurtor s fie ct mai mare.

Parametrul de material care caracterizeaz cantitativ transferul de cldur prin conducie este conductivitatea termic a materialului radiatorului, notat cu i exprimat n Wm-1K-1. Acest parametru reprezint cldura transferat pe unitatea de timp i pe unitatea de arie cnd temperatura scade cu 1 grad K pe unitatea de distan.

2. Sisteme de rcire forat pe baz de jet de aer i jet de ap Durata de rcire poate fi substanial diminuat prin convecie forat prin intermediul unui jet de fluid n contact cu

elementele active. Astfel se diferenieaz dou sisteme de rcire forat: cu jet de aer i jet de ap.

Fig.3 Rcire forat pe baz de jet de aer Fig.4 Rcire forat pe baz de jet de ap

n figura 3 este prezentat un actuator liniar bidirecional, diferenial simetric. Elementele active 1 i 1 sunt de tip arc elicoidal i antreneaz succesiv elementul mobil 2 n lungul ghidajelor 3 i 3. Cu 4 i 4 s-au notat piesele de capt. 1 i 1 sunt activate succesiv astfel c atunci cnd 1 este nclzit 1 se rcete i invers. Prin intermediul supapei selectoare S (care ndeplinete funcia logic SAU), comandat de semnalul de comanda Sc, jetul de aer este dirijat prin 5 i 5 fie ctre arcul 1 fie catre 1. Procesul de rcire este cu att mai rapid cu ct:

- elementele 1 i 1 au dimensiuni ct mai reduse; - cu ct temperatura mediului nconjurtor este mai mic; - cu ct viteza jetului de aer este mai mare, ceea ce determin valori diferite pentru coeficientul de transfer de

cldur, notat cu i msurat n W/m2K. Coeficientul are valori mai ridicate dac n locul jetului de aer se folosete un jet de lichid (cel mai frecvent jet de

ap) ca i n figura 4. n aceast figur este reprezentat un actuator rotativ al crui element activ 1 acioneaz rola 3 si elementul 3 mpotriva arcului de relaxare 2. Rcirea forat este asigurat prin circulaia lichidului 5 n interiorul tubului 4 de la orificiul de intrare I la cel de ieire O. Aceast soluie ridic urmtoarele probleme:

1

2

Qd

a bb

a

ab

1 1'

2

3

4

142

1' 3

4'3'

5 5'Sc

P

S

A

2

4

I1 5

3'3

O

B

- consum energetic mai ridicat n faza de nclzire, deoarece firul 1 este n ap; - necesitatea etanrii dinamice n A i B

Soluia descris mai sus se aplic pentru actuatorii care opereaz n mediu lichid, de exemplu pentru acionarea miniroboilor mobili prin evi sau miniroboi subacvatici .

Ambele forme pentru transferul de cldur (conductiv i convectiv) sunt evideniate prin coeficientul de transfer de cldur conductiv respectiv coeficientul de transfer de cldur convectiv. Pentru conducie acest coeficient este o caracteristic a materialelor i poate fi considerat o constant ntr-o gam limitat de temperaturi. Convecia depinde de mai multe variabile i este mult mai complex. Pentru aplicaii macroscopice valorile fizice tipice pentru coeficientul de convecie se situeaz ntre 2-25 W/m2 K.

3. Sisteme de rcire forat pe baz de fenomene termoelectrice Efectele termoelectrice sunt fenomene fizice care conduc la conversia cldurii n energie electric i invers. Ele se

datoreaz legturii dintre fenomenele electrice i cele termice care se manifest la contactul dintre cele dou materiale diferite i au proprietatea c orice inversare a sensului cauzei primare duce la o inversare a sensului efectului.

Dac unui circuit format dintr-un ansamblu de doi conductori sau semiconductori i se aplic o tensiune electromotoare, curentul electric ce se stabilete n circuit va produce o degajare de caldur la unul dintre contacte i o absorbie de caldur la cellalt contact . Considerm circuitul din figura 5, format dintr-o bar de bismut aflat ntre dou bare de cupru, circuitul fiind alimentat de la o baterie de curent continuu.

Fig. 5 Efectul Peltier Fig.6 Rcirea termoelectric

La trecerea curentului electric prin circuit se constat c jonciunea A (contactul Cu-Bi) se nclzete, ceea ce corespunde unei absorbii de cldur, iar jonciunea B (contactul Bi-Cu) se rcete, ceea ce corespunde unei degajri de cldur. Schimbnd sensul curentului electric, se constat o inversare a proceselor care apar la cele dou jonciuni A i B.

Efectul Peltier, poate fi utilizat pentru procesele de rcire forat. n figura 6 s-au folosit urmtoarele notaii: 1, 2 conductori; A, B jonciuni; 3 proba de rcit (aflat la temperatura T1); 4 element absorbant de cldur (la temperatura T0). Cldura este absorbit din elementul 3 la nivelul jonciunii A i transferat elementului 4. Un element pentru rcirea termoelectric (Thermoelectric Cooler TEC) este un sistem ce utilizeaz efectul Peltier, pentru a realiza un transfer de cldur.

Fig.7 TEC

n figura 7 s-au folosit urmtoarele notaii: 1 plac de rcire (faa rece); 2 material izolator; 3 material conductiv; 4 semiconductor P/N; 5 radiator disipator de cldur. Un TEC este constituit din 2 semiconductori de tip n, respectiv p, poziionai termic n paralel i conectai la o extremitate printr-o plac conductiv (Cu sau Al). Se aplic o tensiune la capetele libere ale celor dou metale; curentul prin jonciunea celor dou semiconductoare va creea o diferen de temperatur. Se absoarbe cldur din vecintatea plcii 1 i se transfer ctre placa 5. Cldura este transportat de ctre electronii mobili. Capacitatea de rcire este proporional cu curentul i cu numrul de perechi ale fiecrui TEC. Diferena de temperatur de pe cele dou fee este cuprins ntre 40C i 70C. Temperatura feei reci poate fi sczut cu zeci de grade dac temperatura celei calde este meninut sczut prin disiparea n mediu, cu un radiator a cldurii. TEC-urile comerciale sunt alctuite dintr-un numr de jonciuni ale unor semiconductoare de tip p i de tip n conectate din punct de vedere electric n serie i din punct de vedere termic n paralel. Aceste cupluri de materiale sunt amplasate ntre dou substraturi conductive termic termic dar izolatoare electric (figura 7b) . Elementele pentru rcirea termoelectric pot avea diferite forme i mrimi dar cel mai frecvent are form rectangular cu dimensiuni cuprinse ntre 3mm x 3mm i 60mm x 60mm (aceast limit superioar este dat de solicitrile termice ce apar ca urmare a dilatrilor). n figura 8 sunt prezentate diferite mrimi ale unor module termoelectrice. Grosimea este n jur de 4mm 10mm.

I A

B

2

31

4

Caldura absorbita

Caldura eliberataP

N

12 3 4 5

Fig. 8