Размещено на http://www.allbest.ru/

Надежность термоэлектрического кондиционера

В.З. Авилов, О.Б. Зайцев, А.П. Копылов, П.Ф. Осипов-Ивановский, И.В. Сгибнев, (к.ф-м.н.) Е.В. Ханин

НПП "Квант"

1. Технические решения для обеспечения надежности кондиционера

Кондиционер ТККМ-4,0 Т110 предназначен для поддержания комфортных условий по температуре и влажности в кабине машиниста подвижного состава. Надежность термоэлектрического кондиционера определяется надежностью входящих в его состав управляющих приборов, термоэлектрических преобразователей, вентиляторов и элементов конструкции. Наиболее уязвимой частью являются термоэлектрические элементы (модули), обеспечивающие охлаждение. Выход их из строя возможен из-за воздействия электрохимической эрозии, разрушения термоэлектрических ветвей вследствие каких-либо механических воздействий, обрыва токовыводов, закорачивания модулей на корпус кондиционера и т.д. В результате таких отказов возможен либо обрыв электрической цепи модуля, либо прохождение тока, минуя этот модуль. Используемые модули обладают высокой надежностью, однако, в связи с заявленным сроком службы кондиционера, сопоставимым со сроком службы подвижного состава, необходимо учитывать возможность таких отказов.

С целью повышения надежности кондиционера используется параллельно-последовательная схема соединения модулей [1], когда они включаются параллельно и образуют звено, а звенья включаются последовательно, что исключает разрыв электрической цепи кондиционера при отказе отдельных модулей. При разрушении какого-либо модуля, или же обрыва его токовывода, происходит перераспределение тока на остающиеся работоспособные модули, включенные в параллель с вышедшими из строя. В случае одиночных отказов такого рода в разных звеньях перераспределение тока в модулях, оставшихся работоспособными, незначительно, и термоэлектрический кондиционер сохраняет свою работоспособность.

Наиболее серьезный случай, когда выходят из строя несколько модулей какого-либо одного звена, следует рассмотреть отдельно, хотя вероятность реализации такого события мала. В этом случае ток, перераспределившийся на работоспособные модули звена, увеличивается скачками по мере выхода из строя очередного модуля и, в конечном счете, может превысить допустимые величины, что приведет к отказу всего кондиционера в целом. Скачки тока обусловлены увеличением напряжения на звене из-за увеличения его сопротивления по мере выхода из строя модулей.

Закорачивание двух токовыводов модуля в звене также приводит к скачку напряжения на остальных звеньях, так как ток в этом случае идет мимо закороченного звена.

С целью повышения надежности, нами были выбраны соответствующая конструкция кондиционера, схема соединения термоэлектрических элементов (модулей), а также режим их работы.

В блоке кондиционера содержится 96 термоэлектрических элементов (модулей) типа ТМ127-2,0-15,0. Внутреннее сопротивление модулей составляет 0,8 Ом; бортовое напряжение, питающее кондиционер, равно 110 В. Модули контактируют своими теплообменными площадками с основаниями горячих и холодных радиаторов. Выделяющееся тепло, снимаемое горячими радиаторами, выносится с помощью вентиля-торов наружу, а холод, снимаемый холодными радиаторами, с помощью вентиляторов поступает в кабину машиниста.

Горячий радиатор состоит из восьми секций, изолированных друг от друга и от несущей рамы. На каждую секцию горячего радиатора приходится двенадцать термоэлектрических модулей. Количество холодных радиаторов в блоке кондиционера ? сорок восемь, каждый холодный радиатор объединяет два модуля, а на одну секцию горячего радиатора приходятся шесть холодных. Холодные радиаторы также изолированы от горячих радиаторов и от несущей рамы. Термоэлектрические модули соединены параллельно по четыре, образуя звено, а звенья, в количестве двадцати четырех, соединены последовательно.

Все электрические соединения, токовые выводы модулей, силовые провода расположены со стороны холодных радиаторов. Изоляция радиаторов препятствует закорачиванию токовыводов на металлические части конструкции (например, на основания радиаторов) и, тем самым, снижает вероятность отказов по этим причинам.

Кроме того, согласно предложенной схеме соединения модулей кондиционера, реализуется режим его работы с максимальным холодильным коэффициентом к [2, 3] (к = Q/W, где Q - холодопроизводительность кондиционера, W - затраченная мощность). Такой режим работы характеризуется достаточно высокой холодопроизводительностью при минимальной затраченной мощности. Так, если в режиме максимальной холодопроизводительности номинальный ток через модуль должен составлять 15 А, то в данной конструкции, в которой реализуется режим максимального холодильного коэффициента, ток через модуль составляет 4,1 А, т. е. значительно меньше номинального. Это обусловлено необходимостью получения достаточной холодопроизводительности (не менее 2200 Вт) при ограниченном потреблении модулями мощности (менее 1800 Вт). Такой режим, помимо минимального потребления энергии, позволяет сохранить работоспособность кондиционера в случае выхода из строя одного, двух или даже трех из четырех модулей в звене. Так, при выходе из строя одного модуля ток на остающихся в звене модулях возрастает с 4,1 А до 5,41 А; при выходе из строя двух модулей ток увеличивается до 7,84 А, а при выходе из строя трех модулей в звене ток через оставшийся работоспособный модуль достигает 14,0 А, что соответствует рекомендуемому току в режиме максимальной холодопроизводительности. Переход от режима максимального холодильного коэффициента к режиму максимальной холодопроизводительности работоспособного модуля при таких отказах в эвене приводит лишь к небольшому снижению общей холодопроизводительности звена вследствие увеличения нагрузки на работоспособные модули.

В табл. 1 представлены величины напряжений и токов на модулях в звене из четырех модулей типа ТМ127-2,0-15,0 для случаев, как со всеми работающими модулями звена, так и при выходе из строя одного, двух или трех модулей в одном звене.

надежность термоэлектрический кондиционер

Таблица 1

В случае закорачивания двух токовыводов модуля на основании какого-либо радиатора выводятся из работы и оставшиеся три модуля звена, так как ток будет идти минуя их. В этом случае скачок напряжения на остающихся модулях и его влияние на работоспособность кондиционера незначительны. В случае закорачивания модулей секции таким образом, что выводятся из работы все модули секции (в количестве двенадцати), то и в этом случае напряжение на остающихся модулях возрастает с 4,1 А до 4,68 А, что также не приводит к выходу из строя всего кондиционера в целом.

Закорачивание двух или нескольких токовыводов модулей на различные секции горячих радиаторов или радиаторов холодных никак не сказывается на работоспособности кондиционера.

Таким образом, деление горячего радиатора на изолированные секции, изолирование холодных радиаторов, выбор принятой схемы соединения модулей, а также указанного режима их работы позволяет обеспечить срок службы кондиционера, сопоставимый со сроком службы подвижного состава.2. Расчет надежности кондиционера

Кондиционер функционально содержит два блока. Каждый блок состоит из двух последовательно соединенных полублоков термоэлектрических модулей (ТЭМ), 4-х вентиляторов кондиционирующего канала, 4-х вентиляторов технологического канала и преобразователя напряжения (ПН). Кроме того, в состав кондиционера входит пульт автоматического управления, общий для обоих блоков.

Блок ТЭМ включает 96 полупроводниковых модулей, объединенных в 24 последовательно включенных звена. В каждом звене 4 модуля соединены параллельно.

Электропитание термомодулей и вентиляторов осуществляется от ПН по отдельным цепям, причем напряжение на вентиляторы подается с предварительным преобразованием 110/48 В.

Кондиционер на тепловозе работает в условиях различных разрушающих факторов: сезонного и суточного колебания температур, влажности, а также под воздействием вибраций и линейных перегрузок. Для уменьшения влияния коррозии, оба канала герметизированы материалом ППЭ, имеющим минимальное влагопоглащение. Кроме того, предусмотрены периодические циклы «сушки» для удаления влаги из охлаждающего контура. Для защиты от перегрева модулей логика управления предусматривает контроль их температуры и отключение питания при достижении температуры основания «горячего» радиатора, равной 70 С. Собственная температура модуля при этом не превышает 80 С, тогда как материал модуля рассчитан на максимальную температуру 180 С. Для защиты модулей от перегрузки уровень номинальной мощности выбран на уровне (0.25 - 0,3) Pmax. Дополнительным защитным фактором для модулей являются блокировки резкого перехода от режима «охлаждения» к режиму «нагрева» и наоборот, предусмотренные логикой автоматического управления кондиционером.

Предварительный расчет надежности, приведенный в данном отчете, выполнен по приближенной методике на основании вероятностных показателей. При этом надежность жгутов, а также неподвижных элементов конструкции, не находящихся под напряжением, принята равной 1. Другое допущение при расчете надежности состоит в предположении, что в течение расчетного ресурса кондиционера сохраняется режим «охлаждения», т.е. из рассмотрения исключаются режимы «нагрева» и «сушки», как более щадящие по сравнению с режимом «охлаждения», поскольку в этих случаях не работают вентиляторы технологического контура. Ожидаемая оценка расчетной величины показателя надежности при таких допущениях должна быть пониженной. Очевидно также, что такое же влияние на расчетный результат окажет исключение переходных режимов работы кондиционера, реализуемых при вдвое меньшей электрической нагрузке на модулях.

При расчетной оценке надежности следует учитывать, что требуемый срок службы кондиционера (не менее 120000 часов) превышает технический ресурс вентиляторов - 60000 часов, а также гарантийный срок работы ПН и пульта (24 месяцев), т.е. как вентиляторы, так и пульт, и ПН рассматриваются как ремонтируемые или заменяемые комплектующие в течение срока службы кондиционера. Поэтому кондиционер рассматривается в целом как устройство с восстановлением. Поскольку следствием выхода из строя вентилятора (из-за отказа двигателя) является лишь незначительное уменьшение мощности кондиционера, и эта мощность восстанавливается после ремонта (или замены) отказавшего вентилятора, можно принять надежность двигателя вентилятора равной 1.

В качестве показателя надежности кондиционера в целом (с учетом сформулированных выше допущений) принята вероятность его безотказной работы в течение 120000 часов. Дополнительно определяется также надежность кондиционера при работе в течение гарантийного срока службы (18000 часов).

Количественной характеристикой работоспособности кондиционера в соответствии с принятыми допущениями является величина его «холодопроизводительности», измеряемая в единицах мощности, которая у новых кондиционеров должна быть по проекту на уровне 4500 Вт, а в течение ресурса должна быть не ниже 4000 Вт при работе обоих блоков.

Расчет показателя надежности кондиционера с учетом принятых допущений выполняется, ввиду независимости отказов в ПН и в блоках ТЭМ, по формуле:

, (1)

где PK - надежность кондиционера; PПН - надежность ПН при обеспечении электропитанием блоков: ТЭМ и вентиляторов кондиционирующих и технологических контуров блоков; PM - надежность блоков ТЭМ кондиционера.

Надежность ПН, изготовленного в соответствии с требованиями к производству военной техники, принята равной: PПН = 0, 95 - для ресурса 120000 часов; PПН = 0, 99 - для срока службы 18000 часов.

При определении надежности ТЭМ исходим из величины показателя надежности единичного модуля, который вычисляется с учетом экспоненциальной зависимости надежности от времени:

Р = exp (- T), (2)

где P - надежность единичного модуля; - интенсивность отказов модулей, час-1; T - длительность функционирования кондиционера, час.

Отказы модулей рассматриваем только в виде «обрыва», т.к. короткие замыкания в заложенной схеме коммутации модулей маловероятны по сравнению с обрывами. Максимально возможное число (М) отказавших модулей в кондиционере, при котором его «холодопроизводительность» сохраняется в допустимых пределах, определим в предположении, что мощность кондиционера пропорциональна числу исправных модулей, т.е.:

Число отказавших модулей в течение заданного времени (m) подчиняется биноминальному закону распределения, а именно:

(3)

При большом числе модулей биноминальное распределение становится близким к нормальному распределению, для которого имеются табличные данные для нормализованных случайных величин:

(4)

и тогда надежность блоков ТЭМ кондиционера (PM) определится как:

. (5)

Результаты расчетов представлены в таблице для суммарного числа отказавших модулей в обоих блоках кондиционера М = 21. Для величины интенсивности отказов модулей, использованной в расчетах, выбрано максимальное значение для полупроводниковых приборов по данным 7-го, 8-го и 9-го симпозиумов США [4], которое принято равным: = 0,7 10-6 час-1.

В табл. 2 приведены результаты расчетов надежности модуля, ПН и кондиционера в целом как для гарантированного срока службы, так и для полного ресурса.

Таблица 2

Литература

1. Цветков Ю.Н., Аксенов С.С., Шульман В.М./Судовые термоэлектрические охлаждающие устройства. Судостроение, Л., 1972.

2. Иоффе А.Ф./Полупроводниковые термоэлементы. Издательство АН СССР, М-Л, 1960.

3. Бурштейн А.И./Физические основы расчета термоэлектрических устройств. Физматгиз, М, 1962.

4. Сборник задач по теории надежности. Советское радио, 1972.

Размещено на Allbest.ru