Розробка прецизійної термоелектричної системи охолодження для термостатування промислових мастильних систем

Abstract

Розглянуто питання ефективного охолодження мастила, що використовується для змащування важконавантажених деталей прокатних станів металургійних комбінатів, а саме підшипників тертя. Обговорюється доцільність та ефективність використання термоелектричних систем охолодження із застосуванням елементів Пельтьє. Проведено аналіз переваг і можливих недоліків використання термоелектричних систем охолодження. Мета. Обґрунтування доцільності та ефективності застосування прецизійних термоелектричних систем охолодження для термостатування мастильних систем важкого машинобудування, а також розв’язання проблеми їх масштабування до промислових потужностей. Методика. У дослідженні використовувалося математичне моделювання трибологічних процесів у гідродинамічному підшипнику для визначення несучої здатності мастильної плівки, яка описується класичним рівнянням Рейнольдса. Для врахування температурного фактору застосовано модифіковане рівняння Фогеля-Фулчера-Таммана. За умови високого рівня прецизійності термостатування мастила у роботі розглядалося використання багатокаскадних збірок на базі елементів Пельтьє на основі телуриду вісмуту. Для подолання фундаментального обмеження масштабування багатокаскадних термоелектричних охолоджувачів у роботі використовувались високопродуктивні мікроканальні теплообмінники з рідинним контуром тепловідведення. Результати. Доведено, що традиційні інерційні системи охолодження не здатні запобігти температурним флуктуаціям мастила в умовах динамічних навантажень, що критично знижує товщину гідродинамічного клину та підвищує ризик переходу до граничного тертя. Обґрунтовано застосування твердотільних термоелектричних охолоджувачів Пельтьє для прецизійного термостатування мастильних систем. Завдяки безінерційному керуванню струмом, термоелектричні системи охолодження здатні утримувати температуру з точністю до ±0.1 °С, що дозволяє стабілізувати несучу здатність мастильної плівки та розрахунково збільшити експлуатаційний ресурс підшипникових вузлів на 30–45 %. Наукова новизна. Запропоновано концептуально нову просторову архітектуру термоелектричного охолоджувача з інтеграцією мікроканального рідинного контуру тепловідведення. Забезпечення коефіцієнта конвективної тепловіддачі на рівні 8000 Вт/(м2 · К) гарантує стабілізацію температури гарячих спаїв та підтримує коефіцієнт перетворення енергії системи на високому рівні (0.6–0.8), навіть при екстремальних струмових навантаженнях. Практична значимість. Обґрунтовано застосування твердотільних термоелектричних охолоджувачів Пельтьє для прецизійного термостатування мастильних систем. Завдяки безінерційному керуванню струмом, запропоновані охолоджувачі здатні утримувати температуру з точністю до ±0.1 °С, що дозволяє стабілізувати несучу здатність мастильної плівки та розрахунково збільшити експлуатаційний ресурс підшипникових вузлів на 30–45 %.