Расчет отвода тепла от основания светодиодного светильника при свободно конвективном теплообмене

Надежность и выходные характеристики светодиодных светильников тесно связаны с температурой светоизлучающих кристаллов входящих в них светодиодов. От соблюдения теплового режима работы светодиодов зависят световой поток светильника, а также деградация светодиодов во времени. Рассмотрена проблема отвода тепла от светодиодного светильника и возможные пути решения этой проблемы. В процессе расчета теплоотвода от светильников учтен градиент температуры и возникающая вследствие этого конвекция воздуха вблизи радиатора. Использованы известные аналитические решения, полученные, начиная с классической работы Польгаузена и кончая современными исследованиями, для задач обтекания воздухом плоских пластин при свободной конвекции. Приведены аналитические расчеты для решения вопроса теплоотвода при различных условиях разогрева светодиодных светильников и их расположения. Идея алгоритма состоит в том, что для заданных характерных сред (температуры, плотности, вязкости, коэффициентов теплопроводности, температуропроводности воздуха и размеров радиаторов) рассчитываются числа Прандтля, Рэлея, Грасгофа. По числу Грасгофа определяется режим конвекции - ламинарный, турбулентный, переходный. Использованы эмпирические формулы для вычисления числа Нуссельта для горизонтальной и вертикальной пластин при постоянной температуре или тепловыделении по поверхности. Зная число Нуссельта, вычисляется тепловой поток от поверхности. Для радиаторов светодиодных светильников с различным положением рассчитаны параметры конвекции, возникающей при нагреве светодиодов, с учетом приграничных потоков. При типичной температуре поверхности радиатора 90…110 °C размер пограничного слоя составляет около 1 см, а скорость конвекционного потока воздуха достигает 1,1 м/с при средней скорости около 0,35 м/с. Средние тепловые потери от свободной конвекции в воздухе максимальны при горизонтальном расположении радиатора и излучении тепла вверх, на 30 % ниже при вертикальном расположении радиатора и минимальны (25 % от максимального значения) при горизонтальном расположении радиатора и излучении тепла вниз.

Calculation of Heat Removal from the LED Luminaire Base by Free Convective Heat Transfer

The reliability and output characteristics of LED luminaires are closely linked with the temperature of light-emitting crystals of the LEDs used in these devices. The light flux produced by the luminaire and the degradation of its LEDs with time depend on the LED thermal operating conditions. The problem of heat removal from a LED luminaire is considered together with possible ways for solving it. The heat removal from luminaires is calculated taking into account the temperature gradient and air convection near the radiator resulting from this gradient. The calculation was carried out using the well-known analytical solutions obtained - starting from the classical work of Pohlhausen and ending with modern investigations - for the problems of analyzing free convection heat transfer for flat plates placed in air flow. Analytical calculations for solving the heat removal problem under different heating conditions of LED luminaires and their arrangement are presented. The idea of the algorithm is to calculate the Prandtl, Rayleigh, and Grashof numbers for the specified typical environment parameters (temperature, density, viscosity, thermal conductivity, and thermal diffusivity of air, and the radiator dimensions). The convection mode (laminar, turbulent or transitional) is determined by the Grashof number. Empirical formulas are used to calculate the Nusselt number for horizontal and vertical plates with constant temperature or heat release over the surface. The obtained Nusselt number is used to calculate the heat flux from the surface. The parameters of convection caused by the heating of LEDs are calculated for the radiators of LED luminaires having different orientation and taking into account near-boundary flows. With a typical radiator surface temperature equal to 90--110°C, the boundary layer size is about 1 cm, and the convection air flow velocity is up to 1.1 m/s with its average velocity equal to about 0.35 m/s. The average heat loss by free convection in air is maximal for the horizontally oriented radiator and with upward radiation of heat; its value is by 30% lower for the vertically oriented radiator, and is minimal (25% of the maximum value) with the horizontally oriented radiator and downward radiation of heat.