Қазан–қараша–желтоқсан 30 желтоқсан 2015 ж. 1996 жылдан бастап шығады Жылына 4 рет шығады

Математическое моделирование тепломассопереноса… 

Серия «Физика». № 4(80)/2015 

37 

На рисунке 5 представлено температурное поле модели светодиодного светильника, работающе-

го при токе I = 0,1A и температуре окружающей среды Т = 25°С. Максимальная температура на кор-

пусе светодиодных матриц составила 38°С. 

 

 

Рисунок 5. Температурное поле светильника со светодиодами LG

3030N

 

По  результатам  расчетов  была  составлена  таблица 2, наглядно  демонстрирующая  различия 

при выборе  определенных  светодиодов  и  их  режимов  работы  при  проектировании  осветительных 

приборов. 

Т а б л и ц а   2  

Характеристики осветительных приборов 

Характеристика 1 

расчет 2 

расчет 3 

расчет 

Светодиоды NVSL219B 

NS6W183B

 

LG 3030N 

Мощность светильника, Вт 38 

37 

59 

Световой поток светодиодов, Лм 4448 

4704 

6864 

Кол-во светодиодов, шт. 16 

32 

88 

Стоимость светодиодов, тенге 4119 

6540 

3240 

 

 

Анализируя расчеты компьютерных моделей, можно сделать несколько выводов. 

1. В офисном освещении предпочтительно использовать светодиоды, работающие на малом токе 

(0,1А). Сравнивая расчеты, видно, что светильник, изготовленный с использованием светодиодов LG 

3030N, имеет большую светоотдачу в 1.5 раза (без учета потерь), большую мощность, но при этом 

температура на корпусе светодиодов различается на 6 градусов. Такая небольшая разница объясняет-

ся  равномерностью  распределения  светодиодов LG по  поверхности  теплоотвода  (корпуса),  а также 

меньшей мощностью каждого светодиода. 

2. Светодиоды малой мощности <1Вт могут стоить в разы дешевле мощных светодиодов и при 

этом превосходить их в световом потоке. 

3. Анализируя  тепловые  поля  всех  проведенных  расчетов,  целесообразно  располагать  пуско-

регулирующее  устройство  (драйвер)  не  внутри  светильника,  а  снаружи.  Расположение  драйвера 

внутри создает дополнительные оптические потери и неравномерную яркость на рассеивателе, а рас-

положение снаружи способствует лучшему охлаждению источника питания, а значит, более эффек-

тивной  и надежной работе светильника. Также размещение  источника питания снаружи упрощает 

обслуживание (ремонт) светильника. 

Для проведения натурного эксперимента для рассмотрения тепловых потоков в системе «свето-

диоды – корпус  светильника – окружающая  среда»  был  изготовлен  макет  светильника  типа 

«Armstrong»  с 16-ю светодиодами NVSL219B и потребляемой мощностью 38,5Вт при токе I = 0,35А. 

Максимальная температура светильника была измерена термопарой и составила 34°С. На основании 

этого можно сделать вывод, что разработанная модель светильника является достаточно достоверной 

и позволяет считать результаты компьютерного моделирования верными. 

А.Е.Бакланов, С.В.Григорьева, А.Н.Яковлев 

38 

Вестник Карагандинского университета 

Используя  предложенную  методику  расчета  тепломассопереноса  в  системе  «основание  свето-

диода – кристаллик – линза – окружающий воздух», можно создавать конструкции новых светильни-

ков, которые по анализу распределения температурных полей обеспечат долговременную работу ос-

ветительных приборов в соответствии с заявленным временем работы порядка 50 тыс. часов. 

 

Работа выполнена в рамках выполнения госбюджетной НИР «Оптимизация энергопотребления 

в  светодиодных  установках  совмещенного  освещения  с  автоматизированным  управлением:  алго-

ритмы, программное обеспечение, демонстрационный макет на ЭКСПО-2017». 

 

 

Список литературы 

1  Мосс Т., Баррел Г., Эллис Б. Полупроводниковая оптоэлектроника. — М.: Мир, 1976. — 214 с. 

2  Зи С. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984. — 456 с. 

3  Давиденко Ю. Современные светодиоды // Компоненты и технологии. — 2004. — № 5. — C. 12–16. 

4  Никифоров С. Температура в жизни и работе светодиодов // Компоненты и технологии. — 2005. — № 9. — C. 140–46. 

5  Сивухин Д.В. Общий курс физики. Электричество. — М.: Наука, 1977. — 704 с. 

6  Роуч П.Дж. Вычислительная гидродинамика. — М.: Мир, 1980. — 618 с. 

7  Джалурия Й. Естественная конвекция: тепло- и массообмен. — М.: Мир, 1983. — 399 c. 

 

 

А.Е.Бакланов, С.В.Григорьева, А.Н.Яковлев  

Жоғарғы қуатты жарық диоды үшін жылу жүйесіндегі жылу массасын 

тасымалдауды математикалық модельдеу 

Жұмыс барысында жылу массасын тасымалдау «жарық диодының тұрақтануы – кристалл – линза — 

қоршаған орта ауасы» стационарлы емес дифференциалдық теңдігінде негізделді, жылу массасының 

тасымалдау  процесімен  байланысқан  комплексімен  сипатталды.  Пуассон  теңдігінің  шешімі  сандық 

алгоритм түрінде берілген жəне  зерттелетін процестің уақыт өту мүмкіндігі, ток жүктемесінің шегі, 

жарық  диодының  жұмысы  критикалық  ішкі  шартымен  температура  режиміне  байланысты.  Берілген 

эксперименттің тарату нəтижесі температураның нақты жарықтандыру аспабында көрсетілді. 

 

A.E.Baklanov, S.V.Grigoryeva, A.N.Yakovlev 

Mathematical modeling of heat-and-mass transfer in the heat  

sink system for the high power LED 

In this paper we consider the heat and mass transfer in the «base of the LED – crystal – lens – ambient air» on 

the basis of non-stationary differential equations that describe the complex of interrelated processes. We pro-

pose an algorithm for numerical solution the Poisson equations that allows to receive the time of the test pro-

cess, limit current loads, critical external conditions and the temperature operating modes of the LED. 

The experimental results of the temperature distribution in real lighting devices are presented. 

 

 

References 

1  Moss Т., Barrel G., Allis B. Semiconductor Opto-Electronics, Moscow: Mir, 1976, 274 p. 

2  Sze S. Physics of Semiconductor Devices, Moscow: Mir, 1984, 456 p. 

3  Davydenko Yu. Components and technologies, 2004, 5, p. 12–16. 

4  Nikiforov S. Components and technologies, 2005, 9, p. 140–146. 

5  Sivukhin D.V. The general course of physics. Electricity, Moscow: Nauka, 1977, 704 p. 

6  Roache P.J. Computational fluid dynamics, Moscow: Mir, 1980, 618 p. 

7  Jaluria Y. Natural Convection: heat and mass transfer, Moscow: Mir, 1983, 399 p. 

 

 

Серия «Физика». № 4(80)/2015 

39 

UDC 531.53.043 

N.N.Shuyushbayeva

1

, K.Kussaiynov

2

, M.Stoev

3

, K.M.Shaimerdenova

2

,  

D.A.Ospanova

2

, B.A.Akhmadiev

2

, K.K.Sadenova

2

 

1

Sh.Ualikhanov Kokshetau State University; 

2

Ye.A.Buketov Karaganda State University; 

3

South-West University «Neofit Rilsky», Blagoevgrad, Bulgaria 

(E-mail: nn_shuish@mail.ru) 

Study of regularities of changes in the temperature  

near the U-shaped ground heat exchangers 

The article considers the results of a study heat transfer process is in ground heat exchangers, used for 

geothermal heat pumps. At the research facility performed experiments and calculations, confirming about 

the best of thermophysical indicators of moistened of sand. The experimentally determined the temperature 

distribution regularities in a neighborhood U-shaped of underground heat exchangers. 

Key words: renewable energy, heat pumps, underground heat exchangers, the temperature distribution. 

 

At the use of the low potential renewable energy of ground via of geothermal heat pumps for heating 

and cooling of buildings with one of the main elements is a underground of heat exchanger. Analysis of dif-

ferent types of ground heat exchangers showed that the best thermal and operating characteristics possess of 

the heat exchangers installed in vertical wells, which in tubes circulates low interest ethylene glycol solution 

as antifreeze [1, 2].  

The vertical ground heat exchanger efficiently works practically in all types of geological environ-

ments, except for soils with low heat conductivity, for example, of dry sand or dry gravel. The systems with 

the vertical ground heat-exchanger do not require the areas of large area and does not depend on intensity of 

solar radiation falling on a surface. The systems with the vertical ground heat-exchangers got very wide 

distribution [3–5].  

In works [6–8] a mathematical model and experiment, offered extraction of geological heat vertical heat 

exchangers. Studies of process of freezing of ground undertaken by means of smooth and finned thermal 

pipes. However, authors hired for research of heat exchange use not polyethylene pipes.  

The main advantages of polyethylene pipes are: high durability and inflexibility allow pipes to maintain 

intrinsic pressure to 1,6 MPa and external loading of soils; resistance to chemical influence of aggressive 

soils and chemicals; the low coefficient of elastic modulus of material allows to reduce the maximal size of 

dynamic  pressure during hydroblows; there is not necessity  of external isolation of pipelines from corrosion 

and arrangement of electrochemical protection; flexibility, inflexibility, lıght weight and high impact re-

sistance facilitate installation, reduce expenses; the calculated serviceable life of polyethylene pipelines 

makes 50 years [8]. 

Bearing in mind th

e

 

foregoing 

characteristics of polyethylene pipes and irresistibility of metal pipes to 

chemical influence of aggressive soils and chemicals, we consider actual use of polyethylene pipes in crea-

tion of heat exchangers. 

The main purpose of the work is research of heat exchangers of tubular elements of ground heat ex-

changers. For gaining of the purpose it is necessary to define dependences of temperature distribution in soil 

in the vicinity of the pipe, and also to get change of temperature on time in dry and wet soils. 

The parameters  of the heat-exchange setting of type are examined «ground-water» for research of heat 

exchange an experimental way: expense of cold streams and  difference of temperature of the chilled soil by 

means of thermal pipes. For this purpose it is necessary to develop and create the experimental unit, to carry 

out experiments of the main characteristics of process of heat transfers. 

Border terms for the calculation of experiment: input temperature of cold water t

input

 = 10 

o

C, soil tem-

perature on the site of the studied pipe input t

s

 = 23 

o

C. An ambient temperature made 23 

o

С.  

For the achievement the purpose set at the laboratory of hydrodynamics and heat exchange the experi-

mental stand for model operation of process of heat exchange in heat removable elements of heat pump in 

soil water systems was assembled. 

The experimental stand is shown in figure 1.  

 

N.N.Shuyushbayeva, K.Kussaiynov et a

40 

1 — a tank with water; 2 — a p

5 — switch is thermocoup

7 8 9 —

Figure 1. An experimenta

of th

The stand consists of two cont

2) the external contour of the heat 

heat pump consists of thermostat, fl

nometer. External diameter of a he

beginning and at the end of the stud

transmitting site with soil in the form

the switch of thermocouples, thermo

justment of expense of the heat carri

Carrying out experiment. Cold

The consumption of cold water is r

speed of the arriving liquid in the he

ule with a length of 5m filled with 

then it is humidified at the differen

0,5%, 1%, 2%, 5% and 10%. For m

ferent distances from the pipe surfa

cinity of the pipe. Experiments were

The parameters of heat transfe

dependence shown in figures 2 and 3

 

а)

 

Figure 2. Schedule of te

al. 

Вестник Караг

pipe; 3 — heat-section of with the ground; 4 — differe

ples; 6 — potentiometer for measuring the EMF of the

— thermocouples; 10 — municipal sewer spill pipe 

al stand for the simulation of heat transfer in heat pulli

he heat pump for systems of «ground-water» 

tours: 1) the internal contour with heat removable

giving site with sand. The internal contour with

low-measuring washer, heat removable site and d

at removable pipe of heat pump is 32 mm, thick

died pipe thermocouples are installed. The externa

m of the cylinder with a diameter of 600 mm. Al

ocouples, potentiometer for the EMF of thermoco

ier. 

d water from the tank enters to the heat removabl

regulated by the tap, and the differential pressur

eat removable pipe which is located on the center

soil. The tank imitates a well which is filled at f

nt percentage by water mass. Percentage of wat

monitoring of temperatures the thermocouples atta

ce are installed. They show distribution of tempe

e made in the site where there is hydrodynamic sta

er are determined by the obtained experimental d

3 are constructed. 

b)

emperature dependence on radius: a) - 0≤r≤5 cm; b) - 0

гандинского университета 

 

ential manometers;  

ermocouples;  

ing elements  

e pipe of the heat pump; 

h heat removable pipe of 

differential pressure ma-

kness is 3,5 mm. At the 

al contour includes heat-

lso the system comprises 

ouples and the tap of ad-

e pipe of the heat pump. 

re manometer shows the 

r of the cylindrical mod-

first with a dry soil, and 

ter weight in sand made 

ached to the ruler at dif-

eratures in soil in the vi-

abilization of liquid. 

data and the schedules of 

)

 

0≤r≤25 cm 

Серия «Физика». № 4(80)/2015 

In figure 2 the graphic change

schedule it is visible that at the clos

soil is parallel as the diameter of th

temperature of the soil is equated to 

ature in the soil decreases relatively

heat conductivity sharply increases 

air which is forced out by water from

 

Figure 3. Changes of temperatures in

the U-shaped tube of the heat 

Figure 3 shows the change in

changer tubes. The incoming flow o

tion of the fluid. 

From schedules in figure 4 we

humidity. In figure 4 dependence of

temperature changes by about 12 

о

С

that the wet soil increases heat remo

As now there are no heat excha

for each concrete object separately. 

is the quite composite system. 

By means of experiment studie

on time and distribution of temperat

ble elements of the heat pumps. Th

ture will be more, than on the wet. I

heat exchangers. 

 

 

1  Васильев Г.П. Использование низ

хладоснабжения здания // Теплоэнергетик

2  Бондарь Е.С.,  Калугин П.В.  Тепло

ния воздуха // Электронный журнал энерг

3  Stoev M., Kussaiynov K., Shuyushb

elements of ground heat exchangers // Вестн

4  Kussaiynov K., Shuyushbayeva N.N.

es of Heat Exchangers of the Soil of Dif

Blagoevgrad, 2015. — Р. 59–65.  

5  Kussaiynov K., Sakipova S.E., Shuy

tion heat exchangers for extracting the heat

Volume 9. — No 2 (18). — P. 19–23. 

6  Накорчевский А.И., Недбайло Н.А

вом аккумулировании теплоты // Тр. Четв

7  Васильев Е.Н., Деревянко В.А., Ма

// Тр. Четвертой Российской нац. конф. по

8  Kusaiynov K., Shuyushbayeva N.N.,

cesses of Tubular Elements of Ground Heat

— No 3. — Р. 676–680. 

Study o

es of temperature are represented at different rad

sest distance of 0 – 2 cm change of temperature i

he cylinder changes to 6 cm temperature increas

ambient temperature. From figure 3 it is seen tha

y from distance which is counted from the pipe s

in the process of increase in humidity of soil as 

m rock pores is about 30 times less than heat cond

n the sand between 

exchanger 

Figure 4. The change in t

n temperature across the sand moisture between

of liquid temperature varies more than in the tube

e see that the difference of temperature of soil de

f temperature of soils with various humidity on ti

С per hour, and in the wet soil only by 7 

о

С and 9

oval.  

angers for extraction of heat from soil, such syste

It should be noted that from the point of view of

es on stands the dependences of temperature cha

tures in soil in the vicinity of the polyethylene pi

e carried out experiments confirmed that on dry 

It gives the chance of application the wet soil as 

References 

зкопотенциальной тепловой энергии грунта поверхностн

ка. — 1994. — № 2. — C. 31–35. 

овой  насос — энергетически  эффективная  составляюща

госервисной компании «Экологические системы». — 20

bayeva N.N., Nurgalieva Zh.G., Ahmadiev B.A. Investigatio

н. Караганд. ун-та. — 2014. — № 2 (74). — P. 57–61. 

., Stoev M., Shaimerdenova K.M., Ospanova D.A., Akhmadi

fferent Humidities // Proceedings of the Fifth: Internation

yushbaуeva N.N., Ahmadiev B.A., Kuzhuhanova J.A. Electro

t from the ground at shallow depths // Eurasian Physical Te

А., Басок Б.И. Экспериментальное исследование переход

вертой Российской нац. конф. по теплообмену. — 2006. 

акуха А.В. Исследование процесса замораживания грунта

о теплообмену. — 2006. — Т. 7. — С. 175–178. 

, Shaimerdenova K.M., Nurgalieva Zh.G., Omarov N.N. Stu

t Exchangers // Journal of Engineering Physics and Thermo

of regularities of changes… 

41 

dial distances. From the 

n different humidities of 

es. In some moment the 

at distribution of temper-

surface. It is known that 

heat conductivity of the 

ductivity of water. 

emperature by time 

n the U-shaped heat ex-

e with the opposite direc-

ecreases with increase of 

ime is shown. In dry soil 

9 

о

С. From this it follows 

ems have to be designed 

f thermal physics the soil 

ange of dry and wet soils 

ipe used as heat remova-

soil change of tempera-

filler of wells of ground 

ных слоев Земли для тепло-

ая  систем  кондиционирова-

008. — № 5. 

on of heat transfer in tubular 

iev B.A. Research the Process-

nal Scientific Conferencе. — 

o-pulse technology of produc-

echnical Journal. — 2012. — 

дных процессов при грунто-

— Т. 7. — С. 290–293. 

а с помощью тепловых труб 

udy of the Heat-Transfer Pro-

ophysics. — 2015. — Vol. 88. 

N.N.Shuyushbayeva, K.Kussaiynov et al. 

42 

Вестник Карагандинского университета 

Н.Н.Шуюшбаева, К.Құсайынов, М.Стоев, К.М.Шаймерденова, 

Д.А.Оспанова, Б.А.Ахмадиев, К.К.Саденова 

U-тəрізді жер асты жылуалмастырғыштары маңындағы  

температураның өзгерісін зерттеу 

Мақалада  геотермалды  жылу  сорғыларында  қолданылатын  жер  асты  жылуалмастырғыштарындағы 

жылуалмасу  үдерістерін  зерттеу  нəтижелері  қарастырылған.  Зерттеу  қондырғысында  тəжірибелер 

жүргізіліп,  ылғал  құмның  ең  жақсы  электрофизикалық  параметрлерін  дəлелдейтін  есептеулер 

келтірілген.  U-тəрізді  жер  асты  жылуалмастырғыштарының  маңындағы  температуралардың  таралу 

заңдылықтары тəжірибелер жүзінде анықталды.   

 

Н.Н.Шуюшбаева, К.Кусаиынов, М.Стоев, К.М.Шаймерденова,  

Д.А.Оспанова, Б.А.Ахмадиев, К.К.Саденова 

жүктеу/скачать 11,76 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: