Calculation of Heat Removal from the LED Luminaire Base by Free Convective Heat Transfer
Abstract
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.
References
2. Гюлер Ё., Манав Б., Онайгил С., Эркин Е. Экспериментальное сравнение энергетических характеристик и зрительной комфортности люминесцентных и светодиодных трубчатых ламп // Светотехника. 2014. № 3. С. 18—23.
3. Варфоломеев Л.П. О действительной энергоэффективности применения светодиодов в осветительных установках // Светотехника. 2012. № 6. С. 22—25.
4. Маркова С., Туркин А. Актуальные направления применения мощных светодиодов // Полупроводниковая светотехника. 2015. № 2. С. 56—62.
5. Шаракшанэ А. Выбор формы радиатора или в каких случаях радиатору нужны ребра // Светодиоды: Чипы, Продукция, Материалы, Оборудование: Труды II Междунар. конф. М., 2013.
6. Дорожкин Ю.Б. Оптимизация теплоотведения в светодиодном светильнике с пассивным охлаждением // Там же.
7. Дорожкин Ю., Матешев И., Туркин А. Новинки компании Cree: светодиоды средней мощности на керамическом основании и расширение линейки высоковольтных светодиодов // Полупроводниковая светотехника. 2013. № 4. С. 9—11.
8. Лебедев И., Сапрыкин А., Абалов А. Требования, предъявляемые проектными и эксплуатирующими организациями к автодорожным светодиодным светильникам // Полупроводниковая светотехника. 2015. № 2. С. 70—73.
9. Цветков Ф.Ф., Тригорьев Б.А. Тепломассообмен. М.: Изд. дом МЭИ, 2006.
10. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А., Соловьев С.Л. Теплообмен в ядерных энергетических установках. М.: Изд-во МЭИ, 2003.
11. Беляев В.В., Курилов А.Д., Нессемон К.Д. Теплоотводящий радиатор синусоидальной формы // По- лупроводниковая светотехника. 2016. № 4. С. 32—35.
12. Попов И.В., Беляев В.В. Расчет формы радиаторов светодиодных светильников // Вестник Московского государственного областного университета. Серия «Физика–математика». 2013. № 1. C. 75—81.
13. Пат. № 107572 РФ. Модульный светодиодный светильник / В.В. Беляев, М.П. Щербатова, И.В. Андриянова // Изобретения. Полезные модели. 2011. Бюл. № 23.
---
Для цитирования: Клейменов Е.П., Кузнецов М.М. Беляев В.В. Расчет отвода тепла от основания светодиод-ного светильника при свободно конвективном теплообмене // Вестник МЭИ. 2018. № 1. С. 86—90. DOI: 10.24160/1993-6982-2018-1-86-90.
#
1. Belyaev V. Svetodiody i Ploskopanel'nye Displei. Sovmeshchenie Nesovmestimyh. Elektronika: Nauka, Tekhnologiya, Biznes. 2013;8.:82—95. (in Russian).
2. Gyuler Yo., Manav B., Onaygil S., Erkin E. Eksperimental'noe sravnenie Energeticheskih Harakteristik i Zritel'noy Komfortnosti Lyuminestsentnyh i Svetodiodnyh Trubchatyh Lamp. Svetotekhnika. 2014. 3: 18—23. (in Russian).
3. Varfolomeev L.P. O Deystvitel'noy Energoeffektivnosti Primeneniya Svetodiodov v Osvetitel'nyh Ustanovkah. Svetotekhnika. 2012;6:22—25. (in Russian).
4. Markova S., Turkin A. Aktual'nye Napravleniya Primeneniya Moshchnyh Svetodiodov. Poluprovodnikovaya Svetotekhnika. 2015;2:56—62. (in Russian).
5. Sharakshane A. Vybor Formy Radiatora ili v Kakih Sluchayah Radiatoru Nuzhny Rebra. Svetodiody: Chipy, Produktsiya, Materialy, Oborudovanie: Trudy II Mezhdunar. Konf. M., 2013. (in Russian).
6. Dorozhkin Yu.B. Optimizatsiya Teplootvedeniya v Svetodiodnom Svetil'nike s Passivnym Ohlazhdeniem. Tam zhe. (in Russian).
7. Dorozhkin Yu., Mateshev I., Turkin A. Novinki Kompanii Cree: Svetodiody Sredney Moshchnosti na Keramicheskom Osnovanii i Rasshirenie Lineyki Vysokovol'tnyh Svetodiodov. Poluprovodnikovaya Svetotekhnika. 2013;4:9—11. (in Russian).
8. Lebedev I., Saprykin A., Abalov A. Trebovaniya, Predyavlyaemye Proektnymi i Ekspluatiruyushchimi Organizatsiyami k Avtodorozhnym Svetodiodnym Svetil'nikam. Poluprovodnikovaya Svetotekhnika. 2015;2: 70—73. (in Russian).
9. Tsvetkov F.F., Trigor'ev B.A. Teplomassoobmen. M.: Izd. dom MPEI, 2006. (in Russian).
10. Petuhov B.S., Genin L.G., Kovalev S.A., Solov'ev S.L. Teploobmen v Yadernyh Energeticheskih Ustanovkah. M.: Izd-vo MPEI, 2003. (in Russian).
11. Belyaev V.V., Kurilov A.D., Nessemon K.D. Teplootvodyashchiy Radiator Sinusoidal'noy Formy. Poluprovodnikovaya Svetotekhnika. 2016;4:32—35. (in Russian).
12. Popov I.V., Belyaev V.V. Raschet Formy Radiatorov Svetodiodnyh Svetil'nikov. Vestnik Moskovskogo Gosudarstvennogo Oblastnogo Universiteta. Seriya «Fizika–Matematika». 2013;1:75—81. (in Russian).
13. Pat. № 107572 RF. Modul'nyy Svetodiodnyy Svetil'nik / V.V. Belyaev, M.P. SHCHerbatova, I.V. Andriyanova. Izobreteniya. Poleznye Modeli. 2011;23. (in Russian).
---
For citation: Kleimenov E.P., Kuznetsov M.М., Belyaev V.V., Nessemon K.D. Calculation of Heat Removal from the LED Luminaire Base by Free Convective Heat Transfer. MPEI Vestnik. 2018;1:86—90. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2018-1-86-90.
