Методика выбора конструктивных и режимных параметров термоэлектрического термостата с неизотермической камерой

МЕТОДИКА ВЫБОРА КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТЕРМОСТАТА С НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ КАМЕРОЙ

Ф.Ю. Тахистов

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор A.B. Шарков

Предлагается методика выбора параметров термоэлектрического термостата, температурное поле камеры которого является неизотермичным. Основой методики являются полученные зависимости коэффициента неравномерности температурного поля камеры.

Среди устройств, служащих для охлаждения и термостатирования объектов, распространены термоэлектрические термостаты, в которых роль радиатора холодной стороны играют стенки камеры из теплопроводящего материала [1, 2]. Температурное поле камеры в общем случае неизотермично, условно назовем такой термостат ТНК -термоэлектрический термостат с неизотермической камерой (рис. 1).

1

-\ 2

Рис. 1. Термоэлектрический термостат с неизотермической камерой: 1 - термостатируемый объект; 2 - камера; 3 - теплоизоляция; 4 - вентилятор холодной стороны; 5 - теплопровод; 6 - термоэлектрический модуль (ТЭМ); 7 - радиатор;

8 - вентилятор горячей стороны

Характерными температурами термостата являются температура объекта охлаждения (воздуха в камере) Tob, среднеповерхностная температура камеры Tcam, температура камеры в месте крепления ТЭМ (источников теплоты) Tkrep, температуры горячего и холодного спаев ТЭМ Th и Tc.

В качестве исходных данных задаются: температура среды Ta, температура воздуха в камере Tob, максимальный перепад температуры по стенкам камеры 5Tcam, размеры (объем) камеры, максимальные габариты и вес термостата, потребляемая мощность Р, время выхода на режим to.

Введем понятие коэффициента неравномерности [3, 4] камеры: T - T

b _ a krep

ream m m * V /

a eam

Рассмотрим методику выбора конструктивных и режимных параметров ТНК на примере ТНК с камерой кубической формы, с одинаковыми характеристиками теплоизоляции для всех стенок, при условии, что теплообмен в камере мал по сравнению с теплопроводностью по стенкам камеры, а тепловыделения в объеме камеры отсутствуют. Принимая, что среднеповерхностная температура камеры равна среднему от ее

максимальном и минимальном температур, и учитывая, что при отсутствии тепловыделений Tcam=Tob, получим:

pCflm = 1, (2) 2 •STob

где ÔTob=Ta - Tob .

Коэффициент неравномерности камеры определяется отношением размеров стенки и источника теплоты LIK и модифицированным числом Био теплоизоляции:

Bins ,

1-0ins •S

где 1 и lins - соответственно коэффициенты теплопроводности камеры и теплоизоляции, S и ôins - соответственно толщина стенки камеры и толщина теплоизоляции.

На рис. 2 представлены зависимости коэффициента неравномерности при условии использования одного, двух, четырех источников теплоты, имеющих форму квадрата и расположенных по центру стенок камеры.

Методика выбора параметров ТНК заключается в следующем.

1. Рассчитывается требуемый коэффициент неравномерности камеры bcam по формуле (2).

2. Задается К - размер источника теплоты на стенке камеры в форме квадрата. Например, К можно задать равным от 40 мм до 50 мм, в соответствии с возможностью применения теплопровода с большим поперечным размером, чем стандартный размер ТЭМ, равный 40 мм.

3. Определяется, при условии применения одного ТЭМ, значение модифицированного числа Био по рис. 2а, исходя из коэффициента неравномерности камеры по п. 1 и отношения LIK.

4. Решается вопрос о конструктивной возможности обеспечения требуемого по п. 3 значения модифицированного числа Био. Для выбранных толщин и материалов камеры и теплоизоляции значение модифицированного числа Био, вычисленное по формуле (3), должно быть не больше требуемого, при этом должны соблюдаться ограничения по габаритам и весу термостата.

5. В случае отрицательного решения по п. 4 проводятся соответствующие расчеты с числом ТЭМ, равным 2, 4, и таким образом выбирается число ТЭМ.

6. Задается рабочий перепад температур на ТЭМ AT=Th-Tc. Величина DT складывается [5] из полезного перепада 5Tob, перепада по холодной стороне ТНК - не менее STcamI2 и перепада по горячей стороне, величина которого для вынужденной конвекции примерно соответствует 15-20 К:

DT = ÔTcamI2 + ÔTob+ 15-20 К.

7. Выбирается безразмерная величина напряжения питания - для ЛТ~40-55 К напряжение составляет от максимального напряжения ТЭМ Umax, ПРИ меньших перепадах, т.е. работе в экономичном режиме —/ от Umax.

8. Определяется безразмерная разность температур dt как отношение DT к максимальной разности температур на ТЭМ (~70 К):

dt = DT I 70 К.

9. Определяется безразмерная холодильная мощность q по универсальным нагрузочным кривым рис. 3.

10. Вычисляется теплоприток на стенки камеры Qc= 5TobIRins (т.е. холодильная мощность, учитывая, что Tcam=Tob).

11. Определяется максимальная холодильная мощность модулей Qsum как отношение холодильной мощности Qc к безразмерной максимальной мощности q.

а) один источник теплоты

б) два источника теплоты, на противоположных стенках

в) четыре источника теплоты, симметричное

расположение

- 1Ж=10

..... 1Ж=5

- 1Ж=4

..... 1Ж=3

- иК—2

..... 1Ж=1.5

- 1Ж=1.25

..... 1Ж=1

Рис. 2. Зависимости коэффициента неравномерности температурного поля камеры от соотношения размеров стенки и источника теплоты, модифицированного числа Био

теплоизоляции

Рис. 3. Зависимость безразмерной холодильной мощности от безразмерной разности температур для различных условий электрического питания ТЭМ

12. Выбирается тип ТЭМ по каталогам производителей (максимальная холодильная мощность ТЭМ должна превышать значение 0;ит, деленное на ранее найденное число ТЭМ).

13. Определяется потребляемая мощность ТЭМ Р, исходя из безразмерной величины напряжения (тока) и максимальных значений напряжения и тока, приведенных в каталоге.

14. Определяется требуемое тепловое сопротивление радиатора как отношение принятого ранее перепада температуры на нем к теплопроизводительности (сумме холодильной и потребляемой мощностей). Рассчитывается тепловое сопротивление радиатора, размещаемого в заданных габаритах.

15. Проводится поверочный расчет и при необходимости корректировка параметров. Направления корректировки параметров термостата приведены в табл. 1

Требование Направления корректировки

Увеличить перепад воздуха в камере 5Тоь 1. Улучшить теплоизоляцию. 2. Оптимизировать параметры радиаторов и вентиляторов горячей стороны. 3. Увеличить количество, напряжение питания на ТЭМ

Уменьшить перепад температуры по стенкам камеры 5Тсат 1. Увеличить толщину стенок камеры. 2. Установить большее количество ТЭМ, равномерно распределив их по камере ТНК. 3. Оптимизировать параметры вентиляторов холодной стороны

Уменьшить потребляемую мощность Р 1. Улучшить теплоизоляцию. 2. Уменьшить напряжение питания на ТЭМ

Уменьшить время выхода на стационарный режим т 1. Оптимизировать толщину стенок камеры, размеры теплопроводов. 2. Увеличить напряжение питания вентиляторов холодной стороны

Таблица 1. Направления корректировки параметров ТНК

Изложенная методика выбора конструктивных и режимных параметров была использована при создании различных термоэлектрических устройств, в частности, термокамеры для воспроизведения климатических условий Крайнего Севера. В данной

термокамере необходимо было обеспечить перепад температур между средой и стенками камеры 20°С-(-70°С)=90 К, при равномерности температурного поля не хуже 1 К, т.е. коэффициент неравномерности должен быть менее рсат=1.006. Столь низкое значение коэффициента неравномерности было обеспечено путем равномерного размещения трехкаскадных термоэлектрических модулей по четырем стенкам камеры, изготовленной из меди и имеющей толщину стенок 10 мм.

Рис. 4. Термоэлектрическая термокамера для воспроизведения климатических условий Крайнего Севера

Литература

1. Коломоец Н.В., Грабой Л.П., Гребенкин А.С., Спокойный М.Ю. Тепловая модель малогабаритного термоэлектрического термостата. // Вопр. радиоэлектрон. Сер. ТРТО. 1982. № 3. С. 17-24.

2. Орлов B.C., Серебряный Г.Л. Термоэлектрические холодильники. М.: Информэлек-тро, 1972. 81 с.

3. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высшая школа, 1984. 247 с.

4. Takhistov Ph. Temperature field irregularity of thermoelectric systems. // Proceedings of the Twenty First Conference on Thermoelectrics. Long Beach, CA, USA, 2002. P. 504505.

5. Лобунец Ю.Н. Методология проектирования термоэлектрических преобразователей энергии. // Термоэлектричество. № 3. 2003. С. 88-90.