Материал: Д5374П Булат Л.П. Бузин Е.В. Темоэлектрические охлаждающие у
Особенности работы программы “Kryotherm”
Выбор модулей, схемы соединения и источника питания
Данная программа позволяет проводить расчеты систем охлаждения и термостатирования, использующих полупроводниковые термоэлектрические модули производства ИПФ "Криотерм" [10]. Программа представляет свыше 150 различных модулей, и пользователь всегда может просмотреть его параметры в конкретной конструкции термоэлектрической системы. Для выбора модуля необходимо нажать на кнопку "Select Module" и выбрать одну из закладок с типом модуля. Также необходимо определить количество таких модулей. Последние могут быть соединены параллельно, последовательно или последовательно-параллельно. Выбор схемы соединения необходим, когда разработчик ориентируется на определенный источник питания. Программа позволяет задавать напряжение или ток источника мощности.
Определение параметров холодной и горячей сторон
Для определения характеристик модуля в термоэлектрической системе необходимо задать параметры холодной и горячей сторон (тепловые сопротивления Rh и Rc). Программа предлагает ввести или рассчитать промежуточное тепловое сопротивление. Оно учитывает особенности крепления модулей (через теплопроводную пасту и теплопровод).
Расчет промежуточного теплового сопротивления
В термоэлектрических системах крепление модулей к теплообменникам осуществляется через специальное вещество, служащее для уменьшения контактного термического сопротивления. Обычно это контактная теплопроводная паста (коэффициент теплопроводности около 0.8 Вт/м К). Между теплообменником и модулем может располагаться теплопровод. Его наличие может быть связано с особенностями конструкции термоэлектрической системы. Программа позволяет учесть наличие теплопровода и теплопроводной пасты в термоэлектрической системе.
Расчет теплового сопротивления теплообменника
Теплообменники обычно представляют собой пластинчатые радиаторы, изготавливаемые из алюминия или другого материала с высокой теплопроводностью. Тепловое сопротивление радиатора зависит от его габаритов, оребрения, коэффициента теплопроводности материала и коэффициента конвективной теплоотдачи к поверхности радиатора. Коэффициент теплоотдачи определяется типом теплопередачи и средой (газ или жидкость). Программа дает возможность рассчитать коэффициент теплоотдачи, когда теплопередача осуществляется вынужденной конвекцией, или когда задан поток.
На основе исходных данных программа рассчитает тепловое сопротивление оребренной поверхности теплообменника. Также важно учесть передачу тепла от оребренной поверхности к термоэлектрическим модулям по основанию радиатора. Программа дает возможность ввести значение соответствующего коэффициента неравномерности поля температур. Зная тепловое сопротивление оребренной поверхности радиатора, размеры основания и коэффициент неравномерности, можно определить тепловое сопротивление основания радиатора.
В сумме тепловые сопротивления основания и оребренной поверхности радиатора дают общее тепловое сопротивление радиатора по горячей или холодной стороне. Эта величина во многом будет определять эффективность работы термоэлектрической системы.
Расчет коэффициента теплоотдачи
Тепловое сопротивление теплообменника в значительной степени зависит от величины коэффициента теплоотдачи. Программа позволяет провести все промежуточные теплофизические расчеты и в конечном итоге – рассчитать коэффициент теплоотдачи. Следует отметить, что в этом смысле данную программу удобно использовать для любых тепловых расчетов из курса “Процессы и аппараты”.
Кроме того, система позволяет оценить и гидравлическое сопротивление теплообменника. Знание этой величины необходимо для подбора вентилятора или насоса, который сможет обеспечить заданный расход теплоносителя.
Результаты расчета термоэлектрической системы
Основной целью и результатом вычислений является определение температуры объекта Tob в конкретной термоэлектрической системе. В случае охлаждения потока основной целью вычислений является определение температуры Тcf1 потока на выходе после контакта с холодной стороной термоэлектрической системы охлаждения.
Температурное поле
В качестве результатов расчета приводится распределение температурного поля в системе охлаждения. Разность температур между горячей и холодной сторонами dT = Th – Tc, развиваемая термоэлектрическим модулем, состоит из трех составляющих:
– перепада температур по горячей стороне Th – Ta;
– охлаждения объекта относительно среды Ta – Tob;
– перепада температур по холодной стороне Tob – Tc.
Модули ИПФ “Криотерм” в принципе позволяют развивать разность температур до 76 К, однако из-за наличия тепловой нагрузки Qc рабо- чая разность температур на сторонах модуля всегда меньше. В бытовых термоэлектрических устройствах охлаждение объекта относительно среды обычно составляет 2030 К, перепад температур по горячей стороне – 1525 К, перепад температур по холодной стороне – 1015 К.
Энергетические характеристики
Помимо распределения температур, программа позволяет вычислить характеристики работы модулей в термоэлектрической системе. Этими характеристиками являются ток через модуль I (А), напряжение на моду- ле U(В), электрическая мощность, потребляемая модулем W = IU (Вт), холодопроизводительность Qc (Вт) и тепловая мощность, выделяющаяся на горячей поверхности модуля Qh = Qc + W (Вт).
Особенности работы программы “Melcor”
В отличие от программы “Kryotherm” данная программа [11] не позволяет проводить столь глубокие теплофизические расчеты, что является существенным ее недостатком. В целом же порядок расчета и рекомендации относительно выбора теплообменной аппаратуры остаются схожими в обеих программах. К сожалению, программа “Melcor” предоставляет информацию лишь об ограниченном ассортименте своей продукции. Кроме того, результаты расчетов не располагают здесь столь детальными сведениями о выбранной термоэлектрической системе охлаждения, как это обеспечивается программой “Kryotherm”. Последняя, ко всему прочему, снабжена более удобным интерфейсом, что делает работу пользователя более комфортной.
В качестве определенного преимущества программы “Melcor” следует отметить, что она предоставляет возможность разработки термоэлектрической системы для генерации электричества и располагает всеми необходимыми для этого комментариями. Вообще данная программа содержит целое пособие (на английском языке), содержащее информацию по практически всем разделам термоэлектричества. Что касается программы “Kryotherm”, то здесь содержится информация, более полезная с практической точки зрения (в части последовательности и организации расчетов).
В любом случае данные программы позволяют существенно облегчить все необходимые для разработки конкретной термоэлектрической системы расчеты и выбор стандартного модуля.
В приложении представлены результаты работы обеих программ на конкретном примере.
Список литературы
1. Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. – М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1956.
2. G.D. Mahan. Good Thermoelectrics// Solid State Physics. 1998. Vol. 51, pp. 81–157.
3. Булат Л.П. Термоэлектрическое охлаждение: состояние и перспективы // Холодильная техника.1999. № 7, с. 12–14.
4. Thermoelectric Materials – New Directions and Approaches // MRS, Pittsburgh, 1998. V.478. – 348 p.
5. Бараненко А.В. и др. Холодильные машины: Учеб. для студентов втузов специальности «Техника и физика низких температур» / Под общ. ред. Л.С. Тимофеевского. – СПб.: Политехника, 1997. – 992 с.
6. Handbook of Thermoelectric – London, N.Y.: CRC Press, 1995.
7. Anatychuk L.I. Physics of Thermoelectricity. – Kyiv, Chernivtsi: Institute of Thermoelectricity. 1998.
8. Stockholm J.G. Current state of Peltier cooling // Proceedings of XVІ Intern. Conf. On Thermoelectrics. Dresden, Germany. 1997.
9. Godfrey S. An Introduction to Thermoelectric Coolers // Ele-ctronics Cooling.1996. vol.2. No.3.
10. Kryotherm. Engineering and Production Firm. Thermoelectric Software v. 3.0.
11. Melcor Co. Thermoelectric Design/Selection Guide // Thermoelectric Software.
Приложение
Пусть требуется разработать термоэлектрическую систему холодопроизводительностью 22 Вт для охлаждения объекта от температуры окружающей среды (Tamb = 35 C) до конечной температуры Tob=5 C. Тепловым сопротивлением теплообменника холодной стороны можно пренебречь. Тепловыделение в объекте отсутствует. Требуется произвести оптимизацию расчета по минимуму стоимости модулей. В качестве результатов привести характеристики выбранного модуля.
Результаты работы программы “Kryotherm”
На рис. 11–15 представлены результаты расчетов, характеристики выбранных модулей, графические зависимости, полученные в результате работы программы “Kryotherm”.
Рис. 11. Результаты расчетов по выбору модуля
Рис. 12. Информация о выбранном модуле
Рис. 13. Стандартные рабочие характеристики выбранного модуля
Рис. 14. Некоторые детализированные графические зависимости рабочих характеристик выбранного модуля
Рис. 15. Другие детализированные графические зависимости рабочих характеристик выбранного модуля
Результаты работы программы “Melcor”
На рис. 16–17 представлены результаты расчетов, характеристики выбранных модулей, графические зависимости, полученные в результате работы программы “Melcor”.
Рис. 16. Результаты работы программы по выбору модуля
Рис. 17. Рабочие характеристики выбранного модуля
СОДЕРЖАНИЕ
Министерство образования Российской Федерации 3
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий 3
Кафедра электротехники 3
Методические указания для студентов специальности 070200 “Техника и физика низких температур” 3
Санкт-Петербург 2001 4
ВВЕДЕНИЕ 6
НЕКОТОРЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВА 7
Виды проводимости термоэлектриков 8
Термоэлектрические эффекты 9
Термоэлектрический модуль 10
Основные расчетные соотношения для охлаждающего термоэлемента 12
Режимы работы охлаждающих термоэлементов 14
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 16
КОНСТРУКЦИОННОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ 20
Керамические материалы 20
Тепловое сопряжение термобатареи (модульный интерфейс) 21
Теплообменники 21
ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ 22
РАСЧЁТ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОХЛАЖДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ 24
Расчёт охлаждающей термобатареи в режиме максимального холодильного коэффициента 24
Расчёт термобатареи в режиме максимальной холодопроизводительности 25
Параметры, лежащие в основе выбора стандартного термоэлектрического модуля 26
Управление работой термоэлектрического охладителя 28
Пример 28
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ ДЛЯ РАСЧЁТА И ВЫБОРА СТАНДАРТНЫХ МОДУЛЕЙ 30
Особенности работы программы “Kryotherm” 35
Особенности работы программы “Melcor” 37
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 39
ПРИЛОЖЕНИЕ 40
Результаты работы программы “Kryotherm” 40
Результаты работы программы “Melcor” 43
Булат Лев Петрович 45
Бузин Евгений Викторович 45
Методические указания для студентов специальности 070200 “Техника и физика низких температур” 45
Булат Лев Петрович
Бузин Евгений Викторович
Термоэлектрические охлаждающие устройства
Методические указания для студентов специальности 070200 “Техника и физика низких температур”
Редактор Л.С. Лаврентьева
Корректор Н.И. Михайлова
_________________________________________________________________________
ЛР № 020414 от 12.02.97
Подписано в печать 27.09.2001. Формат 6084 1/16. Бум. писчая
Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,56. Печ. л. 2,75. Уч.-изд. л. 2,0
Тираж 300 экз. Заказ № C 50
________________________________________________________________________
СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9
ИПЦ СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9