Экспериментальное определение основных параметров работы термоэлектрического охладителя жидкости Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Выпуск 4

ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОБЪЕКТОВ ТРАНСПОРТА

УДК 621.576

А. И. Чернов,

канд. техн. наук, доцент,

СПбГМТУ;

Мое Зо

магистрант,

СПбГМТУ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОХЛАДИТЕЛЯ ЖИДКОСТИ

EXPERIMENTAL DETERMINATION OF THE BASIC PARAMETERS OF THERMOELECTRIC FLUID COOLER

Рассмотрены преимущества и области применения термоэлектрического охлаждения в современных технических системах. Приведены описание и схема экспериментальной установки для охлаждения жидкости. Получены опытные зависимости холодопроизводительности и холодильного коэффициента от силы тока и перепада температур на горячем и холодном спаях термомодулей.

The advantages and applications of thermoelectric cooling modern engineering systems. The description and diagram of experimental setup for liquid cooling is presented. Experimental dependence of cooling capacity and coefficient ofperformance of current and temperature difference at the hot and cold thermo-module soldered joints are obtained.

Ключевые слова: термоэлемент, термомодуль, термоэлектрический охладитель, холодопроизводи-тельность, холодильный коэффициент, экспериментальные характеристики.

Key words: thermocouple, thermo-module, thermoelectric cooler, cooling capacity, cooling rate, the experimental characteristics.

ЕОРИЯ термоэлектрических холодильных машин базируется на термоэлектрических явлениях переноса

лодное время года корабельные помещения обогреваются водо-, паро- или электронагревателями, то есть применяются раздельные источники теплоты и холода. При помощи же термоэлектрических устройств в холодный период года можно обогревать помещения, а в теплый — охлаждать. Режим обогрева легко можно изменить на режим охлаждения путем изменения направления электрического тока. Сравнительный анализ работы холодильных машин для судовых провизионных камер показывает, что при одинаковой холодопроиз-водительности Q масса термоэлектрической холодильной машины (ТЭХМ) в 1,7-1,8 раза меньше, чем у хладоновой ПКХМ. ТЭХМ для систем кондиционирования воздуха имеют объем в четыре, а массу в три раза меньше, чем ПКХМ [1].

энергии в электрических и тепловых полях. Причиной всех термоэлектрических явлений служит то, что средняя энергия носителей в потоке отличается от средней энергии в состоянии равновесия. К этим явлениям относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Между перечисленными термоэлектрическими эффектами существует взаимосвязь. При замыкании электрической цепи термоэлемента, в котором создана и поддерживается постоянная разность температур, одновременно возникают все три эффекта.

В настоящее время в судовых установ-

ках кондиционирования воздуха применяют в основном парокомпрессорные холодильные машины (ПКХМ), использующие механическую энергию, и теплоиспользующие ХМ (пароэжекторные и абсорбционные). В хо-

Основные преимущества в использовании термоэлектрических охлаждающих устройств (ТОУ) связаны с уникальными свой-

ствами термоэлектрических источников энергии:

— высокая надежность, обусловленная простотой конструкции;

— отсутствие рабочего вещества (хладагента) и масла;

— компактность, малые масса и габариты при той же холодопроизводительности;

— отсутствие подвижных частей и полное отсутствие шума при работе;

— возможность использования низкопотенциальной тепловой энергии;

— экологическая чистота;

— удобство в управлении и способность эффективно работать в условиях значительных ускорений, перегрузок, крене, дифференте, в вакууме.

К недостаткам ТОУ следует отнести их низкую экономичность (по сравнению с ПКХМ) в определенном диапазоне холо-

допроизводительности Qо и высокую стоимость термоохладителей, связанную с высокими ценами на полупроводниковые материалы.

Перечисленные преимущества термоэлектрического метода получения холода по сравнению с другими типами охлаждения обусловили достаточно широкое его использование. Он широко применяется в охладителях жидкостей, в различных бытовых приборах, в переносных холодильниках, в стационарных охладителях — фильтрах воды, в охладителях — нагревателях питания и др. Использование постоянного тока делает очень удобным применение термоэлектрических охладителей на транспорте. Разработаны и эксплуатируются автомобильные холодильники, охладители сидений и шлемов, охладители питьевой воды, термоэлектрические блоки для транспортных кондиционеров. Тер -моэлектрическое охлаждение используется в морских навигационных системах, в промышленности и системах телекоммуникаций. Их также применяют для термостатирования микропроцессоров вычислительных систем и систем автоматики, для охлаждения волоконно-оптических систем и лазерных диодов с целью стабилизации их параметров.

Термоэлектрические охладители наиболее конкурентоспособны по сравнению с

другими типами холодильных машин в устройствах для охлаждения газов и жидкостей, информационных технологиях.

Перспективы применения ТОУ на флоте (особенно на судах с ЯЭУ) связаны с удовлетворением главных требований, предъявляемых к корабельным и судовым машинам и механизмам. Среди основных — требования высокой надежности, бесшумности, малых массы и габаритов. Известно, что в замкнутых судовых помещениях с регенерируемой атмосферой фреоновые установки крайне опасны, а инфразвуковые шумы и вибрационные излучения трудно устранять [2].

Основными элементами любой ТЭХМ являются термоэлектрические модули — небольшие устройства, представляющие собой последовательно соединенные в электрическую цепь полупроводниковые термоэлементы (ТЭ). Количество термоэлементов в разных модулях может меняться от нескольких штук до нескольких сотен. По тепловому потоку полупроводниковые столбики в модуле соединены параллельно. Столбики, как в сэндвиче, заключены между двумя керамическими пластинами, которые хорошо проводят тепло, но являются электрическими изоляторами.

В настоящее время различные фирмы серийно производят термоэлектрические охлаждающие модули примерно одинаковых типоразмеров. Российские компании «Криотерм», «Норд», «Остерм» и другие занимают лидирующее место в мире по качеству производимых модулей.

На технико-экономические и массогабаритные характеристики ТОУ большое влияние оказывают свойства материалов ветвей ТЭ. Оценка пригодности материалов для применения в термоэлементах производится по величине Z 2(1/К), называемой эффективностью ТЭ: Z = аст/Я , где а — среднее значение коэффициента термо-ЭДС ветвей p- и «-типа ТЭ, В/К; о — среднее значение удельной электропроводности ветвей р- и «-типа ТЭ, См/м; X — среднее значение коэффициента удельной теплопроводности ветвей р- и «-типа ТЭ, Вт/(мК).

Наиболее пригодными материалами для термоэлементов являются полупроводники. Для них значения Z достигают (2,5...3,0)40-3 1/К.

Выпуск 4

Выпуск 4

Для изготовления ТЭ в настоящее время используют низкотемпературные материалы, содержащие висмут, сурьму, селен и теллур. Наибольшее распространение получили системы твердых растворов Bi2Te3-Bi2Se3, Bi2Te3-Sb2Te3 и Bi-Sb, имеющих более высокие значения Z. На их основе выпускаются сплавы ТВЭХ-1 и ТВЭХ-2 для ветвей с электронной проводимостью и ТВДХ-1 и ТВДХ-2 — для ветвей с дырочной проводимостью [1].

Термоэлектрические холодильники могут работать на различных режимах, наиболее важными из которых являются режим максимального холодильного коэффициента smax и режим максимальной холодопроизводи-тельности Q .

о max

В первом режиме ТЭ наиболее эффективно преобразовывают потребляемую электрическую энергию в «холод». Для режима s характерно то, что рабочий ток меняется

max

в соответствии с изменением разности температур на горячем и холодном спаях. Режим Q обеспечивает максимальное количество

о max

отведенного тепла в единицу времени, при этом может быть получено наибольшее понижение температуры, но в ущерб экономичности. Этот режим соответствует максимально возможному значению рабочего тока в термоэлементе.

В условиях максимальной холодопро-изводительности холодильный коэффициент

1

равен є = --------

? 2Т

-

г v

2(Гг-Гх)

ZT

\

(Т и Т —

4 г х

температура горячего и холодного спаев).

Рис. 1. Характеристики термоэлектрического охладителя Qo = f( I ) и є = f( I )

На рис. 1 приведены характеристики термоэлектрического охладителя на рабочем и экстремальном режимах. Здесь I Іє и Iq — сила тока на рабочем режиме, на режимах максимального холодильного коэффициента и максимальной холодопроизводительности соответственно.

Режимы, близкие к максимальной холодопроизводительности Qо max, используются в маломощных охлаждающих устройствах. Здесь экономия электроэнергии не является первостепенным фактором. В достаточно мощных системах охлаждения целесообразно использовать режимы, близкие к условиям максимального холодильного коэффициента є . На практике термоэлектрические холо-

max ґ гг

дильники обычно работают при токах, составляющих 25-80 % I . Важно отметить,

max

что в термоэлектрическом охладителе очень просто изменять режим работы от єтах до Q и наоборот. Путем изменения электри-

о max г j г

ческого напряжения можно обеспечить практически любой режим работы в некотором промежуточном диапазоне (рис. 1). Поэтому термоэлектрический охладитель отличается высокой функциональной гибкостью.

В Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете на испытательном стенде кафедры судовых энергетических установок, систем и оборудования создана экспериментальная установка, предназначенная для проведения научно-исследовательских работ. Установка также активно используется в учебном процессе на лабораторных занятиях по дисциплинам «Судовое вспомогательное энергетическое оборудование» и «Проектирование вспомогательных энергетических установок». В состав опытной установки, схема которой представлена на рис. 2, входят следующие элементы: блок питания (на схеме не показан), обеспечивающий подачу постоянного тока напряжением (110±5) В к термобатарее теплового блока водоохладителя; электрический водонагреватель с ТЭН (типовым элементом нагрева) и системой автоматического регулирования температуры; к водонагревателю подается переменный ток напряжением 220 В с частотой 50 Гц; термоэлектрический водоохладитель с тепловым блоком и блоком автоматического

управления; измерительный блок с преобразователями сигналов; к блоку подается переменный ток напряжением 220 В с частотой 50 Гц; персональный компьютер.

Измерительные каналы температуры предназначены для измерения температуры в различных устройствах опытной установки в соответствии с рис. 2.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки

Структурная схема канала измерения температуры приведена на рис. 3.

нп

ИУ

пи

ПК

Рис. 3. Структурная схема измерительного канала температуры: Д — датчик;

НП — нормирующий преобразователь; ИУ — измерительное устройство; ПИ — преобразователь интерфейса; ПК — персональный компьютер

В качестве датчиков температуры используются термопары хромель-алюмель (тип К). Кроме температуры, производятся измерения силы тока и напряжения, подаваемого на термоэлектрические модули.

Нормирующий преобразователь — прибор ПНТ-а-Рго фирмы «КонтрАвт», реализованный на базе микропроцессорных технологий. Это прибор с программируемым выбором типов термопар и высоким классом точности. Нормирующий преобразователь усиливает, линеаризует и нормирует сигналы с термопар, то есть приводит сигналы к унифицированному виду — току в диапазоне 0-20 мА.

В качестве измерительного устройства используются регулятор МЕТАКОН-562-Р-0/10-1 фирмы «КонтрАвт», выполняющий функции измерения и двухпозиционного регулирования. Приборы отображают измеренные параметры в реальных физических величинах на ярком цифровом светодиодном индикаторе.

Преобразователь (конвертор) интерфейса ARC-485 предназначен для подключения приборов с интерфейсом RS-485 к ПК и Notebook по USB. Он обеспечивает гальваническую изоляцию порта компьютера от сети RS-485, защищает компьютер от промышленных помех, наводимых на линию интерфейса, не требует дополнительного источника питания, так как электропитание осуществляется непосредственно по USB шине. К его достоинствам относятся: автоматическое опре-

деление и индикация направления передачи данных со скоростью до 1 Мбит/с. Преобразователь поддерживается всеми распространенными операционными системами, имеет миниатюрные габариты и малую массу.

Аппаратно-программный комплекс, предназначенный для сбора и обработки информации от датчиков, преобразований сигналов, отображения и документирования в табличном и графическом виде собранной информации и вычисленных параметров, использует систему диспетчерского контроля и сбора данных SCADA/HMI и программное обеспечение DataRate для визуализации непрерывных и периодических процессов.

Системой диспетчерского контроля и сбора данных осуществляются сбор, обработка и накопление значений измеряемых параметров: температуры в различных устройствах установки, напряжения и силы тока.

В процессе проведения экспериментов на экране монитора отображается следующая информация. В верхней части рабочего окна (рис. 4) приведена мнемосхема экспериментальной установки.

В левом верхнем углу размещено поле для записи перед экспериментом констант, необходимых для вычисления параметров ох-

Выпуск 4

¡Выпуск 4

По достижении заданной температуры охлаждения воды в баке водоохладителя система регулирования прекратит подачу электропитания на термобатарею и вентиляторы охлаждения.

Для определения основных технических показателей термоэлектрического охладителя обработка экспериментальных данных производилась с использованием следующих уравнений.

Количество теплоты, отведенное от охлаждаемой воды и выделившееся на радиаторе и отведенное воздухом б„ = -^2)103/х

и О = 103Жс р Дt ,

^гр в рвг в в'

где и о^ — плотность воды и теплоемкость воды, т — промежуток времени охлаждения воды, Жв — производительность вентиляторов; 0рв и рв — теплоемкость и плотность воздуха, Д^ = ^2 - — разность температур

воздуха.

Мощность, потребляемая термобатареей (ТБ), состоящая из термомодулей (ТМ)

| 32]

Рис. 4. Скриншот с мнемосхемой экспериментальной установки

ладителя. В нижней части рабочего окна приводятся групповые графики вычисляемых и измеряемых параметров. Предусмотрена возможность регулирования масштаба и режимов просмотра соответствующими кнопками под графиками. Для каждого измеряемого параметра на мнемосхеме располагается окно с текущим значением. При необходимости можно открыть окно с трендом соответствующего параметра.

В процессе работы охладителя имеется возможность контролировать и анализировать параметры работы термоэлектрического охладителя. Для этого слева в средней части рабочего окна отображается таблица со значениями основных параметров в режиме реального времени. В нижней части рабочего окна отображаются групповые графики вычисляемых параметров: количества теплоты О , О , О ,

11 А-'о7 ^гс -*^гр'

Охс, мощности, потребляемой термобатареей N холодильного коэффициента е и графики измеряемых параметров: температуры ^, ^ ^, tх. ^2, t напряжения и и силы тока I.

N = 1и. Холодильный коэффициент £ =

- и-1-Яу

Коэффициент термо-ЭДС ТЭ а = —--------—.

п(Тт-Тх)

Количество теплоты, поглощенное на холодных спаях и выделившееся на горячих

спаях вхс = па1Тт - 0,51%-пк{Тт -Гх) и =п ^1Т+0,512^ -п'к(Тт ~ТХ1

где п — общее число ветвей в ТМ; — об-

щее сопротивление ветвей ТБ; к — коэффициент теплопроводности ветви ТЭ, Вт/К.

Холодопроизводительность и холодильный коэффициент на режиме максимальной энергетической эффективности и на режиме максимальной холодопроизводительности определяются с использованием известных классических уравнений:

О. = пкАТтЛ1 - 0), еотах = пкАТтШ1 (1 - 0), Гх(1-9)

1-0 8ти (1+\|/) 0 ’

Е?=-

2 Т

Т —Т тг2

где е = -77^, ^=1 + ^ и = —

тах

приведенный перепад температуры, вспомогательный безразмерный коэффициент и максимальный перепад температур на ТЭ.

Сила тока (предельное значение), при котором холодопроизводительность Qo = 0, может быть найдена по формуле

и’с +\1(поТхУ -2^пк(Т -Г)

Аїред

По результатам обработки и обобщения экспериментальных данных были построены графические зависимости Qo = f (I) и s = f (I) (рис. 5 и 6), а также Qo = f (ДГ) и s = f (AT) для режимов Q и s (рис. 7 и 8). Сравнение

г max max r

параметров на двух экстремальных режимах показывает, что максимальный холодильный коэффициент s max получен при токе 0,51 А, значительно меньшем тока (4,26 А) на режиме Q . Соответственно и холодопроизво-

o max

дительность в режиме s намного меньше,

max

чем во втором режиме. Как видно из рис. 7, с уменьшением перепада температур AT разница в величине холодопроизводительности Qo увеличивается. Таким образом, при одинаковой величине нагрузки Q требуется большее

число термоэлементов, работающих в режиме є . Как известно, это обстоятельство являет-

max ’

ся основным недостатком режима максимального холодильного коэффициента. Однако величина холодильного коэффициента на этом режиме значительно больше, чем в режиме максимальной холодопроизводительности Q (рис. 8).

o max Чґ '

Qo,

Вт

100

75

50

25

0

пах

у/іІоі Ні б

j Qos

0 2 4 6 8 1,А

Рис. 5. Зависимость холодопроизводительности Qo = f (I) от силы тока на рабочем режиме (сила тока I = 3,59 A; температура воды Tw2 = 53,1 °C)

Особенно значительно преимущества режима s max проявляются при перепадах AT < AT / 2. Повышение s позволяет умень-

max

шить мощность, потребляемую устройством, а также его габариты и массу. Поэтому естественно, что режим s является более распро-

max

страненным режимом работы термобатарей в различных охлаждающих устройствах.

£

2,5

1,5

0,5

S max

\

Vі іаб

2 4 6 8 1,Л

Рис. 6. Зависимость холодильного коэффициента е = / (I) от силы тока на рабочем режиме (сила тока I = 3,59 А; температура воды Т^2 = 53,1 °С)

ГэТ

Выпуск 4

¡Выпуск 4

Q«,

Вт

140

120

100

80

60

40

20

0

О

Рис. 7. Зависимость холодопроизводительности Qo от перепада температур AT на ТМ для режимов Q и s

г a-' max max

(сила тока на рабочем режиме I = 3,98 A, температура воды Tw2 = 31,4 °C)

5 max

Sq

О 50 100 jT,K

Рис. 8. Зависимость холодильного коэффициента s от перепада температур AT на ТМ для режимов s и Q

г max ^max

(сила тока на рабочем режиме I = 3,98 A, температура воды Tw2 = 31,4 °C)

Список литературы

1. Термоэлектрический эффект. Эффективность применения термоэлектрического охлаждения // Холодильщик.Ки: интернет-газета. — 2006. — № 2 (14) [Электронный ресурс]. Электрон. дан. Режим доступа: http//www.holodilshchik.ru (дата обращения: 04.05.2011).

2. Тайц Д. А. Термоэлектрическое охлаждение — все впереди / Д. А. Тайц. Тема: Машиностроение [Электронный ресурс]. Электрон. дан. Режим доступа: http//www.proatom.ru/modules. php?name=news&file=article&sid=2277 (дата обращения: 11.05.2011).