Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Дипломная работа (магистр) Перспективи застосування елементів Пельтьє в метрологічній практиці - файл Rozdil2a.doc


Загрузка...
Дипломная работа (магистр) Перспективи застосування елементів Пельтьє в метрологічній практиці
скачать (628.3 kb.)

Доступные файлы (7):

9_ekon1.doc294kb.05.12.2003 00:21скачать
ohprac.doc80kb.11.11.2003 11:41скачать
Rozdil1a.doc580kb.29.10.2003 05:52скачать
Rozdil2a.doc228kb.24.11.2009 19:06скачать
Rozdil3.doc123kb.29.10.2003 05:38скачать
sit_grafic1.doc65kb.05.12.2003 00:35скачать
ZMIST.doc46kb.29.10.2003 05:41скачать

Rozdil2a.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
РОЗДІЛ 2

СИНТЕЗ ОСНОВНОЇ КОНЦЕПЦІЇ ДОСЛІДЖЕНЬ
В метрологічній практиці для тестування різноманітних засобів вимірювання температури та вторинної апаратури, що працює в комплекті з ними, використовують спеціальні кліматичні камери. Зокрема, найвищі вимоги є до тестування пристроїв, що застосовуються у війську, медицині, авіації і т.п., а отже, в таких випадках контроль працездатності і стабільності їх параметрів, з використанням кліматичної камери, є безумовно, необхідним. Проте, в багатьох випадках, в метрологічній практиці буває достатньо лише перевірити значення нормованих параметрів вимірювальних засобів при різних температурах. В таких випадках використовують простіші, ніж кліматичні камери, пристрої, а саме - термостати. Основне призначення термостата – реалізувати і підтримувати, з певною точністю, необхідні температурні точки з метою забезпечення можливості, зокрема, верифікації засобів вимірювання температури. В цьому аспекті актуальною є проблема створення спеціального термостата для застосування в широкому діапазоні, зокрема від кріогенних і до середніх, температур.

^ 2.1. Обґрунтування вибраного напрямку досліджень

Відомо, що для переважної більшості побутових, а частково, й промислових засобів вимірювання температури, робочий діапазон становить мінус 500С … +1000С.

В процесі градуювання чи верифікації засобів вимірювання температури технічно найскладніше реалізувати низькотемпературні точки діапазону. Як правило, верифікацію первинних вимірювальних перетворювачів температури проводять в двох різних засобах реалізації температурних точок [1, 2, 3, 4]:

  • при низьких температурах: в кріостатах із застосуванням реперних точок кипіння зріджених газів (зокрема, гелію, водню, кисню, азоту…), що потребує значних затрат часу й матеріальних ресурсів; в холодильних агрегатах компресорного, а чи адсорбційного типу, що вимагає застосування прецизійного, громіздкого та дорогого механічного обладнання, а головним чином, неприязних довкіллю хладоагентів (зокрема, фреону і т.п.) ;

  • при середніх та високих температурах найчастіше в: парових, масляних або ж олов’яних термостатах; реперних точках топлення чи тверднення чистих металів, використання яких є досить складне, дороге, а навіть і шкідливе для здоров’я працюючих; в інших, простіших випадках – просто в термостатованих електропечах.

Окрім згаданого вище, така процедура верифікації чи градуювання має в собі ще й негативні методичні аспекти, що пов’язані з неадекватністю термодинамічних характеристик джерел створення низьких та високих температур, оскільки об’єкти верифікації необхідно переносити між, щонайменше двома, джерелами температур. Отже, з точки зору коректності метрологічного експерименту, важливо було б верифікувати первинні термоперетворювачі в одному температурному джерелі у всьому діапазоні вимірюваних температур без перенесення їх з одних термодинамічних умов в інші.

Проведений в роботі аналіз показав, що найдоцільніше, з метою усунення згаданих вище недоліків традиційної процедури верифікації, використовувати елементи Пельтьє [5, 6], які дають можливість реалізувати в одному термостаті як від’ємні так і додатні температури (правда, у досить вузькому діапазоні: від мінус 70 до 100 0С), не використовуючи при цьому прецизійного, складного і дорогого обладнання та матеріалів.

^ 2.2. Основні теоретичні принципи і особливості конструкції елементів Пельтьє

Дія вказаних елементів базується на використанні явища, яке в 1834 р. відкрив французький вчений Пельтьє. Він виявив, що в місці контакту двох різнойменних металів, в залежності від напрямку струму, що протікає через нього, може виділятися або поглинатися тепло додатково до джоулевого. Це не означає, що тепло виникає або зникає всупереч закону збереження енергії. Докладніше можна було б сказати, що тут йдеться про транспортування тепла.

Явище Пельтьє пов’язано з будовою матеріалів, що утворюють контакт. Як відомо, остаточно за протікання струму відповідають електрони, що містяться на найвищому енергетичному рівні матеріалу (або ж електрони з найвищої орбіти). В кожному разі електрон на орбіті має певну енергію, що залежить від його відстані від ядра. Чим вища орбіта - тим вища енергія електронів. Таким чином, якщо електрон переходить з вищої орбіти на нижчу, то має місце вивільнення енергії. Це явище використовується, зокрема в світлодіодах і діодних лазерах, де енергія, що віддається окремими електронами, виступає в постаті квантів світла – випромінювання з певною частотою. В свою чергу, щоб електрон перейшов з нижчої орбіти на вищу, йому необхідно надати відповідну кількість енергії.

Так мається справа і з електронами, що відповідають за явище Пельтьє. Припустимо, що маємо два різнойменних провідники, вільні електрони яких знаходяться на різних орбітах і, відповідно, мають різну енергію, що є наслідком властивостей використовуваних матеріалів. Якщо ж через місце контакту таких двох матеріалів пропустити постійний струм, то електрони рухатимуться в одному напрямку, а в залежності від напрямку струму, в місці контакту буде або виділятися, або поглинатися тепло, що наочно показано на рис. 2.1.

Як видно з рис. 2.1, в місці такого контакту напрямок струму визначатиме, чи тепло поглинатиметься, а чи виділятиметься. Однак, розглянута спрощена феноменологічна модель виникнення ефекту Пельтьє, не розкриває всієї проблематики, властивої реальним елементам Пельтьє, а навіть може й скеровує на хибний шлях.

П
о перше – тепло не зникає незворотньо при таємничих обставинах. Поглинуте тепло, яке, як відомо, є формою енергії і не зникає, а лишень, будучи поглинутим в одному місці, - виділяється в іншому.

По друге – не можна так легко поглинати великі кількості тепла в місці одного окремого взятого контакту, оскільки окремий контакт є малоефективний. Щоб досягнути значної ефективності аналізованого процесу, слід застосувати й значну кількість таких контактів.

З кількох причин ансамбль контактів слід з’єднувати послідовно. Як ілюструє рис. 2.2, в стосунку до рис. 2.1, зразу ж видно, що в такому ансамблі контактів через кожне одне місце контакту відбувається поглинання тепла, а через кожне інше – його виділення.

Рис. 2.2 підтверджує думку, що немає нічого дармового, а отже, закон збереження енергії виконується – тепло не зникає і не виникає нізвідки. З метою прикладного застосування такого ансамблю місця контактів слід розташувати згідно принципу, що його ілюструє рис. 2.3. Тоді одна сторона комплекту поглинатиме, а інша – віддаватиме тепло.

Т
ак, рис. 2.3 ілюструє принцип дії модуля Пельтьє та підтверджує, що зовсім не йдеться про елемент, який поглинає тепло, а лишень про елемент, який це тепло транспортує (щось на зразок теплової помпи, яка приводиться в рух електричним струмом).

С
лід мати на увазі, що, з точки зору електротехніки, елементи розташовані послідовно, але з точки зору теплотехніки – паралельно, що й дозволяє збільшити можливості теплоперенесення.


^ 2.3. Аналіз теплових процесів в елементі Пельтьє
В реальних модулях окремі елементи представляють собою стовпчики (циліндрики чи паралелепіпеди) і розташовані дещо інакше, ніж на рис. 2.3. Суміжні елементи з різних матеріалів не контактують безпосередньо, а лишень через мідні з’єднання. Наявність міді, і, дещо інше розташування активних елементів, принципово нічого не змінює.

Р
озріз модуля Пельтьє приведено на рис. 2.4, а рис. 2.5 ілюструє його роботу при різних напрямках протікання електроструму.

В залежності від напрямку струму, одна із сторін називається холодною стороною – тут модуль поглинає тепло. Інша ж сторона - має назву гарячої, оскільки тут модуль тепло виділяє. Типовий модуль Пельтьє - це дві керамічні плитки, між якими розташовано до кількасот, за звичай паралелепіпедоподібних, стовпчиків з спеціально підібраних матеріалів. Значна кількість малих стовпчиків, з’єднаних, з точки зору електротехніки, послідовно, розташовується в ряд між двома керамічними пластинами, які виконують, головним чином, функцію механічного каркасу.

Ці пластинки також повинні виконувати роль електроізолятора і теплопровідного елемента. Найчастіше для цього застосовують окис алюмінію (Al2O3), який, як електроізолятор, має дуже добрі електричні властивості, а водночас, є і хорошим теплопровідним матеріалом з добрими механічними властивостями, а саме: твердий і не дуже крихкий.







Безумовно, що здатність транспортування тепла залежить від розмірів та кількості стовпчиків, але також залежить і від значення сили струму: чим більший струм, тим більше теплоперенесення. Однак, на жаль, струм не можна збільшувати довільно, оскільки виникають проблеми, пов’язані зі зростаючим негативним впливом від ефекту Джоуля-Ленца. В цьому випадку виділення тепла не залежить від напрямку струму.

Оскільки кожен провідник має якийсь скінчений опір, то струм, який протікає через нього, спричиняє в місці контакту перетворення електричної потужності P в тепло:
P=I2R (2.1)
Із залежності (2.1) видно, що теплові втрати прямо пропорційні значенню сили струму І в квадраті. Тоді коли перенесення тепла Q внаслідок ефекту Пельтьє, залежність (2.2), зростає лінійно зі зростанням значення сили струму:
Q=.I, (2.2)
де - коефіцієнт Пельтьє, що, в свою чергу, визначається із залежності (2.3):
=.Т, (2.3)
де  - різниця термоелектричних коефіцієнтів контактуючих матеріалів, Т - абсолютна температура.

Проблема полягає в тому, що модуль мусить транспортувати не лише тепло з холодної сторони на гарячу, але також мусить транспортувати на гарячу сторону тепло, яке виділяється на опорі модуля внаслідок дії ефекту Джоуля-Ленца. Чим більше значення сили струму, тим швидше зростають втрати в опорі і тим менше “зовнішнього тепла” транспортує модуль. При певному значенні сили струму вся транспортована теплова потужність (явище Пельтьє) використовується для усунення тепла внаслідок дії ефекту Джоуля-Ленца зсередини модуля і модуль взагалі не виконує своєї ролі – не поглинає тепла на холодній стороні (рис. 2.6). Це означає, що модуль Пельтьє, коли б не мали місце в ньому втрати потужності Джоуля-Ленца в постаті тепла, був би ефективною тепловою помпою: на гарячій стороні виділялося би рівно стільки тепла, скільки відбиралося б на холодній. Характеристика реального модуля показує, що не можна безмежно збільшувати робочого значення сили струму, який протікає через нього. В залежності від габаритів, матеріалу і геометричних параметрів елементарних стовпчиків, існує певне оптимальне значення сили струму Iopt., при якому модуль транспортує найбільше тепла з холодної сторони на гарячу. Цього значення сили струму в жодному випадку не слід перевищувати, а варто працювати навіть при дещо меншому його значенні.

Характеристика гарячої сторони буде іншою. Тут виділиться, поряд із транспортованим теплом, ще й тепло внаслідок дії ефекту Джоуля-Ленца. Так, потужність, що виділяється на гарячій стороні, буде значно більшою, ніж потужність охолодження, зокрема, при значенні сили струму Iopt, – втричі. Наочно це ілюструє рис. 2.7. На практиці це означає, що для реалізації охолоджувача мусимо ефективно відвести великі кількості тепла з гарячої сторони.

Проте, модулі Пельтьє також можуть використовуватися і як нагрівачі, що й пропонується у нашому випадку. Називаються вони тепловими помпами і, як це не парадоксально, мають коефіцієнт корисної дії більше 100%. Це не суперечить закону збереження енергії, о
скільки на гарячій стороні виділяється не лише підведене тепло, але й також тепло, перепомповане з холодної сторони модуля.

Аналіз існуючих конструкцій, на жаль, не показує всіх обмежень, пов’язаних з використанням модулів Пельтьє для конструювання термостатів. Якщо розглянути ситуацію, певним чином уявну, коли температура з обох боків модуля однакова, а насправді така ситуація має місце лише короткий час після включення струму, то модуль достатньо ефективно транспортує тепло з одної сторони на іншу. Проте, по мірі роботи модуля, зокрема, як холодильника - на холодній стороні температура зменшується, а температура його гарячої сторони – зростає, внаслідок неідеального відведення з неї тепла.

Отже, в процесі роботи модуля між гарячою і холодною сторонами виникає певна різниця температур. І тут проявляється вплив ще одного шкідливого явища. Оскільки стовпчики модуля виконані зі стопу, який проводить тепло (йдеться про звичайне теплоперенесення в матеріалах, що виникає завжди там, де є градієнт температури), то це явище дає про себе знати лише після виникнення різниці температур між стороною холодною і гарячою і, без сумніву, є шкідливим. Чим більша різниця температур між обома сторонами, тим, на жаль, більший шкідливий перетік тепла в “небажану” сторону.

Як було показано раніше, модуль мусить відвести шкідливе тепло від ефекту Джоуля-Ленца, що виникає на його опорі внаслідок розсіювання підведеної до нього електричної потужності. Виявляється, що модуль також мусить протидіяти неухильній тенденції до вирівнювання температури між обома його сторонами внаслідок звичайного перетікання тепла через стовпчики модулю. Це, звичайно, обмежує його можливості. На рис. 2.8 приведено дещо спрощенні характеристики модулю Пельтьє.

Тут верхня крива стосується нульової різниці температур між сторонами модуля. Нижчі криві стосуються щораз більших різниць температур. Нижня крива показує, що при великій різниці температур обох сторін - ефективність транспортування тепла прямує до нуля. Це означає, що даний модуль Пельтьє, навіть в найкращих умовах, не в змозі забезпечити значної різниці температур. Для кожного модулю в каталозі приводиться найбільша, що є можливою для досягнення, різниця температур – як правило вона становить 60 … 700С. Так, при використанні одного із стандартних модулів (наприклад, з ряду МІ1010Т(АС) - МІ1025Т(АС) фірми “Marlow Industries, Inc.”), максимальна різниця температур для якого становить 670С, здавалося б, що це дає хороші можливості – якщо гаряча сторона ефективно охолоджуватиметься водопровідною водою з температурою біля 120С, то холодна сторона матиме температуру –550С. Насправді такого значення температури важко досягнути.

П
о-перше, на практиці неможливо реалізувати ідеальний тепловідвід з гарячої сторони, щоб вона мала температуру 120С так, як вода, що її охолоджує.

По-друге, як показує аналіз теплового балансу, результати якого схематично представлено на рис. 2.8, при максимальній різниці температур потужність охолодження прямує до нуля.

Також при практичній реалізації не вдається ідеально виконати теплоізоляцію охолоджуваної робочої камери. В процесі роботи модуль постійно буде змушений випомповувати з робочої камери певну кількість тепла, що надходить до неї внаслідок неідеальної теплоізоляції, а також тепла, що виділяється в процесі градуювання чи верифікації, зокрема, засобів вимірювання температури.

^ 2.4. Особливості конструювання термостатів на основі елементів Пельтьє

Ключовим елементом в таких термостатах є один або кілька модулів Пельтьє (в залежності від необхідної максимальної потужності охолодження). Мінімальна температура, яку можна досягнути в охолоджуваній робочій камері, залежить від її конструкції, якості теплоізоляції, а також ефективності відведення тепла з гарячої сторони модуля. Попередні дослідження показали, що найефективнішим способом охолодження гарячої сторони, котрий дає можливість одержати в охолоджуваній робочій камері температури значно нижчі від нуля, – є водяне охолодження. Будь-які класичні радіатори, навіть з примусовим охолодженням за допомогою вентиляторів, дають незрівнянно гірші результати 7.

На рис. 2.9 приведено схематичний розріз пропонованого термостата з водяним охолодженням гарячої сторони для градуювання чи верифікації засобів вимірювання температури в діапазоні мінус 55 … +1000С на базі багатокаскадних елементів Пельтьє типу МІ6030*(ВС).

Для живлення термостату, в найпростішому випадку, напруга мусить бути фільтрованою (пульсації не вище 10%), проте, не мусить бути стабілізованою. В пристрої керування термостатом, функціональна схема якого приведена на рис. 2.10, реалізована можливість регулювання значення сили струму, що протікає через модуль Пельтьє, а також контролю максимальної температури його гарячої сторони, що не повинна перевищувати значення +1100С.

Додатково слід зауважити, що для пропонованого термостату досягнення оптимальних теплофізичних параметрів значною мірою залежить від якості теплоізоляції його робочої камери. Йдеться не лише про теплоізоляцію від оточуючого середовища, але й, що дуже важливо, т
акож і про теплоізоляцію в околі самих модулів.


Рис. 2.10.

Проведені вище дослідження дають всі підстави вважати, що в метрологічній практиці, для реалізації температурних джерел в діапазоні мінус 50 … +1000С, доцільно застосовувати новий тип запропонованих термостатів на базі модулів Пельтьє, що спрощує, здешевлює і, водночас, підвищує коректність та метрологічну достовірність процесу верифікації термоперетворювачів.

^ 2.5. Визначення теплових характеристик термостата

Перед вибором охолоджувача спочатку необхідно визначити основні теплові параметри термостата. Зокрема, теплове навантаження, або кількість тепла, яку необхідно відвести. Оптимізація ж теплового навантаження дає можливість охолоджувачеві досягнути нижчої температури, або зменшити енергоспоживання. З цією метою розглянемо методику розрахунку теплового навантаження охолоджувача для випадку усталеного процесу теплоперенесення, а також методику визначення теплової інерційності термостата.

^ 2.5.1. Аналіз теплового навантаження

Теплове навантаження може складатися з активного або пасивного чи їх комбінації. Активне навантаження – це потужність, що розсіюється охолоджувачем. За звичай це потужність споживання пристрою. Пасивне навантаження - має паразитичний характер і може мати три складові:

1) терморадіаційну

2) конвективну

3) кондуктивну.

Активне теплове навантаження. Визначається за відомою залежністю:

(2.4)

де Qакт – активне теплове навантаження (Вт); U – напруга, прикладена до охолоджувача (В); R – активний опір охолоджувача (Ом); І – струм через охолоджувач (А).

Так, наприклад, для випадку коли U = 50В і R = 0,5.106 Ом, активна потужність становитиме: 5.10-3 Вт.

Т
ерморадіаційне теплове навантаження
. Між двома об’єктами з різною температурою відбувається теплообмін шляхом випромінювання одним об’єктом електромагнітних хвиль та поглинання їх іншим. В цьому полягає суть радіаційного теплообміну. Вклад від радіаційного теплообміну можна визначити згідно залежності:

(2.5)

де Qрад – радіаційне теплове навантаження (Вт); F – фактор форми (Fmax=1);  - коефіцієнт чорноти;  - константа Стефана-Больцмана; А – площа охолоджуваної поверхні (м2); Тдовк – температура довкілля (К); Тхол – температура холодної поверхні (К).

Т
ак, наприклад, для випадку охолоджувача при F =  = 1; А = 8.54.10-4 м2; Тхол = 223К; Тдовк = 300К вклад від радіаційного теплообміну становитиме: 0.272 Вт.

Конвективне теплове навантаження. У випадку обтікання об’єкту рідиною чи газом теплоперенесення відбуватиметься до тих пір, поки матиме місце різниця їх температур. Кількість тепла, що переноситься, може змінюватися в залежності від швидкості обтікання об’єкту. Конвективне теплове навантаження на термоелектричному охолоджувачі за звичай є наслідком природної конвекції. Це має місце коли потік повітря чи газу не створюється спеціально вентилятором або помпою, а виникає внаслідок різниці їх густин. Конвективне навантаження – функція площі охолоджуваної поверхні та різниці температур і визначається згідно залежності:

(2.6)

де Qконв – конвективне теплове навантаження (Вт); h – коефіцієнт конвективного теплообміну (Вт/м2.0С); А – площа поверхні охолодження (м2); Тпов – температура оточуючого повітря (0С); Тхол – температура холодної поверхні (0С).

Так, наприклад, для випадку пластини площею 0.01м2 і товщиною 0.006м, яка охолоджується від температури 250С до 50С конвективна складова складає: 5.382 Вт.

Кондуктивне теплове навантаження (або ж – через теплопровідність) - перенесення енергії від більш нагрітої ділянки об’єкта до менш нагрітої внаслідок прямого співударяння молекул. Так, наприклад, кондуктивне перенесення тепла в системі може відбуватися, зокрема, через провідники, гайки і т.п., які утворюють тепловий стік від місця охолодження до оточуючого середовища.

Вклад від теплопровідності можна оцінити згідно наступної залежності:

(2.7)

Qконд – кондуктивне теплове навантаження (Вт); k – коефіцієнт теплопровідності матеріалу (Вт/м.0С); А – площа перерізу матеріалу (м2); L – довжина теплового стоку (м); Т – різниця температур (К).

Н
априклад: термоперетворювач, який прикріплений до охолоджуваної поверхні, має два платинових виводи діаметром 25 мкм і довжиною 12 мм, які, в свою, чергу прикріплені штифтами до радіатора. Охолоджувана поверхня має температуру мінус 200С а температура радіатора 300С. Для даного випадку тепловтрати становлять: 2.9.10-5 Вт.

Оскільки тепловтрати через теплопровідність обернено пропорційні довжині провідника, то кондуктивне навантаження можна зменшити використовуючи довші дроти.

Наступна рівність може бути використана для визначення теплового навантаження від конвективного та кондуктивного теплообміну в закритому середовищі:

(2.8)

де Qпас – теплове навантаження (Вт); А – сумарна площа зовнішньої поверхні закритого об’єму (м2); х – товщина шару теплоізоляції (м); k – коефіцієнт теплопровідності матеріалу ізоляції (Вт/м.0С); h – коефіцієнт конвективного теплообміну (Вт/м2.0С); Т різниця температур (К).

Н
априклад, для приведених нижче параметрів, тепловтрати від пасивного теплообміну становлять: 3.807 Вт.

^ 2.6. Визначення теплової інерційності

При проектуванні також необхідно оцінити час, за який досягається вихід термостата на бажану температурну точку. Наступна рівність може використовуватися з цією метою:

(2.9)

де t час (хв.);  - питома густина (г/см3); V об’єм (см3); Ср питома теплоємність (Дж/г.0С); Т – різниця температур (К); Q = (Qt0 + Qtt/2) (Вт); Qt0 – початкова кількість відведеного тепла при нульовій різниці температур на охолоджувачі; Qtt - кількість відведеного тепла при досягнутій бажаній різниці температур.

Параметри Qt0 і Qtt використовують для визначення середнього значення кількості відведеного тепла.

Т
ак, наприклад, розрахований час досягнення необхідної температури, при приведених нижче параметрах, складає: t  75 хв.


1. Уайт Г. К. Экспериментальная техника в физике низких температур: Справочное руководство: Пер. с англ. - М.: Физматгиз, 1961.

2. Справочник по физико-техническим основам глубокого охлаждения / М. П. Малков, И. Б. Данилов, А. Г. Зельдович, А. Б. Фрадков / Под ред. М. П. Малкова. - М.: Энергия, 1973.

3. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы: Учеб. пособие. - М.: Энергия, 1978.

4. Роуз-Инс А. Техника низкотемпературного эксперимента. Использование жидкого гелия в лабораторной практике: Пер. с англ. - М.: Мир, 1966.

5. Malek Z., Strajblova J. Konstrukce referecniho spoje termoclanku pro velmi presna mereni teploty. // Cs. Cas. fys., №18, 1968, s. 95.

6. Roth H., Walz H. Nullpunkt-Thermostat fur Thermoelemente // Siemens-Zeitshrift, v. 41, №6, s. 539.

7. Анатичук Л.І., Лусте О.Я., Вихор Л.М., Місава К., Сузукі Н. Комп’ютерні методи оптимізації холодильників // Термоелектрика, №3, 2002, с. 17 – 25.



Скачать файл (628.3 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru