авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


силовая электроника

128

Разработка термоэлектрических

систем охлаждения

и термостатирования

с помощью компьютерной

программы KRYOTHERM

в статье «современные решения термоэлектрического охлаждения для радиоэлектронной, медицинской, промышленной и бытовой техники», вышедшей двумя частями в последнем номере за 2009 год и в первом но мере этого года, было дано представление о термоэлектрическом охлаж дении, основных областях его применения, а также приведены наиболее интересные примеры реализации приборов и устройств с применением термоэлектрических модулей Пельтье. как было отмечено в статье, номен клатура выпускаемых компанией «кРиотЕРМ» термоэлектрических мо дулей (тЭМ) превышает 250 типов. в этой связи у разработчиков устройств термоэлектрического охлаждения возникает много вопросов при выбо ре конкретного модуля для решения задачи и способа его применения.

ответить на большинство вопросов разработчиков позволяет компьютер Пётр Шостаковский ная программа KRYOTHERM.

info@kryotherm.ru краткий обзор возможностей программы Любую термоэлектрическую систему можно разделить на три KRYOTHERM основные части: собственно термоэлектрический модуль и его холод ную и горячую стороны (рис. 1).

Первая версия программы вышла больше 10 лет назад. За это вре- Холодная сторона включает в себя термостатируемый объект 1 при мя программа была модернизирована, а ее возможности расширены. температуре Tob и с выделяемой объектом тепловой мощностью В программу постоянно включается информация о новых модулях, Wob, помещаемый в камеру 2.

разработанных компанией «КРИОТЕРМ». (Обновленная версия про- Камера окружается теплоизоляцией 3 с тепловым сопротивле граммы всегда доступна на сайте компании www.kryotherm.ru.) нием изоляции Rins. Тепло от объекта при помощи теплообменни Термоэлектрические системы охлаждения и термостатирования ка 4 передается к холодной стороне термоэлектрического модуля 5.

(ТСОТ) позволяют обеспечить поддержание заданной температуры Теплообменник обычно представляет собой пластинчатый радиатор, объекта статирования на уровне как выше, так и ниже температуры обдуваемый вентилятором.

окружающей среды. Отвод теплоты с горячей стороны термоэлектрического модуля осуществляется при помощи горячего теплообменника 6. Для пере дачи отводимого тепла сквозь слой теплоизоляции служит тепло провод 7, устанавливаемый между холодной стороной модуля и хо лодным теплообменником. Для уменьшения контактного теплового сопротивления между сторонами модуля и поверхностями теплооб менников наносится слой теплопроводной пасты, например КПТ-8.

Прежде чем перейти к описанию программы, отметим некоторые особенности, присущие термоэлектрическим системам, на примере термоэлектрического холодильника, приведенного на рис. 1, с некото рыми численными значениями режимов и перепадов температуры:

1. Термоэлектрические устройства, так же как и модули, могут ра ботать как в режиме максимальной экономичности по питанию (максимального холодильного коэффициента COP), так и в ре жиме максимальной холодопроизводительности Qc. Для режи ма максимума COP характерно меньшее, для режима максимума Qc — большее значение напряжения питания. На практике обычно выбирается некоторое промежуточное значение напряжения, со ставляющее около 70–80% от Umax термоэлектрического модуля Рис. 1. Модель термоэлектрической системы охлаждения (например, 12 В для 127-парных модулей с Umax~16 В).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 ' силовая электроника 2. Разность температур на модуле несколь- параметров и их группировку по свойствам. Характеристики потока:

• Tcf0 и Thf0 — температура потока (жид ко меньше максимальной (Th–Tc = 60 K, Приведем основные термины и обозначения, в соответствии с величиной напряжения примененные в программе KRYOTHERM. кости или газа) на входе в холодную и в го питания) и складывается из следующих Потребительские параметры модулей: рячую стороны термоэлектрической си • dTmax — максимальная разность темпе составляющих: стемы (К);

• Tcf1 и Thf1 — температура потока на вы – потерь по горячей стороне ратур между сторонами модуля при опре (Th–Tа = 26 K, или 43%);

деленной температуре горячей стороны ходе из холодной и горячей стороны (К);

• Tcfa и Thfa — среднее значение темпера – полезной составляющей (Th = 300 K).

• Imax — ток, при котором достигается раз (Ta–Tob = 25 K, или 42%);

туры потока по холодной и горячей сто – потерь по холодной стороне ность температур dTmax (А). ронам (К);

• Umax — напряжение, соответствую- • dTcf = Tcf0–Tcf1 — разность температур (Tob–Tc = 9 K, или 15%).

3. Большие мощности ТЭМ и, как следствие, щее току Imax и разности температур холодного потока между входом и выхо высокие плотности тепловых потоков в тер- dTmax (В). дом (К);

• Qmax — холодопроизводительность • dThf = Thf1–Thf0 — разность температур моэлектрических устройствах требуют обе спечения эффективного теплоотвода. при токе I = Imax и разности температур горячего потока между выходом и входом Первоочередным способом улучшения dT = 0 (Вт). (К);

• Wc = Qc/dTcf — эквивалент потока по хо характеристик ТСОТ является уменьшение Количество модулей:

• n — суммарное количество модулей;

тепловых потерь по горячей стороне. лодной стороне (Вт/К);

• ns и np — число последовательно соединен- • Wh = Qh/dThf — эквивалент потока по го На основе многолетнего общения с клиен тами специалистами компании «КРИОТЕРМ» ных модулей в группе и число параллель- рячей стороне (Вт/К).

были выделены следующие ключевые во- ных групп (в случае последовательно-парал просы, ответы на которые необходимы для лельного соединения модулей), nsnp = n. Опции просмотра создания высокоэффективных термоэлек- Энергетические характеристики: В первых двух частях программы (Perfor • I — ток (А);

трических систем охлаждения: mance Graphs и Choice of Modules) програм • Как выбрать нужный модуль или модули • U — напряжение (В);

мы KRYOTHERM любой из стандартных • W = IU — потребляемая электрическая для оптимального решения охлаждения? или детальных графиков можно расширить • Какое число модулей оптимально для су- мощность (Вт);

на весь экран. Для этого необходимо подве • Qc — холодопроизводительность (Вт);

ществующей задачи? сти курсор мыши к интересующему графи • Как создать наиболее эффективную и на- • Qh = Qc+W — тепловая энергия, выделяю- ку и дважды нажать левую кнопку мыши.

дежную систему охлаждения и темпера- щаяся на горячей стороне модуля (Вт);

Возврат к предыдущему окну осуществляет • COP = Qc/W — холодильный коэффици турной стабилизации? ся нажатием комбинации клавиш Alt+C.

Руководствуясь желанием максимально пол- ент;

Любой из графиков можно рассмотреть бо • Wob — тепловая энергия, выделяющаяся но ответить на эти вопросы для разработчи- лее подробно, если выделить интересующую ков термоэлектрических систем охлаждения, в объекте (Вт). область с помощью мыши. Для этого необхо специалисты компании «КРИОТЕРМ» созда- Тепловые сопротивления: димо нажать клавишу Shift и левую кнопку • Rc = (Tob–Tc)/Qc — тепловое сопротивле ли компьютерную программу KRYOTHERM, мыши и, не отпуская ее, выделить прямоуголь которая состоит из трех частей: ние между объектом и холодной поверхно- ную рамку. Возврат к графику нормальных • Performance Graphs (графическое представ- стью (холодными спаями) термоэлектри- размеров осуществляется нажатием клавиши ление термоэлектрических характеристик ческого модуля (К/Вт);

Shift и левой кнопки мыши. Это позволяет • Rh = (Th–Ta)/Qh — тепловое сопротивле ТЭМ). производить расчеты с требуемой точностью.

• Choice of modules (выбор ТЭМ по термоэ- ние между горячей поверхностью (горячи- В части программы Choice of Modules лектрическим характеристикам). ми спаями) термоэлектрического модуля предусматривается вывод дополнительной • Thermoelectric system calculation (расчет тер- и средой (К/Вт);

информации по каждому варианту решения • Rc1 и Rh1 — промежуточные тепловые со моэлектрической системы охлаждения). задачи охлаждения. Дополнительная инфор Каждый последующий раздел програм- противления по холодной и горячей сторо- мация вызывается двойным щелчком левой мы базируется на информации, получаемой нам термоэлектрической системы, вклю- кнопки мыши на таблице результатов.

пользователем из предыдущего. Это позво- чающие в себя сопротивление керамики При наличии установленного принтера про ляет изучить основы проектирования тер- и теплопроводящей пасты (К/Вт);

грамма предоставляет возможность печати ис • Rc2 и Rh2 — тепловые сопротивления те моэлектрических систем охлаждения от про- ходных данных, графиков, результатов расчета.

стого к сложному. плообменников на один модуль по холод Первый раздел программы:

Все разделы снабжены подробным описа- ной и горячей сторонам термоэлектриче графическое представление нием (HELP), вызываемым нажатием кла- ской системы (К/Вт);

термоэлектрических • Rins — тепловое сопротивление изоляции виши F1. Приведенные примеры расчета характеристик тЭМ позволяют пользователю быстрее освоить (К/Вт).

(Performance Graphs) • Температуры:

основные возможности программы.

• Tob — температура охлаждаемого объекта система обозначений (К);

Представленные на сайте и в каталоге компа и опции просмотра, примененные • Ta — температура окружающей среды (К);

нии «КРИОТЕРМ» технические спецификации в программе KRYOTHERM • Th — температура горячей поверхности на выпускаемые модули дают представление (горячих спаев) термоэлектрического мо- об основных технических характеристиках и их В связи с тем, что в программе осуществля- дуля (К);

соотношениях. Программа KRYOTHERM со • Tc — температура холодной поверхности ется связь различных по своей сути параметров держит каталог термоэлектрических модулей, (теплофизические параметры модулей и окру- (холодных спаев) термоэлектрического мо- подразделенный по областям применения (за жающей среды, электрические параметры мо- дуля (К);

кладки во второй строке: микромодули, стан • dT = Th–Tc — разность температур между дулей, показатели их эффективности и др.), дартные однокаскадные, высокоэффективные, целесообразно привести определение этих сторонами (спаями) модуля (К). специальные и многокаскадные ТЭМ).

www.kite.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 ' силовая электроника Стандартный график № 4 строится при четырех определенных значениях разности температур. Разности температур приводятся в процентах от dTmax. В легенде укрупненного графика эти значения приводятся в градусах Кельвина.

Стандартный график № 1 — график зависимости холодопроизводительности от разности температур между горячей и холодной сторонами Данная зависимость строится при фиксированных значениях тока.

Это наиболее важный график (рис. 4). С его помощью можно опреде лить, сколько тепловой энергии может отвести модуль от охлаждаемого объекта при заданной разности температур между сторонами модуля.

Рис. 2. Окно каталога ТЭМ При выборе конструкции модуля следует принять во внимание, что многокаскадные модули целесообразно применять только в слу чае необходимости получения перепадов температур, не обеспечи ваемых однокаскадными модулями. Это становится понятно при сравнении графиков холодильных коэффициентов однокаскадных и многокаскадных модулей.

Пример представления параметров ТЭМ приведен на рис. 2.

Стандартные графики Окно со стандартными графиками появляется после выбора модуля и нажатия кнопки Standard. Название модуля находится в верхней стро ке слева. Далее приводятся потребительские параметры модуля — Imax, Qmax, Umax, dTmax. Потребительские параметры зависят от температу ры горячей стороны Th. Значение температуры Th вводится в окне вни зу слева. При температуре Th = 300 К эти параметры соответствуют Рис. 4. График зависимости холодопроизводительности от разности температур данным, приведенным в каталоге и на сайте компании «КРИОТЕРМ». между горячей и холодной сторонами Стандартные графики представляют собой четыре универсальные зависимости (рис. 3), которыми следует пользоваться для определе ния характеристик термоэлектрических модулей. Это зависимости При подводе тепловой нагрузки на термоэлектрический модуль холодопроизводительности, напряжения и COP от разности темпера- данная тепловая энергия подогревает холодную сторону, в результате тур между сторонами модуля (графики № 1–3), а также зависимость чего разность температур между сторонами модуля уменьшается.

напряжения от тока (график № 4). При отсутствии тепловой нагрузки модуль развивает максимальную Стандартные графики № 1–3 строятся при четырех определенных разность температур.

значениях тока. Токи приводятся в процентах от Imax. В легенде рас- По мере увеличения тока эффект Пельтье проявляется сильнее, ширенного графика эти значения приводятся в амперах. и графики смещаются в сторону бльших значений разностей темпе ратур и бльших значений холодопроизводительности.

Стандартный график № 2 — зависимость разности температур от напряжения, подаваемого на модуль Данная зависимость (рис. 5) строится при фиксированных значениях тока. Напря-жение, прикладываемое к модулю, складывается из двух со ставляющих — омического напряжения и напряжения, затрачиваемого на преодоление термоЭДС, возникающей в результате эффекта Зеебека.

При фиксированном значении тока омическая составляющая посто янна, а напряжение Зеебека линейно зависит от разности температур между сторонами модуля. Для достижения большей разности темпера тур к модулю необходимо прикладывать большее напряжение.

Стандартный график № 3 — зависимость холодильного коэффициента от разности температур между горячей и холодной сторонами Эта зависимость также строится при фиксированных значениях тока (рис. 6). Холодильный коэффициент представляет собой отно шение холодопроизводительности к электрической энергии, потре Рис. 3. Графики холодопроизводительности, напряжения и COP бляемой модулем. При фиксированном значении тока электрическая от разности температур между сторонами модуля (графики № 1–3), энергия, потребляемая термоэлектрическим модулем, немного уве а также зависимость напряжения от тока (график № 4) личивается при возрастании разности температур, а холодопроизво КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 ' силовая электроника Рис. 5. Зависимость разности температур от напряжения, подаваемого на модуль Рис. 7. Зависимость напряжения, подаваемого на термоэлектрический модуль, от тока Дополнительные стандартные графики Для получения дополнительной информации о ключевых параме трах модулей СОР и холодильной мощности от подаваемого напря жения или протекающего тока служат стандартные графики № 5– (рис. 8). Эти графики построены при фиксированных значениях холодной и горячей сторон.

Открытие графиков осуществляется нажатием второй закладки, значения перепада температур могут изменяться в соответствую щем данному модулю интервале. Таким образом, представлен ные графики позволяют получить дополнительную информа цию о взаимных зависимостях ключевых параметров в различных условиях. Как и в первой группе графиков (№ 1–4), температура горячей стороны также может быть задана пользователем произ вольно.

Каждый график может быть представлен укрупненно, отдельно от других, для этого необходимо навести курсор на интересующий график и дважды кликнуть по нему. Также может быть выделена и увеличена до требуемых размеров интересующая часть графика в соответствии с порядком, описанным выше.

Рис. 6. Зависимость холодильного коэффициента от разности температур между горячей и холодной сторонами дительность линейно падает при увеличении разности температур.

В результате СОР падает при увеличении разности температур.

При малых токах модуль потребляет небольшое количество элек трической энергии, поэтому эффективность его работы (СОР) ока зывается выше, чем при больших токах. Однако при больших токах сильнее проявляется эффект Пельтье и может быть достигнуто более глубокое охлаждение.

Стандартный график № 4 — зависимость напряжения, подаваемого на термоэлектрический модуль, от тока Эта зависимость (рис. 7) строится при фиксированных значениях разности температур между сторонами модуля.

Напряжение, прикладываемое к модулю, складывается из двух составляющих — омического напряжения и напряжения, затрачи ваемого на преодоление ЭДС, возникающей в результате эффекта Зеебека. При фиксированном значении разницы температур состав ляющая Зеебека постоянна, а омическая составляющая прямо про- Рис. 8. Стандартные графики зависимости холодильного коэффициента порциональна току. В результате напряжение линейно увеличивается и холодильной мощности от величины напряжения и тока в зависимости от тока.

www.kite.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 ' силовая электроника Рис. 10. Определение напряжения питания, соответствующего выбранным режимам Рис. 9. Выбор тока, обеспечивающего на заданном перепаде температур (dT = 38 K, I = 0,74Imax) необходимую холодильную мощность 6. С помощью стандартного графика № 3, Фиксированными параметрами являются Tc, Пример определения представленного на рис. 11, можно найти Th, Qc, W. В соответствии с возможным вы характеристик модуля СОР, соответствующий току I = 0,74Imax бором двух параметров детальные графики по стандартным графикам При необходимости охладить объект с по- и разности температур dT = 38 К. Холо- подразделяются на следующие типы:

• тип № 1 — Qc = const, Th = const;

мощью термоэлектрического модуля опти- дильный коэффициент равен СОР = 0,42.

• тип № 2 — Qc = const, Tc = const;

мальным образом, необходимо знать тепло- Таким образом, были определены основ • тип № 3 — Tc = const, Th = const;

вую мощность, выделяющуюся в объекте, ные параметры системы ТСОТ с применени • тип № 4 — Tc = const, W = const;

температуру, до которой следует охладить ем модуля ТВ-127-1,4-1,5.

• тип № 5 — Th = const, W = const.

объект, а также температуру среды. Зная эти величины, можно оценить требуемую хо- Выбор типа осуществляется в верхней ча Детальные графики лодопроизводительность для данной ТСОТ Окно с детальными графиками появляет- сти окна с детальными графиками. Значения и температуры горячей и холодной сторон ся после выбора модуля и нажатия кнопки параметров задаются в правом нижнем углу.

термоэлектрического модуля. Detailed. Название модуля находится в верх- В каждом типе детальных графиков суще Для охлаждения до заданной температу- ней строке слева. Далее приводятся потреби- ствует по четыре группы графиков, описы ры и отвода теплоты необходимо приложить тельские параметры модуля — Imax, Qmax, вающих различные характеристики.

к модулю определенное напряжение (про- Umax, dTmax, вычисленные при температуре Следует иметь в виду, что на некоторых пустить через него определенный ток). Также Th = 300 К. графиках для большей наглядности зависи полезно знать холодильный коэффициент. Детальные графики представляют собой на- мостей характеристик представлена инфор Возьмем для примера следующие исхо- бор зависимостей характеристик выбранного мация в широком диапазоне, превышаю дные данные: Qc = 20 Вт, Th = 293 К (20 °C), модуля при двух фиксированных параметрах. щем допустимый техническими условиями Tc = 255 К (–18 °C), модуль — ТВ-127-1,4-1,5.

Задача: определить рабочий ток, рабочее напряжение и холодильный коэффициент для выбранных условий.

Для решения поставленной задачи:

1. В каталоге ТЭМ выбираем модуль ТВ-127-1,4-1,5 и нажимаем кнопку Standard.

2. В нижнем левом углу экрана выставля ем температуру горячей стороны модуля Th = 293 К.

3. Вычисляем разницу температур — dT = Th–Tc = 293–255 = 38 К.

4. С помощью стандартного графика № 1 вы бираем величину тока такой, чтобы при раз ности температур dT = 38 К обеспечить хо лодопроизводительность Qc = 20 Вт (рис. 9).

Этот ток равен I = 0,74Imax или I = 4,4 А.

5. С помощью стандартного графика № 2 (или стандартного графика № 4) находим напря жение, которое соответствует току I = 4,4 А и разности температур dT = 38 К. Это напря- Рис. 11. Определение величины холодильного коэффициента СОР жение равно U = 10,9 В (рис. 10).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 ' силовая электроника Рис. 12. Детальные графики при фиксированных значениях Рис. 13. Детальные графики при фиксированных значениях холодопроизводительности Qc и температуры горячей стороны Th холодопроизводительности Qc и температуры холодной стороны Tc (представлена первая из четырех групп: Tc = f(I, U, W)) (представлена первая из четырех групп: Th = f (I, U, W)) • группа № 2 — COP от I, U, W;

и спецификацией. При окончательном выборе модуля следует прове • группа № 3 — Qh от I, U, W;

рить соответствие выбранных характеристик предельно допустимым • группа № 4 — U от I, W от I, W от U.

условиям эксплуатации модуля.

Основным графиком типа № 2 является график зависимости Детальные графики группы № 1 — Th = f (I) (приведен на рис. 13). Он позволяет оценить, какой должна значения холодопроизводительности фиксированы быть температура горячей стороны, чтобы можно было обеспечить Детальные графики типа № 1 строятся при фиксированных значе- заданные условия. Высокое значение температуры горячей стороны ниях холодопроизводительности Qc и температуры горячей сторо- позволяет добиться значительного перегрева над средой, что спо ны Th. Эта ситуация возникает, когда охлаждаемый объект имеет по- собствует лучшему отводу тепловой энергии с горячей стороны тер стоянную мощность тепловыделений и когда известна температура моэлектрического модуля.

среды. Исходя из мощности тепловыделений и температуры среды, На графике видно, что существует ток, при котором достигается можно оценить требуемую холодопроизводительность и темпера- максимальная температура горячей стороны. При значении тока, туру горячей стороны модуля. Задавая численные значения Qc и Th, меньшем оптимального, модуль не развивает максимально возмож можно получить графики следующих зависимостей: ной разности температур из-за недостаточного проявления эффекта • группа № 1 — Tc от I, U, W;

Пельтье. При большом значении тока разность температур меньше • группа № 2 — COP от I, U, W;

максимальной из-за значительного выделения джоулевой энергии.

• группа № 3 — Qh от I, U, W;

• группа № 4 — U от I, W от I, W от U. Детальные графики группы № 3 — строятся при фиксированных значениях температур Основным графиком типа № 1 является график группы № 1 — Tc = f (I) (приведен на рис. 12). Он позволяет определить, какой ток холодной Tc и горячей Th сторон модуля следует пропускать через модуль, чтобы охладить объект до опреде- Эта ситуация возникает, когда известна температура, при кото ленной температуры. рой необходимо поддерживать охлаждаемый объект, и температура На графике (рис. 12) видно, что существует ток, при котором до- среды. Исходя из этих температур, можно оценить температуру сто стигается максимальное охлаждение. При значениях тока меньше рон модуля. Задавая численные значения Tc и Th, можно получить оптимального эффект Пельтье не проявляется в достаточной мере, графики следующих зависимостей:

• группа № 1 — Qc от I, U, W;

и охлаждение меньше максимально возможного. При больших зна • группа № 2 — COP от I, U, W;

чениях тока температура холодной стороны увеличивается из-за • группа № 3 — Qh от I, U, W;

большого выделения джоулевой энергии.

• группа № 4 — U от I, W от I, W от U.

Детальные графики группы № 2 — зависимость напряжения, Основными графиками типа № 3 являются график группы № 1 — подаваемого на ТЭМ, от разности температур между горячей Qc = f (I) (приведен на рис. 14) и график группы № 2 — COP = f (I).

и холодной сторонами при фиксированном значении тока Они позволяет оценить, какой ток необходимо пропускать через Детальные графики типа № 2 строятся при фиксированных зна- термоэлектрический модуль, чтобы обеспечить максимальную хо чениях холодопроизводительности Qc и температуры холодной лодопроизводительность или максимальный холодильный коэффи стороны Tc. Эта ситуация возникает, когда охлаждаемый объект циент. На графиках видно, что существуют такие значения тока, при ТСОТ необходимо поддерживать при определенной температуре, которых эти параметры имеют максимальные значения.

и он имеет постоянную мощность тепловыделений. Исходя из мощ Детальные графики группы № 4 — строятся при ности тепловыделений и требуемой температуры объекта, можно фиксированных значениях температуры холодной стороны Tc оценить требуемую холодопроизводительность и температуру хо и потребляемой мощности W лодной стороны модуля. Задавая численные значения Qc и Tc, можно получить графики следующих зависимостей: Эта ситуация возникает, когда известны температура, при кото • группа № 1 — Th от I, U, W;

рой необходимо поддерживать охлаждаемый объект, и потребляемая www.kite.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 ' силовая электроника Рис. 14. Детальные графики при фиксированных значениях температуры холодной Рис. 16. Детальные графики при фиксированных значениях температуры горячей и горячей сторон, Tc и Th const (представлена первая из четырех групп: Qc = f(I, U, W)) стороны и протекающего тока (представлена четвертая группа: Qc, U, W = f(Tc)) тельно источника питания). Задавая численные значения Th и W, можно получить графики следующих зависимостей:

• группа № 1 — Tc от I, U, Qc;

• группа № 2 — Qc от I, U, dT;

• группа № 3 — Qh от I, U, dT;

• группа № 4 — COP от I, U, dT.

Основным графиком является график группы № 5 — Tc = f (Qc) (представлен на рис. 16). Он позволяет оценить температуру холодной стороны в зависимости от холодопроизводительности. На графике вид но, что при увеличении разности температур (то есть при уменьшении температуры холодной стороны) холодопроизводительность падает.

Пример расчета по детальным графикам Для того чтобы охладить объект с помощью термоэлектрического модуля оптимальным образом, необходимо знать тепловую мощ ность, выделяющуюся в объекте, температуру, до которой следует охладить объект, а также температуру среды. Зная эти величины, можно оценить требуемую холодопроизводительность, и температу ры горячей и холодной сторон термоэлектрического модуля.

Для охлаждения до заданной температуры и отвода теплоты необ Рис. 15. Детальные графики при фиксированных значениях температуры ходимо приложить к модулю определенное напряжение (пропустить горячей стороны и напряжения питания через него определенный ток). С помощью графиков можно опреде (представлена вторая из четырех групп: Qc, Qh, COP = f(Tc)) лить холодильный коэффициент и другие характеристики термоэ лектрического модуля.

мощность (например, существует ограничение относительно источ- Для примера возьмем следующие исходные данные: Th = 293 К (20 °C), ника питания). Задавая численные значения Tc и W, можно получить Tc = 255 К (–18 °C), модуль — ТВ-127-1.4-1.5.

графики следующих зависимостей: Задача: определить максимальный COP и соответствующие ему • группа № 1 — Th от I, U, Qh;

характеристики.

• группа № 2 — Qc от I, U, dT;

Последовательность определения:

• группа № 3 — Qh от I, U, dT;

1. Выбираем модуль ТВ-127-1.4-1.5 и нажимаем кнопку Detailed.

• группа № 4 — COP от I, U, dT. 2. На основании исходных данных выбираем тип графиков. В данном Основным графиком типа № 4 является график группы № 2 — случае следует воспользоваться детальными графиками типа № 3.

Qc = f (dT) (приведен на рис. 15). Он позволяет оценить холодопроиз- 3. Вводим исходные данные: Tc = 255 К, Th = 293 К.

4. На графике COP = f (I) (рис. 17) группы № 2 находим максималь водительность, которую можно обеспечить при заданных температу рах сторон модуля и потребляемой мощности. На графике видно, что ный COP = 0,48 и соответствующий рабочий ток I = 3,2 A.

5. На графике Qc = f (I) группы № 1 находим холодопроизводительность при увеличении разности температур dT (то есть возрастании темпе ратуры горячей стороны) холодопроизводительность уменьшается. Qc = 13 Вт, которая соответствует рабочему току I = 3,2 A (рис. 18).

6. На графике Qc = f (U) группы № 1 (рис. 19) находим рабочее напря Детальные графики группы № 5 — жение U = 8,5 В, которое соответствует холодопроизводительности значения температуры холодной стороны Th Qc = 13 Вт.

и потребляемой мощности W фиксированы 7. На графике Qc = f (W) (рис. 20) группы № 1 находим потребляемую Эта ситуация возникает, когда известны температура среды и по- мощность W = 27 Вт, которая соответствует холодопроизводитель требляемая мощность (например, существует ограничение относи- ности Qc = 13 Вт.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 ' силовая электроника Как это видно из приведенных примеров, стандартные графики позволяют рассмотреть общие закономерности изменения основных характеристик (например, зависимость холо допроизводительности от разности темпера тур между сторонами модуля). Детальные гра фики позволяют оценить характер изменения различных характеристик модуля при некото рых фиксированных параметрах.

Данная часть программы позволяет понять особенности и возможности конкретных ти пов модулей в различных режимах, оценить возможности того или иного термоэлектри ческого модуля с помощью графиков харак теристик, подобрать, в случае необходимо сти, аналог уже применяемого модуля.

В следующей части статьи будут рассмо трены разделы программы, предназначенные Рис. 17. Определение максимального холодильного коэффициента для выбора термоэлектрических модулей n по характеристикам и расчета ТСОТ.

8. На графике Qh = f (I) группы № 3 (рис. 21) Qh = 40 Вт, которая соответствует рабоче находим теплопроизводительность му току I = 3,2 А. Окончание следует Рис. 18. Определение рабочего тока по значению требуемой холодильной мощности Рис. 19. Определение рабочего напряжения по значению требуемой холодильной мощности Рис. 20. Определение потребляемой мощности Рис. 21. Определение теплопроизводительности по значению требуемой холодильной мощности (рассеиваемой на горячей стороне мощности) по значению протекающего тока www.kite.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '

 














 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.