Многокаскадные термоэлектрические батареи

Поскольку с уменьшением перепада температур горячих и холод­ных спаев холо­дильный коэффициент термоэлектрической батареи повышается, то одним из способов повышения экономичности термо­электриче­ского охлаждения следует считать снижение температуры горячих спаев за счет эффективного отвода от них тепла, Темпера­тура го­рячих спаев может быть понижена, если к ним присоединить холодные спаи другой тер­моэлектрической батареи. При этом обра­зуется двухступенчатая (двухкаскадная) термо­электрическая бата­рея, вторая ступень которой призвана повысить экономичность пер­вой или понизить температуру холодных спаев и тем самым повысить холодопроизводи­тельность первой ступени. С этой же целью может быть спроектирована трехступенчатая и многоступен­чатая термоэлектрическая батарея, каждая из последующих сту­пеней ко­торой будет охлаждать горячие спаи предыдущей ступени.

Рассмотрим показатели холодопроизводительности и экономич­ности трехступен­чатой термоэлектриче­ской батареи, каждая ступень которой имеет самостоятельную электрическую цепь с источником питания. Если обозначить через Q₀i холодопроизводи­тельность той или иной ступени термобатареи, то экономичность одной ступени опреде­лится холодопроизводительностью от единицы затраченной электрической энергии.

Для того чтобы каждая ступень термоэлектрической батареи использовалась пол­ностью в своем целевом назначении, необходимо, чтобы холодопроизводительность ка­ждой последующей ступени была больше пре­дыдущей на величину затраченной в ней энергии, т.е.

₍₉₆₎

Если холодильные коэффициенты отдельных ступеней равны, то холодопроизводи­тельность третьей ступени должна быть равна

,

и в общем случае холодопроизводительность многокаскадной термо­электрической батареи

^{n - 1} (97)

В результате степенную зависимость с показателем степени на единицу меньше числа ступеней, т.е., без учета холодопро­изводительности первой ступени. Напри­мер, при равенстве холо­дильных коэффициентов всех ступеней 0,5 холодопроизводитель­ность второй сту­пени должна быть в 3 раза больше первой, а третьей — в 9 раз больше первой. Холодильный коэффициент мно­гоступенчатой термоэлектрической батареи оп­ределится отношением холодопроизводительности первой ступени к сумме мощностей, за­траченных на всех ступенях.

Если все ступени трехступенчатой термоэлектрической батареи питать оптимальным токомрежима максимальной экономичности, то примерная зависимость холодильного коэффициента от перепада температур при одном и том же значении Z для одно-, двух- и трехступенчатой термобатареи отразится графиками рис, 43. Анализ дан­ных графиков показы­вает, что с увеличением количества ступеней эффективность их применения снижается.

Поэтому на практике используются только двух- и трехступенчатые термоэлектриче­ские ба­тареи. Преимущества двух- и трехступенчатой термоэлек­трической батареи проявляются больше при малых значениях холодильного коэффициента. Поэтому в двухступенчатых термо­батареях с успехом могут быть использованы недорогие полупровод­никовые материалы с меньшей величиной Z. Поскольку затрачи­ваемая мощность в многосту­пенчатых термоэлек­трических батареях значительно увеличивается, то применение двух- и трехступенчатых тер­мобатарей может быть оправдано только в тех случаях, когда требуется получить значи­тельную глу­бину охлаждения в малых объемах без учета потребляемой мощности (микрохо­лодильники и микротермо­статы для различных отраслей науки и техники). В быто­вых же хо­лодильниках объемом (5 - 50 дм³) тем­пературу холод­ных спаев термобатареи доста­точно иметь в пределах О - минус 10° С при холодопроизводи­тельности до 11,63 Вт/ч. При таких параметрах при­менение многокаскадных термоэлектрических батарей эконо­мически нецелесообразно.

Методика расчета термоэлектрических холодильников

Расчет термоэлектрического холодильника складывается из рас­чета термоэлектриче­ской батареи и те­плотехнических расчетов системы отвода тепла от горячих спаев, тепло­изоляции холодильной камеры, сис­темы отвода тепла из холодильной камеры к холодным спаям, тепловых потерь в сопряжениях холо­дильника и др.

Основными исходными данными для расчета термоэлектрической батареи являются тре­буемая холодо­производительность и параме­тры первичного источника электропитания. При этом требуемая холодопроиз­водительность термоэлектрической батареи определяется калори­ческим расчетом в зависимости от заданного объема холодиль­ной камеры, необходимого уровня охлаждения и условий работы термоэлектрического хо­лодильника.

Параметры первичного источника электропитания (напряжение, частота тока и пр.) явля­ются данными для расчета (подбора) элемен­тов автоматики и питания термоэлектрической батареи постоянным током, К числу таких элементов относятся; трансформатор, выпря­ми­тель, терморегулятор, защитное реле и др.

Расчет термоэлектрической батареи начинается с выбора материа­лов н геометрических размеров термо­элементов, исходя из условий достижения максимальной экономичности и тех­нологичности кон­струкции хо­лодильника. При определенном значении характери­стики эффективности и заданном перепаде темпера­тур горячих и холодных спаев определяется хо­лодопроизводительность одного термоэлемента, а затем необ­ходимое количество термоэлемен­тов, обеспечивающее необходимую холодопроизводительность термоэлек­три­ческой батареи. Далее производятся конструирование термо­электрической батареи и расчет элементов элек­тропитания, обеспе­чивающих работу термобатареи в установленных режимах.

Конструирование и расчеты систем отвода тепла от горячих и холодных спаев, теплоизо­ляции холо­дильной камеры основываются на методах, известных в теплотехнике.