В.А. Старовойтов Термоэлектрическая холодильная машина
.pdf
10
рых отрицательная ветвь изготавливается методом горячего прессования, а положительная — методом холодного прессования.
Механическая прочность ветвей термоэлементов незначительна. Так, например, у образцов сплава Bi2Te3 - Sb2Те3 , изготовленных по технологии горячего или холодного прессования, предел прочности при сжатии составляет 44,6—49,8 МПа. Нижний предел относится к образцам, полученным методом горячего прессования. Для повышения прочности термоэлемента между коммутационной пластиной 1 (рис.4) и полупроводниковой ветвью 6 ставится демпфирующая свинцовая пластина 3, кроме того, применяются легкоплавкие припои 2, 4 и при-
пой SiSb 5.
Сравнительные характеристики.
Термоэлектрические охлаждающие устройства имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами холодильных машин. При помощи термоэлектрических устройств в теплое время года можно охлаждать помещения, а в холодное время — обогревать. Изменение режима охлаждения на режим обогрева
осуществляется путем реверса электрического тока.
Кроме того, к преимуществам термоэлектрических устройств следует отнести: отсутствие движущихся частей; полную бесшумность работы; отсутствие рабочего вещества и масла; меньшую массу и габаритные размеры при той же холодопроизводительности.
К недостаткам термоохлаждающих устройств следует отнести их низкую экономичность и повышенную стоимость. Экономичность термоэлектрических устройств по сравнению с паровыми холодильными машинами приблизительно на 20—50 % хуже.
Практическая реализация ТЭХМ. С учетом вышеизложенного промышленностью освоено несколько типов ТЭХМ, и одним из них является микроТЭХМ, конструкция которого представлена на рис. 5.
ТЭХМ выполнена в виде цилиндрического стакана 5, установленного днищем на «холодные» перемычки («холодные» спаи) батареи термоэлементов 4. Токовод к концевым частям батареи, состоящей из 24 последовательно включенных термоэлементов, осуществляется в помощью винтов 9 - «горячие» перемычки («горячие» спаи), имеющие в процессе работы температуру выше температуры окружающей среды,
11
охлаждаются проточной водой, подаваемой и отводимой через штуцер 1. Таким образом, в нормальном эксплуатационном режиме ТЭХМ выполняет функции обычной холодильной машины, переносящей теплоту от источника низкой температуры к окружающей среде. Охлаждаемым объектом является объем рабочей камеры 6, образованной стенками стакана 5 и крышкой 7. Для уменьшения теплопритоков камера теплоизолирована. Для контроля за температурой в холодильной камере используется полупроводниковый термопреобразователь сопротивления малых размеров с соответствующими выводами 8.
Рис. 5. Термоэлектрическая холодильная машина: 1 - штуцер подвода (отвода) охлаждающей воды; 2 - корпус; 3 - кожух с теплоизоляцией; 4 - термоэлементы; 5 - стакан; 6 - холодильная камера; 7 - крышка с теплоизоляцией; 8 - клеммы полупроводникового термопреобразователя сопротивления; 9 - клемма подвода рабочего тока
12
Потребляемая мощность 180 Вт. Эксплуатация осуществляется в режиме ε max при максимальной холодопроизводительности 190 ккал/ч и максимально достижимой температуре Тх = -350С.
5. УСТРОЙСТВО СТЕНДА
Оборудование стенда размещено на двух раздельных конструкциях: на металлической вертикальной стойке смонтированы контрольноизмерительные приборы и органы управления, а на кронштейне, прикрепленном к стене, - холодильная машина (ТЭХМ) и блок питания
(рис. 6).
Рис. 6. Схема размещения технических средств стенда: 1 - стойка приборная; 2 - электронный автоматический мост КСМ-4; 3 - переключатель «Сеть»; 4 - вольтметр ЛАТРа; 5 - лампы сигнальные; 6 - холодильник со снятой крышкой; 7 - штепсельная стеновая розетка «220 В»; 8 - термометр палочный стеклянный; 9 - термопреобразователь сопротивления; 10 - холодильная машина (объект исследования); 11 - выпрямитель силовой ВСП-33; 12 - кронштейн; 13 - штуцер системы охлаждения; 14 - трубки подачи воды; 15 - шнур с розеткой
13
ТЭХМ 1, установленный на стенде, аналогичен конструкции ТЭХМ, рассмотренной на рисунке, и отличается лишь тем, что в ее крышке сделаны отверстия, через которые в холодильную камеру введены лабораторный палочный термометр 8 и термопреобразователь сопротивления 9. Последний подключен к автоматическому электронному мосту 2.
Питание ТЭХМ осуществляется с помощью выпрямителя силового 11, имеющего переключатель, позволяющий ступенчато изменять величину рабочего тока, подаваемого на термоэлементы ТЭХМ. Кроме того выпрямитель снабжен амперметром для определения величины последнего.
Выпрямитель питается от автотрансформатора, напряжение которого отображает вольтметр 4.
Отвод тепла от ТЭХМ в окружающую среду осуществляется проточной холодной водой, подаваемой от водопровода через резиновые трубки 14.
Общее питание стенда производится от сети 220 В.
Для более детального ознакомления с конструкцией ТЭХМ на стенде установлен другой экземпляр ТЭХМ 6 со снятой крышкой.
6. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
После изучения настоящих указаний приступить к выполнению экспериментальной части работы.
Прежде всего необходимо подключить охлаждающую воду, подаваемую и отводимую через резиновые трубки 14, надетые на штуцер 13. Убедиться, что вода проточная по наличию слива и в дальнейшем следить за этим.
Сетевой переключатель 3 (рис. 6) установить в положение «Вкл», подав тем самым напряжение на стенд. При этом переключатель тока выпрямителя 11 должен стоять в положении «Выкл».
Открыть крышку прибора 2 и включить тумблеры с надписями «Прибор» и «Диаграмма». После пятиминутного прогрева прибора переключатель тока на выпрямителе поставить в положение I, подав тем самым рабочий ток порядка 14 А на термобатарею ТЭХМ.
14
Дождавшись установившегося значения температуры в камере ТЭХМ (показания ртутного термометра 8 и прибора 2 остаются постоянными), зафиксировать показания в таблицу.
№ |
Положение |
Величина |
Показания |
Показания |
п/п |
переключателя |
рабочего тока, |
ртутного |
прибора |
|
на выпрямителе |
А |
термометра |
КСП-4 |
1 |
I |
14 |
|
|
2 |
II |
17 |
|
|
3 |
III |
20 |
|
|
4 |
IV |
22 |
|
|
Увеличить рабочий ток, установив переключатель тока в положение II, и, дождавшись установившихся показаний, зафиксировать их. Аналогичные действия осуществить и для других положений переключателя.
Сняв показания, соответствующие самой низкой температуре в ТЭХМ, необходимо переключатель тока на выпрямителе установить в положение «Выкл», тумблеры электронного моста в положение «Откл» и переключатель «Сеть» на приборной стойке в положение «Откл».
Только после этого следует прекратить подачу охлаждающей воды в ТЭХМ.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое «холодопроизводительность» и как ее определить?
2.Какие параметры определяют электропроводность полупровод-
ников?
3.В чем состоит суть эффекта Зеебека?
4.Объясните связь эффекта Пельтье с тепловым процессом.
5.Объясните взаимосвязь между термоэлектрическими эффектами на примере цикла короткозамкнутой термоэлектрической цепи в S-Т-диаграмме.
6.Какие тепловые процессы имеют место в термоэлементе ТЭХМ?
7.Какие рабочие режимы ТЭХМ реализуются на практике?
15
8.Какие конструкционные материалы используются для изготовления термоэлементов ТЭХМ?
9.Какие достоинства и недостатки имеют ТЭХМ?
10. Поясните смысл введения холодильного коэффициента.
11. Можно ли ТЭХМ использовать в качестве нагревателя и что для этого нужно сделать?
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: В 2-х кн.-М.: Химия, 1981.-812 с.
2. Холодильные машины /Под общ.ред. И.А. Скакуна.-Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985.-510 с.
Составитель
ВЛАДИМИР АЛЕКСЕЕВИЧ СТАРОВОЙТОВ
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА
Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Оборудование и установки типовых технологических процессов»
для студентов направления 550200
Редактор З.М. Савина
ЛР № 020313 от 23.12.96.
Подписано в печать 09.10.00. Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Печать на ризографе. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 50 экз. Заказ Кузбасский государственный технический университет
650026, Кемерово, ул. Весенняя. 28.
Типография Кузбасского государственного технического университета. 650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4А.