Термоэлектрические устройства для термостатирования с использованием плавящихся веществ
Разработка математической модели и создание малогабаритной системы термостатирования опорных спаев дифференциальных термопар на основе термоэлектрических модулей, отличающейся высокой точностью поддержания температуры и низким энергопотреблением.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 15.06.2018 |
| Размер файла | 1,1 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Губа Александр Александрович
термоэлектрическиЕ устройствА для термостатирования с использованием плавящихся веществ
05.04.03 - машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Махачкала-2008
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дагестанский государственный технический университет».
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Исмаилов Тагир Абдурашидович
Официальные оппоненты:
Доктор технических наук, профессор кафедры холодильных и компрессорных машин и установок ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» Шаззо Рамазан Измаилович.
Кандидат технических наук, профессор кафедры физики ГОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» Исабеков Илахидин Мамалиевич
Ведущая организация - Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт «Сапфир»
Защита состоится «28» апреля 2008 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета К212.052.01 в ГОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» по адресу: 367015, Махачкала, пр. И.Шамиля, 70.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет».
Автореферат разослан «___» марта 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
к.т.н., доцент Евдулов О.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
термостатирование спай термопара термоэлектрический
Актуальность проблемы. Современные тенденции развития измерительной техники требуют дальнейшего совершенствования методов и средств контроля различных физических величин при проведении экспериментальных исследований, лабораторных испытаниях новых устройств или в области управления технологическими процессами на производстве. Прецизионному контролю подлежат самые различные параметры, но, одной из наиболее часто измеряемых физических величин является температура. Известны различные типы датчиков температуры, из них на практике часто применяются дифференциальные термопары, которые отличаются высокой точностью измерений, широким диапазоном рабочих температур, возможностью длительной эксплуатации с сохранением основных параметров. Применение термопар для проведения исследований с погрешностью измерения температуры до десятых - сотых долей градуса требует использования особого подхода в части термостабилизации опорных спаев при определенном значении температуры. Чаще всего, для этого используют процессы фазового перехода для ряда веществ, характеризуемых стабильной температурой плавления.
Актуальность исследований в данной области обусловлена тем, что, несмотря на широкую потребность в высокоточных, надежных и малогабаритных устройствах термостатирования, большинство из применяемых в настоящее время конструкций имеют существенные недостатки. Основными из них являются невысокая точность термостабилизации, связанная с расположением опорных спаев термопар на различных расстояниях от границы раздела фаз и наличием конвективных потоков в жидкой фазе вещества, высокая материалоёмкость, ограниченное время функционирования устройств термостатирования. Использование систем автоматического регулирования для увеличения времени непрерывного функционирования устройств термостатирования не приносит желаемых результатов, поскольку точность термостабилизации зависит от технико-эксплуатационных характеристик датчика. Применение сложных в конструктивном исполнении устройств термостатирования на основе жидких или газообразных хладагентов приводит к ухудшению массогабаритных характеристик, повышению энергопотребления при незначительном повышении точности.
Проведенные за последние годы теоретические и экспериментальные исследования показали, что для обеспечения высокой точности термостатирования целесообразно размещать и точно фиксировать опорные спаи дифференциальных термопар при помощи специальных конструкций на границе раздела твердой и жидкой фазы вещества, положение которой регулируется с помощью термоэлектрических охлаждающих устройств.
В связи с вышеизложенным, диссертационная работа посвящена разработке термоэлектрических устройств для термостатирования с использованием плавящихся веществ.
Цель работы. Целью является разработка математической модели и создание малогабаритной системы термостатирования опорных спаев дифференциальных термопар на основе термоэлектрических модулей, отличающейся высокой точностью поддержания температуры и низким энергопотреблением.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Разработка малогабаритного термоэлектрического устройства для термостатирования, использующего эффект неизменности температуры в пограничном слое жидкость - твердая фаза вещества.
Разработка математической модели термоэлектрического устройства для термостатирования.
Разработка методик проведения испытаний устройств термостатирования опорных спаев дифференциальных термопар.
Проведение комплекса экспериментальных исследований с целью проверки адекватности математической модели практике и выдача рекомендаций по применению созданных устройств для термостатирования опорных спаев дифференциальных термопар.
Внедрение результатов исследований и разработок на предприятиях промышленности, в научных учреждениях и в учебный процесс.
Методы исследования. В процессе решения поставленных задач использованы принципы системного подхода, теория теплопроводности и конвективного теплообмена, математическая статистика, аналитические и численные методы решения дифференциальных уравнений, методы машинной обработки экспериментальных данных.
Научная новизна.
1. Разработана математическая модель устройства термостатирования для анализа его теплового режима, основанная на решении задачи, связанной с плавлением рабочего вещества, где учтены конвективные потоки в жидкой фазе, а также теплопотери по боковой поверхности устройства.
2. Разработана методика проведения испытаний устройств термостатирования опорных спаев дифференциальных термопар.
3. Создано термоэлектрическое устройство для термостатирования опорных спаев дифференциальных термопар, в котором высокая точность стабилизации температуры достигается за счет непосредственного размещения опорного спая вблизи границы раздела фаз.
Практическая ценность - разработаны конструкции термоэлектрических устройств для термостатирования, создан прибор для термостабилизации опорных спаев дифференциальных термопар, применяемых при проведении прецизионных измерений температуры в различных отраслях науки и техники.
Внедрение результатов. Разработанные в диссертационной работе математическая модель и конструкции устройств использовались при выполнении НИОКР в рамках программы “СТАРТ” Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Основные результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях ОАО НИИ “Сапфир” (г. Махачкала), ОАО НИИ “Волна” (г. Дербент), ОАО “Завод точной механики” (г. Каспийск), ООО ”Термолайн” (г. Махачкала), Институт проблем геотермии ДНЦ РАН (г. Махачкала), Дагестанский филиал объединенного института высоких температур РАН, а также, в учебный процесс ГОУ ВПО “Дагестанский государственный технический университет”.
Апробация результатов работы. Работа в целом и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на научной секции Х Международной студенческой олимпиады по автоматическому управлению, г. Санкт - Петербург, 2004 г.; Всероссийской научно-технической конференции “Биотехнические медицинские аппараты и системы”, г. Махачкала, 2003 г.; Всероссийской научно-технической конференции “Современные информационные технологии в управлении”, г. Махачкала, 2003 г.; Всероссийской научно-практической конференции “Проблемы качества, безопасности и диагностики в условиях информационного общества”, г. Сочи, 2004 г.; Региональной научно-технической конференции “Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты”, г. Махачкала, 2005 г.; Х научной сессии Международной академии информатизации, г. Махачкала, 2005 г.; XXVII итоговой научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ, г. Махачкала, 2006 г., а также, на научно-технических семинарах кафедр “Теоретическая и общая электротехника” и “Управление и информатика в технических системах” ДГТУ с 2003 по 2007 гг.
Разработанные устройства экспонировались на VI Международном инвестиционном форуме “Сочи 2007”, IV Дагестанской межрегиональной с международным участием выставке “Деловой Дагестан-2007” (Золотая медаль за разработку “Прецизионный термоэлектрический нуль-термостат”). Научно-исследовательский проект “Прецизионный термоэлектрический нуль-термостат” победил в конкурсе инновационных проектов “СТАРТ 2005” Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них, 2 патента РФ на изобретения, 8 статей, получены 4 положительных решения о выдаче патентов РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 175 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 120 страницах машинописного текста. Работа содержит 49 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, определена цель работы и сформулированы основные задачи исследования, научные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость результатов.
В первой главе представлен анализ современного состояния приборов, методов и средств поддержания постоянной температуры объектов в различных отраслях народного хозяйства, проведен литературный обзор применения полупроводниковых термоэлектрических преобразователей энергии для термостатирования, выполнен анализ проблем прецизионного термостатирования опорных спаев дифференциальных термопар.
За последние годы данная отрасль претерпела значительные изменения, что обусловлено целым рядом факторов, основными из которых являются развитие методов и средств холодильной техники, появление современных термоэлектрических приборов и устройств, развитие элементной базы электронной техники.
Проанализированы сферы и области применения устройств термостатирования. Отмечено, что одной из актуальных является проблема прецизионного термостатирования опорных спаев дифференциальных термопар, которые отличаются рядом положительных качеств и широко применяются в различных отраслях науки и техники. Однако, проведение исследований, в которых необходимо минимизировать погрешность измерения температуры до десятых - сотых долей градуса, требует использования особых подходов, в том числе, и низкотемпературного термостатирования опорных спаев при определенном значении температуры, чаще всего, при 0°С. Среди наиболее распространенных конструкций отмечается сосуд с тающим льдом и его модификации, в который помещают термостатируемый опорный спай дифференциальной термопары, а постоянство температуры обеспечивают за счет плавления рабочего вещества со стабильной температурой плавления.
Несмотря на высокую потребность в высокоточных, надежных и малогабаритных системах термостабилизации опорных спаев дифференциальных термопар, многие из применяемых в настоящее время конструкций имеют существенные недостатки - невысокую точность термостабилизации, ограниченное время непрерывного функционирования, низкие массогабаритные показатели. В этих условиях целесообразной является разработка конструкции устройства для термостатирования, основанного на использовании термоэлектрических батарей (ТЭБ), обладающих высокими массогабаритными показателями, надежностью, экологичностью, возможностью быстрого перехода из режима охлаждения в режим нагрева. На основании проведенного анализа были сформулированы основные цели и задачи работы.
Во второй главе рассматриваются математические модели термоэлектрического устройства для термостатирования, которые приведены с учетом влияния конвективных потоков в жидкой фазе рабочего вещества и рассеяния теплоты с боковой поверхности на процессы теплообмена, протекающие в устройстве. Основными задачами исследований являлись оценка времени полного расплавления рабочего вещества и, соответственно, времени непрерывного функционирования термоэлектрического устройства для термостатирования, а также, отслеживание положения границы раздела фаз во времени.
На рис.1 представлена общая тепловая схема термоэлектрического устройства для термостатирования, где емкость заполнена рабочим веществом, находящимся в состоянии фазового перехода с наличием четкой границы раздела жидкой и твердой фазы. В качестве рабочего могут быть использованы различные вещества, такие как парафин, воск, нафталин, галлий, лед и другие с разной температурой плавления (затвердевания), определяемой в зависимости от требуемой температуры термостатирования. При этом, на нижней поверхности происходит отток теплоты за счет ее сопряжения с холодными спаями ТЭБ. Величина удельного теплового потока на данной поверхности соответствует холодопроизводительности ТЭБ и обозначена qТЭБх. На верхней поверхности имеет место подвод теплоты, величина удельного теплового потока (обозначена qТЭБг) здесь зависит от удельной мощности тепловыделений на горячем спае ТЭБ и рассеяния теплоты с боковой поверхности (удельный тепловой поток qср). Очевидно, что qТЭБх<qТЭБг.
Для исследования процессов теплообмена в данной схеме рассматривается задача Стефана, которая формулируется как задача о сопряжении температурных полей в соприкасающихся фазах при наличии особого граничного условия на движущейся поверхности раздела фаз. Это условие характеризуется равенством температур в соприкасающихся фазах и неравенством тепловых потоков слева и справа от границы раздела, связанных с теплотой фазового превращения вещества. Вследствие специфики конструктивного исполнения устройства для термостатирования в жидком слое вещества возникает развитая естественная конвекция, которая в большой степени влияет на процесс теплообмена. Наличие конвективных потоков теплоты в жидкой фазе вещества в ограниченном объеме существенно усложняет физическую картину процесса теплообмена и приводит к необходимости корректировки классической постановки задачи Стефана.
Математическая постановка задачи плавления (затвердевания) вещества в термоэлектрическом устройстве для термостатирования была сформулирована в следующем виде:
; (1)
; (2)
; (3)
; (4)
; (5)
при . (6)
где - соответственно коэффициенты теплоотдачи от оболочки к жидкости и от поверхности раздела фаз к жидкости; - средняя температура жидкой фазы; - средняя температура твердой фазы; - время начала конвективного движения и начальная толщина расплава, при которых начинается конвективное движение вещества; - соответственно теплоемкость, плотность и толщина металлической оболочки устройства; - текущее время; - коэффициент теплоотдачи в окружающую среду; - среднемассовая температура металлической оболочки устройства; - температура окружающей среды; - температура плавления (кристаллизации) рабочего вещества; - теплоемкость, плотность и теплопроводность жидкой и твердой фазы рабочего вещества, где индекс 1 соответствует жидкой фазе, а индекс 2 - твердой фазе рабочего вещества, - теплота плавления рабочего вещества; - толщина слоя рабочего вещества; - подвижная координата границы раздела фаз.
Для решения задачи (1) - (6) в работе использован приближенный метод, основанный на замене истинных температурных кривых их приближенными аналогами. Согласно этому методу, профиль температуры в твердой фазе предполагается известным, удовлетворяющим начальным и граничным условиям задачи. Для рассматриваемого случая его с достаточной степенью точности можно представить в виде следующей зависимости:
, (7)
,
где , - соответственно, температуры при в любой момент времени ф и при ф = ф0 (), о0 - толщина расплава при ф = ф0; ф0 - время, при котором начинает наблюдаться линейное изменение температуры от времени; n - параметр, определяемый экспериментально.
В результате ряда преобразований, получена система дифференциальных уравнений:
, (8)
Где
, , ,
Система уравнений (8) в комплексе описывает процессы теплообмена в устройстве термостатирования. Её решение произведено численным образом в пакете прикладных программ MathCAD.
Результаты численного эксперимента по предложенной модели приведены на рис.2-3. Рассмотрены зависимости времени полного расплавления рабочего вещества ф от qТЭБг (рис.2) и длительности времени полного расплавления рабочего вещества ф от температуры окружающей среды Тср (рис.3) при различной толщине рабочего вещества.
Расчеты произведены при использовании в качестве рабочего вещества льда (воды) при следующих исходных данных: Ткр=273К; r=335103Дж/кг; с1=с2=4200Дж/(кгК); 1=2=1000кг/м3; =0,615Вт/(мК); n=1; об=500Вт/(Км2); кр=500Вт/(Км2), 0=0,003м; 0=0,3мин; ТТЭБх=263К; kср=30Вт/(Км2), Тср=293К.
Расчетные зависимости показывают, что длительность времени полного расплавления рабочего вещества, соответствующая длительности стабильной работы устройства для термостатирования, находится в требуемых пределах при использовании незначительного количества рабочего агента (согласно расчетным графикам его значение лежит в пределах 100 - 400 мин при толщине рабочего вещества 0,01-0,03м). При этом, с увеличением qТЭБг, что соответствует увеличению тока питания ТЭБ, растет скорость перемещения границы раздела фаз и, соответственно, уменьшается время полного расплавления рабочего вещества (льда). Как следует из приведенных графиков, длительность времени полного расплавления льда толщиной 3см. варьируется в интервале от 400 до 225 мин. при изменении qТЭБг от 2000Вт/м2 до 8000Вт/м2.
Из графиков также следует, что длительность стабильного поддержания температуры опорного спая дифференциальной термопары зависит от температуры окружающей среды и условий теплообмена с ней. Для поддержания неизменной температуры опорного спая термопары необходимо использовать рассмотренную систему термостатирования. Установлено, что длительность поддержания температуры опорного спая дифференциальной термопары при 273К монотонно убывает с увеличением температуры окружающей среды. В связи с чем, при разработке устройства для термостатирования опорного спая дифференциальной термопары необходимо предварительное определение температурного диапазона ее работы. При этом, расчет параметров устройства для термостатирования необходимо производить для наиболее критического значения температуры окружающей среды и условиям теплообмена с последней. Изменение процессов теплообмена на боковой поверхности скажется на величине теплового потока qТЭБг. Принимая во внимание, что:
qТЭБг= qТЭБг - qср, (9)
и учитывая коэффициенты: эффективности оребрения поверхности, теплоотдачи излучением, конвективный коэффициент теплообмена, а также, тот факт, что высота устройства для термостатирования не превышает 0,05 - 0,06м. и, принимая во внимание, что температура боковых стенок устройства равна температуре горячего спая ТЭБ, выводится конечное соотношение для количественной оценки процессов теплообмена с окружающей средой:
, (10)
где - коэффициент эффективности оребрения поверхности, характеризующий наличие ребер по боковой поверхности и степень их эффективности, причем:
,
здесь Uр - периметр сечения ребра; р - коэффициент теплопроводности ребра; Fр - площадь поперечного сечения ребра; hр - высота ребра;
Коэффициент теплопередачи из окружающей среды определяется соотношением:
,
где б.п. - коэффициент теплообмена; б.п./б.п - термическое сопротивление слоя покрытия на боковой поверхности устройства для термостатирования; Тб.п. - средняя температура боковой поверхности; Тср - температура окружающей среды;
На рис.4 - 5 приведены расчетные зависимости удельной плотности теплового потока с боковой поверхности термоэлектрического устройства для термостатирования от температуры горячих спаев ТЭБ и коэффициента эффективности оребрения боковой поверхности устройства для термостатирования.
Согласно полученным данным следует, что рассеяние теплоты с боковой поверхности может внести определенные изменения в величину qТЭБг. Так, согласно приведенным графикам величина qср может достигать значения порядка 400Вт/м2, тогда, как при тех же условиях, значение qТЭБг находится в пределах 2000-4000Вт/м2. Таким образом, на рассеяние теплоты с боковой поверхности устройства для термостатирования приходится 10-20% от qТЭБг. Как следует из полученных данных, qср в значительной степени зависит от таких показателей, как температура боковой поверхности (в соответствии с принятыми допущениями, ТТЭБг) и степени оребренности поверхности.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований термоэлектрического устройства для термостатирования. Экспериментальные исследования проводились с целью проверки адекватности математических моделей практике и достоверности сделанных на их основе выводов.
Изучение процессов теплообмена осуществлялось на экспериментальной модели термоэлектрического устройства для термостатирования (рис. 6), состоящего из цилиндрической камеры 3, имеющей прозрачные стенки с низкой теплопроводностью и заполненной рабочим веществом 4 - дистиллированной водой, изначально находящейся в твердой фазе (лед). Термоэлектрический модуль (ТЭМ) 2 закреплен между двумя теплопроводящими пластинами 6 и 7, причем, пластина 6 закреплена у верхнего основания (горячего спая) ТЭМ, пластина 7 - находится в хорошем тепловом контакте с нижним основанием ТЭМ (холодный спай).
Конструкция выполнена с учетом того, что теплота от горячего спая ТЭМ 2 подводится посредством теплопроводящей пластины 6 к верхнему основанию цилиндрической камеры 3, а посредством холодного спая ТЭМ 2, через теплопроводящую пластину 7 производится охлаждение нижнего основания цилиндрической камеры 3. Для снижения влияния внешних факторов, в том числе уменьшения теплообмена с окружающей средой, конструкция размещена в кожухе 1. Для компенсации изменений в объеме при фазовых переходах рабочего вещества используется отводная трубка 14.
При проведении замеров значений температуры в характерных точках конструкции использовались медь - константановые термопары 10, опорные спаи которых размещены в сосуде Дьюара 9, заполненном тающим льдом. Сигналы с термопар через многоканальный коммутатор 8 поступали на измерительный комплекс 11, значения измеренного сигнала с которого передавались на персональный ЭВМ 12 посредством интерфейса связи RS-232.
Питание ТЭМ осуществляется посредством управляемого источника тока 13, величина тока и падения напряжения в цепи контролируется с помощью встроенного в источник тока 13 вольтметра и амперметра.
Для исследования процессов теплообмена производилось визуальное наблюдение за перемещением границы раздела фаз 5, образующейся в результате плавления рабочего вещества 4, изначально пребывающего в твердой фазе (лед) в цилиндрической камере 3. С помощью термопар 10 регистрировались значения температур у нижнего и верхнего оснований цилиндрической камеры 3, а также, на горячем и холодном спае термоэлектрического модуля 2. Токи питания термоэлектрической батареи изменялись в пределе от 2А до 7А.
На основе разработанного макета были проведены экспериментальные исследования опытной модели устройства.
Визуальное наблюдение за процессами плавления и затвердевания в исследуемой полости с веществом выявило наличие четкой поверхности раздела твердой и жидкой фаз. При этом поверхность раздела фаз перемещалась в плоскости, параллельной поверхности нагрева и охлаждения. Это позволяет утверждать, что граничные условия, принятые в математическом описании соответствуют физической картине процесса превращения.
На рис.7 - рис.10 приведены данные, полученные при экспериментальном исследовании опытного образца термоэлектрического устройства для термостатирования. Представлены зависимости изменения температуры верхнего и нижнего основания рабочей камеры, а также координаты границы раздела фаз во времени и продолжительности времени полного расплавления льда от тока питания ТЭМ.
Согласно полученным зависимостям, рост величин тепловых потоков на нижнем и верхнем основаниях рабочей камеры, связанный с возрастанием тока питания ТЭБ, приводит, соответственно, к увеличению температуры верхнего и снижению температуры нижнего основания камеры. Так, увеличение тока питания ТЭБ с 2А до 4А через 1,5ч., приводит к увеличению значения температуры верхнего основания камеры с 309К до 324К и снижению температуры нижнего основания камеры с 267К до 258К. Как следует из приведенных данных, изменение температуры верхнего основания ощутимее, чем нижнего. Данное обстоятельство обусловлено более значительным ростом величины тепловыделений на горячем спае ТЭМ (теплопроизводительности) по сравнению с ростом его холодопроизводительности при увеличении тока питания. Поэтому, увеличение тока питания ТЭБ ускоряет процесс расплавления льда.
Согласно полученным данным (рис.8), при токах питания в 2А, 4А и 6А, скорость перемещения границы раздела фаз составляет, соответственно, 0,007м/ч., 0,01м/ч. и 0,013м/ч. При этом, длительность времени полного расплавления рабочего вещества, соответствующая продолжительности непрерывного функционирования устройства для термостатирования при изменении тока питания ТЭМ с 2А до 7А, сокращается с 318 мин до 230 мин, в связи с чем, возникает необходимость ограничения тока питания ТЭМ для обеспечения требуемой продолжительности непрерывного функционирования устройства для термостатирования.
Результаты сравнения расчетных и экспериментальных значений, показывают их достаточную сходимость. Отличие результатов расчета от экспериментальных данных не превышает 10 - 12 %.
В четвертой главе описаны конструкции разработанных модификаций термоэлектрических устройств для термостатирования, построенных на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований.
На рис.11 представлено устройство, которое состоит из внешней цилиндрической камеры 1, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, к верхнему основанию которой с внутренней стороны горячим спаем присоединен термоэлектрический модуль 2. Холодный спай термоэлектрического модуля 2 находится в хорошем тепловом контакте с неупругой цилиндрической камерой 3, выполненной из материала с высокой теплопроводностью.
Внутри камеры 3 находится рабочее вещество 4, разделенное границей раздела фаз 5 на твердую и жидкую фазы. В жидкой фазе находится кольцеобразный поплавок 6, изготовленный из материала, не смачиваемого рабочим веществом и имеющий конусность в вертикальном сечении. В центре поплавка размещается сетка 9, составленная из натянутых капроновых нитей, в каждом из узлов которой закреплены контрольные спаи дифференциальных термопар 7. Проводники контрольных спаев термопар 7 через специальное уплотнение 8 выведены наружу. Мелкоячеистые сетки 11 и 12 выполнены из капроновых нитей. Сетка 11 находится у верхнего основания поплавка 6, на границе раздела фаз. Сетка 12 натянута у нижнего основания поплавка 6 и находится под сеткой 9. Сильфоновая конструкция 10 одной стороной присоединена к боковой стенке камеры 3 вблизи её нижнего основания, а с другой, имеет глухую заглушку для сохранения полной герметичности сосуда с рабочим веществом.
Устройство позволяет одновременно термостатировать контрольные спаи нескольких термопар, что важно при работе в составе многоканальных измерительных комплексов, обеспечивает высокую надежность и точность термостатирования при непрерывной и длительной эксплуатации за счет использования модифицированной высокоустойчивой конструкции и снижения влияния конвективных потоков на процесс формирования твердой фазы рабочего вещества и распределения температуры жидкой фазы вблизи границы раздела фаз.
На рис.12 приведена модификация устройства для термостатирования, основное отличие которого от описанного выше состоит в снижении влияния конвективных потоков на точность термостатирования, что достигается за счет применения упрощенного конструктивного решения, подвод тепла в котором осуществляется к верхнему основанию, а охлаждение камеры с рабочим веществом - посредством нижнего основания. Устройство включено совместно с контроллером, реализующим автоматическое управление режимами работы ТЭМ и положением границы раздела фаз во внутреннем объеме (рис.13).
В заключении сформулированы основные полученные результаты и выводы по диссертационной работе в целом.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
В процессе решения задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие результаты:
- разработана математическая модель процесса плавления вещества с учетом конвективных потоков в жидкой фазе и тепловых потерь с боковой поверхности в термостатирующем устройстве.
- доказана адекватность разработанной математической модели путем проведения комплекса экспериментальных исследований, в результате которых расхождение полученных теоретических и экспериментальных данных не превысило 12%;
- разработана методика проведения испытаний устройств для термостатирования опорных спаев дифференциальных термопар;
- разработаны конструкции термоэлектрических устройств для термостатирования, отличающиеся высокой точностью термостабилизации опорных спаев дифференциальных термопар, высокими массогабаритными показателями, в которых управление перемещением границей раздела фаз осуществляется с помощью термоэлектрических батарей;
- разработана система управления, позволяющая осуществлять автоматическое управление режимами работы ТЭМ;
- проведена апробация термоэлектрического устройства для термостатирования с использованием плавящихся веществ в ОАО НИИ “Сапфир”, ОАО НИИ “Волна”, ОАО “Завод точной механики”, ООО ”Термолайн” (г. Махачкала), Институте проблем геотермии ДНЦ РАН (г. Махачкала), Дагестанском филиале объединенного института высоких температур РАН, результаты работы внедрены в учебный процесс ГОУ ВПО “Дагестанский государственный технический университет”.
Комплекс проведенных исследований и их результаты будут являться научной основой при разработке устройств термостатирования опорных спаев дифференциальных термопар в различных областях науки и техники.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи, опубликованные в рекомендованных ВАК изданиях:
1. Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Аминов Г.И., Губа А.А. Математическая модель термоэлектрического нуль-термостата // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. - 2007. - №4. - С.99-102.
Статьи, опубликованные в других научных изданиях:
2. Исмаилов Т.А., Губа А.А. Методы и средства стабилизации температуры опорных спаев дифференциальных термопар // Международная академия информатизации. Дагестанское отделение. Материалы десятой научной сессии. Научно-тематический сборник статей. - Махачкала: ГНУ НИИ «Прогноз», 2005. - С.69-74.
3. Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Губа А.А. Разработка и практическая реализация системы управления термоэлектрическими охлаждающими устройствами // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. - Махачкала: ДГТУ, 2005. - Т.1. - Вып. №7. - С.3-7.
4. Губа А.А. Разработка системы управления термоэлектрическими модулями Пельтье // Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты. Сборник трудов региональной научно-технической конференции 7-9 декабря. - Махачкала: ДГТУ, 2005. - С.63-65.
5. Исмаилов Т.А., Губа А.А. Разработка малогабаритного прецизионного нуль-термостата для термостабилизации контрольных спаев дифференциальных термопар // Полупроводниковые термоэлектрические приборы и преобразователи. Сборник научных трудов. - Махачкала: ДГТУ, 2005. - С.26-33.
6. Исмаилов Т.А., Губа А.А. Устройства прецизионного термостатирования контрольных спаев дифференциальных термопар // Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты. Сборник трудов региональной научно-технической конференции 7-9 декабря. - Махачкала: ДГТУ, 2005. - С.78.
7. Исмаилов Т.А., Губа А.А. Многоканальный малогабаритный нуль-термостат для исследования тепловых полей радиоэлектронной аппаратуры // Обеспечение тепловых режимов и надежность радиоэлектронных систем. Сборник научных трудов. - Махачкала: ДГТУ, 2006. - С.15-19.
8. Исмаилов Т.А., Губа А.А. Реализация систем прецизионного термостатирования опорных спаев дифференциальных термопар на эффекте пограничного слоя плавления. // Неделя науки - 2006. Технические науки. Сборник тезисов докладов XXVII итоговой научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ. - Махачкала: ДГТУ, 2006. - Ч.1. - С.16.
9. Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Губа А.А. Разработка и практическая реализация системы управления термоэлектрическими охлаждающими устройствами медицинского назначения // Приборы и методы диагностики и терапии в медицине. Сборник научных трудов. - Махачкала: ДГТУ, 2006. - С.177-123.
10. Положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение от 23.05.07 по заявке №2006108156/28. Нуль-термостат. / Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Юсуфов Ш.А., Евдулов О.В., Губа А.А., заявитель ГОУ ВПО “Дагестанский государственный технический университет”. заявл. 15.03.06.
11. Положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение от 23.05.07 по заявке №2006108155/28. Малогабаритный прецизионный нуль-термостат / Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Юсуфов Ш.А., Губа А.А., заявитель ГОУ ВПО “Дагестанский государственный технический университет”. заявл. 15.03.06.
12. Пат. 2313771. Российская Федерация, МПК G01K 7/00. Малогабаритный нуль-термостат / Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Юсуфов Ш.А., Губа А.А.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО “Дагестанский государственный технический университет”. - №2006108202/28; заявл. 15.03.06; опубл. 27.12.07, Бюл. №36. - 6 с.:ил.
13. Положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение от 24.01.08 по заявке №2007101000/28; Малогабаритный нуль-термостат на эффекте пограничного слоя плавления / Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Губа А.А., заявитель ГОУ ВПО “Дагестанский государственный технический университет”. заявл. 09.01.07.
14. Положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение от 24.01.08 по заявке №2007101001/28. Малогабаритный нуль-термостат с регулируемым тепловым потоком / Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Губа А.А., заявитель ГОУ ВПО “Дагестанский государственный технический университет”. заявл. 09.01.07.
15. Пат. 2315267 Российская Федерация, МПК G01K 7/02. Прецизионный нуль-термостат / Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Юсуфов Ш.А., Губа А.А.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО “Дагестанский государственный технический университет”. - №2006108154/28; заявл. 15.03.06; опубл. 20.01.08, Бюл. №2. - 8с.:ил.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Термостатирование отсеков ракеты-носителя, блока полезной нагрузки и разгонного блока путем непрерывной подачи в них воздуха. Станция подготовки воздуха. Общие сведения об устройстве и принципе действия системы. Применение принципа дросселирования.
курсовая работа [71,3 K], добавлен 07.02.2013Разработка циклограммы: описание датчиков, исполнительных устройств и циклограммы. Разработка математической модели. Описание входов и выходов системы. Разработка функциональной модели. Построение дерева процедур. Разработка аппаратных модулей ввода.
курсовая работа [159,7 K], добавлен 15.06.2011Методы испытаний изделий электронной техники. Классификация основных видов испытаний. Главные преимущества и недостатки термопар. Образование термоэлектрической неоднородности. Искажение градуировочной характеристики. Тест блока холодных спаев.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 04.02.2011Контроль температуры различных сред. Описание принципа бесконтактного метода измерения температуры. Термометры расширения и электрического сопротивления. Манометрические и термоэлектрические термометры. Люминесцентный метод измерения температуры.
курсовая работа [93,1 K], добавлен 14.01.2015Разработка схемы электрической принципиальной математической модели системы автоматического управления, скорректированной корректирующими устройствами. Оценка устойчивости исходной системы методом Рауса-Гурвица. Синтез желаемой частотной характеристики.
курсовая работа [172,1 K], добавлен 24.03.2013Повышение оперативности управления системой нефтегазового снабжения. Определение температуры вспышки нефтепродуктов на автоматическом приборе. Применение ртутных термометров, термоэлектрических преобразователей. Бесконтактные методы измерения температуры.
курсовая работа [663,4 K], добавлен 28.01.2015Анализ технологической схемы и выбор методов и средств автоматизации. Синтез системы автоматического регулирования температуры в сыродельной ванне. Обоснование структуры математической модели сыродельной ванны как объекта регулирования температуры.
курсовая работа [99,4 K], добавлен 02.02.2011Расчет бражной колонны, зависимость геометрических размеров бражной колонны от количества продукта-дистиллята, и абсолютной температуры пара. Создание математической модели бражной колонны и выяснение влияния продукта-дистиллята и температуры пара.
дипломная работа [20,0 K], добавлен 21.07.2008Изучение современных методов управления производственными процессами на основе компьютерных технологий. Разработка математической модели бытового водонагревателя с системой подводящих труб и создание автоматизированной системы управления в Trace Mode.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 14.07.2012Обзор специфических особенностей металлургических агрегатов как объектов автоматического управления. Техническая характеристика доменной печи. Разработка математической модели объекта и аппроксимация кривой разгона. Расчет параметров настройки регулятора.
курсовая работа [989,6 K], добавлен 05.12.2013Исследование методических печей с подвижными балками. Классификация средств измерения температуры контактным методом. Электрические контактные термометры. Выбор термоэлектрических термометров. Контроль температуры рабочего пространства методической печи.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 22.01.2015Ознакомление с принципами действия автоматических регуляторов температуры для теплицы. Составление математической модели системы автоматизированного управления. Описание и характеристика системы автоматического управления в пространстве состояний.
курсовая работа [806,1 K], добавлен 24.01.2023Структурная схема позиционного гидропривода с линиями связи. Расчетная схема динамической системы. Порядок формирования математической модели. Уравнения движения двухмассовой механической подсистемы. Реализация, решение системы дифференциальных уравнений.
контрольная работа [3,0 M], добавлен 07.01.2016Анализ существующей системы слежения за координатой сварного шва. Разработка математического описания работы петлевого устройства, функциональной схемы системы слежения за координатой сварного шва. Выбор оборудования и технических средств автоматизации.
дипломная работа [3,1 M], добавлен 13.02.2013Принцип действия системы автоматического регулирования соотношения скоростей вращения двигателей. Построение сигнального графа САР. Линеаризация системы дифференциальных уравнений. Взвешенный сигнальный граф и схема линейной математической модели САР.
курсовая работа [382,4 K], добавлен 01.10.2016Проблема перехода металлургических комбинатов от поставок массовой продукции к выпуску металлопродукции с высокой добавленной стоимостью. Анализ внедрения комплексной автоматизации производства агломерата, поддержания высоты шихты и температуры горна.
отчет по практике [2,0 M], добавлен 30.06.2015Анализ и моделирование заданной переходной кривой выходной величины теплообменника. Экспресс-идентификация математической модели, методом Алекперова. Моделирование линейной одноконтурной системы управления заданным тепловым объектом и пневмоприводом.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 11.06.2019Состав технических устройств контроля ГПС, распространенные средства прямого контроля с высокой точностью заготовок, деталей и инструмента. Модули контроля деталей вне станка. Характеристика и возможности координатно-измерительной машины КИМ-600.
реферат [854,2 K], добавлен 22.05.2010Разработка математической модели системы автоматического регулирования уровня жидкости в резервуаре. Определение типа и рациональных значений параметров настройки регулятора. Содержательное описание регулятора, датчика уровня и исполнительного устройства.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 10.11.2015Сравнительный анализ свойств материалов для изготовления нитей накаливания и термопар. Характеристика вольфрама и устройство термопары как системы разнородных проводников. Свойства и область применения термопарной проволоки: алюминий, хромель, копель.
реферат [7,6 K], добавлен 10.03.2011
