Опис та розрахунок проникного термоелемента виробленого з функціонально-градієнтних матеріалів. Конструктивні особливості індивідуальних термоелектричних кондиціонерів

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Фізична модель проникного термоелемента та її математичний опис

Фізична модель проникного ФГМ термоелемента, що працює в режимі генерації електричної енергії приведена на рис. 1. Вона містить вітки n - і p- типів провідності, властивості матеріалу яких змінюються з координатою х внаслідок залежності термоелектричних властивостей матеріалу від температури T(х) і від неоднорідності розподілу концентрації носіїв струму в матеріалі (х). Температура, яка підводиться до термоелемента теплоносія, дорівнює Tm, температура холодних спаїв термоелемента Tc. У моделі враховується також наявність контактних опорів r0 у місцях контакту комутаційних пластин з вітками термоелемента. Теплоносій прокачується від гарячих спаїв до холодних. Витрата тепла G від теплоносія відбувається шляхом його теплообміну з внутрішньою поверхнею каналів віток. Бічні поверхні віток адіабатично ізольовані.

Рис. 1. Модель проникного генераторного термоелемента

В цих умовах припустимо використовувати одномірний розподіл температур вздовж осі х. Стаціонарний розподіл температур T(х) і теплових потоків q(х), теплоносії t(х) у вітках знайдемо з рішення системи диференціальних рівнянь:

 (1)

де n,p=n,p(T(х),n,p(х)), n,p=n,p(T(х), n,p(х)), n,p=n,p(T(х), n,p(х)) - коефіцієнти термоЕРС, теплопровідності і питомий електричний опір матеріалу вітки n і p - типів залежать від розподілу концентрації носіїв струму n,p(х) і температури T(х); - безрозмірна координата; - ефективний коефіцієнт тепловіддачі, T - коефіцієнт тепловіддачі, - периметр каналу, NK - число каналів, l - висота віток термоелемента; SK -площа перетину всіх каналів; S - перетин вітки разом з каналами; t - температура теплоносія в точці x; T - температура вітки в точці x; ; i - густина струму (i=); ср - теплоємність теплоносія.

Основною задачею дослідження є пошук таких погоджених оптимальних розподілів концентрації носіїв струму в матеріалі віток n,p(х), такої витрати теплоносія і густини струму , при яких досягається максимальний коефіцієнт корисної дії для заданих температур холодних спаїв Tс, теплоносія Tm і за умови теплової ізоляції гарячих спаїв [76]. Граничні умови для системи диференціальних рівнянь записуються у вигляді:

. (2)

Задачу досягнення максимуму ККД:

, (3)

де:

- електрична потужність, яка генерується термоелементом;

- наявна теплова енергія теплоносія; - контактний опір; зручно звести до досягнення мінімуму функціонала:

(4)

Мовою теорії оптимального керування завдання оптимізації полягає в тім, щоб визначити витрати теплоносія G, густину струму j і функції концентрації носіїв у матеріалі віток n,p(х), які при обмеженнях диференціальних рівнянь, що накладаються системою.

2. Метод розрахунку та оптимізації проникного ФГМ термоелемента

Для рішення такої задачі скористаємось математичною теорією оптимального керування, заснованою на застосуванні принципу максимуму Понтрягіна. Відповідно до цієї теорії для мінімуму J повинні виконуватися наступні умови.

1. Густина струму повинна задовольняти рівності:

 (5)

2. Витрати теплоносія в каналах повинна задовольняти рівнянню:

(6)

3. Значення оптимальних концентрацій носіїв для матеріалів віток n,p повинні задовольняти умовам:

(7)

Функції неоднорідності матеріалів віток n,p(х) повинні визначатися з умов:

.

H - функція Гамільтона, що має вид:

,

 - праві частини системи диференціальних рівнянь, - вектор імпульсів, що визначається з рішення допоміжної системи диференціальних рівнянь, канонічно спряжених системі:

(8)

термоелемент теплоносій градієнтний генерація

де:

з граничними умовами:

(9)

Для знаходження рішення такої задачі доцільно використовувати чисельні методи в поєднанні з методами комп'ютерного моделювання. На основі системи рівнянь розроблена комп'ютерна програма для визначення витрати теплоносія G, густини струму j і розподілу концентрації носіїв n,p(х), при яких коефіцієнт корисної дії проникного генераторного термоелемента буде максимальним.

3. Конструктивні особливості індивідуальних термоелектричних кондиціонерів

Історія термоелектричного охолодження почалася в першій половині XIX сторіччя, коли французький вчений Ж. Пельтьє відкрив термоелектричний ефект, названий згодом його ім'ям Якщо пропускати електричний струм через спай двох спеціально підібраних матеріалів один з них нагрівається, інший - охолоджується. Це явище і спонукало створити такий термоелектричний модуль, у якого при пропусканні струму одна сторона нагрівається до температури вище атмосферної, а інша - охолоджується нижче її. Таким чином з одного боку модуля можна відбирати тепло, а з іншого - холод.

Розробками в напрямку індивідуального охолодження займалися вчені з Midwest Research Institute (MRI). MRI розробив термоелектричний блок охолодження для космічного апарата багаторазового використання, який забезпечує два рівня охолодження для комфорту астронавта. Термоелектричний охолоджувач забезпечував низький рівень охолодження 340 btu/hour (97.14 Вт), споживаючи 3.0 ампер, при вазі всього 2.025 кг. Фотографія термоелектричного блока охолодження приведена на рис.1. Термоелектричний блок охолодження складався в основному з сердечника охолоджувача, двох невеликих вентиляторів, рідинного насоса і кожуха. Для запобігання надлишкового тиску на охолоджуваний одяг, який мав носити член екіпажу, був додатково використаний клапан скидання тиску.

Рис. 2. Зовнішній вигляд термоелектричного індивідуального кондиціонера

Сердечник охолоджувача складався з двох теплообмінних секцій. Кожна секція мала центральний канал з рідиною, який мав прямокутний поперечний переріз, термоелектричні модулі, і тепловідводи. Термоелектричні модулі розміщувались з кожної сторони каналу з рідиною, причому охолоджуюча сторона модуля знаходилася в тісному тепловому контакті з поверхнею каналу. Тепловідводи, які мали теплорозсіюючі ребра, припаювались до нагріваючої поверхні термоелектричних модулів. Орієнтація тепловідводів була така, що потоки повітря у кабіні багаторазового космічного апарата направлені під прямими кутами до напряму потоку води з каналу з рідиною. Для мінімізації втрат охолодження, від каналу до чотирьох сторін сердечника охолоджувача і між теплообмінними секціями були добавлені ізолюючі і амортизуючі матеріали. Для розміщення сердечника охолоджувача був виготовлений прямокутний кожух. Прямокутні отвори на бокових сторонах кожуха були розміщені таким чином, щоб співпадати зі всіма тепловідводами сердечника кожуха. В кришці, яку можна знімати, були отвори для розміщення вентиляторів і з'єднувачів рідини.

Під час роботи термоелектричного охолоджувача вода втягувалась поршневим насосом і подавалася на вхід сердечника охолоджувача. При проходженні через охолоджуючі канали вода охолоджувалась. Воду, яка виходила із сердечника охолоджувача, потім прокачували по трубах в одяг, який носили члени екіпажу корабля. З одягу вода поверталась для повторного охолодження в сердечнику охолоджувача. Перепускний клапан скидання тиску використовувався для контролю використання води, яка виходила з охолоджувача, регулюючи цим самим охолодження членів екіпажу. Вентилятори протягували повітря в кабіні через ребра тепловідводу, відводячи таким чином тепло від тепловідводів. В якості запобіжної деталі перед кожним вентилятором був встановлений сітковий захист.

Характеристики термоелектричного охолоджувача були оцінені з допомогою контрольної матриці трьох швидкостей потоку рідини і чотирьох температур зовнішнього середовища. Охолоджувач працював зі швидкістю потоку 0.5472*10-3 , 0.684*10-3, і 0.8208*10-3 м3/хв при температурі 23.8?С, 26.6?С, 29.4?С і 32.2?С, відповідно в режимі низького і високого рівня охолодження. Після аналізу результатів випробування, в НАСА вибрали швидкість потоку 0.8208*10-3 м3/хв.

Також дана установа розробила термоелектричний охолоджувач для літальних апаратів. Його можна віднести до індивідуальних тому, що охолоджене повітря подається не в кабіну, а безпосередньо в захисний костюм. Як правило, військові літаки не зовсім щільні і тому кондиціонування повітря в кабіні досі ще не використовувалось. Більш ефективним методом охолодження пілотів є використання мікрокліматичного кондиціонування, в якому індивідуальний спецодяг надягається поверх повітряного жилета. Відфільтроване і охолоджене повітря надходить в цей жилет із метою забезпечення охолодження пілота. Додатковий тиск повітря спецодягу також сприяє усуненню забруднюючих речовин. Система складається з термоелектричного охолоджувача, фільтруючого обладнання, змонтованого на вході, нагнітальних вентиляторів, керуючої електроніки і вентиляційного каналу. Нагнітальний вентилятор рухає повітря крізь фільтри і охолоджувач, задуваючи його в кабіну та жилети. Вентилятори забирають тепло з гарячої сторони термоелектричного охолоджувача. Блок керуючої електроніки використовується для контролю роботи всіх електричних складових. Гарячі сторони модулів термоелектричного охолоджувача мають ребристу структуру і тепло від них надходить у навколишнє повітря. Два вентилятора продувають повітря крізь зовнішню частину нагрівача через вентиляційний люк, а далі між ребрами, викидаючи його у задній повітрязабірник на хвостовій балці. Оригінальність конструкції термоелектричного перетворювача полягає в тому, що він повинен бути здатним охолоджувати повітря в умовах відсутності вологості і високої потужності. Проектна охолоджувальна здатність при цьому становила 418 Вт. Проектна потужність в умовах сильної вологості набагато більша і сильно залежить від вологості. Проектні розрахунки спирались на 35?С і 74% відносної вологості навколишнього середовища. При цих умовах проектна охолоджувальна потужність зростає до 650 Вт в режимі максимально потужності. Багато тестів було здійснено при умовах низької вологості; наприклад у висячому положенні. Виміряна охолоджувальна потужність в даних тестах в режимі максимальної потужності порядку 400 Вт

4. Фізична модель індивідуального кондиціонера

Під час розробки термоелектричного кондиціонера важливим етапом є створення фізичної моделі кондиціонера. Вона є основою для опису кондиціонера за допомогою математичної моделі.

Рис. 3. Фізична модель термоелектричного кондиціонера. Q1 - кількість тепла, яка надходить із зовнішнього середовища, Q2 - теплове випромінювання людини, Q3 - кількість тепла, яку віддає людина через теплопровідність, Q4 - кількість тепла, яка повинна бути відібрана у людини, Q5 - втрати тепла через бічну поверхню модуля по теплоізоляції, Q6 - кількість тепла, яка відбирається з «гарячого» спаю шляхом примусової конвекції

Модель термоелектричного кондиціонера для одягу показана на рис. 3 складається з батареї термоелектричних модулів 8, вентилятора 1, радіатора охолодження гарячого спаю 2, допоміжного вентилятора 3, системи теплообміну у жилеті 4, жилету 5, системи продуву охолодженого повітря 6 і повітряного теплообмінника 7.

Охолоджене батареєю термоелектричних модулів повітря подається через систему продуву охолодженого повітря у систему теплообміну у жилеті. Далі нагріте повітря через систему продуву повітря повертається у повітряний теплообмінник. На гарячій стороні батареї знаходиться повітряний радіатор, який обдувається вентилятором.

Q2 визначається законом Стефана-Больцмана:

,

де , Q3 і Q5 визначаються законом теплопровідності Фур'є:

Q6 задається формулою:

,

W - потужність яку споживає батарея термоелектричних модулів.

Рівняння теплового балансу:

Висновки

1. Проведено опис індивідуальних термоелектричних кондиціонерів.

2. З аналізу літератури по індивідуальних кондиціонерах встановлено, що термоелектричні кондиціонери мають велику перспективу.

3. Проведено дослідження по використанню функціонально-градієнтних матеріалів для проникних термоелементів. Технологія виготовлення таких матеріалів - це аналогічні методи порошкової металургії і пресування, що використовуються для проникних термоелементів. Така подібність в технологічному процесі стимулювала проведення досліджень в області розробки оптимальних ФГМ для проникних термоелементів.

4. Значення ККД при використанні функціонально-градієнтного матеріалу більше ніж при використанні однорідного матеріалу. Порівняння показує, що зростання ККД при використанні проникних однорідних матеріалів досягає 1.45, а проникних функціонально-градієнтних матеріалів 1.60 рази у порівнянні з ККД непроникних термоелементів.

Список використаної літератури

1) Хван Т.А., Хван П.А. Безпека життєдіяльності. Ростов. 2000.

2) В.Ц. Жидецький, В.С. Джигирей, О.В. Мельников. Основи охорони праці. - Вид.2-е, стериотипне. -- Львів: Афіша, 2000. -- 348.

3) Алейніков А.О., Соловей О.І. Тепловиділення людини при впливі на неї різних побутових електроприладів для обігріву та вентиляції // КПІ. Ін-т енергозбереження та енергоменеджменту. Київ. c. 119?125.

4) Педагогіка вищої школи Навчальний посібник//Кузьмыннський А.І., Знання 2005.- с.486.

5) Мухина С.А., Соловьев А.А. Нетрадиционные педагогические технологии в обучении. - Ростов-на-Дону - 2004 - с.324.

6) Савельев А.Д. Инновационное высшее образование//Высшее оброзование в Росии. - 2001.- №6 - с.49.

7) Педагогіка вищої школи Навчальний посібник // Фіцула М.М. // Київ Акадам видав - 2006 - с.452.

8) Л.І. Анатычук. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. К. «Наукова думка», 1979, 768с.

9) P. Heenan, B. Mathiprakasam, and D. DeMott. Development of a thermoelectric one-man cooler for use by NASA astronauts. Матеріали 13 міжнародної конференції з термоелектрики (1994).

10) Tom Hrastich, P. Heenan, and B. Mathiprakasam. The final development of aircrew microclimate conditioner systems for U.S. army aircraft.

11) Миценко І.М. Забезпечення життєдіяльності людини в навколишньому середовищі. - Кіровоград, 1998. - 292с.

Размещено на Allbest.ru