Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи исследования 7
1.1. Приборы, методы и средства прецизионного термостатирования объектов в различных отраслях народного хозяйства 7
1.2. Применение полупроводниковых термоэлектрических преобразователей энергии для термостатирования различных объектов 22
1.3. Проблемы прецизионного термостатирования опорных спаев дифференциальных термопар 28
1.4. Постановка задачи исследования 31
Глава 2. Математическая модель термоэлектрического устройства для термостатирования 34
2.1. Математическое моделирование процессов теплообмена при плавлении рабочего вещества. Анализ методов решения задачи 35
2.2. Моделирование процессов теплообмена при плавлении рабочего вещества в термоэлектрическом устройстве для термостатирования с учетом развитой конвекции в его жидкой фазе 41
2.3. Влияние на процесс теплообмена в термоэлектрическом устройстве для термостатирования теплоотдачи с его боковой поверхности 51
2.4. Расчет термоэлектрической батареи 57
2.5. Выводы 63
Глава 3. Экспериментальные исследования термоэлектрического устройства для термостатирования 65.
3.1. Описание экспериментального стенда и методики проведения эксперимента 65
3.2. Результаты экспериментальных исследований термоэлектрического устройства для термостатирования 69
3.3. Оценка погрешностей измерений 77
3.4. Выводы 80
Глава 4. Конструктивные варианты термоэлектрических устройств для термостатирования с использованием плавящихся веществ 81
4.1. Многоканальный малогабаритный нуль-термостат 81
4.2. Нуль-термостат с радиатором для теплоотвода 85
4.3. Малогабаритный нуль-термостат с системой определения положения границы раздела фаз 89
4.4. Нуль-термостат модифицированной конструкции 92
4.5. Система управления прецизионным нуль-термостатом 95
4.6. Выводы 105
Заключение 106
Литература 107
- Применение полупроводниковых термоэлектрических преобразователей энергии для термостатирования различных объектов
- Моделирование процессов теплообмена при плавлении рабочего вещества в термоэлектрическом устройстве для термостатирования с учетом развитой конвекции в его жидкой фазе
- Результаты экспериментальных исследований термоэлектрического устройства для термостатирования
- Нуль-термостат с радиатором для теплоотвода
Введение к работе
Современные тенденции развития измерительной техники требуют непременного совершенствования методов и средств контроля различных физических величин при проведении экспериментальных исследований, лабораторных испытаниях новых устройств или в области управления технологическими процессами на производстве. Как правило, прецизионному контролю могут подлежать самые различные параметры, однако, одной из наиболее часто измеряемых физических величин является температура [110, 111,112].
Важным элементом любой системы измерения температуры является температурный преобразователь - датчик, параметры и схема включения которого во многом определяют точность всей системы. Известны различные типы датчиков температуры, из них на практике чаще всего применяются различные разновидности резистивных и полупроводниковых датчиков идр., а также дифференциальные термопары, которые отличаются рядом положительных качеств [71]. К их недостаткам при проведении точных измерений можно отнести необходимость в термостабилизации опорных спаев при определенном значении температуры, чаще всего, при 0С.
Среди наиболее распространенных устройств, применяемых для термостабилизации опорных спаев выделяется сосуд Дьюара и его различные модификации, которые в самом общем случае представляют собой сосуд, заполненный тающим льдом. Общие недостатки подобных конструкций заключаются в необходимости частой замены рабочего вещества, больших размерах, а также, в неравномерности распределения температуры во внутреннем объеме, что снижает стабильность термостатирования. Известны также несколько конструкций, принцип работы которых основан на применении датчика температуры, который включен в схему двухпозиционного регулирования [118]. При этом точность термостабилизации зависит от характеристик используемых датчиков, что является их существенным недостатком. Среди других недостатков можно отметить необходимость в использовании различных сложных в конструктивном исполнении устройств охлаждения на основе жидких или газообразных хладагентов, что ведет к ухудшению весогабаритных
характеристик, повышению энергопотребления и др. при незначительном увеличении точности термостабилизации.
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 этим, основной целью диссертационной работы 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.
Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач:
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.
В диссертационной работе рассматриваются различные конструктивные варианты устройств, изучаются процессы, происходящие в охлаждающих устройствах, связанные с исследованием процессов плавления и затвердевания плавящегося рабочего вещества. Их анализ проводится- по модели, описываемой задачей Стефана. Для изучения процессов теплообмена при фазовых переходах, происходящих в рабочем веществе, используется приближенный метод, основанный на замене истинных температурных
кривых их приближенными аналогами. С помощью интегрального метода система уравнений с частными производными сводится к системе двух обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка, что позволяет упростить решение и во много раз уменьшает объем вычислительной работы.
Результаты теоретических исследований и численного эксперимента подтверждены серией экспериментов, проведенных на специально созданном экспериментальном стенде в соответствии с разработанными методиками проведения испытаний.
В диссертационной работе защищаются следующие положения, представляющие научную новизну:
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.
Методика проведения испытаний устройств термостатирования опорных спаев-дифференциальных термопар.
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- значимость выполненных исследований, состоит в разработанных конструкциях термоэлектрических устройств для-термостатирования, созданном приборе для термостабилизации опорных спаев дифференциальных термопар, применяемых при проведении прецизионных измерений температуры в различных отраслях науки и техники.
Полученные результаты исследований нашли практическое применение в различных организациях и предприятиях электронной промышленности. Внедрение разработанных устройств и систем на предприятиях позволило достичь существенного экономического эффекта.
Диссертация подводит итог комплексу исследований, выполненных автором за последние 4 года в Дагестанском государственном техническом университете.
Применение полупроводниковых термоэлектрических преобразователей энергии для термостатирования различных объектов
Полупроводниковые термоэлектрические устройства в настоящее время используются в самых различных отраслях науки и техники [68, 74, 80, 83; 90, 101, 119, 142, 146, 147, 154, 156, 161]. Современное термоэлектрическое термостатирующее устройство представляет собой систему автоматического регулирования, в которой роль исполнительного устройства играет термоэлектрическая батарея-, которая, в зависимости от направления-проходящего через нее тока, осуществляет нагрев или охлаждение термостатируемого объема, в котором помещается охлаждающее устройство [99,100,104,116,165].
Стенки термостата представляют собой две теплоотводящие оболочки, в промежутке между которыми прокладывается слой теплоизоляции. Блок-схема термоэлектрического термостатиругощего устройства представлена на (рис.1.8). Объектом регулирования является термостатируемый объем.
При разработке термоэлектрического термостатиругощего устройства необходимо проектировать термоэлектрический охладитель и терморегулятор и качественно оценить устройство в целом.
Задача проектирования термоэлектрического термостата включает расчет теплоизоляции, выбор числа стандартных термоэлектрических модулей, создание теплоотводящей системы и определение качественных показателей. На этапе качественной оценки спроектированного устройства выявляются его основные технические показатели и принимается решение о целесообразности использования активной нормальной термостабилизации конкретного объекта. Для рациональной работы модулей необходимо обеспечить теплоотвод с их спаев и ограничить теплоприток извне в термостатируемый объем. В связи с этим основной тип конструкции активного термостата (рис. 1.9) состоит из термостатируемого объема, внутрь которого помещается термостатируемый объект, окруженный внешней и внутренней оболочками - теплоотврдами; между которыми находится теплоизоляционный слой и составленная:из п-модулей термобатарея.
Поскольку термоэлектрическая батарея должна отводить тепло из термостата наружу или наоборот, то возникает проблема интенсификации теплообмена между спаями батареи и средами, отдающими и принимающими тепло.
Интенсифицировать теплоотвод возможно или за счет развития тепловоспринимающих и теплоотводящих поверхностей, например,-устройством радиаторов, или применением, принудительного конвективного теплообмена, для осуществления: которого требуется создание: системы. искусственного обдува.
На рис.1.9, б ив приведены возможные схемы обдува. По схеме рис. 119-б требуется два вентилятора; и, соответственно, два привода. Ее можно рекомендовать, лишь прш необходимости; соблюдения! герметизации термостатирующего объема . В остальных, случаях проще осуществить схему рис; 1.9, в. При этом необходимо обеспечить разветвление общего воздушного; потока в соответствии с требованиями теплоотвода и учетом аэродинамических сопротивлений воздухопроводов и радиаторов;
Необходимость эффективного теплоотвода. от спаев модулей приводит к усложнению конструкции термостатирующего устройства, увеличению; габаритов и веса конструкции. Поэтому необходимость применения- такого рода устройств должна быть тщательно обоснована.
В настоящее время намечаются две основные тенденции- при термоэлектрическом термостатировании. Одна из них сводится-к разработке модулей для термостатирования конкретных блоков или; отдельных элементов устройства. Для теплоотводаг от спаев- термоэлектрического модуля используются, сам корпус или; специальные: тепловые радиаторы, (ш ряде случаев предусматривают установку микро вентиляторов);
Другое направление основывается на применении отдельно стоящих термоэлектрических кондиционеров, которые подогревают или охлаждают воздух и подают его в термостатируемый объект [162]: Вэтом случае более удачно сочетается проблема теплоотвода и рабочего режима.
Термоэлектрические кондиционирующие устройства очень компактны и их регулирование осуществляется простым терморегулятором релейного типа.
При конструировании термоэлектрического термостата необходимо обеспечить технологичность конструкции и возможность контроля на всех этапах изготовления. Эта сложная техническая задача должна обеспечить трудно совместимые требования высокой теплопроводности тепловой цепи и возможность создания разборной конструкции.
В современной радиоэлектронике, а также в лабораторной практике часто требуется стабилизировать температуру с высокой степенью точности. Существующие конструкции ультратермостатов по своим параметрам и условиям эксплуатации не всегда отвечают практическим требованиям. Так, например, наиболее распространенный ультратермостат Геплера имеет следующие недостатки: электродвигатель создает помехи и вибрацию прибора; используемый теплоноситель - вода - вызывает коррозию внутренних частей термостата; контактный термометр не обеспечивает требуемой надежности работы. Все эти факторы снижают эксплуатационные возможности прибора [118].
Электронный ультратермостат с термоэлектрическим охлаждением свободен от вышеперечисленных недостатков. Отсутствие в приборе движущихся частей и вызывающих коррозию жидкостей, плавность и непрерывность регулирования в сочетании с высокой степенью стабилизации температуры обеспечивают высокие эксплуатационные качества прибора, позволяющие использовать его в наиболее ответственных радиоэлектронных устройствах для стабилизации температуры опорных элементов Вестона, отдельных элементов и узлов схем, а также при проведении лабораторных исследований. Электронный ультратермостат поддерживает постоянную температуру (20 ± 0,01 С) в объеме 6 литров при изменении температуры окружающей среды от 10 до 30С.
Электронный ультратермостат, блок-схема которого приведена на рис. 1.10, представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования температуры. Он состоит из регулируемого объекта (термостата), чувствительного элемента и электронного регулятора. Электронный регулятор состоит из усилителя с вибропреобразователем на входе и исполнительного элемента (усилителя мощности).
В качестве чувствительного элемента, воспринимающего изменение температуры в камере термостата, использован мост, образованный двумя термосопротивлениями типа ММТ-1, последовательно включенными в противоположные плечи моста, и двумя манганиновыми сопротивлениями, включенных в два других плеча моста. Последовательное включение термосопротивлений преследует цель уменьшить рассеиваемую мощность на каждом из них до величины ниже предельно допустимой (0,01 Вт при допустимой мощности 0,05Вт).
Мост питается от батареи, состоящей из шести элементов с общим напряжением 9В, и сбалансирован при температуре +21 С. При изменении температуры в камере термостата возникает разбаланс моста. Сигнал разбаланса поступает на вход усилителя и после преобразования подается на питающий подогреватель камеры термостата, который стремится компенсировать сигнал разбаланса моста.
Для нормальной работы ультратермостата необходимо охлаждение рабочей камеры. В данном ультратермостате применяется термоэлектрическое охлаждение, исключающее неудобства, связанные с применением временно действующих охладителей. Полупроводниковая термобатарея питается от отдельного нестабилизированного выпрямителя, размещенного в блоке электронного регулятора с выходным напряжением З В и рабочим током 4 А. Температура внутри холодной камеры понижается на 12С относительно температуры окружающей среды. Максимально допустимый ток через термобатарею 8А. Отвод тепла от горячих спаев термобатареи осуществляется системой воздушных радиаторов, расположенных веерообразно вокруг нижней части термостата.
Моделирование процессов теплообмена при плавлении рабочего вещества в термоэлектрическом устройстве для термостатирования с учетом развитой конвекции в его жидкой фазе
Наличие конвективных токов тепла в фазовых превращениях.на границе раздела твердой - жидкой фаз в ограниченном объеме значительно усложняет физическую картину процесса теплообмена. Исследований по этому вопросу недостаточно. Здесь следует отметить работы [91,141].
Согласно этим исследованиям физическая; картина плавления рабочего вещества с учетом конвективных токов может быть представлена следующим образом. В процессах плавления из твердого тела непрерывно образуется жидкость, которая поступает в пограничный слой жидкости, движущейся относительно твердого тела. Это непрерывное поступление жидкости из твердой фазы изменяет толщину пограничного слоя и, следовательно, изменяет коэффициент теплоотдачи. При этом за пограничный слой при свободном движении жидкости принимается область возмущенного потока. Чем интенсивнее поступление жидкости, тем значительнее отклонение коэффициента теплоотдачи от условий, когда фазовые превращения отсутствуют. В процессе затвердевания имеет место обратная , картина: жидкость из пограничного слоя непрерывно переходит в твердую фазу. Здесь, можно установить аналогию этих процессов с процессами регулирования толщины пограничного слоя отсосом и выдуванием.. Процесс выдувания можно сопоставить с плавлением, а процесс отсоса - с затвердеванием. В связи с аналогией рассматриваемых процессов плавления и затвердевания рабочего-вещества остановимся только на анализе процесса плавления. Зависимости для процесса затвердевания будут подобны полученным при анализе процесса плавления.
При подводе тепла к оболочке, соприкасающейся с рабочим веществом, после достижения определенной толщины расплава возникают конвективные потоки тепла, обусловленные наличием гравитационных сил и градиента плотности жидкости по толщине [122]. До того момента конвекция в жидкой фазе отсутствует или достаточно слаба, поэтому по толщине ее слоя существует поле температур. После достижения определенной толщины слоя расплава 0 начинается интенсивное перемешивание горячих и холодных слоев, и полем температур по жидкой-фазе можно пренебречь.
Здесь a a - соответственно коэффициенты теплоотдачи от оболочки к жидкости и от поверхности раздела фаз к жидкости; Т, - средняя температура жидкой фазы; х0Д0 - время и толщина расплава, при которых начинается интенсивное движение конвективных токов и поле температур по жидкой фазе практически исчезает; (с,р,5)об - соответственно теплоемкость, плотность и толщина металлической оболочки устройства; х - время; кср - коэффициент теплоотдачи в окружающую среду Тоб - среднемассовая температура металлической оболочки устройства; Тср - температура окружающей среды; с,,р,Д, - теплоемкость, плотность и теплопроводность жидкой и твердой фазы рабочего вещества, где индекс 1 соответствует жидкой фазе, а индекс 2 — твердой фазе рабочего вещества, г - теплота плавления рабочего вещества; R -толщина слоя рабочего вещества; - граница раздела фаз.
Для решения задачи (14) - (19) использован приближенный метод [128], 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.
Решение системы уравнений (22) численным образом позволит определить графические зависимости изменения температуры в твердой и жидкой фазе рабочего вещества, координаты границы раздела твердой и жидкой фазы во времени, а также длительность полного проплавлений рабочего вещества при различных параметрах ТЭБ и окружающей среды. Полученная информация позволит судить о продолжительности стабильной работы устройства для термостатирования, эффективности использования того или иного типа ТЭБ при меняющихся условиях окружающей среды.
Выражение (22) может быть существенно упрощено, если учесть, что после определенной толщины расплава, равной 0=0,001-0,002 м, температура Тоб быстро стабилизируется и остается постоянной до тех пор, пока не расплавится все вещество. Эта особенность (после достижения толщины 0) позволяет считать процесс теплообмена горячего спая ТЭБ с жидкой фазой рабочего вещества стационарным.
Также необходимо отметить непосредственную зависимость длительности стабильной работы дифференциальной термопары, для стабилизации температуры опорного спая которой используется рассмотренная система термостатирования, от температуры окружающей среды и условий теплообмена с ней. Как показывают данные рис.2.5 длительность поддержания температуры опорного спая дифференциальной термопары при 273К монотонно убывает при увеличении температуры окружающей среды. Поэтому при разработке системы термостатирования опорного спая дифференциальной термопары необходимо предварительное определение температурного диапазона ее работы. При этом расчет параметров системы термостатирования должен осуществляться для наиболее критического значения температуры окружающей среды и соответствующим ей условиям теплообмена.
Результаты экспериментальных исследований термоэлектрического устройства для термостатирования
На основе разработанного макета были проведены экспериментальные исследования термоэлектрического устройства для термостатирования с использованием плавящихся веществ.
Исследования проводились при использовании в качестве рабочего вещества дистиллированной воды с теплотой плавления г = 335-10 Дж/кг, теплоемкостью 4200Дж/К-кг и плотностью 1000кг/м .
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.
Согласно полученным зависимостям увеличение тока питания ТЭБ, связанное с возрастанием величины тепловых потоков на нижнем и верхнем основании рабочей камеры приводит соответственно к увеличению температуры верхнего и нижнего основания камеры. Так увеличение тока питания ТЭБ с 2 до 4А через 1,5 ч. увеличивает значение температуры верхнего основания камеры с 309 до 324К, а нижнего основания камеры снижает с 267 до 258К. Причем как следует из приведенных данных изменение температуры верхнего основания ощутимее, чем нижнего. Данное обстоятельство связано с более значительным ростом величины тепловыделений на горячем спае ТЭБ (теплопроизводительности) по сравнению с ростом ее холодопроизводительности при увеличении энергопотребления. Поэтому увеличение тока питания ТЭБ ускоряет процесс проплавлення льда. Согласно полученным данным (рис. 3.4) при токе 2, 4 и 6 А скорость перемещения границы раздела фаз составляет соответственно 0,007м/ч., 0,01м/ч. и 0,013м/ч. При этом длительность полного расплавления льда, соответствующая продолжительности функционирования устройства для термостатирования при изменении тока питания ТЭБ с 2 до 7А сокращается с 1,91-Ю4 с до 1,38-104. Отсюда следует необходимость ограничения тока питания ТЭБ верхним пределом, соответствующим необходимой продолжительности термостата.
Для оценки потерь теплоты на теплопроводящих пластинах построены графики рис.3.7-3.8, где представлено изменение во времени разности температур соответственно горячего спая ТЭБ и верхнего основания рабочей камеры и нижнего основания рабочей камеры и холодного спая ТЭБ. Как следует из графиков в первом и втором случаях в начальный момент времени после включения прибора (подвода тока к ТЭБ) данные разности при токах 4 и 6А для верхнего основания составляют 10,5 и 11,5К, а для нижнего 12 и 14,5К. Далее их величина уменьшается и при выходе системы на стационарный тепловой режим разности температур между верхним и нижним основанием рабочей камеры и горячим и холодным спаем ТЭБ при токах питания 4 и 6А составляют соответственно 4 и 5К.
Результаты сравнения расчетных и экспериментальных значений, приведенные на рис.3.3-3.8 показывают их достаточную сходимость. Отличие результатов расчета от экспериментальных данных не превышает 10-12%.
Для оценки погрешности измерений использовались методы статистической обработки информации. Результаты статистического анализа позволили оценить достоверность выводов, полученных при интерпретации экспериментального материала. При этом информация, извлеченная на статистическом этапе из наблюдений, являлась входной по отношению к этапу интерпретации с использованием регуляризирующих алгоритмов и позволила дать оценку неопределенности входных данных, необходимую для корректного применения этих алгоритмов и оценки неопределенности регуляризированного решения [129,134,138,148,158].
Исследования проводились на основе метода статистической обработки многократных отсчетов. При этом решались следующие задачи: - оценивание случайной погрешности, то есть области неопределенности исходных экспериментальных данных; - нахождение более точного усредненного результата исследования; - оценивание погрешности этого усредненного результата, то есть более узкой его области неопределенности. При осуществлении экспериментов соблюдалась следующая схема проведения опытов. Измерительная аппаратура калибровалась, тщательно выверялись режимы измерений, устанавливались необходимые значения температуры и влажности. Каждый отдельный опыт проводился четыре раза в идентичных условиях.
Нуль-термостат с радиатором для теплоотвода
Устройство (рис. 4.3) состоит из внешней цилиндрической камеры 1, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, к нижнему основанию которой с внутренней стороны горячим спаем присоединен термоэлектрический модуль 2. Холодный спай термоэлектрического модуля 2 находится в хорошем тепловом контакте с нижним основанием тонкостенной цилиндрической камеры 3, основания которой выполнены из материала с высокой, а стенки из материала с низкой теплопроводностью. Внутри камеры 3 находится дистиллированная вода 4, разделенная границей раздела фаз 5 на твердую и жидкую фазы.
В жидкой фазе находится кольцеобразное грузило 6, изготовленное из материала, не смачиваемого водой и имеющее конусность в вертикальном сечении. В центре грузила натянуты капроновые нити 9, в точке пересечения которых крепится контрольный спай дифференциальной термопары 7. Специальное уплотнение 8 предназначено для вывода проводников контрольного спая термопары 7 наружу. Мелкоячеистая сетка 10 выполнена из капроновых нитей, не смачиваемых водой и находится у нижнего основания грузила 6 на границе раздела фаз.
При включении питания термоэлектрического модуля 2 начинается, процесс замерзания воды в цилиндрической камере 3 у нижнего основания, при этом, образуется граница раздела фаз 5, соприкасающаяся с нижним основанием грузила 6. Грузило 6, по мере изменения объема льда, скользит вдоль вертикальной оси, проведенной перпендикулярно плоскости границы раздела фаз. Сила тяжести действует на грузило 6 и прижимает его к границе раздела фаз 5, а плотность грузила, большая плотности воды, не позволяет ему всплыть за счет действия выталкивающей силы. В результате чего грузило находится в зоне замерзания/таяния воды при температуре 0С. При этом, конусная форма конструкции грузила и его исполнение в полный размер внутреннего диаметра камеры 3 повышает устойчивость грузила и снижает вероятность возникновения перекосов или застревания при его скольжении вслед за границей раздела фаз. Подобным образом реализован точный подвод контрольных спаев дифференциальных термопар к границе раздела фаз вещества.
Тепловая энергия, выделяемая на горячем спае термоэлектрического модуля 2 через стенки внешней цилиндрической камеры 1 передается на верхнее основание внутренней цилиндрической камеры 3. В результате работы термоэлектрического модуля происходит нагрев воды 4 в камере 3 с одной стороны (сверху) и охлаждение с другой стороны (снизу). Вследствие этого, в камере постоянно присутствует граница раздела фаз 5, прилегающая к нижнему основанию грузила 6, а контрольный спай 7 дифференциальной термопары постоянно находится при температуре плавления льда 0С. При этом будут отсутствовать конвективные потоки, так как нагрев внутреннего объема производится верхним, а отвод тепла - нижним основаниями внутренней камеры. Для отвода лишнего количества теплоты, образующегося на горячем спае термоэлектрического модуля, используется внешний радиатор 11, который предотвращает возможный выход из строя термоэлектрического модуля 2 от перегрева. Исполнение боковых стенок внутренней камеры 3 из материала с малой теплопроводностью позволяет снизить влияние нежелательной теплопередачи на точность термостатирования, предотвращая также таяние слоев льда или замораживание слоев воды, соприкасающихся со стенками внутренней камеры. Это способствует образованию равномерной границы раздела фаз, а также, наряду с использованием грузила и полностью герметичной камеры, дополнительно защищает конструкцию от всплывания льда к поверхности из-за уменьшения прочности его сцепления со стенками внутренней камеры при возможном воздействии внешних механических возмущений. Мелкоячеистая сетка 10, изготовленная из не смачиваемого водой материала и проходящая по границе раздела фаз 5, предотвращает прямой контакт с твердой фазой 4 термостатируемых контрольных спаев дифференциальных термопар, защищая последние от смерзания со льдом.
Устройство обеспечивает высокую точность термостатирования при непрерывной и длительной эксплуатации за счет устранения развитой естественной конвекции в жидкости и связанных с ней нежелательных эффектов непрерывного изменения температуры и неравномерного вымывания льда вблизи границы раздела фаз, а также, позволяет повысить равномерность нарастания ледяной массы во времени. Дополнительная надежность системы обеспечивается за счет использования радиатора, который предотвращает выход из строя термоэлектрического модуля от перегрева.
Похожие диссертации на Термоэлектрические устройства для термостатирования с использованием плавящихся веществ
