CC BY
145э
Вестник РГАТУ, № 1 (45), 2020
Mamonov, A.M. Afanas'ev, M.YU. Afanas'ev, M.YU. Kostenko, A.V. SHemyakin //Pchelovodstvo. - 2020. - № 1. - S. 46-48.
8. Tarasov, D. Mathematical modeling of deformations of flexible threads under their dynamic loading in the zone of material plasticity / D. Tarasov, V. Konovalov, V. Zaitsev, Y. Rodionov // Journal of Physics: Conference Series 2019. S. 012014.
9. ZHuravlev, A.V. K voprosu ochistki ramok ot voskovogo syr'ya centrobezhnymi silami / A.V. ZHuravlev, S.A. Sutyagin, V.I. Kurdyumov//VestnikRyazanskogo GATUim. P.A. Kostycheva. - 2015. - № 4 (28). - S. 83-85.
10. Mamonov, R.A. Teoriya processa centrobezhnoj skarifikacii pchelinyh sotov / R.A. Mamonov //Vestnik Ryazanskogo GAU im. P.A. Kostycheva. - 2018. - № 2 (38). - S. 102-107.
УДК 621.362
DOI 10.36508/RSATU.2020.45.1.013 К ВОПРОСУ ИССЛЕДОВАНИЯ КПД ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЛЬТЬЕ
БЫШОВ Дмитрий Николаевич, канд. техн. наук, доцент кафедры эксплуатации машинно-тракторного парка, university@rgatu.ru
КАШИРИН Дмитрий Евгеньевич, д-р техн. наук, доцент, зав каф. «Электроснабжение», kadm76@mail.ru
ГОБЕЛЕВ Сергей Николаевич, канд. техн. наук, доцент кафедры «(Электроснабжение», university@rgatu.ru
БОЧКОВ Павел Эдуардович, магистрант кафедры «Электроснабжение», pav.bochkov@yandex.ru ПАВЛОВ Виктор Вячеславович, аспирант кафедры «(Электроснабжение», vikp76@mail.ru Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева
В процессе сушки продуктов сельского хозяйства, в частности, продуктов пчеловодства, часто возникает необходимость удаления влаги из теплоносителя (воздушного потока). Эффективное решение этой задачи может быть достигнуто путём использования элементов Пельтье. Элементы Пельтье - это полупроводниковые тепловые насосы, то есть устройства, позволяющие получать отрицательные температуры при протекании через них электрического тока. Для создания эффективных сушильных установок нами были определены рациональные условия электрического питания этих устройств, в частности, род тока и величина потребляемой мощности, обеспечивающие наилучшие значения КПД устройства. Лабораторные исследования проводили в два этапа: исследование мощностных характеристик элемента Пельтье при подключении его к блоку питания, генерирующему постоянный электрический ток; исследование мощностных характеристик элемента Пельтье при подключении к специализированному блоку питания. В качестве опытного образца был исследован элемент Пельтье марки «(ТЕС1-12705». В статье описана методика проведения исследований, структурная и электрическая схемы лабораторной установки, а также её общий вид. По результатам исследования были получены математические модели и графические зависимости разницы температур At от потребляемой мощности Р. Полученные результаты позволили установить количественные характеристики исследуемых процессов.
Ключевые слова: элемент Пельтье, блок питания, форма тока, разница температур.
Введение
Элемент Пельтье - это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого заключается в возникновении разницы температур при протекании через него электрического тока. Элементы Пельтье широко применяется для создания портативных холодильных установок, для конденсации влаги из воздуха, циркулирующего в сушильных установках, а также в качестве датчиков, регистрирующих перепад температуры. Современный элемент Пельтье представляет собой керамическую пластину толщиной от 2 мм до 5 мм и площадью от 4 см2 до 36 см2, внутри которой расположены полупроводниковые спаи, включённые последовательно. При подаче электрического © Бышов Д. Н., Каширин Д. Е., Гобелев
тока на элемент Пельтье он превращается в тепловой насос. Одна его сторона охлаждается, а другая нагревается. При этом, используя различные комбинации элементов Пельтье, можно добиться практически криогенных температур.
Элементы Пельтье имеют свойства обратимости, то есть при перепаде температуры на его поверхностях устройство генерирует термо-ЭДС. Главным преимуществом элемента Пельтье перед другими системами охлаждения является долгий срок службы (20000 часов), бесшумность работы, малые габариты при достаточно большой мощности отвода тепла.
Нами исследуется возможность использования элементов Пельтье для осушения воздуха при его С. Н.,Бочков П. Э., Павлов В. В., 2020 г.
Технические науки
циркуляции в сушильной установке, используемой, в частности, в технологии извлечения перги из пчелиных сотов [1-5]. Процесс осушения теплоносителя (выделения влаги) [6, 7, 8] позволяет существенно сократить продолжительность сушки продукции сельского хозяйства, в частности, пчеловодства [9-11], и, как следствие, снизить энергоёмкость этого процесса [12-14]. При прохождении потока воздуха по охлаждённой поверхности элемента Пельтье вода в виде капель конденсируется, после чего удаляется специальным устройством.
В связи с вышесказанным, цель исследования заключалась в обосновании параметров питания элементов Пельтье, обеспечивающих наилучшие показатели их КПД [15-18].
Материалы и методы исследования
Для решения поставленных задач нами была предложена лабораторная установка, структурная схема которой представлена на рисунке 1, а общий вид - на рисунке 2. Установка предназначена для исследования параметров питания элементов Пельтье марки «ТЕС1-12705» (данная марка является наиболее распространённой). В состав установки (рис. 2) входит элемент Пельтье 1, который крепится посредством теплопроводящей пасты на теплообменник 2. Теплообменник сообщается с радиатором 5 благодаря гибким шлангам. Циркуляцию воды (теплоносителя) в установке обеспечивает циркуляционный насос 4 марки «MAYLE-1009550002». Отвод тепла в атмосферу осуществляется под действием создаваемого вентилятором 6 воздушного потока, проходящего через радиатор 5.
Рис. 1 - Структурная схема лабораторной установки для исследования элемента Пельтье
1 - элемент Пельтье; 2 - теплообменник; 3 - расширительный бак; 4 - жидкостной циркуляционный насос; 5 - радиатор; 6 - вентилятор; 7 - провода питания элемента Пельтье Рис. 2 - Общий вид системы жидкостного охлаждения
К внешней нагреваемой стороне элемента Пельтье и к его охлаждающей поверхности посредством термопасты прикреплены два датчика температуры марки «MOSEKO-TR101», позволяющие проводить измерения с точностью до ± 0,5 °С.
Первый этап исследования предполагал изучение работы элемента Пельтье от блока питания, выполненного по классической схеме, пред-
ставленной на рисунке 3. Режим перекачки тепла контролировали по показаниям термодатчиков. Запись параметров напряжения, тока и мощности, потребляемой элементами Пельтье, а также перепады температур производили после выхода системы на стационарный режим работы. Напряжение, подаваемое на исследуемый элемент, в ходе опытов меняли с шагом в 1 вольт
Э
Вестник РГАТУ, № 1 (45), 2020
1 - ЛАТР; 2 - диодный мост; 3 - вольтметр; 4 - амперметр; 5 - элемент Пельтье; 6 - осциллограф Рис. 3 - Схема блока питания постоянного тока
Данная электрическая схема проста в изготовлении, при этом имеет на выходе постоянный пульсирующий ток с частотой 100 Гц. Это значит, что ток постоянно изменяет своё значение, достигая при этом нуля.
На втором этапе исследований использовали блок питания марки Power man (модель IP-P450DJ2-0), на выходе которого генерируется сглаженный электрический ток. Величину напряжения блока питания изменяли посредством реостата с шагом в 1 вольт. Результаты также регистрировали при выходе системы на стационарный режим работы.
Опыты в каждой точке проводили с трёхкратной повторностью.
В общем случае порядок проведения опыта был следующим: перед включением питания элемента Пельтье приводили в действие на 5 минут систему жидкостного охлаждения для выравнивания температуры теплоносителя и воздуха в помещении, где проводился опыт. Производили контроль точности цифровых термометров.
На первом этапе при помощи лАтРа устанавливали напряжение, равное U=1B. После этого таймером отмеряли интервал времени 5 минут для выравнивания температур и обеспечения доверительного интервала в 95%. Для первого этапа напряжение повышали с U=1B до U=16B с шагом в 1В каждые 5 минут.
На втором этапе при включении элементов Пель-тье от блока питания Power man оказалось невозможным обеспечить начало измерений с напряжения и=1В. При добавлении в цепь реостата удалось достичь минимального напряжения и=6,75В, которое повышали до максимального и=11,76В также с шагом в 1В каждые 5 минут. Во время проведения всех опытов записывали показания термометров и амперметра. После испытаний по полученным данным была вычислена потребляемая мощность P, Вт после каждого повышения напряжения по формуле: P = IU (1)
где I - ток, А; U - напряжение, В. Также определена разница температур между горячей и холодной сторонами элемента Пельтье: At=t -t
гор хол /ОЧ
где t - температура на горячей стороне элемента Пельтье, °С; t^ - температура на холодной стороне элемента Пельтье, °C.
Результаты и их анализ
В результате статистической обработки результатов исследования удалось установить математическую модель, описывающую зависимость
эффективности теплопередачи элемента Пельтье от потребляемой мощности от источника постоянного электрического тока, представленную полиномом вида:
Д1(Р) = 6.08 + 1 94 Р-0.1-Р2 +0.002-Р3 -1.41-105 -Р4, Р2 =0.951
(3)
где Р - потребляемая мощность, Вт. Данная зависимость представлена графически на рисунке 4. В полученной модели обнаруживается явный экстремум.
.it,'С
температур от потребляемой мощности для опыта с блоком питания, генерирующим постоянный электрический ток
Эффективность теплопередачи элемента Пель-тье, питаемого сглаженным электрическим током, с наибольшей точностью описывает квадратичное уравнение (4), представленное в виде графической зависимости на рисунке 5.
lAt(P) = 14.34 + 0.65 Р-0.012 Р2
R2 =0.987
(4)
Рис. 5 - Графическая зависимость разницы температуры от потребляемой мощности при питании элемента Пельтье сглаженным электрическим током. Анализ представленных зависимостей показы-
Технические науки
вает, что в первом исследовании элемент Пельтье достигает максимального КПД при потребляемой мощности Р = 15,76 Вт. Второй этап исследований показывает, что наилучшие показатели элемент Пельтье выдаёт при мощности Р = 28,8 Вт.
Выводы
Анализ результатов проведенного исследования позволяет утверждать, что КПД элемента Пельтье зависит как от величины потребляемой им мощности, так и от рода питающего тока. Причём установленные зависимости имеют явные экстремумы. Полученные закономерности можно объяснить физическими процессами, происходящими в спаях элемента Пельтье: при увеличении потребляемой мощности происходит увеличение значения разницы температур до определённого уровня, а при её увеличении свыше предельного значения количество вырабатываемой теплоты оказывается выше поглощаемой на холодной стороне элемента Пельтье, что ведёт к снижению КПД. Аналогичная зависимость подтверждается и при питании элемента Пельтье сглаженным электрическим током.
Вторым существенным фактором оказался род тока, питающего элемент Пельтье, в частности, при сглаженном токе можно достичь большей разницы температур при том же значении потребляемой мощности, то есть значительно увеличить КПД. Данное явление связанно со свойствами полупроводников, значимое влияние на которые оказывает плотность тока.
Литература
1. Бышов Д.Н. Исследование работы измельчителя воскового сырья / Д.Н. Бышов, И.А. Успенский, Д.Е. Каширин, Н.В. Ермаченков, В.В. Павлов // Сельский механизатор. - 2015. - № 8. - С. 28-29.
2. Бышов Д.Н. Исследование рабочего процесса измельчителя перговых сотов / Д.Н. Бышов, Д.Е. Каширин, Н.В. Ермаченков, В.В. Павлов // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. - 2015. - № 8. - С. 155-159.
3. Бышов Н.В. Исследование рабочего процесса вибрационного решета при просеивании воскоперговой массы / Н.В. Бышов, Д.Е. Каширин // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. - 2013. - С. 160-162.
4. Бышов Н.В. Исследование установки для извлечения перги из сотов / Н.В. Бышов, Д.Е. Каширин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2012. - № 2. - С. 31-32.
5. Бышов Н.В. Обоснование параметров измельчителя перговых сотов / Н.В. Бышов, Д.Е. Ка-
ß
ширин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2012. - № 1. - С. 29-30.
6. Бышов Н.В. Обоснование рациональных параметров измельчителя перговых сотов / Н.В. Бышов, Д.Е. Каширин // Вестник Красноярского государственного университета. -2012.№6. - С. 134-138.
7. Каширин Д.Е. Вакуумная сушка перги / Д.Е. Каширин // Пчеловодство. - 2006. - № 4. - С. 50.
8. Каширин Д.Е. Исследование массы и геометрических параметров перги и перговых сотов / Д.Е. Каширин // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. - 2010. - № 5. - С. 152-154.
9. Каширин Д.Е. Исследование некоторых прочностных характеристик восковой основы пчелиных сотов / Д.Е. Каширин, А.В. Куприянов // Вестник Красноярского государственного аграрного университета.- 2011.- № 8. - С. 199-202.
10. Каширин Д.Е. Исследование рабочего процесса измельчителя перговых сотов / Д.Е. Каширин // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина. - 2010. - № 1. - С. 24-27.
11. Каширин Д.Е. К вопросу отделения перги из измельчённой воскоперговой массы / Д.Е. Ка-ширин // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. - 2010. - № 1. - С. 138-140.
12. Каширин Д.Е. Конвективная сушка перги / Д.Е. Каширин // Пчеловодство. -2009.- № 8- С. 46-47.
13. Каширин Д.Е. Способ и устройство для извлечения перги / Д.Е. Каширин // Аграрный научный журнал. - 2010. - № 5. - С. 34-36.
14. Каширин Д.Е. Технология и устройство для измельчения перговых сотов / Д.Е. Каширин // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Рязань. - 2001.
15. Каширин Д.Е. Технология и устройство для измельчения перговых сотов / Д.Е. Каширин // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Рязань. - 2001.
16. Пат. № 2391610 РФ. Установка для сушки перги / Д.Е. Каширин. - Заявл. 16.03.2009; опубл. 10.06.2010, бюл. № 16. - 7с.
17. Пат. № 2391610 РФ. Установка для сушки перги / Д.Е. Каширин. - Заявл. 16.03.2009; опубл. 10.06.2010, бюл. № 16. - 7с.
18. Пат. № 2275563 РФ. F26B 21/04. Установка для сушки перги в сотах / Д.Е. Каширин. - Заявл. 29.11.2004; опубл. 27.04.2006, бюл. № 12. - 5с.
RESEARCH EFFICIENCY OF PELTIER ELEMENTS
Byshov Dmitriy N., candidate of technical sciences, associate professor, university@rgatu.ru
Kashirin Dmitriy Ye., doctor of technical sciences, associate professor, kadm76@mail.ru
Gobelev Sergey N., candidate of technical sciences, associate professor, university@rgatu.ru
Bochkov Pavel E., graduate student, pav.bochkov@yandex.ru
Pavlov Viktor V., post-graduate student, vikp76@mail.ru
Ryazan state agrotechnological University named after P. A. Kostychev
In the process of drying agricultural products, in particular beekeeping products, it is often necessary to remove moisture from the coolant (air flow). An effective solution to this problem can be achieved by using Peltier elements. Peltier elements are semiconductor heat pumps, that is, devices that allow to get negative
BecTHUK PrATy, № 1 (45), 2020
temperatures when an electric current flows through them. To create efficient drying plants, we have determined the rational conditions for the electrical power supply of these devices, in particular, the type of current sort; the amount of power consumption, providing the best values of the efficiency of the device. Laboratory studies were carried out in two stages: the study of the power characteristics of the Peltier element when it was connected to a power supply unit that generated a direct electric current; study of the power characteristics of the Peltier element when connected from a specialized power supply. The Peltier element of the brand "TEC1-12705" was studied as a prototype. The article describes the methodology of research, structural and electrical circuits of the laboratory installation, as well as its general appearance. According to the results of the study, graphical dependences and mathematical models of the temperature difference At from the power consumption were obtained. The Obtained results allowed to establish the quantitative characteristics of the studied processes.
Key words: Peltier element, power supply, current shape, temperature difference.
1. Byshov D.N. Issledovanie raboty izmelchitelia voskovogo syria / D.N. Byshov, I.A. Uspenskii, D.E. Kashirin, N.V. Ermachenkov, V.V. Pavlov//Selskiimekhanizator. - 2015. - № 8. - S. 28-29.
2. Byshov D.N. Issledovanie rabochego protsessa izmelchitelia pergovykh sotov /D.N. Byshov, D.E. Kashirin, N.V. Ermachenkov, V.V. Pavlov // Vestnik Krasnoiarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2015. - № 8. - S. 155-159.
3. Byshov N.V. Issledovanie rabochego protsessa vibratsionnogo resheta pri proseivanii voskopergovoi massy /N.V. Byshov, D.E. Kashirin // Vestnik Krasnoiarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. -2013. - S. 160-162.
4. Byshov N.V. Issledovanie ustanovki dlia izvlecheniia pergi iz sotov /N.V. Byshov, D.E. Kashirin // Mekhanizatsiia i elektrifikatsiia selskogo khoziaistva. - 2012. - № 2. - S. 31-32.
5. Byshov N.V. Obosnovanie parametrov izmelchitelia pergovykh sotov/N.V. Byshov, D.E. Kashirin // Mekhanizatsiia i elektrifikatsiia selskogo khoziaistva. - 2012. - № 1. - S. 29-30.
6. Byshov N.V. Obosnovanie ratsionalnykh parametrov izmelchitelia pergovykh sotov / N.V. Byshov, D.E. Kashirin //Vestnik Krasnoiarskogo gosudarstvennogo universiteta. - 2012. №6. - S. 134-138.
7. Kashirin D.E. Vakuumnaia sushka pergi/D.E. Kashirin //Pchelovodstvo. - 2006. - № 4. - S. 50.
8. Kashirin D.E. Issledovanie massy i geometricheskikh parametrov pergi i pergovykh sotov / D.E. Kashirin //Vestnik Krasnoiarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2010. - № 5. - S. 152-154.
9. Kashirin D.E. Issledovanie nekotorykh prochnostnykh kharakteristik voskovoi osnovy pchelinykh sotov / D.E. Kashirin, A.V. Kupriianov // Vestnik Krasnoiarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta.- 2011.-№ 8. - S. 199-202.
10. Kashirin D.E. Issledovanie rabochego protsessa izmelchitelia pergovykh sotov/D.E. Kashirin // Vestnik Federalnogo gosudarstvennogo obrazovatelnogo uchrezhdeniia vysshego professionalnogo obrazovaniia Moskovskii gosudarstvennyi agroinzhenernyi universitet im. V.P. Goriachkina. - 2010. - № 1. - S. 24-27.
11. Kashirin D.E. K voprosu otdeleniia pergi iz izmelchennoi voskopergovoi massy / D.E. Kashirin // Vestnik Krasnoiarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2010. - № 1. - S. 138-140.
12. Kashirin D.E. Konvektivnaia sushka pergi/D.E. Kashirin //Pchelovodstvo. - 2009.- № 8 - S. 46-47.
13. Kashirin D.E. Sposob i ustroistvo dlia izvlecheniia pergi/D.E. Kashirin //Agrarnyi nauchnyi zhurnal. -2010. - № 5. - S. 34-36.
14. Kashirin D.E. Tekhnologiia i ustroistvo dlia izmelcheniia pergovykh sotov/D.E. Kashirin//Dissertatsiia na soiskanie uchenoi stepeni kandidata tekhnicheskikh nauk / Riazan. - 2001.
15. Kashirin D.E. Tekhnologiia i ustroistvo dlia izmelcheniia pergovykh sotov/D.E. Kashirin //Dissertatsiia na soiskanie uchenoi stepeni kandidata tekhnicheskikh nauk / Riazan. - 2001.
16. Pat. № 2391610 RF. Ustanovka dlia sushki pergi /D.E. Kashirin. - Zaiavl. 16.03.2009; opubl. 10.06.2010, biul. № 16. - 7s.
17. Pat. № 2391610 RF. Ustanovka dlia sushki pergi /D.E. Kashirin. - Zaiavl. 16.03.2009; opubl. 10.06.2010, biul. № 16. - 7s.
18. Pat. № 2275563 RF. F26B 21/04. Ustanovka dlia sushki pergi v sotakh / D.E. Kashirin. - Zaiavl. 29.11.2004; opubl. 27.04.2006, biul. № 12. - 5s.
Literatura
