CC BY
45
ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ И НАДЕЖНОСТЬ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ
УДК 621.573
А. Б. Сулин, И. Н. Богомолов
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
КОМПРЕССИОННО-ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОСТАТЫ ЛАБОРАТОРНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Рассматриваются основные принципы компоновки и режимы работы комбинированной системы охлаждения на базе математической модели компрессионно -термоэлектрического термостата.
В настоящее время в сфере испытательного и лабораторного оборудования установки с компрессионно-термоэлектрическим охлаждением являются наиболее предпочтительными. Исходя из условий получения в камере термостатирования наиболее низких температур и минимизации габаритов устройства (для лабораторных исследований — менее 100 л) предлагается использовать двухкаскадную компрессионно-термоэлектрическую систему охлаждения. Данные термостаты позволяют получать температуру до -80 оС при сравнительно малой холодопроизводительности и небольшом объеме камеры термостатирования [1, 2].
Основная задача при расчете комбинированных систем состоит в согласовании режимов работы каждой из ступеней охлаждения. Схема энергетических потоков в камере термо-статирования на основе комбинированной холодильной машины показана на рис. 1. В этой схеме термобатарея используется в качестве первого каскада охлаждения комбинированной системы, а пароком-прессионная холодильная машина (ПХМ) — в качестве второго каскада. Здесь 1 — теплоизолированная рабочая камера, 2 — термоэлектрическая батарея,
3 — испаритель холодильной машины,
4 — компрессор, 5 — конденсатор холодильной машины, 6 — терморегулирую-щий вентиль. Тепловая нагрузка Q0 на камеру термостатирования отводится холодным спаем термобатареи. При этом на работу термобатареи затрачивается электроэнергия Жтв. Теплота Qтб, выделяющаяся на горячем спае термобатареи, отводится с помощью испарителя парокомпрессионного агрегата с холодопро-изводительностью Qпxм, 0. Теплота QпХм, выделяемая конденсатором парокомпрессионной
Qo |
+ ^тб
III111 II I 111II <—
| 0гб= <2пХМ, 0
-1 ^П
Вентилятор
Вентилятор
Рис. 1
1
3
4
5
66
А. Б. Сулин, И. Н. Богомолов
холодильной машины, отводится в окружающую среду. На работу парокомпрессионной машины затрачивается электроэнергия ЖПХМ.
Рассмотрим режимы работы термостата с комбинированной системой охлаждения в случае использования парокомпрессионной машины ЛЕ22415 фирмы „Hermetique" (Франция) в схеме с однокаскадными и двухкаскадными термобатареями, а также рассмотрим однокаскадную схему
охлаждения на базе пароком-прессионного агрегата. На графике, приведенном на рис. 2, отмечены три зоны (области) работы компрессионно-термоэлектрической системы охлаждения. В каждой из трех зон существует оптимальная схема компоновки системы охлаждения. В области I (с диапазоном температур -80.. .-63 °С) наиболее эффективно, применительно к достижению минимальных температур в камере, термоэлектрический блок комбинированной системы выполнять на основе двухкаскадных модулей. В области II (с диапазоном температур -63.-40 °С) наиболее низкие температуры в камере могут быть получены при использовании однокаскадных модулей в термоэлектрическом блоке. В области Ш (при температуре выше -40 °С) целесообразно применять однокаскадное охлаждение.
С использованием математической модели комбинированной системы охлаждения и составленной на ее основе программы расчета был построен сводный график зависимости температуры в камере термостатирования от холодопроизводительности, приведенный на рис. 3. При моделировании аппроксимированы характеристики парокомпрессионных агрегатов* ЛЕ22415, ЛЕ1417, СЛЕ2420 производства фирмы „Hermetique" и одно- и двухкаскадных термоэлектробатарей производства фирмы „Остерм" (Санкт-Петербург). Точки А, В, С на графике характеризуют области рационального применения одно- и двухкаскадных термобатарей в схемах комбинированных агрегатов.
Важными параметрами для потребителя являются объем камеры термостатирования и уровень поддерживаемой в ней температуры. Для расчета объема камеры исходными данными служат холодопроизводительность комбинированного агрегата, температура в камере, толщина изоляционного материала и коэффициент его теплопроводности.
Вычисления производились для теплоизоляционного материала с коэффициентом теплопроводности 0,03 Вт/(м-К). Расчеты были выполнены для схемы с использованием паро-
* На рис. 3 символ „1" после марки парокомпрессионного агрегата означает использование однокаскадной термобатареи в качестве первой ступени охлаждения, символ „2" — двухкаскадной.
г, °С -40 -50 -60
-70 -80 -90
ш
/ / у / / * н
* *
р
А I
ч /
— — однокаскадный модуль — — двухкаскадный модуль
20 40 60 70 80 100 120 140 160 00, Вт
Рис. 2
Рис. 3
Компрессионно-термоэлектрические термостаты лабораторного назначения
67
компрессионной машины ЛБ22415 в комбинации с одно- и двухкаскадными термобатареями. На основе расчетов были построены графики зависимости полезного объема камеры от температуры в ней для схемы с однокаскадными (рис. 4, а) и двухкаскадными (рис. 4, б) модулями при толщине изоляционного материала 100 и 200 мм (кривые 1 и 2 соответственно).
а)
б)
^ °С -40
-50
-60
-70
°С -40
-50
-60
-70
-80
-90
У1
у "-2
■
30 80 150 250 380 560 800 V, л
1 N
<< 2
Рис. 4
Таким образом, для оптимальной компоновки комбинированной системы охлаждения, соответствующей требуемому режиму работы (в диапазоне -80.. .-40 °С), можно определить наиболее целесообразную толщину изоляционного материала и объем камеры термостатирования. Для рассмотренной схемы рациональным является создание камер объемом от 3 до 150 л.
Примером практического внедрения компрессионно-термоэлектрических термостатов являются установки серии „Миконта" для низкотемпературных испытаний образцов продукции. В частности, лабораторный термостат „Миконта 60x60" с комбинированной системой охлаждения имеет объем камеры 60 л и позволяет обеспечить температуру до -60 °С в рабочем пространстве.
5
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сулин А. Б., Богомолов И. Н. Основные расчетные характеристики низкотемпературной комбинированной системы термостатирования // Изв. Санкт-Петербургского гос. ун-та низкотемпературных и пищевых технологий. 2006. № 1. С. 38—40.
2. Сулин А. Б., Богомолов И. Н. Схемные решения и характеристики компрессионно-термоэлектрических систем термостатирования // Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения: Материалы докл. III Всерос. науч.-техн. конф. Махачкала, 2007. С. 100—102.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
кондиционирования воздуха 12.01.08 г.
