CC BY
17
УДК 621.573
Обоснование тепловых режимов компрессионно-термоэлектрического криостата
Богомолов И.Н., Сулин А.Б.
На основании исследований можно сделать следующее заключение: чем большей производительностью холода обладает компрессионный агрегат второй ступени охлаждения, тем менее оправданным становится использование в качестве первой ступени двухкаскадных термоэлектрических модулей.
Ключевые слова: тепловые режимы, двухкаскадные термоэлектрические модули.
В настоящее время в сфере испытательного и лабораторного оборудования существует ниша, где установки с компрессионно-термоэлектрическим охлаждением являются наиболее выгодным и удобным решением. Для низкотемпературных испытаний материалов, изделий, а также определения свойств продукции в условиях низких температур находят применение криостаты на базе комбинированных систем охлаждения. [1]
Настоящая статья посвящена методам расчета и определению режимов работы криостатов с компрессионно-термоэлектрической системой охлаждения.
В качестве термоэлектрической ступени охлаждения возможно использовать как однокаскадные, так и двухкаскадные термобатареи. Кроме того, расчеты проводились для парокомпрессионной ступени охлаждения на базе холодильных агрегатов разной производительности. Математическая модель комбинированной системы охлаждения и составленная на ее основе программа расчета позволили построить сводный график зависимости температуры в камере термостатирования (tK0M,, 0С) от холодильной нагрузки (Qo,, Вт), приведенный на Рис. 1. [2]
На Рис.1 линии, имеющие меньший наклон к оси абсцисс (Q0,, Вт), соответствуют комбинированной схеме с использованием однокаскадных термоэлектрических модулей; линии, имеющие больший наклон соответствуют схеме охлаждения с использованием двухкаскадных термоэлектрических модулей.
В расчетах использовались характеристики термобатарей фирмы «Остерм» и холодильных агрегатов фирмы «Hermetic». В модельном ряду AEZ2415 - AE1417 - CAE2420 холодопроизводительность компрессионного агрегата увеличивается, и, соответственно, достигаются более низкие температуры в камере термостатирования.
Как видно из сводного графика, в рассматриваемом случае при холодопроизводительностях менее 25 Вт наиболее низкие температуры в камере термостатирования достигаются при использовании схемы с двухкаскадными термоэлектрическими модулями. Если же требуемая холодопроизводительность превышает 30 Вт, то минимальные температуры в камере термостатирования возможно получить при использовании однокаскадных термобатарей в комбинированной системе охлаждения. На Рис. 1 обозначены точки пересечения характеристик комбинированных систем для вариантов с использованием одно- и двухкаскадных термобатарей при одинаковых парокомпрессионных агрегатах второй ступени охлаждения (точки А, В, С).
В диапазоне холодильных нагрузок 25...30 Вт может рассматриваться выбор между одно- и двухкаскадными модулями. Точки пересечения характеристик (точки А, В, С) образуют линию, имеющую наклон к оси абсцисс ^о,, Вт). При использовании парокомпрессионных агрегатов большей холодопроизводительности точка пересечения характеристик комбинированной системы будет смещаться в область меньших холодопроизводительностей системы.
На основании вышеизложенного можно сделать следующее заключение: чем большей холодопроизводительностью обладает парокомпрессионный агрегат второй ступени охлаждения, тем менее оправданным (с точки зрения достижения наиболее низких температур в камере термостатирования) становится использование в качестве первой ступени двухкаскадных термоэлектрических модулей.
Рассмотрим режимы работы термостата с комбинированной системой охлаждения в случае использования парокомпрессионной машины АЕ72415 в схеме с однокаскадными термобатареями, с двухкаскадными термобатареями, а также однокаскадную схему охлаждения на базе парокомпрессионного агрегата. На графике, приведенном на Рис. 2, отмечены три зоны работы компрессионно-термоэлектрической системы охлаждения.
10 20 30 40 50 60 70 80
Qo, Вт
Рис. 1. Сводный график зависимости температуры в камере от холодильной нагрузки: «1» после марки парокомпрессионного агрегата означает использование однокаскадной термобатареи в качестве первой ступени охлаждения; «2» - двухкаскадной
В каждой из трех зон, выделенных на Рис. 2, существует наиболее оптимальная схема компоновки системы охлаждения. В области I (с диапазоном температур -80 до -63°C в данном случае) наиболее эффективно, с точки зрения достижения минимальных температур в камере, термоэлектрический блок комбинированной системы выполнять на основе двухкаскадных модулей. В области II (с диапазоном температур -63 до -40°C в данном случае) наиболее низкие температуры в камере могут быть получены при использовании однокаскадных модулей в термоэлектрическом блоке. В области III с температурами в камере, выше -40°C, целесообразно применять однокаскадное охлаждение.
^кам,
оС
¿о,, Вт
Рис. 2. Режимы работы термостата на базе комбинированной холодильной машины.
Для конечного потребителя важен объем камеры термостатирования и уровень поддерживаемой в ней температуры. Для расчета объема камеры исходными данными являются холодопроизводительность
комбинированного агрегата, температура в камере, толщина изоляции и коэффициент теплопроводности изоляции.
Вычисления производились для теплоизоляционного материала с коэффициентом теплопроводности 0,03 Вт/м К. Расчеты были выполнены для схемы с использованием парокомпрессионной машины AEZ2415 в комбинации с однокаскадными и двухкаскадными термобатареями.
На основании расчетов для схемы с однокаскадными модулями был построен график, показанный на Рис. 3, для схемы с двухкаскадными модулями - Рис. 4.
Таким образом, для оптимальной компоновки комбинированной системы охлаждения, соответствующей требуемому режиму работы (в диапазоне -80 ... -40°С), возможно определить наиболее целесообразную толщину изоляции и объем камеры термостатирования.
0С
-30 -35 -I -40 -45
-50 -55 -60 -65 -70 -75
Толщина изоляции. --- 100 мм -200 мм
> ✓
у
/
У /
✓
/ У
30
150 250 380 560
Укам, литр
Рис. 3. Полезный объем камеры и температура в камере для термостата на основе комбинированной схемы с однокаскадными термобатареями.
0С
-30
-40 -I
-50
-60
-70
-80
-90
Тащит изот/и 100 мм 200 мм ;
/
/
/ У /
А
30
80
170
320
Укам, литр
Рис. 4. Полезный объем камеры и температура в камере для термостата на основе комбинированной схемы с двухкаскадными термобатареями.
Для рассмотренной схемы рациональным является создание камер
термостатирования объемом от 3 до 150 литров.
Список литературы
1. Алескеров Ф.К. Малогабаритные каскадные и компрессионно-термоэлектрические термостаты для температур минус 50 - плюс 80 С: Автореф. дисс. канд. техн. наук. Ашхабад, 1988. 19 с.
2. Наер В.А. Определение промежуточных температур в каскадных и комбинированных охлаждающих устройствах. - Материалы Всесоюзной научно-технической конференции «Совершенствование процессов, машин
и аппаратов холодильной и криогенной техники и кондиционирования воздуха». Ташкент, 1977, с. 37-38.
