ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ

Конструкции несущие базовые радиоэлектронных средств

УПРАВЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫМИ РЕЖИМАМИ ШКАФОВ, СООТВЕТСТВУЮЩИХ СТАНДАРТАМ СЕРИЙ IEC 60297 И IEC 60917

Часть 3

Руководство по проектированию. Метод оценки термоэлектрических систем охлаждения (эффект Пельтье)

(IEC/TS 62610-3:2009,

Mechanical structures for electronic equipment — Thermal management for cabinets in accordance with IEC 60297 and IEC 60917 series — Part 3: Design guide. Evaluation method for thermoelectrical cooling systems (Peltier effect), IDT)

Издание официальное

Стандартинформ

2016

Предисловие

1    ПОДГОТОВЛЕН Обществом с ограниченной ответственностью «Авангард-ТехСт» (ООО «Авангард-ТехСт») на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии указанного в пункте 4 международного документа, который выполнен российской комиссией экспертов МЭК/ТК 48D

2    ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 420 «Базовые несущие конструкции, печатные платы, сборка и монтаж электронных модулей», подкомитетом ПК-1 «Базовые несущие конструкции радиоэлектронных средств (РЭС)»

3    УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 17 июня 2016 г. № 649-ст

4    Настоящий стандарт идентичен международному документу IEC/TS 62610-3:2009 «Механические конструкции для электронного оборудования. Управление температурным режимом шкафов в соответствии с сериями IEC 60297 и IEC 60917. Часть 3. Руководство по проектированию. Метод оценки термоэлектрических систем охлаждения (эффект Пельтье)» [IEC/TS 62610-3:2009 «Mechanical structures for electronic equipment — Thermal management for cabinets in accordance with IEC 60297 and IEC 60917 series — Part 3: Design guide. Evaluation method for thermoelectrical cooling systems (Peltier effect)», IDT],

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2012 (пункт 3.5) и для увязки с наименованиями, принятыми в существующем комплексе национальных стандартов Российской Федерации.

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты Российской Федерации, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

5    ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в ГОСТ Р 1.0-2012 (раздел 8). Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

© Стандартинформ, 2016

Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

ГОСТ Р 56971-2016

6 Интерпретация и оценка данных

Для оценки термоэлектрической системы охла>кдения (Пельтье) необходимы несколько точек измерения при фиксированных условиях эксплуатации.

Ниже перечислены параметры, используемые в измерительной установке, как показано на рисунке 4.

Условия эксплуатации: мощность нагрева (Q_H = U_H ■ /_н); мощность вентилятора (Q_{F h} и Q_F

мощность термоэлектрического охлаждающего устройства Пельтье

(Q_Pe = U_Pe ■ /_Ре);

Г_{а 4} (температура окружающей среды).

Данные измерений:

^ТА, 1’ ^ТА, 2’ ^ТА, 3' ^ТА, 4-

объемы воздушного потока (Ч,> Цз) при определении разности давлений в измерительных соплах. Дополнительные параметры: перепад давления радиатора; температуры на поверхности радиатора.

Дополнительные параметры могут быть использованы для оптимизации работы термоэлектрической системы охлаждения (Пельтье) и при определении всех сопротивлений, указанных на рисунке 2.

Установленный режим регистрируется путем отсутствия изменений температуры в течение определенного времени. ¹

ГОСТ Р 56971-2016

Для достижения оптимальной мощности охлаждения Q_c термоэлектрической системы охлаждения Пельтье определение разницы температур между температурой внутри Г_{А 1} и температурой окружающей среды 7д з важно по двум причинам. Во-первых, эта разница температур влияет на направление потери тепла (положительная, если Г_{А 4} < Г_{А 3}, и, если наоборот, отрицательная), см. формулу 4. Во-вторых, эта разница температур влияет на температуру горячей и холодной сторон самого охлаждающего устройства Пельтье, и этот факт непосредственно зависит от штатного режима функционирования элемента Пельтье согласно рисунку 1.

Зависимость охлаждающей способности температуры окружающей среды Г_{А 3} возникает как результат физических свойств элемента Пельтье по формуле 1.

Расстояние между каждой кривой различных температур окружающей среды Г_{А 3} приблизительно постоянно.

^с°Рр_е=—-•    (14)

Кроме того, рекомендуется определить СОР (коэффициент полезного действия) элемента Пельтье, основанный на оптимальной мощности охлаждения Q_c и электрической мощности, применяемой к элементу Пельтье.

СОР₃=7Г-.    (15)

И, наконец, возможно определить СОР всей термоэлектрической системы охлаждения (Пельтье), основанной на общей примененной мощности. Она включает в себя мощность, применяемую к устройству Пельтье, мощность, применяемую к обоим вентиляторам, и мощность, применяемую к любому другому электрическому прибору в термоэлектрическом охлаждающем устройстве Пельтье.

СОР_общий=^-.    (16)

В качестве попутного замечания, каждый из этих холодильных коэффициентов (СОР) зависит от температур Г_{А 1} и Г_{А 3}.

Суммируя сказанное, для объективного сравнения термоэлектрических систем охлаждения (Пельтье) рекомендуется иметь следующие доступные данные:

-    мощность охлаждения Q_c при Т_{А 1} = Г_{А 3} = 35 °С с тремя соответствующими холодильными коэффициентами (COP_s);

-    мощность охлаждения Q_c при Т_{А 1} = Т_{А 3} = 45 °С с тремя соответствующими холодильными коэффициентами (СОР);

-    ток, который используется в термоэлектрическом охлаждающем устройстве Пельтье;

-    ток, который применяется в вентиляторах;

-    дополнительно полезные параметры воздушного потока и перепад давления.

На рисунке 6 приведен пример детализации термоэлектрического охлаждающего устройства (Пельтье). ²

Рисунок 6 — Пример детализации термоэлектрической системы охлаждения (Пельтье)

Приложение А (справочное)

Предварительный расчет

А.1 Предварительный расчет

Данные, приведенные на рисунке 5, перечислены в таблице А.1.

Таблица А.1 —Данные, используемые при измерении

ТА,3		Qc
60,0	39,4	43,9
60,0	44,1	76,8
60,0	48,7	110,0
60,0	53,6	142,6
50,0	34,0	37,1
50,0	38,7	70,0
50,0	43,4	102,9
50,0	48,2	135,8
40,0	28,5	30,3
40,0	33,3	63,1
40,0	38,0	96,0
40,0	42,7	129,0
30,0	23,1	23,4
30,0	27,8	56,3
30,0	32,5	89,2
30,0	37,3	122,1
20,0	17,6	16,6
20,0	22,3	49,5
20,0	27,1	82,4
20,0	31,8	115,3

Для следующего предварительного расчета будут рассмотрены: точка измерения при температуре окружающей среды Г_{А 3}, равной 50 °С, внутренняя температура Г_А ^ равная 43,4 °С и полученная оптимальная мощность охлаждения Q_c, равная 102,9 Вт.

Предварительные эксперименты определили общий коэффициент теплоотдачи к, равный 1,5 Вт/м² ■ °С при площади поверхности шкафа S, равной 1 м³.

ГОСТ P 56971—2016

Температуры даны ниже:

Т_{А 1} =43,4 °С;

Т_А’₂ =38,1 °С;

Т_А з = 50,0 °С (температура окружающего воздуха);

7д’₄ = 55,9°С.

Исходная тепловая мощность Q_H равна 80 Вт, мощность, приложенная к вентилятору на холодной стороне, Q_{F с} равна 13 Вт, а мощность, подаваемая на горячую сторону, Q_{F н} равна 26 Вт.

Термоэлектрическая система охлаждения (Пельтье) состоит из шести элементов Пельтье, при этом к каждому элементу был приложен ток/_Ре, равный 1,2 А, и напряжение U_Pe, равное 14,8 В. Q_Pe составляет в общем 106,56 Вт.

Воздушные потоки на горячей стороне V_H равны 119 м³/ч и на холодной стороне V_c равны 58 м³/ч.

Потери тепла через стенки шкафа Q_L, Вт, вычисляют по формуле

Ql=*-S(7-a,i-7-_Ai3) = -9,9.

Оптимальную мощность охлаждения Q_c, Вт, вычисляют по формуле

Q_c = Q_H - Q_L + Q_{F c} = 80 - (- 9,8) + 13 = 102,9.

Калориметрический расчет мощности охлаждения проводят по формуле

Qg^al° = К* • р • с_р (Г_А, 1 - Та, ₂) = —1.184 • 1005 (43,4 - 38,1) = 101,6 Вт.

В соответствии с формулой (5) тепло Q_D, Вт, вычисляют по формуле

Q_d = Q_c + Q_e + Q_{Fi h} = 102,9 + 106,57 + 26 = 234,16.

Калориметрический расчет на горячей стороне проводят по формуле

Qd³'⁰ = V_h ■ р • с_р (Г_А, ₄ - 7-д, з) = — 1,184 ■ 1005 (55,9 - 50) = 232,1 Вт.

Проверку результатов проводят следующим образом:

Q„_Qg^al°    102 9-101 6

^{с с} 100% =    ’    ’    100% = 1,26% < 5%;

Q_c    Ю2,9

Qp ~ Qpc° Qp

100% =

234,2-232,1

2342

100% = 1,44% <5%.

Определение коэффициентов производительности производится следующим образом:

СОР элементов Пельтье должен быть извлечен из детализации изготовления элементов Пельтье при заданных рабочих условиях.

СОР_РЕ = ^^сРе из детализации элемента Пельтье.

Qe

СОР термоэлектрической системы охлаждения вычисляют по формуле (12).

Q_c 102,9 Q_e 106,56

0,97.

Общий СОР вычисляют по формуле (13).

СОР,

общий ^-

Qc

102,9

Q_E + Qp q + Qp ^    106,56 + 13 + 26

0,71.

Этот расчет может быть сделан для каждой комбинации температур Т_{А 1} и Г_{А 3} (температура окружающей среды), несмотря на то, что допустима линейная интерполяция между точками измерения.

Данный факт позволяет дать требуемые определения Q_c, СОР_РЕ, COP_s, СОР_общий при температуре 7_Д з = 35 °С и внутренней температуре Г_{А 1} = 35 °С и при температурах Г_{А 3} = 45 °С и Г_{А 1} = 45 °С для термоэлектрических охлаждающих систем (Пельтье) наряду со всеми другими требуемыми характеристиками, такими как ток и напряжение, применяемыми к элементам Пельтье, вентиляторам и скачкам давления.

11

Отсутствие конденсации водяных паров должно быть предусмотрено для всех точек согласно рисунку А.1. Это можно легко показать с помощью h-x-диаграммы Моллье, как изображено на рисунке А.1. Оба впускных клапана в термоэлектрической системе охлаждения имеют температуру 35 °С и относительную влажность 50 %. Холодный поток воздуха охлаждается до 30 °С. Таким образом, относительная влажность поднимается до величины около 65 %. Конденсации не происходит. Горячий поток воздуха нагревается до 44 °С, относительная влажность уменьшается до примерно 35 %. Конденсации снова не происходит.

Влагосодержание, г/кг

Рисунок А 1_h-x — диаграмма Моллье для влажного воздуха

Внутренний поток воздуха охлаждается от температуры Т_А , = 35 °С до T_A_ ₂ = 30 °С, в то время как внешний поток воздуха нагревается от температуры 7д, з ⁼ ^ ^ Д° ^а, 4 ⁼ 43 С. Относительная влажность воздуха составляет 50 % для обоих воздушных потоков.

ГОСТ P 56971—2016

А.2 Примечания

А.2.1 Общие сведения

В соответствии с Киотским протоколом и директивами Европейского парламента и Европейского совета необходимо избегать использования охладителей с высокой вероятностью загрязнения окружающей среды и глобального потепления (фактор ПГП, потенциал глобального потепления). Наиболее перспективные альтернативные варианты для компрессора охлаждения, например R134a, охлаждение компрессора с помощью С0₂, активное охлаждение на основе эффекта Пельтье и абсорбционной охладительной системы. Каждое из этих технических средств имеет свои преимущества и недостатки.

Охлаждение компрессора с помощью С0₂ в текущем состоянии более или менее эффективно, но высокая стоимость установки за счет рабочих давлений до 120 бар делают эту технологию менее интересной. Другой недостаток охлаждающей системы с С0₂ возникает из-за физических свойств данного охладителя и требует дополнительной мощности для охлаждения, чтобы управлять данным процессом. Этот факт в значительной степени уменьшает степень эффективности.

Представляется, что эффект Пельтье перспективен, так как эффект охлаждения в высокой степени зависит от свойств материала. Недавно прошедшие испытания материалы на основе пористых материалов или наноструктур показывают значительное улучшение степени производительности. Кроме того, технологии Пельтье не нуждаются в любого рода охладителях, не имеют движущихся частей, кроме вентиляторов, а общее проектирование блока охлаждения вполне осуществимо.

Техника абсорбции является очень рациональным путем для охлаждения, но она рентабельна в комбинации с регенератором тепла, который делает эту систему охлаждения выполнимой лишь в очень немногих случаях.

А.2.2 Эффект Пельтье

Принципы эффекта Пельтье представлены на рисунке А.2.

Рисунок А.2 — Принципы эффекта Пельтье

Термоэлектрическое охлаждение использует эффект Пельтье, чтобы создать тепловой поток между соединениями двух различных типов материалов. Охладитель Пельтье, нагреватель или термоэлектрический тепловой насос — это полупроводниковый тепловой насос в активном состоянии, который переносит тепло с одной стороны прибора на другую сторону при градиенте температур (от холодного к горячему), потребляя электрическую энергию. Такое устройство также называется элементом Пельтье, диодом Пельтье, тепловым насосом Пельтье, рефрижератором в твердом активном состоянии или термоэлектрическим охладителем (ТЭО). Простое подсоединение его к напряжению постоянного тока приведет к тому, что одна сторона будет охлаждаться, а другая сторона — нагреваться. Эффективность насоса при удалении тепла с холодной стороны полностью зависит от количества поступающего тока и оттого, насколько полно будет отведено тепло с горячей стороны.

В настоящее время наиболее распространенными материалами, используемыми в элементах Пельтье, являются теллурид висмута (Bi₂Te₃) и кремний-германий. Теллурид висмута, полупроводник л-типа, является эффективным ³

термоэлектрическим материалом за счет высокого коэффициента Зеебека а (напряжение на единицу разности температур) — 287 мкВ/°С.

Его термоэлектрическая энергия также сочетается с высокой электропроводностью 1,1 ■ 105 См/м и очень низкой теплопроводностью 1,20 Вт/(м ■ °С), аналогично с обычным стеклом. Для оценки материалов был введен термин «термоэлектрическая эффективность» (см. рисунок А.З), который представляет собой отношение между электропроводностью а и теплопроводностью X.

2

ZT = ———К.    (А.1)

X

Идеальный процесс(Карно)    Реальный    процесс(Карно)

Рисунок А.4 — Влияние термоэлектрической эффективности ZT на коэффициент полезного действия элемента Пельтье

ГОСТ Р 56971-2016

Объединение двух уравнений приводит к следующей формуле:

т2 i	1 + Z7l + T2 Г2
	2 Г-1
Т\ ~Т2

(А.2)

Рисунок А.4 показывает значимость термоэлектрической эффективности (ZT) для элемента Пельтье. Как было упомянуто выше, сегодня исследовательская деятельность направлена на поиск новых материалов для увеличения эффективности.

Эффективная охлаждающая способность элемента Пельтье описана также с помощью следующей формулы, представленной на рисунке А.5:

^RPe ~

АРе • S_Pe ^хРе

(^~4h    Т-₄с),Вт.

Qh ’ ^4н    Qc> ^4с

Рисунок А.5 — Границы разделов термодинамической установки элемента Пельтье

Охлаждающая способность одного элемента Пельтье Q_cPe зависит от различных факторов. Член формулы а - I ■ Т_с — это максимальная охлаждающая способность, основанная на эффекте Пельтье, в то время как а — это коэффициент Зеебека.

1 ?

Член формулы -/■ R_Pe

представляет собой джоулево тепло, член формулы

Аре ' Ар_е *Ре

(^4h    ^~4с)

— ЭТО

теплопроводность между горячей и холодной сторонами через элемент Пельтье.

А.2.3 Термоэлектрические системы охлаждения

Термоэлектрическая система охлаждения переносит тепло Q_c от одного рабочего вещества к другому, при этом данные рабочие вещества могут быть газообразными или жидкими. Для лучшей теплопередачи радиаторы соединены с каждой стороны с элементом Пельтье. Материал, используемый для соединения, называется термоинтерфейсным слоем.

Как показано на рисунке А.6, среда 2 при температуре Г₇ проходит через радиатор термоэлектрической системы охлаждения (Пельтье), который имеет температуру Т₆ и охлаждается с помощью конвекции. Тепло передается через радиатор по закону проводимости приданном градиенте температуры между Т₆ и Т₅. Затем поток тепла проходит через термоинтерфейсный слой за счет явления проводимости. Элемент Пельтье отвечает за основной температурный градиент.

15

На горячей стороне элемента Пельтье поток тепла проходит через термоинтерфейсный слой и радиатор за счет явления проводимости, и в результате тепло отводится рабочим веществом I на горячей стороне путем конвекции (см. рисунок А.6).

Среда 1

Горячая сторона Холодная сторона

Qr.

'1

¹4Н

¹4К

Горячая сторона

О

Холодная сторона

Рисунок А.6 — Тепловое сопротивление термоэлектрической системы охлаждения

Полное тепловое сопротивление, которое уменьшает общий поток тепла, есть сумма каждого сопротивления любого описываемого процесса согласно рисунку А.7.

/?1=Ь-^°С/Вт;

Wd

R=^T3~ ^Т2 °с/Вт;

² Qd О _ ^ТАН~Т₃ о_С/_Вт;

Qd

r =^Ть ^Т4К°с/Вт;

⁵ Qc

«₆=Ы=_С/^Вт;

/?₇ = ^—бое/Бт.

^общее ^^i-

i=1

(А.З)

16

ГОСТ Р 56971-2016

Содержание

1    Область применения..................................................................1

2    Нормативные ссылки..................................................................1

3    Обозначения величин и индексов........................................................1

3.1    Обозначения величин буквами латинского алфавита....................................1

3.2    Обозначения величин буквами греческого алфавита....................................2

3.3    Обозначения индексов.............................................................2

4    Теория термоэлектрических систем охлаждения...........................................2

4.1    Элемент Пельтье.................................................................2

4.2    Термоэлектрические системы охлаждения............................................3

5    Схема измерительной установки........................................................6

6    Интерпретация и оценка данных........................................................7

Приложение А (справочное) Предварительный расчет......................................10

Приложение ДА (справочное) Сведения о соответствии ссылочного международного стандарта

национальному стандарту................................................21

Библиография

Введение

Кроме обычного охлаждения с помощью компрессора существуют и другие варианты охлаждения, например абсорбционное охлаждение, термоэлектрическое охлаждение (Пельтье), магнито-тепловое охлаждение, охлаждение с помощью С0₂ и др.

Для проектирования термоэлектрических систем охлаждения необходимо иметь показатели потерь тепла на рассеяние, зависящие от температур окружающей среды и помещения.

Работа термоэлектрических систем охлаждения — это функция температуры окружающей среды, работы горячей и холодной сторон теплообменника (радиатора), термической нагрузки, конструкции элемента Пельтье и электрических параметров элемента Пельтье.

Следовательно, должен быть разработан оценочный метод. Данное руководство по проектированию позволяет сопоставить разные термоэлектрические системы охлаждения.

IV

ГОСТ Р 56971-2016 IEC/TS 62610-3:2009

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Конструкции несущие базовые радиоэлектронных средств

УПРАВЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫМИ РЕЖИМАМИ ШКАФОВ, СООТВЕТСТВУЮЩИХ СТАНДАРТАМ СЕРИЙ IEC 60297 И IEC 60917

Часть 3

Руководство по проектированию.

Метод оценки термоэлектрических систем охлаждения (эффект Пельтье)

Mechanical structures for electronic equipment.

Thermal management for cabinets in accordance with IEC 60297 and IEC 60917 series. Part3. Design guide. Evaluation method for thermoelectrical cooling systems

(Peltier effect)

Дата введения — 2017—03—01

1    Область применения

Настоящий стандарт устанавливает методику оценки термоэлектрических систем охлаждения (эффект Пельтье). С помощью данного руководства по проектированию возможно рассчитать эффективность термоэлектрической системы охлаждения (эффект Пельтье) и ее охлаждающей способности, зависящей от температуры окружающей среды и температуры помещения. Данное руководство по проектированию может быть также использовано для оценки термоэлектрической системы охлаждения путем определения ее экономичности.

2    Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использована нормативная ссылка на следующий международный стандарт. Для недатированной ссылки применяют только указанное издание ссылочного стандарта.

IEC 62194:2005 Method of evaluating the thermal performance of enclosures (Метод оценки тепловых характеристик корпусов электронной аппаратуры)

3    Обозначения величин и индексов

В настоящем стандарте применены следующие обозначения величин и индексов.

3.1 Обозначения величин буквами латинского алфавита

С_р — теплоемкость, Вт/кг ■ °С;

D — диаметр трубы, м;

/ — ток, А;

к — общий коэффициент теплопередачи, Вт/м² ■ °С;

Издание официальное

п — общее количество элементов Пельтье;

Др — разность давлений, Па;

Q — потоки энергии (термическая, электрическая проводимость), Вт;

Q_c — полезная охлаждающая способность термоэлектрической системы охлаждения (Пельтье), Вт; Q_cPe — охлаждающая способность термоэлектрического охладителя Пельтье в рабочих условиях, Вт;

Q_d — общий поток рассеянного тепла (плотность теплового потока) на горячей стороне, Вт;

Q_H — мощность нагрева внутри шкафа, Вт;

R_Pe — электрическое сопротивление элемента Пельтье, В/А;

/?1 — тепловое сопротивление, °С/Вт;

S — поверхность (площадь контакта), м²;

Т — температура, °С;

V— напряжение, В;

V — объем воздушного потока, м³/с;

ZT — термоэлектрическая эффективность.

3.2    Обозначения величин буквами греческого алфавита

ос— коэффициент Зеебека (коэффициент термоэдс), В/°С; р — плотность, кг/м³;

X— теплопроводность, Вт/м² ■ °С; а — электропроводность, См/м = (А/В); ср — относительная влажность.

3.3    Обозначения индексов

1-7 — точки положения;

А — относящийся к потоку воздуха; а — наружный;

С — эффективная мощность охлаждения; с — холодная сторона;

D — полное рассеянное и отведенное тепло на горячей стороне;

Е — электропитание, применяемое для термоэлектрической системы охлаждения;

F — вентилятор;

Н — нагрев внутри шкафа; h — горячая сторона; i — внутренний, внутри шкафа;

L — потери тепла; m — средний;

Ре — относящийся к элементу Пельтье;

R — обратный;

S — относящийся ко всей термоэлектрической системе охлаждения.

4 Теория термоэлектрических систем охлаждения

4.1 Элемент Пельтье

Эффект Пельтье — это возникновение разности температур при непосредственном протекании электрического тока, а также обратный процесс, который получил название эффекта Зеебека.

Таким образом, термоэлектрическая система охлаждения (эффект Пельтье) передает тепло с одной стороны элемента на другую сторону при градиенте температуры, потребляя электрическую энергию.

Охлаждающую способность термоэлектрического охладителя Пельтье в рабочих условиях вычисляют по формуле

(1)

2

ГОСТ Р 56971-2016

Охлаждающая способность одного элемента Пельтье зависит от разных явлений.

Член формулы

Член формулы а ■ I ■ Т_с обозначает максимальную охлаждающую способность, основанную на эффекте Пельтье, в то время как а представляет собой коэффициент термоэдс (коэффициент Зее-бека).

—г f?_Pe представляет собой джоулево нагревание, член формулы — это теплопроводимость между горячей и холодной стороной посредством

элемента Пельтье.

В соответствии с формулой (1) существует требование, чтобы минимизировать сроки джоулева нагревания и теплопроводности.

ZT =

Для оценки элемента Пельтье термоэлектрическая эффективность ZTбыла вычислена по

(2)

которая представляет собой пропорцию между электропроводностью а и теплопроводностью X при заданной температуре Т.

ZT, таким образом, очень удобная величина для сравнения потенциальной эффективности приборов, использующих различные материалы. Значения ZT = 1 считаются хорошими, а значения, по крайней мере охватывающие диапазоны 1-3, считаются важными для термоэлектрики, чтобы конкурировать по экономичности с механической генерацией и охлаждающей эффективностью.

4.2 Термоэлектрические системы охлаждения

Термоэлектрические системы охлаждения (см. рисунок 1) переносят тепло Qc из одного рабочего вещества в другое, в то время как эти рабочие вещества могут быть либо газообразными, либо жидкими. Для лучшей теплопередачи радиаторы соединены с обеими сторонами элемента Пельтье. Материал между элементом Пельтье и теплоотводом называется термоинтерфейсным слоем.

Горячая сторона    Холодная    сторона

Рисунок 1, лист 1 — Принцип действия термоэлектрической системы охлаждения

3

Рисунок 1, лист 2

Рабочая среда при температуре Т₇ проходит через радиатор термоэлектрической системы охлаждения (Пельтье), которая имеет температуру Т₆, и охлаждается путем конвекции. Тепло передается через радиатор под влиянием теплопроводности при заданном градиенте температуры между Г₆ и Г₅. Затем, в соответствии с процессом теплопроводности, теплопередача осуществляется через термоинтерфейсный слой. Элемент Пельтье отвечает за основной температурный градиент.

С горячей стороны элемента Пельтье тепловой поток проходит через термоинтерфейсный слой и радиатор в соответствии с процессом теплопроводности и, наконец, тепло отводится с помощью рабочей среды на горячей стороне путем конвекции.

Полное тепловое сопротивление, ограничивающее полный тепловой поток, — это сумма каждого из сопротивлений любого из описанных процессов (см. рисунок 2).

Рабочая среда 1

Радиатор

ТИМ

Ре

ТИМ

Радиатор

Рабочая среда 2

Qd

<=■

<=■

<=■

■=>

Qc

^Ti т₂    г₃    г_4Н    т_4К    т₅    г₆    т₇

Горячая сторона    <г^    —i    i Холодная    сторона

Ре — элемент Пельтье;

ТИМ — термоинтерфейсный слой

Рисунок 2 — Тепловые сопротивления

4

ГОСТ Р 56971-2016

Тепловые сопротивления могут быть выражены в виде следующих формул:

*1 =

т₂-т_л

Qb

°С/Вт;

*5 =

^Т5 ~^Т4К Qc

°С/Вт;

R₂ = ^Гз ^т2 О_С/_Вт;    r₆ = Zg. ^Г5 °С/Вт;

Qb    Qc

R₃ = ^Г4Н~^Гз °С/Вт;    R₇    = TlZ⁷^°c/Bt.

Qb    Qc

7

^общее ^—    (3)

i=1

Уменьшение каждого сопротивления необходимо для проектирования экономичной термоэлектрической системы охлаждения.

Как показано на рисунке 1, свободное пространство между двумя радиаторами и элементами Пельтье заполняется изолирующими материалами, чтобы избежать обратного потока тепла Q_R от горячего радиатора к холодному в результате теплопроводности. Для эффективной работы термоэлектрической системы охлаждения данный обратный поток тепла через изоляцию должен быть во что бы то ни стало уменьшен. Следовательно, допускается, что для дальнейших расчетов данный поток тепла Q_r равен нулю.

Рисунок 3 — Границы разделов термодинамической установки термоэлектрической системы охлаждения, присоединенной к закрытому шкафу

5

Q_l через стенки шкафа. Q_Fc является тепловыделением от вентилятора на холодной стороне, и это зависит от коэффициента полезного действия вентилятора и его скорости вращения. Балансы мощностей в соответствии с границей системы II обозначают, что поток тепла Q_D — это сумма Q_c и мощности Q_e, которая применяется в элементе Пельтье, и рассеянное тепло от вентилятора на горячей стороне Q_Fh минус обратный поток тепла Q_R через изоляционный материал.

Формулы мощностей для каждой термодинамической установки в соответствии с рисунком 3 следующие:

1: Qc - Он ~0|_ + ОКс ±(0(4 - о); (4) II: Qq = Qq + + QpP + (Op = 0); (5) HI: Qc = Ц; Р ср (Ta.i-7а,2); (6) IV: Qb = Ц|'Р'ср'(^,4-7а,з); (7) Ql = k s{Tj т -Та m). (8) Поток тепла Qc, который отводится из шкафа, — это тепловая мощность QH минус потери тепла

Далее допускается, что во время охлаждения не происходит конденсации водяного пара. Это подразумевает, что относительная влажность ср, которая зависит от температуры системы и давления системы, должна соответствовать определенным условиям.

Относительная влажность,%, определяется соотношением между парциальным давлением паров воды в смеси Р_н^₀ и давлением насыщенных паров воды при заданной температуре смеси Р*н₂о-

ф = -5г²-¹⁰⁰-    (9)

^н н₂о

Учитывая так называемое перенасыщенное состояние, конденсация водяного пара происходит при ср, равном 100 %. Следовательно, необходимо обеспечить отсутствие конденсации водяных паров во время процесса охлаждения.

5 Схема измерительной установки

Рисунок 4 показывает общее устройство измерительной установки для оценки термоэлектрической системы охлаждения. Она состоит из шкафа, вокруг которого расположена камера искусственного климата, чтобы поддерживать постоянную температуру окружающей среды. В шкафу нагреватель размещается так, чтобы воспроизвести рассеяние тепла в рабочих условиях. Термоэлектрическая система охлаждения (Пельтье) монтируется внутри шкафа. Необходимо предусмотреть, чтобы не было пересечения воздушных потоков.

Входы питания для нагревателя, вентиляторов и элементов Пельтье так же, как температура окружающей среды, должны быть независимо регулируемыми измерениями в фиксированных условиях. Воздушный поток можно легко определить путем использования измерительного сопла определенного диаметра, как показано на рисунке 4. Путем измерения разности давлений скорость воздушного потока W, м/с, может быть вычислена по формуле

W =    (Ю)

где £ * 1 (коэффициент сжатия);

т * 1 (значение сопротивления сопла) для воздуха;

Ар— разность давлений, Па; р — плотность воздуха, кг/м³.

Объем воздушного потока м³/с, заданного диаметра D_pipe трубопровода вычисляют по формуле

1 ?

V = — w-D_pj_pe -7г.

6

1

2

3