Как выбрать необходимый модуль для вашей системы?
Перед тем как приступить к выбору пригодного для Вас модуля необходимо определить требуемое значение величины холодопроизводительности (Qс) при заданной разности температур между охлаждаемым объектом и окружающей средой (DТ). Требуемая холодопроизводительность зависит от многих факторов, в частности от:
-температуры, которую необходимо обеспечить в охлаждаемом рабочем объеме или на поверхности объекта охлаждения;
-величины охлаждаемого рабочего объема;
-температуры окружающей среды;
-толщины и вида используемой изоляции;
-наличия в охлаждаемом объеме активной нагрузки;
В зависимости от особенностей охлаждаемого объекта, температуры охлаждаемого объекта и температуры окружающей среды возможны различные условия функционирования термоэлектрического охлаждающего устройства и соответственно различные требования к значению величины холодопроизводительности. Среди возможных вариантов целесообразно выделить следующие, наиболее типичные:
1. Температура окружающей среды превышает температуру охлаждаемого объекта, а охлаждаемый объект, не выделяет тепло. В этом случае требуемая холодопроизводительность определяется двумя составляющими: холодопроизводительность необходимая для установления требуемой температуры объекта и холодопроизводительность, необходимая для компенсации теплонатекания из окружающей среды через стенки камеры, в которой находится охлаждаемый объект.
2. Температура окружающей среды превышает температуру охлаждаемого объекта, охлаждаемый объект выделяет тепло (активная нагрузка). В этом случае суммарная холодопроизводительность обеспечивает помимо компенсации теплонатекания из окружающей среды удаление генерируемого тепла активной нагрузкой.
В этих случаях следует особо обратить внимание на применяемые теплоизолирующие материалы, выбирать те из них, которые имеют наиболее низкое значение величины теплопроводности, что позволит при проектировании обеспечить минимальные габариты Вашего термоэлектрического охладителя за счет уменьшения толщины теплоизолирующих стенок. Одним из наиболее часто применяемых и рекомендуемых для теплоизоляции материалом, является пенополиуретан, имеющий коэффициент теплопроводности 0.035 Вт/мК.
Теплопроводность других материалов, часто используемые в качестве изоляции:

Материал

Теплопроводность, (Вт/мК)

Пенополиуретан

0.035

Дерево (сосна)

0.11

Резина

0.16

Плексиглас

0.26

Стекло

0.80

В том случае, если температура окружающей среды ниже температуры, которую надо получить на охлаждаемом объекте, то в такой системе необходимо учитывать естественный перенос тепла от охлаждаемого объекта в окружающую среду через стенки изолирующей камеры, что приводит к снижению требуемого значения холодопроизводительности термоэлектрического модуля.
В этом случае материал стенок охлаждаемой камеры должен иметь максимально высокое значение величины теплопроводности. Обычно, в этом случае стенки охлаждаемой камеры следует изготавливать из металла. Значение теплопроводности для часто используемых материалов:

Материал

Теплопроводность, (Вт/ мК)

Медь

386

Алюминий

204

Цинк

112

Чугун

83

Сталь

48

Рассмотрим пример выбора необходимого термоэлектрического модуля охладителя воды емкостью 1,0 литр (размер внутренней камеры 100 мм х 100 мм х 100 мм) до температуры +5°С при температуре окружающей среды +25 °С.
Время охлаждения – один час.
Исходные данные для расчета:
M = 1000 г - масса охлаждаемого объекта;
С = 4180 Дж /кг *К - теплоемкость воды;
r = 1000 кг/м3 - плотность воды;
t = 3600 с - время, необходимое для достижения требуемой разности температур;
Tс= 5 °C ( 278 К ) - заданная температура в камере ;
Та=25 °С ( 298 К ) - температура окружающей среды;
DT = Та - Tс = 20 °С.
Для определенности примем толщину стенок 20 мм, термоизоляционное заполнение полиуретановой пеной (коэффициент теплопроводности – 0.035 Вт / мК), что соответствует площади наружной поверхности охладительной камеры – 0.078 кв.метра.
При проведении расчетов будем использовать следующие обозначения:
Тh - температура горячей стороны модуля ;
Q1 - холодопроизводительность, необходимая для достижения температуры 5 °С;
Q2 - холодопроизводительность, необходимая для компенсации теплонатекания;
Qс - полная холодопроизводительность (Q1 + Q2 );
Q3 – тепловая мощность, выделяемая на горячей пластине модуля;
l - коэффициент теплопроводности теплоизоляции, Вт / мК;
d - толщина теплоизоляции, мм;
Р - мощность, потребляемая модулем, Вт.
Последовательность выбора необходимого модуля состоит из следующих шагов.

ШАГ 1. Определение мощности, необходимой для охлаждения жидкости до требуемой температуры (Q1):

Q1 = M*С*(Тa - Тс ) / t

Подставляя численные данные, имеем: Q1 =1 х 4190 x (25-5) / 3600 =23. 3 Вт.

ШАГ 2. Определение потерь за счет теплонатекания (Q 2):

Площадь внутренней поверхности Sнар =6 х 0. 1 2 = 0. 06 м 2

Площадь наружной поверхности Sвн =6 х 0. 14 2 = 0.118 м 2

Средняя площадь S = (S вн + S нар ) / 2= 0. 089 м 2

Q2 =l *S*(Тa - Тс ) / d

Подставляя численные данные, имеем: Q2 =0.035 x 0.089 x (25-5)/20х10 -3=3.1 Вт.

ШАГ 3. Определение требуемой суммарной холодопроизводительности термоэлектрического модуля (Qc):

Холодопроизводительность термоэлектрического модуля в рабочей точке определяется как:

Qc=Q1 + Q2

Используя расчеты, проведенные ранее на шаге 1 и шаге 2, получим:

Qc » 23.3+3.1 = 26.4 Вт.

Таким образом, в результате шагов 1-3 определено требуемое значение холодопроизводительности Qc для заданной разности температур D Т =20° C.

ШАГ 4. Определение температуры горячей стороны термоэлектрического модуля Тh и разности температур на модуле D Т:

На основе практических рекомендаций температуру горячей стороны термоэлектрического модуля Тh следует взять на 20° C выше температуры окружающей среды (для эффективной работы радиатора).

В этом случае достигается эффективная работа радиатора, близкая к максимальной:

Th=Ta+20=45 0C.

Разность температур между сторонами модуля :

D T=Th-Tc=45–5=40 0C.

ШАГ 5 . Определение максимальной холодопроизводительности Q max, термоэлектрического модуля:

Qmax оценивается по следующей формуле:

Подставляя численные значения, имеем :

Qmax=2.54 х 26.4 = 67 Вт.

Как правило, для большинства практических примений могут быть использованы также термоэлектрические модули, имеющие в итервале [Qmax – 10%; Qmax + 20%].

ШАГ 6. Выбор термоэлектрического модуля:

Используя значения Qmax, полученные на шаге 5, следует обратиться к каталогу термоэлектрических модулей ИПФ КРИОТЕРМ, выбрать термоэлектический модуль с Qmax, максимально близким к значению, рассчитанному на шаге 5.

Анализируя каталог и результаты расчета, выбираем термоэлектрический модуль FROST – 74.

Как правило, для большинства практических примений могут быть использованы также термоэлектрические модули, имеющие Q в интервале [Qmax – 10%; Qmax + 20%]

Модуль

Imax

(А)

Qmax

(Вт)

Umax

(В)

D Tmax

(K)

Размеры (мм)

A

B

H

TB-127-1,4-1,5

6,1

60,0

15,9

70

40,0

40,0

3,9

TB-127-1,4-1,2

7,6

75,0

15,9

70

40,0

40,0

3,6

ТВ-127-1,4-1,15

7,9

76,0

15,7

69

40,0

40,0

3,4

ТВ-127-1,4-1,05

8,6

84,4

15,7

69

40,0

40,0

3,3

ТВ-127-2,0-2,5

7,6

76,0

16,3

72

48,0

48,0

4,9

ТВ-71-2,0-1,5

12,4

68,0

8,9

70

40,0

40,0

4,0

ТВ-32-2,8-1,5

24,4

60,0

4,0

70

40,0

40,0

4,0

ICE – 71

8,0

80,0

16,1

71

40,0

40,0

3,4

HAIL

7,9

76,0

15,7

69

48,0

48,0

3,4

TURBO – 1.3 посл.

3,6

69,0

31,4

69

40,0

40,0

3,6

TURBO – 1,3 пар.

7,2

69,0

15,7

69

40,0

40,0

3,6

ТВ-119-1,4-1,15CH

7,9

72,0

14,7

69

40,0

40,0

7,8

ТВ-125-1,4-1,15CH

7,9

75,0

15,5

69

40,0

40,0

4,7

ШАГ 7. Определение потребляемого тока I, напряжения U и потребляемой электрической мощности:

Определим ток I через модуль FROST-74, необходимый для обеспечения холодопроизводительности Qc=26.4 Вт при температурах горячей стороны Th =318 K и холодной стороны Tс=278 K. Холодопроизводительность модуля зависит от поглощения теплоты за счет эффекта Пельтье, которое прямо пропорционально протекающему току, от выделения теплоты Джоуля (квадратично возрастает при увеличении тока) и от потока теплоты в модуле за счет теплопроводности. Для нахождения требуемого тока необходимо решить следующее квадратичное уравнение:

,

где - безразмерный ток, или ;

;

.

Определив коэффициенты b и c , можно найти требуемый ток как решение квадратного уравнения по известной формуле:

.

Для численного расчета коэффициентов d, b, c необходимо использовать следующие параметры выбранного модуля (FROST-74) :

максимальный ток Imax =6.3 А;

максимальная холодопроизводительность Qmax=65. 0 Вт;

максимальное напряжение Umax=16.7 В;

максимальная разность температур на модуле D Tmax=74 К ;

Продставляя численные значения, имеем:

Коэффициент b= - 2.46

Коэффициент с=1,21

Постоянный ток питания I равен:

Напряжение питания U можно определить по следующей формуле :

.

Потребляемая электрическая мощность P определяется как произведение тока на напряжение питания:

P=U*I

P=10.8 х 4.3=46.4 Вт

Таким образом, определены все электрические параметры: ток I=4 .3 A, напряжение U=10.8 В, потребляемая мощность P=46.4 Вт.

ШАГ 8. Определение теплового сопротивления радиатора на горячей стороне термоэлектрического модуля:

Для отвода тепла, выделяющегося на горячей стороне термоэлектрического модуля необходимо использовать радиатор с определенным тепловым сопротивлением R h. Оно определяется разностью температур между горячей стороной модуля и средой и тепловой мощностью, выделяющейся на горячей стороне:

Rhot=(Th-Ta) / (Qc+P).

Используя численные значения примера, имеем:

Rhot=(45-25) / (26+56) =0.24 К/Вт.

Необходимый радиатор может быть выбран по справочникам или по каталогам фирм – производителей радиаторов.


на главную
Сайт управляется системой uCoz