Обоснование тепловых режимов компрессионнотермоэлектрического криостата
УДК 621.573
Обоснование тепловых режимов компрессионнотермоэлектрического 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 компрессионнотермоэлектрическим 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 (tкам,, 0С) от холодильной нагрузки (Q0,, 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 A, B, C).
В диапазоне холодильных нагрузок 25…30 Вт может рассматриваться выбор между одно- и двухкаскадными модулями. Точки пересечения характеристик (точки A, B, C) образуют линию, имеющую наклон к оси абсцисс (Q0,, 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 AEZ2415 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.
tкам, оС
Q0, 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.
tкам, оС
Q0,, 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°C), возможно определить наиболее целесообразную
толщину изоляции и объем камеры термостатирования.
tкам, 0С
Vкам, литр Рис. 3. Полезный объем камеры и температура в камере для термостата на основе комбинированной схемы с однокаскадными термобатареями.
tкам, 0С
Vкам, 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 компрессионнотермоэлектрические 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.
Обоснование тепловых режимов компрессионнотермоэлектрического 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 компрессионнотермоэлектрическим 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 (tкам,, 0С) от холодильной нагрузки (Q0,, 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 A, B, C).
В диапазоне холодильных нагрузок 25…30 Вт может рассматриваться выбор между одно- и двухкаскадными модулями. Точки пересечения характеристик (точки A, B, C) образуют линию, имеющую наклон к оси абсцисс (Q0,, 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 AEZ2415 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.
tкам, оС
Q0, 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.
tкам, оС
Q0,, 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°C), возможно определить наиболее целесообразную
толщину изоляции и объем камеры термостатирования.
tкам, 0С
Vкам, литр Рис. 3. Полезный объем камеры и температура в камере для термостата на основе комбинированной схемы с однокаскадными термобатареями.
tкам, 0С
Vкам, 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 компрессионнотермоэлектрические 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.