На правах рукописи

Губа Александр Александрович

термоэлектрическиЕ устройствА для термостатирования с использованием плавящихся веществ

Специальность 05.04.03 -

машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники,
систем кондиционирования и жизнеобеспечения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МахачкалаЦ2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Дагестанский государственный технический университет.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Исмаилов Тагир Абдурашидович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор кафедры холодильных и компрессорных машин и установок ГОУ ВПО Кубанский государственный технологический университет Шаззо Рамазан Измаилович.

Кандидат технических наук, профессор кафедры физики ГОУ ВПО Дагестанский государственный технический университет Исабеков Илахидин Мамалиевич

Ведущая организация - Открытое акционерное общество Научно-исследовательский институт Сапфир

Защита состоится л28 апреля нн 2008 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета К212.052.01 в ГОУ ВПО Дагестанский государственный технический университет по адресу: 367015, Махачкала, пр. И.Шамиля, 70.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Дагестанский государственный технический университет.

Автореферат разослан л___ марта 2008 г.

н

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент Евдулов О.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современные тенденции развития измерительной техники требуют дальнейшего совершенствования методов и средств контроля различных физических величин при проведении экспериментальных исследований, лабораторных испытаниях новых устройств или в области управления технологическими процессами на производстве. Прецизионному контролю подлежат самые различные параметры, но, одной из наиболее часто измеряемых физических величин является температура. Известны различные типы датчиков температуры, из них на практике часто применяются дифференциальные термопары, которые отличаются высокой точностью измерений, широким диапазоном рабочих температур, возможностью длительной эксплуатации с сохранением основных параметров. Применение термопар для проведения исследований с погрешностью измерения температуры до десятых - сотых долей градуса требует использования особого подхода в части термостабилизации опорных спаев при определенном значении температуры. Чаще всего, для этого используют процессы фазового перехода для ряда веществ, характеризуемых стабильной температурой плавления.

Актуальность исследований в данной области обусловлена тем, что, несмотря на широкую потребность в высокоточных, надежных и малогабаритных устройствах термостатирования, большинство из применяемых в настоящее время конструкций имеют существенные недостатки. Основными из них являются невысокая точность термостабилизации, связанная с расположением опорных спаев термопар на различных расстояниях от границы раздела фаз и наличием конвективных потоков в жидкой фазе вещества, высокая материалоёмкость, ограниченное время функционирования устройств термостатирования. Использование систем автоматического регулирования для увеличения времени непрерывного функционирования устройств термостатирования не приносит желаемых результатов, поскольку точность термостабилизации зависит от технико-эксплуатационных характеристик датчика. Применение сложных в конструктивном исполнении устройств термостатирования на основе жидких или газообразных хладагентов приводит к ухудшению массогабаритных характеристик, повышению энергопотребления при незначительном повышении точности.

Проведенные за последние годы теоретические и экспериментальные исследования показали, что для обеспечения высокой точности термостатирования целесообразно размещать и точно фиксировать опорные спаи дифференциальных термопар при помощи специальных конструкций на границе раздела твердой и жидкой фазы вещества, положение которой регулируется с помощью термоэлектрических охлаждающих устройств.

В связи с вышеизложенным, диссертационная работа посвящена разработке термоэлектрических устройств для термостатирования с использованием плавящихся веществ.

Цель работы. Целью является разработка математической модели и создание малогабаритной системы термостатирования опорных спаев дифференциальных термопар на основе термоэлектрических модулей, отличающейся высокой точностью поддержания температуры и низким энергопотреблением.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработка малогабаритного термоэлектрического устройства для термостатирования, использующего эффект неизменности температуры в пограничном слое жидкость - твердая фаза вещества.
2. Разработка математической модели термоэлектрического устройства для термостатирования.
3. Разработка методик проведения испытаний устройств термостатирования опорных спаев дифференциальных термопар.
4. Проведение комплекса экспериментальных исследований с целью проверки адекватности математической модели практике и выдача рекомендаций по применению созданных устройств для термостатирования опорных спаев дифференциальных термопар.
5. Внедрение результатов исследований и разработок на предприятиях промышленности, в научных учреждениях и в учебный процесс.

Методы исследования. В процессе решения поставленных задач использованы принципы системного подхода, теория теплопроводности и конвективного теплообмена, математическая статистика, аналитические и численные методы решения дифференциальных уравнений, методы машинной обработки экспериментальных данных.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель устройства термостатирования для анализа его теплового режима, основанная на решении задачи, связанной с плавлением рабочего вещества, где учтены конвективные потоки в жидкой фазе, а также теплопотери по боковой поверхности устройства.
2. Разработана методика проведения испытаний устройств термостатирования опорных спаев дифференциальных термопар.
3. Создано термоэлектрическое устройство для термостатирования опорных спаев дифференциальных термопар, в котором высокая точность стабилизации температуры достигается за счет непосредственного размещения опорного спая вблизи границы раздела фаз.

Практическая ценность - разработаны конструкции термоэлектрических устройств для термостатирования, создан прибор для термостабилизации опорных спаев дифференциальных термопар, применяемых при проведении прецизионных измерений температуры в различных отраслях науки и техники.

Внедрение результатов. Разработанные в диссертационной работе математическая модель и конструкции устройств использовались при выполнении НИОКР в рамках программы УСТАРТФ Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Основные результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях ОАО НИИ УСапфирФ (г. Махачкала), ОАО НИИ УВолнаФ (г. Дербент), ОАО УЗавод точной механикиФ (г. Каспийск), ООО ФТермолайнФ (г. Махачкала), Институт проблем геотермии ДН - РАН (г. Махачкала), Дагестанский филиал объединенного института высоких температур РАН, а также, в учебный процесс ГОУ ВПО УДагестанский государственный технический университетФ.

Апробация результатов работы. Работа в целом и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на научной секции Х Международной студенческой олимпиады по автоматическому управлению, г. Санкт - Петербург, 2004 г.; Всероссийской научно-технической конференции УБиотехнические медицинские аппараты и системыФ, г. Махачкала, 2003 г.; Всероссийской научно-технической конференции УСовременные информационные технологии в управленииФ, г. Махачкала, 2003 г.; Всероссийской научно-практической конференции УПроблемы качества, безопасности и диагностики в условиях информационного обществаФ, г. Сочи, 2004 г.; Региональной научно-технической конференции УСистемы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплотыФ, г. Махачкала, 2005 г.; Х научной сессии Международной академии информатизации, г. Махачкала, 2005 г.; XXVII итоговой научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ, г. Махачкала, 2006 г., а также, на научно-технических семинарах кафедр УТеоретическая и общая электротехникаФ и УУправление и информатика в технических системахФ ДГТУ с 2003 по 2007 гг.

Разработанные устройства экспонировались на VI Международном инвестиционном форуме УСочи 2007Ф, IV Дагестанской межрегиональной с международным участием выставке УДеловой Дагестан-2007Ф (Золотая медаль за разработку УПрецизионный термоэлектрический нуль-термостатФ). Научно-исследовательский проект УПрецизионный термоэлектрический нуль-термостатФ победил в конкурсе инновационных проектов УСТАРТ 2005Ф Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них, 2 патента РФ на изобретения, 8 статей, получены 4 положительных решения о выдаче патентов РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 175 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 120 страницах машинописного текста. Работа содержит 49 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель работы и сформулированы основные задачи исследования, научные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость результатов.

В первой главе представлен анализ современного состояния приборов, методов и средств поддержания постоянной температуры объектов в различных отраслях народного хозяйства, проведен литературный обзор применения полупроводниковых термоэлектрических преобразователей энергии для термостатирования, выполнен анализ проблем прецизионного термостатирования опорных спаев дифференциальных термопар.

За последние годы данная отрасль претерпела значительные изменения, что обусловлено целым рядом факторов, основными из которых являются развитие методов и средств холодильной техники, появление современных термоэлектрических приборов и устройств, развитие элементной базы электронной техники.

Проанализированы сферы и области применения устройств термостатирования. Отмечено, что одной из актуальных является проблема прецизионного термостатирования опорных спаев дифференциальных термопар, которые отличаются рядом положительных качеств и широко применяются в различных отраслях науки и техники. Однако, проведение исследований, в которых необходимо минимизировать погрешность измерения температуры до десятых - сотых долей градуса, требует использования особых подходов, в том числе, и низкотемпературного термостатирования опорных спаев при определенном значении температуры, чаще всего, при 0С. Среди наиболее распространенных конструкций отмечается сосуд с тающим льдом и его модификации, в который помещают термостатируемый опорный спай дифференциальной термопары, а постоянство температуры обеспечивают за счет плавления рабочего вещества со стабильной температурой плавления.

Несмотря на высокую потребность в высокоточных, надежных и малогабаритных системах термостабилизации опорных спаев дифференциальных термопар, многие из применяемых в настоящее время конструкций имеют существенные недостатки - невысокую точность термостабилизации, ограниченное время непрерывного функционирования, низкие массогабаритные показатели. В этих условиях целесообразной является разработка конструкции устройства для термостатирования, основанного на использовании термоэлектрических батарей (ТЭБ), обладающих высокими массогабаритными показателями, надежностью, экологичностью, возможностью быстрого перехода из режима охлаждения в режим нагрева. На основании проведенного анализа были сформулированы основные цели и задачи работы.

Во второй главе рассматриваются математические модели термоэлектрического устройства для термостатирования, которые приведены с учетом влияния конвективных потоков в жидкой фазе рабочего вещества и рассеяния теплоты с боковой поверхности на процессы теплообмена, протекающие в устройстве. Основными задачами исследований являлись оценка времени полного расплавления рабочего вещества и, соответственно, времени непрерывного функционирования термоэлектрического устройства для термостатирования, а также, отслеживание положения границы раздела фаз во времени.

На рис.1 представлена общая тепловая схема термоэлектрического устройства для термостатирования, где емкость заполнена рабочим веществом, находящимся в состоянии фазового перехода с наличием четкой границы раздела жидкой и твердой фазы. В качестве рабочего могут быть использованы различные вещества, такие как парафин, воск, нафталин, галлий, лед и другие с разной температурой плавления (затвердевания), определяемой в зависимости от требуемой температуры термостатирования. При этом, на нижней поверхности происходит отток теплоты за счет ее сопряжения с холодными спаями ТЭБ. Величина удельного теплового потока на данной поверхности соответствует холодопроизводительности ТЭБ и обозначена qТЭБх. На верхней поверхности имеет место подвод теплоты, величина удельного теплового потока (обозначена qТЭБг) здесь зависит от удельной мощности тепловыделений на горячем спае ТЭБ и рассеяния теплоты с боковой поверхности (удельный тепловой поток qср). Очевидно, что qТЭБх<qТЭБг.