Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 [24] 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93

Глава II Конструкции основных элементов

термоэлектрических устройств

и установок

§ 7. КОНСТРУКЦИИ ТЕРМОЭЛЕМЕНТОВ И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ БАТАРЕЙ

Собственно термоэлектрическое устройство (термоэлектрогенератор, термоэлектрическое охлаждающее устройство или термоэлектрический тепловой насос) состоит из трех основных групп элементов:

- конструкций и систем, обеспечивающих подвод теплоты к термоэлектрическим батареям;

- термоэлектрических батарей;

- конструкций и систем, обеспечивающи-х отвод теплоты от термоэлектрических батарей.

Указанные элементы термоэлектрических устройств связаны друг с другом настолько тесно, что конструктивная разработка последних невозможна без учета взаимного влияния всех элементов друг на друга.

Однако еще более сложными, являются вопросы, связанные с разработкой и созданием термоэлектрического преобразователя в целом. В этом случае в тесной взаимосвязи находятся не только основные элементы термоэлектрического устройства, но и такие, как источник и приемник энергии.

Термоэлектрические установки состоят из следующих основных элементов:

- источник тепловой энергии (в случае термоэлектрических охлаждающих устройств и термоэлектрических тепловых насосов - источник электроэнергии);

- конструкции и системы, обеспечивающие подвод теплоты к термоэлектрическим батареям;

- термоэлектрические батареи;

- конструкции и системы, обеспечивающие отвод теплоты от термоэлектрических батарей;

- приемник электроэнергии - электродвигатель или электрическая аппаратура (отсутствует в случае термоэлектрических охлаждающих устройств и термоэлектрических тепловых насосов).

Так же как элементы термоэлектрического устройства, основные элементы термоэлектрических установок связаны настолько тесно, что требуют комплексной разработки.и конструирования.



Только при этом условии возможно получение оптимальных характеристик, что особенно важно, если речь идет об установках, предназначенных для работы в судовых условиях.

Ниже рассматриваются особенности основных элементов термоэлектрических устройств и установок в соответствии с их конструктивными признаками и целевым назначением.

Рис.

28. Конструктивная термоэлемента.

схема

ОДНОКАСКАДНЫЕ ТЕРМОЭЛЕМЕНТЫ

Принципиально термоэлементы для термоэлектрогенераторов, термоэлектрических охлаждающих устройств и тепловых насосов имеют идентичные конструктивные особенности. Это позволяет классифицировать их по конструктивному оформлению, а не по признаку принадлежности к тому или другому типу термоэлектрического устройства.

Основой термоэлектрической батареи являются единичные термоэлементы, соединенные последовательно или параллельно. Термоэлементы, как известно, состоят из двух ветвей, выполненных из дырочного и электронного полупроводниковых материалов, соединенных токоведущими коммутационными пластинами. Таким образом, обязательными элементами конструкции единичного термоэлемента являются:

- ветвь р-типа;

- ветвь /г-типа;

- коммутационная пластина по стороне горячего спая;

- коммутационная пластина по стороне холодного спая (рис. 28).

В конструктивном отношении различают термоэлементы плоского, кольцевого и секторного типов. Термоэлементы плоского типа Б настоящее время наиболее распространены, а технология их изготовления наиболее освоена. Однако подобное конструктивное оформление термоэлементов и составленных из них термобатарей приводит к необходимости создания плоских теплоотво-доБ и теплоподБодоБ. Такая конструкция при больших давлениях греющей и охлаждающей сред обусловливает увеличение толщины прочно-плотных стенок, отделяющих термобатареи от указанных сред. При прочих равных условиях подобное утолщение приводит к уменьшению полезного перепада температур на термоэлементах и существенно влияет на габариты и вес устройств.

Сечение ветвей плоских термоэлементов может иметь прямоугольную (квадратную) (рис. 29, а) или круглую (рис. 29, б)

/ - ветвь р-типа; г~вствь п-типа; 3 - «горячая» коммутационная пластина; 4-«холодная» Коммутационная пластина





Рис. 29. Конструктивные схемы термоэлементов с квадратньтм (а) и с круглым (б) сечением ветвей

форму в зависимости от технологических требований, а также установленных габаритов и веса. Оптимальными с точки зрения наиболее рационального использования поверхности теплообмена являются сечения ветвей термоэлемента в форме шестигранника, однако технологически изготовление этих термоэлементов более сложно.

При разработке и изготовлении термоэлементов вообще и плоских, в частности, особого внимания требуют вопросы коммутации и уменьшения возникающих термических напряжений до значений, ограниченных прочностью используемых материалов в условиях длительной эксплуатации и периодических термоциклов.

Удовлетворение этим требованиям - задача весьма трудная, поскольку термоэлемент представляет собой сочетание элементов, выполненных из разных материалов, жестко соединенных друг с другом. Необходимо также учитывать, что коммутационные материалы, как правило, должны обладать хорошей тепло- и электропроводностью, а следовательно, большим коэффициентом линейного расширения. Эти свойства еще более усугубляют вопрос о компенсации температурных расширений по стороне горячих спаев.

В настоящее время применяются различные конструктивные решения, позволяющие уменьшить термические напряжения

в термоэлементах до безопасных пределов. При небольших перепадах температур AT (термоэлектрические охлаждающие устройства и тепловые насосы) для этой цели иногда оказывается достаточным использование холодных коммутационных пластин, имеющих меньшие линейные размеры, чем горячие пластины (рис. 30). Однако такая конструкция термоэлемента, хотя и позволяет уменьшить термические напряжения, приводит к очень нерациональному использованию поверхности теплообмена. Возможным, но далеко не оптимальным решением может быть использование компенсационных элементов на горячих коммутационных пластинах (рис. 31, 32).

Наиболее целесообразным с конструктивной точки зрения и позволяющим уменьшить термические напряжения в термоэлементе следует считать использование демпфирующих прослоек

Рис. 30. Конструктивная схема термоэлемента с коммутационными пластинами различной длины



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 [24] 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93



0.0013