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

при конструировании термоэлектрогенераторов, тепловые потоки в которых достигают значительных величин, что, как известно, при больших термических сопротивлениях в местах теплового сопряжения может вызвать резкое уменьшение температурного перепада на термоэлементах (рис. 53, 54). Таким образом, недооценка важности метода сопряжения может привести к весьма значительному уменьшению эффективности термоэлектрических устройств. Однако этим не исчерпываются трудности, связанные с разработкой теплового сопряжения термоэлектрических батарей с поверхностями теплообмена. С одной стороны, это объясняется



Рис. 53. Диаграмма перепада температур на термоэлементе с контактным термическим сопротивлением

Рис. 54. Диаграмма перепада температур на термоэлементе без контактного термического сопротивления

тем, что тепловое сопряжение должно обеспечивать минимальное изменение температуры от сред к спаям (или наоборот), с другой - создавать надежную электрическую изоляцию термобатарей от конструкционных элементов. Эти требования значительно усложняют конструкцию теплового сопряжения и существенно затрудняют выбор материалов, так как для уменьшения термического сопротивления теплового сопряжения необходимо использовать материалы с высокими значениями коэффициента теплопроводности. Однако высокая теплопроводность в абсолютном большинстве случаев связана с высокой электропроводностью. Поэтому возникает необходимость в поиске таких решений, которые бы учитывали и конструктивные, и технологические, и эксплуатационные требования.

Применяемые в настоящее время методы тепловых сопряжений можно разделить на две основные группы - непрерывные и контактные (рис. 55). 96




Характерная особенность конструкции контактных тепловых сопряжений заключается в наличии теплового контакта между коммутационными пластинами и конструкционными элементами через твердые электроизоляционные прослойки.

Такого рода тепловые сопряжения отличаются относительной простотой конструкции и достаточной надежностью в эксплуатации, однако приводят к значительному уменьшению полезного перепада температур. Процесс переноса тепла в этих сопряжениях осуществляется посредством контактного теплообмена между разнородными материалами.

Ввиду важности указанных вопросов для термоэлектрических устройств рассмотрим некоторые физические явления, имеющие место при контактном теплообмене [41 ].

Известно, что контактный теплообмен между твердыми телами носит дискретный характер, так как соприкосновение поверхностей контактирующих тел вследствие шероховатости, неравномерности термических деформаций и усилия прижима осуществляется не во всех точках. Из-за этого между контактирующими поверхностями образуются полости, заполненные газом или другой средой, имеющие меньшую теплопроводность, чем металлы.

Рассмотрим упрощенные представления об особенностях контактного теплообмена между двумя металлическими телами. Выделим в контактирующих телах контактную полосу Ь, ширина которой равна шагу выступов шероховатости (рис. 56).

Количество тепла, протекающего через сечения Xi и х, можно определить по формулам

Рис. 55. Конструктивная схема непрерывного теплового сопряжения термоэлементов с оксидированной алюминиевой плитой.

/-термоэлементы; 2-слой оксидированного алюминия; 3 - алюминиевая плита

Q2 - ~KFx2 -J

где Xi, - коэффициенты теплопроводности контактирующих металлических тел, вт/м-град; площади сечений в зоне контакта, см; температура в зрне контакта, °К; линейный размер, см.

" хъ Fx2

7 Ю. г. Манасян. 2005.



Поскольку Qi = Qa. то приняв = = const, получим

х=Хг

(58)

Отсюда следует, что градиент температур вдоль оси х по пути теплового потока постепенно увеличивается, достигает максимального значения и затем вновь уменьшается. Температуры контактирующих тел в точке k одинаковы.

При отсутствии выступов шероховатости распределение температур в контактирующих телах соответствует прямым линиям АС и BD, причем в плоскости контакта наблюдается скачок АГ, величина которого зависит от контактного термического сопротивления.

Вышеизложенное наглядно иллюстрирует характер контактного теплообмена и влияние термического сопротивления на процесс теплообмена между контактирующими телами.

Полученные выводы могут быть дополнены некоторыми количественными оценками. Если обозначить максимальный зазор между впадинами шероховатости через


Рис. 56. Диаграмма распределения температур в контактирующих металлических телах 1, 2

Приняв /,пах = 0,03 ММ и I.

/тах> то средний зазор между впадинами шероховатости, которым обычно оперируют при расчетах,

= 0,015 мм, = 2,3-10-5 вт/м

и Явозд = 3,18-10* вт/м-град, получим следующее значение термического сопротивления:

е = 0,196-10-3 вт1м-град.

Такая величина контактного термического сопротивления приведет к возникновению на тепловом сопряжении температурного перепада в 220 град, в то время как падение температуры в металле толщиной 0,03 мм при тех же условиях составило бы лишь сотые доли градуса.

Полученные данные приводятся без учета увеличения площади контактных пятен вследствие их взаимного прижатия.



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



0.0012