18.Каскадне охолодження.

В термоелементі під дією струму,що проходить через нього, створюється різниця температур між його холодним і гарячим спаями. Очевидно, що температура на холодному спаї буде залежати від температури гарячих спаїв. Понижуючи тим чи іншим способом температуру гарячих спаїв, можна досягнути більш низької температури на холодному спаї. Один з можливих варіантів вирішення цієї задачі – використання багатокаскадних термобатарей.

Розглянемо в якості прикладу принципову будову трьох каскадної батареї. Гарячі спаї верхнього каскаду термоелемента опираються на холодний спай першого каскаду. Між термоелементами прокладають тонкі електроізоляційні прокладки. Кожний термоелемент створює самостійне електричне коло. При такому способі холодний спай нижнього термоелемента знімає тепло з гарячого спаю середнього, а холодний спай середнього термоелемента охолоджує гарячий спай верхнього термоелемента. При цьому холодопродуктивність кожного каскаду повинна бути такою, щоб забезпечувати ефективне відкачування тепла від вище лежачих каскадів. Один з основних параметрів багато каскадного термоелемента – холодильний коефіцієнт – визначається наступним чином. Нехай холодопродуктивність першого каскаду буде , його холодильний коефіцієнт і споживана потужність від джерела - . Для другого каскадау відповідно - , , і і т. д. Тоді споживана першим каскадом потужність буде рівна

, (1.13)

Другий каскад повинен мати холодопродуктивність

, (1.14)

третій каскад –

, (1.15)

і n+1 каскад –

.

Але складається з двох частин – потужності, що споживає вся термобатарея , і її холодопродуктивності :

, (1.16)

де - холодильний коефіцієнт всієї батареї в цілому. Порівняння (1.15) і (1.16) дає нам вираз для холодильного коефіцієнта багатокаскадної термобатареї:

,(1.17) або , (1.18)

Холодильні коефіцієнти наступних каскадів можуть бути різні, так як ефективність термоелемента Z мала, що використання такого термоелемента в реальних умовах не завжди є можливим. Крім того, необхідно мати на увазі, що через температурну залежність Z перепад температур, що створюється окремими каскадами, зменшується із збільшенням кількості каскадів по квадратичному закону.

19.Термоелектричні генератори. Загальна характеристика. Основні параметри.

Термоелектрогенератори за принципом дії є тепловими машинами, у яких робочим тілом є електронний газ напівпровідника, що перетворює теплову енергію в електричну. Як у всякій тепловій машині, ККД термоелектрогенератора в першу чергу залежить від ККД циклу Карно

η = (Тг-Тх)/Тг,

що вказує на те, що конструкція повинна мати мінімальні теплові втрати при передачі тепла до робочого тіла, тобто до напівпровідникового матеріалу, і при відведенні тепла від нього. Основними елементами термоелектрогенераторів є джерело тепла, термоелектрична батарея з комутаційними й ізоляційними шарами, пристрій для відведення тепла (холодильник) і несуча конструкція, що забезпечує необхідну міцність всього пристрою і надійність його роботи. термоелектрогенератори класифікують за джерелами тепла, за призначенням, за робочими температурами, за типом геометрії і конструкції термобатарей. Усі класифікації мають як позитивні, так і негативні сторони, і жодна з них не дає досить чіткого розподілу термоелектрогенераторів за типом, тому що більшість принципів конструювання зберігається в термоелектрогенераторах самих різних потужностей, призначень і конструкцій.

Термоелектричні генератори (ТЕГ) характеризуються рядом специфічних властивостей, а саме:

– відсутністю рухомих частин;

– високою надійністю;

– безшумністю у роботі;

– високою ефективністю, яка практично від потужності пристрою;

– можливістю працювати в широкому інтервалі температур;

– не вимагають постійного обслуговування.

Ці властивості забезпечують ТЕГ можливість конкурувати з іншими системи перетворення енергії. На сучасному рівні розвитку технології виробництва ТЕГ їх використання економічно доцільне на рівні енергоспоживання від 0,01 до 5000 Вт.

Термоелектричні генератори характеризують за наступними основними параметрами:

• коефіцієнтом корисної дії, %;

• вихідною електричною потужністю, P Вт;

• електричною напругою, U;

• електричним струмом при номінальному навантаженні, А;

• ресурсом роботи, год., роки;

• зміною параметрів за певний час, %;

• вагою, кг;

• габаритними розмірами, мм.

20.Визначення холодильного коефіцієнта при максимальній холодопродуктивності, а також максимального холодильного коефіцієнта за допомогою номограмм.

При роботі термоелемента проявляються три ефекти:

1. Ефект Пельтье з відведенням теплоти – Q_П.

2. Ефект Джоуля з виділенням теплоти в усьому об'ємі. Згідно теорії аддитивності теплових явищ, половина теплоти Джоуля поступає до гарячого спаю, а половина - до холодного (без урахування температурної залежності електричних параметрів матеріалу).

3. Теплопровідність – передача теплоти від системи з більш високою температурою до системи з нижчою температурою – Q_{ТЕПЛОПР.}

Поставимо перед даними теплотами відповідні знаки і одночасно запишемо фізичні параметри, що входять в них

де α - термо-ерс матеріалу; Т-температура контакту; I - сила струму; R - електричний опір; Q₀ – повна теплопровідність елементу, K=κs/l

Очевидно, що чим більше різниця температур, тим більше значення має ефект теплопровідності.

Також легко помітити, що при певному значенні струму ефект Джоуля починає переважати над ефектом Пельтье, посколь-ку величина сили струму знаходиться у вираженні в квадраті.

Таким чином, є межа можливостей ефекту охолодження по методу Пельтье. Отже, максимальна різниця температур спостерігатиметься, коли усі ці ефекти компенсуватимуться

Тепер помістимо на холодний спай теплове навантаження. В цьому випадку різниця температур зменшиться, але частина ефекту Пельтье використовуватиметься для охолодження

(5)

де ; Q₀ – холодопродуктивність.

При збільшенні теплового навантаження робоча різниця температур зменшується. Зрештою, при ∆Tроб = 0 маємо О₀ = Qmax З двох наведених вище рівнянь знаходимо

Q₀^max = K∆Tmax

Використавши останній вираз отримуємо холодильний коефіцієнт при максимальній холодопродуктивності

ε=Q_мах/W

21.Рівноважна і нерівноважна кристалізація.

Розглянемо рівноважну кристалізацію сплаву, що складаэться з 50% міді і 50% нікелю і відбувається при такому повільному охолодженні тигля з рідким расплавом, що устигають пройти дифузійні процеси вирывнюванняконцентрації в рідкій і твердій фазах і їх склади залишаються однаковими в усьому об'ємі кожної фази впродовж усього часу кристалізації.

Що відбуваються при рівноважній кристалізації процеси можуть бути проаналізовані на основі диа-граммы стану, приведеною на фіг. 20. У міру охолодження температура розплаву знижується від Т_х до Т₁ без яких-небудь істотних змін в стані рідини. При температурі Т₁ (температурі ликвідуса для цього сплаву) або трохи нижче її в разплаві утворюється перший кристал твердої фази. Тверда фаза, що утворилася, має склад С₁ котрий возначається перетином лінії, що відповідає температурі Т₁ з лінією солідуса; в умовах рівноваги складрідкої і твердої фаз залежить від температури

У разі рівноважної кристалізації подальшого пониження температури не відбувається до тих пір, поки склад рідини не вирівняється по всьому обємі за рахунок дифузії або конвекції. Коли це станеться і уся рідина матиме склад, що відповідає цій температурі, процес кристалізації буде продовжуватися. Тепер склад рідини буде трохи зміщений ліворуч від початкового складу 50% Ni — 50% Сі. Таким чином, у разі рівноваги при температурі Т₂, наприклад, уся рідина, що залишилася, повинна мати склад С₂, а уся тверда фаза, що утворилася, — С₃. При цьому склад твердої фази С₁, що утворилася спочатку, повинен змінитися внаслідок дифузії атомів міді всередину, а атомів нікелю з неї у утворену пізніше тверду фазу. Це вирівнювання концентрації триватиме до тих пір, поки сред-няя концентрація міді в твердій фазі не збільшиться до С₃

У міру протікання процесу кристалізації склад рідкої і твердої фаз змінюється відповідно до їх рівноважних значень при цій температурі. При кристалізації змінюється не лише склад рідкої і твердої фаз, але одночасно кількість твердої фази збільшується, а кількість рідини зменшуєтьс до тих пір, поки при температурі Т₃ остання порція рідини не твердне, утворюючи тверду фазу складу С₀ або 50% Nі — 50% Сu.