Термопара с боковым теплообменом
В большинстве моделей, предназначенных для расчета термопарных элементов предполагается, что боковые поверхности ветвей адиабатически изолированы. В действительности достичь полной адиабатической изоляции боковых поверхностей не представляется возможным. Поэтому отклонение от условий адиабатичности приводит к некоторому ухудшению холодопроиз- водительности и перепадов температур. Однако, в некоторых случаях боковой теплообмен может приводить к улучшению характеристик термопарного термоэлемента. Происходит это в том случае, когда боковой теплообмен ветвей имеет место с объектами (средами), температура которых ниже температуры поверхности ветвей.
Различают два случая такой ситуации.
Случай 1. Схема термоэлемента приведена на рис.3.13. Как видно из рисунка, охлаждающий термоэлемент 1 находится частично своими поверхностями в тепловом контакте с теплоотводящими термопарами 2. Впервые такой тип термоэлемента был предложен Ивановым Г.А. [26]. Точный расчет такого термоэлемента является весьма сложной задачей, которая до настоящего времени точно не решена. Однако, экспериментальные исследования подтверждают возможность получения дополнительного охлаждения при использовании такого типа термоэлемента.
Случай 2. Схема термоэлемента приведена на рис.3.14. Согласно рисунка, боковые поверхности ветвей термопары частично изолированы от окружающей среды. Часть поверхности ветвей с горячей стороны находятся в тепловой контакте с окружающей средой, причем температура этой части поверхности ветви выше температуры окружающей среды.
Для расчета термопары при таких тепловых условиях [45] использовано одномерное приближение, для которого температура в любом сечении ветви принята постоянной, а тепловой поток одномерным, температурные зависимости параметров материала не учитываются.
Температурное поле, в таком приближении, описывается в безразмерном виде дифференциальными уравнениями
Если в полученных выражениях, для термоэлементов с частично изолированной боковой поверхностью, положить d = d1, то они переходят в соответствующие "классические" выражения для полностью адиабатически изолированных термоэлементов.
Анализ полученных соотношений, проведенный в работах [45, 184], показал, что целесообразно изолировать лишь ту часть боковой поверхности термоэлемента, где температура ниже температуры окружающей среды. При этом тепловой поток, притекающий к холодному спаю по ветвям вследствие теплопроводности материала, должен уменьшиться по сравнению с потоком в полностью изолированном термоэлементе, так как часть тепла рассеивается из-за теплообмена на неизолированной боковой поверхности.
Из приведенных выше выражений следует, что максимальный перепад температуры в термоэлементе может быть улучшен [184] ориентировочно на 10%, холодо- производительность на 30 - 40%, холодильный коэффициент до 10%.
Увеличение эффекта влияния бокового теплообмена может быть достигнуто и при использовании ветвей переменного сечения. Схема такого термоэлемента приведена на рис.3.15. Профиль термоэлемента выбирается таким, чтобы обеспечить увеличение бокового теплообмена за счет возрастания поверхности термоэлемента, контактирующей с окружающей средой. Расчеты, подобные приведенным выше, для профилированного термоэлемента выполнены в работе [183]. Результаты таких расчетов также показывают возможность повышения максимального перепада температуры профилированного термоэлемента по сравнению с обычным, у которого боковые поверхности адиабатически изолированы.