КОНТАКТНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В ТЕПЛОКОНТАКТНЫХ

УДК 537.311
КОНТАКТНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В ТЕПЛОКОНТАКТНЫХ ПЕРЕХОДАХ
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ БАТАРЕЙ
В.М. Попов, А.П. Новиков, П.А. Черноухов
Исследуется формирование термосопротивления в зоне перехода между электроизоляционной прослойкой и
коммутационной пластиной в термоэлектрических батареях. Показана возможность прогнозирования и снижения величины термосопротивления в зоне перехода, приводящего к повышению выходной мощности термоэлектрогенераторов
Ключевые слова: термоэлектрическая батарея, контактное термосопротивление, электроизоляционная прослойка, наполнитель, концентрация наполнителя
Научно-технический прогресс на сегодняшний день определяется поисками новых источников
электрической энергии. Особенно перспективными
представляются термоэлектрические методы преобразования тепловой энергии в электрическую [1],
осуществляемые в термоэлектрогенераторах. В
настоящее время изготовлены и находятся в эксплуатации термоэлектрогенераторы различного
назначения мощностью от нескольких ватт до нескольких десятков киловатт .
Рис. 1. Схема плоской термоэлектрической
батареи: 1 - термоэлемент n - типа; 2 - термоэлемент p - типа; 3 - межэлементная изоляция; 4 коммутационная пластина; 5 - горячий теплопровод; 6 - холодный теплопровод; 7 - электроизоляционный теплоконтактный переход
На рис. 1 представлена схема батареи термоэлектрогенератора. В состав батареи входит набор
полупроводниковых термостолбиков, изготовленных из термоэлектрического материала, один из
которых p -, а другой n - проводимости. Термостолбики электрически с помощью коммутационных элементов соединены последовательно. К
коммутационным элементам присоединяется полезная нагрузка N.
Если к горячему спаю подвести тепловой поток мощности Qг при температуре Tг , а от холодного спая отвести тепловой поток Qx при темпераПопов Виктор Михайлович – ВГЛТА, д-р техн. наук,
профессор, e-mail: etgvglta@mail.ru
Новиков Алексей Петрович – ВГЛТА, канд. техн. наук,
доцент, e-mail: etgvglta@mail.ru
Черноухов Петр Александрович – ВГЛТА, студент,
e-mail: etgvglta@mail.ru
туре Tx , то под действием возникшего температурного перепада DT = Tг - Tx на спаях термоэлемента
согласно закону Зеебека возникает термо-э.д.с,
описываемая как
E = (a p + a n ) × DT ,
(1)
где a p ,a n - соответственно коэффициенты термоэ.д.с. термостолбиков p- и n- типов.
В тоже время для получения температурного
перепада DT на спаях термоэлектробатареи необходимо подвести и отвести тепло с помощью теплопроводов, которые находятся в контакте с поверхностью коммутационных пластин через электроизоляционную прослойку.
К особенностям этой электроизоляционной
прослойки относится то, что через нее проходит
основной тепловой поток, который обуславливает
выходную мощность термоэлектрогенератора.
Общее термосопротивление, создаваемое
электроизоляционной прослойкой складывается из
теплового сопротивления самого материала прослойки, а также теплового сопротивления в зоне
контакта с коммутационной пластиной, т.е.
Rиз =
d из
+ Rк
lиз
(2)
Здесь Rк - контактное термосопротивление
между электроизоляционной прослойкой и коммутационной пластиной; d из - средняя толщина электроизоляционной прослойки; lиз - коэффициент
теплопроводности материала прослойки.
Опытами установлено, что тепловое сопротивление теплоизоляционной прослойки Rиз составляет 15 … 20% от общего термосопротивления
термоэлектрогенератора. Поэтому даже незначительное снижение Rиз приводит к заметному повышению электрической мощности термоэлектрогенератора.
Надежность работы современных термоэлектрогенераторов и их выходная мощность в значительной степени зависят от теплопроводности и
диэлектрических свойств материала прокладок
теплоконтактного перехода между горячими и холодными теплопроводами и коммутационной пластиной. Для прокладок, таким образом, требуется
материал с хорошей теплопроводностью и надежными электроизоляционными характеристиками.
В современных термоэлектрогенераторах
применяются различные материалы для электроизоляционного теплоконтактного перехода. Для
этих целей используются слюдопласт, стеклоткань,
пропитанная лаком, материал СТАМ с герметиком,
органосиликатные покрытия из окиси магния, а
также различные полимеры. Наиболее перспективными считаются такие электроизоляционные прокладки, которые имеют минимальное тепловое сопротивление и максимальное электрическое сопротивление, а также высокую механическую прочность и эластичность.
Проведенные поисковые исследования с различными полимерами с введенными в них дисперсными наполнителями позволили остановиться
на композиции из теплостойкого клея ВС-10Т и
порошка окиси цинка.
Как показали ранее проведенные исследования [3], наполнение полимерной матрицы полимеров даже металлическими порошками незначительно повышает теплопроводность конечного продукта. Более эффективным представляется метод, основанный на формировании в массиве прослойки
цепочечных структур из частиц наполнителя под
воздействием постоянного электрического поля [4].
Для проведения операции по обработке клеевой композиции из резольного олигомера, составляющего основу клея ВС-10Т, и порошка окиси
цинка применялась высоковольтная установка,
принципиальная схема которой приведена на рис.2.
1
2
3
V
7
8
ских дисков диаметром 30 мм. Конструкция рабочей ячейки предусматривает возможность регулировать расстояние между электродами и таким образом изменять напряженность поля. Для создания
необходимого теплового режима отверждения прокладок используется специальное нагревательное
устройство с источником питания и измерительным
прибором, сигнал на который поступает от хромель-копелевой термопары, расположенной на поверхности кюветы.
Разовую обработку образцов электрическим
полем заданной напряженности проводили в течение 20 мин. В области рабочей ячейки поддерживалась температура порядка 40˚С.
Полученные образцы выпрессовывались из кюветы и затем доотверждались в термошкафу при той
же температуре в 40˚С в течение 6 … 8 часов. Изготовленные таким образом образцы затем подвергались
плавному охлаждению, после чего исследовались на
теплопроводность [5].
Коэффициент теплопроводности λ электрообработанной прокладки определялся на установке,
функционирующей на основании метода двух температурно-временных интервалов [6] в режиме нестационарного температурного поля.
Результаты проведенных исследований представлены на графике рис. 3 в виде зависимости
l = f ( E) .
6
4
5
G
Рис. 2. Принципиальная схема высоковольтной установки для обработки образцов: 1 - высоковольтный выпрямитель; 2 - выключатель; 3 - рабочая ячейка с образцом; 4 - вольтметр; 5 - гальванометр; 6 - магазин сопротивлений; 7 - батарея конденсаторов; 8 - разрядник
В состав установки входят высоковольтный
выпрямитель, батарея конденсаторов и магазин
сопротивлений, которые позволяют получаемый от
электросети ток в 220 В преобразовать в рабочей
ячейке до напряженности Е=2000 В/см. Рабочая
ячейка, в которую устанавливалась фторопластовая
кювета с обрабатываемой композицией, имитирующей прокладку диаметром 30 мм и толщиной 2
мм, выполнена в виде двух параллельно расположенных в горизонтальном положении металличе-
Рис. 3. Зависимость коэффициента теплопроводности полимерных прокладок от напряженности
электрического поля при различной концентрации
порошка окиси цинка: 1 – 10 % по массе; 2 – 20 %;
3 – 40%
Кроме зависимости теплопроводности прокладок от напряженности электрического поля исследовалось так же влияние концентрации порошка
окиси цинка. Как видно из расположения кривых,
коэффициент теплопроводности прокладок растет с
увеличением напряженности электрического поля.
При этом такая зависимость сохраняется с повышением концентрации наполнителя. В свою очередь повышение концентрации наполнителя увеличивает абсолютное значение коэффициента теплопроводности.
Если принять во внимание, что необработанные в электрическом поле прокладки с порошком
окиси цинка в количестве 40 % по массе имеют
теплопроводность порядка 0,6 Вт/м∙К, то очевиден
эффект заметного повышения коэффициента теплопроводности до 1,4 Вт/м∙К обработанных про-
кладок при сохранении надежных диэлектрических
характеристик.
Об эффективности снижения термосопротивления электроизоляционных теплоконтактных переходов с прокладками, изготовленными согласно
предлагаемой технологии, можно судить по величине полного термосопротивления между поверхностями теплопроводов и поверхностями коммутационных пластин.
Для решения данной задачи проведены экспериментальные исследования термосопротивления
сборки электроизоляционной пластины и контактного перехода. Для этих целей использовалась
установка по исследованиям процесса контактного
теплообмена [7, 8].
Учитывая, что для рассматриваемых контактных пар характерны плоскошероховатые поверхности, испытывающие малые нагрузки ( P < 3 МПа),
для определения термосопротивления фактического контакта используем с учетом рекомендаций [9]
зависимость:
Rм =
p × a j микр
×
,
h3
2l м
(3)
где a – радиус микроконтакта, принимаемой
равным 30 мкм [10]; l м – приведенный коэффициент теплопроводности материалов контактной пары
[7].
Входящий в (3) коэффициент стягивания теплового потока к площадкам микроконтактов можно выразить через относительную площадь фактического
контакта в виде [9]
j
1
3
= 1 - 1,75h 3 2 + 0,7h 3 2
(4)
Для нахождения h 3 наиболее корректным
представляется использовать аналитическое выражение, полученное автором [11] для механического
контакта плоскошероховатых поверхностей
w
ö
æ wu w
÷
ça
×b
u ×r × p ÷
(5)
h3 =ç
h макс × K × B
÷÷
çç
ø
è
Здесь w – коэффициент, зависящий от харак-
Рис. 4.
Зависимость термосопротивления
электрообработанной прокладки и контактных переходов от давления
Полученные при исследовании значения контактного термосопротивления для сборки из электрообработанной прокладки и контактных переходов в зависимости от давления представлены на
рис. 4. Поверхности контакта образцов, имитирующих тепломеры, изготовленные из латуни, обрабатывались шлифованием до Rz » 1,8...2,1 мкм .
Давление на прослойку доводилось до
P = 0,5 МПа . Температура в зоне контакта поддерживалась в пределах 70˚С. Как видно из рис. 4,
термосопротивление с повышением удельного давления
снижается
с
при
1,8 × 10-4 м 2 × К / Вт
-4 2
P = 0,05 МПа до 1, 25 × 10 м × К / Вт при P = 0,5 МПа .
Из сравнения полученных данных с данными
авторов работы [9] можно видеть, что предлагаемая
технология изготовления электроизоляционных
прокладок имеет явные преимущества, поскольку
термосопротивление в этом случае значительно
ниже, чем для прокладок из стеклослюдонита. Таким образом, предлагаемая технология снижения
термосопротивлений в термоэлектрогенераторах
позволит повысить их выходную мощность.
При проектировании термоэлектрических батарей по предлагаемой технологии требуется информация о формировании контактного термосопротивления Rк между электроизоляционной прослойкой и коммутационной пластиной, входящем в
уравнение (2). Определение Rк требует наличия
экспериментальной установки и проведения специальных исследований. Более предпочтительным
представляется расчетный метод.
микр
тера деформации неровностей контактирующих
поверхностей; B – коэффициент, характеризующий свойства материалов контактной пары; K –
коэффициент, зависящий от u и w ; r – приведенный
радиус
вершин
микронеровностей;
(
r = r поп × r прод
)12
(индексы «поп» и «прод» соответствуют радиусам в поперечном и продольном
направлениях); a – коэффициент отношения площадей при сближении. Значения коэффициентов
w , B , a и K затабулированы по данным [11].
Параметры b и u следует находить путем обработки опорных поверхностей по поперечным и
продольным профилограммам, снятым с поверхностей контактной пары [11].
Литература
1. Лидоренко Н.С. Новые способы получения электрической энергии // Электричество. 1973.- №1.- С. 1-5.
2. Охотин А.С. Термоэлектрические генераторы /
А.С. Охотин, А.А. Ефремов, В.С. Охотин. М.: Атомиздат,
1971.- 288 с.
3 Айбиндер С.В. Влияние наполнителей на теплофизические, механические и антифрикционные свойства
полимеров // С.Б. Айбиндер, Н.Г. Андреева // Изв. АН
Лат. ССР. Сер. физ. и техн. наук. 1983.- № 5.- С. 3-18.
4. Гиндин Л.Г. Структурообразование в суспензиях под
влиянием электрического поля / Л.Г. Гиндин, И.Н. Путилова
// Тр. 3 Всес. конф. по колл. химии. 1956.- С. 182-196.
5. Теплообмен через тонкослойные прослойки в
зоне контакта металлических поверхностей / В.М. Попов,
О.Л. Ерин, А.П. Новиков, И.Ю. Кондратенко // Вестник
Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 6. С. 37–39.
6. Волькенштейн В.С. Скоростной метод определения теплофизических характеристик материалов. Л.:
Энергия, 1971.- 145 с.
7. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных
и неразъемных соединений. М.: Энергия, 1971.- 216 с.
8. Попов В.М. Контактный теплообмен в измерительной
технике / В.М. Попов, О.Л. Ерин // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 2. С.
45–47.
9. Шлыков Ю.П. Контактное термическое сопротивление / Ю.П. Шлыков, Е.А. Ганин, С.Н. Царевский.
М.: Энергия, 1977.- 328 с.
10. Хольм Р. Электрические контакты. М.: Изд-во
иностр. лит., 1961. – 464 с.
11. Демкин Н.Б. Фактическая площадь касания
твердых поверхностей. М.: Изд-во АН СССР, 1962. – 111 с.
Воронежская государственная лесотехническая академия
CONTACT HEAT EXCHANGE IN HEAT-CONTACT PASSAGES OF THERMOELECTRIC
PILES
V.M. Popov, A.P. Novikov, P.A. Chernoukhov
We study the formation of the thermal resistance in the transition zone between the electrical insulation interlayer and
the switching plate in thermoelectric batteries. The possibility of predicting and reducing the amount of thermal resistance in
the transition zone, leading to an increase in the power output of thermoelectric generators is shown
Key words: thermoelectric battery, contact thermal resistance, insulating interlayer, filler, filler concentration