автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Моделирование и исследование теплофизических параметров материалов и структур на основе теллурида висмута и разработка термоэлектрических насосов для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии

На правах рукописи

МИРОНОВ РОСТИСЛАВ ЕВГЕНЬЕВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ И СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ТЕЛЛУРИДА ВИСМУТА И РАЗРАБОТКА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАСОСОВ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Москва 2013

005541972

005541972

Работа выполнена на кафедре «Материалы функциональной электроники» в федеральном государственном автономном образовательном учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор МИЭТ Штерн Юрий Исаакович

- доктор технических наук, член-корр. РАЕН, профессор ОАО "Гиредмет"

Освенский Владимир Борисович

- кандидат технических наук, профессор МИЭТ Ларионов Николай Михайлович

Ведущая организация:

Федеральное космическое агентство. Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н.А. Пилюгина» (ФГУП «НПЦАП»)

Защита диссертации состоится «26» декабря 2013 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д.212.134.03 в Национальном исследовательском университете "МИЭТ" по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ

Автореферат разослан «» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета: доктор физико-математических наук, профессор

Яковлев В.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Поддержание комфортных температурных условий в зданиях требует затрат огромного количества энергии. Для этого, по данным Международного Энергетического Агентства, используется до половины всего мирового производства энергии. Перспективный способ решения этой проблемы - использование альтернативных возобновляемых источников тепловой энергии. Среди различных видов таких источников необходимо выделить низкопотенциальную тепловую энергию (НТЭ), которая может эффективно использоваться для отопления и кондиционирования помещений, а так же обеспечения потребностей в горячем водоснабжении. Для использования НТЭ применяют тепловой насос (ТН) - устройство, которое преобразовывает НТЭ и передает её конечному потребителю.

Естественными возобновляемыми источниками НТЭ являются земля и грунтовые воды (геотермальная энергия), воздух, открытые водоемы и т.д. Грунт в качестве источника НТЭ является наиболее распространенным в настоящее время, так как 46 % солнечной энергии усваивается землей. Поэтому грунтовые тепловые насосы (ГТН) являются самыми востребованными ТН, которые принято различать по типу используемого внешнего теплообменного контура, с вертикальным или горизонтальным контуром. В настоящей работе рассматриваются горизонтальные тепловые контуры, так как они менее изучены, к тому же, вертикальные контуры требуют значительных затрат при монтаже и для обеспечения циркуляции теплоносителя.

Необходимо отметить, что замена традиционных систем кондиционирования и отопления на ТН позволит существенно снизить потребление электрической энергии. Снижение потребления энергии от 30 до 70% в режиме отопления, и от 20 до 50% в режиме кондиционирования.

В настоящее время в мире установлено около 1 млн. ТН. Последние 10 лет в 30 ведущих странах наблюдается ежегодный 10% рост рынка ТН. В скандинавских странах в 2011г доля тепла, полученного от ТН, составила более 45% от общего. Российский рынок ТН обладает огромным потенциалом. В настоящее время утверждена (распоряжением правительства РФ от 13 ноября 2009 г № 1715-р) Энергетическая стратегия России на период до 2030 г, предусматривающая масштабное внедрение систем отопления, использующих ТН. Таким образом, исследования в данном направлении являются весьма актуальными.

Самый распространенный тип ТН, это парокомпрессионные ТН, однако они имеют ряд технических недостатков по сравнению с термоэлектрическими. Меньший ресурс работы, более сложная схема преобразования энергии и переключения режимов обогрев - кондиционирование, повышенные требования к внешнему контуру и, наконец, использование теплоносителей, вызывающих разрушение озонового слоя.

В связи с этим, в данной диссертационной работе предложено новое конструкционно-технологическое решение ТН, работающего на эффекте Пельтье. Изучение публикаций в ведущих научных журналах показало, что в настоящее время нет данных о проведении, как в России, так и за рубежом, исследований систем отопления на основе термоэлектрических тепловых насосов (ТТН). Целесообразность создания ГШ можно обосновать несколькими причинами. Термоэлектрические устройства (ТЭУ) обладают рядом достоинств по сравнению с другими системами регулирования температуры: высокой надежностью, отсутствием движущихся частей, практически неограниченным ресурсом работы, небольшими габаритами и весом, малой инерционностью, бесшумностью, независимостью от ориентации в пространстве, возможностью плавного и точного регулирования температуры. При использовании ТТН возможно оперативно переходить от режима отопления к режиму кондиционирования, изменяя полярность питания ТЭУ, причем делать это в автоматическом режиме по заданной программе. Кроме того, высокая экологичность несомненно, увеличивают конкурентоспособность ТТН по сравнению с другими типами ТН.

Отметим основные проблемы создания ТТН. Работа ТЭУ осуществляется в условиях многократного термоциклирования в широком диапазоне температур (150 - 450 К) при наличии больших температурных градиентов, превышающих 70 К/мм. Жесткие условия эксплуатации ТЭУ предъявляют повышенные требования к механической прочности этих устройств. Механическая прочность материалов термоэлементов значительно ниже прочности материалов других элементов конструкции ТЭУ. Поэтому прочность конструкции ТЭУ лимитируется прочностью термоэлектрических материалов. Наличие достоверных данных, в первую очередь, по термическим коэффициентам линейного расширения (TKJIP) термоэлектрических (ТЭ) материалов, а также их температурной зависимости, является необходимым условием при конструировании ТЭУ. В связи с этим, необходим критический анализ имеющихся в литературе экспериментальных данных по тепловому расширению эффективных ТЭ материалов, на основе соединений Bi2Te3.

Анализ источников информации показал, что тепловое расширение низкотемпературных ТЭ материалов изучено весьма ограниченно, а полученные данные по ТКЛР нуждаются в дополнительной проверке. Поэтому исследования теплового расширения этих материалов представляются актуальной задачей. Используя полученные данные, необходимо проведение моделирования и разработка методов расчета ТЭУ с учетом теплового расширения конструкционных элементов.

В ТН эффективность определяется соотношением, называемым коэффициентом преобразования (КОП), равным отношению тепловой энергии, затраченной на обогрев, к электрической энергии, используемой для функционирования ТН. Один и тот же ТН может иметь разные значения КОП, в зависимости от условий работы. Поэтому, одной из задач исследований являлась разработка методики определения КОП ТТН в зависимости, от свойств ТЭ материалов, эффективности ТЭУ и от условий работы ТН.

Одним из основных узлов, определяющих эффективность ТН, является внешний контур. Проведенный анализ методов расчета внешних контуров ГТН показал, что проектированию горизонтальных геотермальных контуров в литературе уделено незначительное внимание, а методы и подходы, предложенные для их расчёта, не в полной мере учитывают условия их эксплуатации.

Эффективная эксплуатация ТН, требует оперативного контроля параметров основных узлов ТТН. Для этих целей целесообразно применение интеллектуальных датчиков и микропроцессорных систем управления режимами работы ТЭУ, а также разработка соответствующего программного обеспечения.

Таким образом, анализ состояния научных исследований и проблем в области современного развития термоэлектрического приборостроения и использования альтернативных источников энергии позволил сделать вывод о том, что моделирование и исследование теплофизиче-ских параметров материалов и структур на основе теллурида висмута и разработка ТТН являются актуальными научно-техническими задачами, решение которых имеет существенное значение для развития термоэлектрического приборостроения и позволяет значительно расширить области и эффективность применения термоэлектрического оборудования, в том числе в качестве ТН для преобразования НТЭ.

Цель диссертационной работы - разработка методов моделирования и исследование теплофизических свойств термоэлектрических ма-

териалов и структур, создание на основе полученных данных эффективных термоэлектрических тепловых насосов для преобразования НТЭ.

Реализация поставленной цели, требует комплексного подхода к процессу исследований. Проведенный системно-структурный анализ современных проблем создания эффективных ТЭУ и на их основе ТТН для преобразования НТЭ позволил определить следующие основные задачи диссертационных исследований:

- провести критический анализ и систематизировать имеющиеся в литературе экспериментальные данные, полученные различными методами, по тепловому расширению термоэлектрических материалов;

- разработать методы расчета ТКЛР анизотропных кристаллов и провести термодинамическое моделирование теплового расширения низкотемпературных ТЭ материалов различного состава;

- разработать методику и изготовить измерительный аппаратно-программный комплекс для исследования теплового расширения материалов;

- провести исследования ТКЛР термоэлектрических материалов на основе теллурида висмута в интервале температур от минус 60 до 60 °С;

- разработать метод расчета и оптимизации конструкции ТЭУ, эксплуатируемых в режиме многократного термоциклирования;

- провести моделирование термоэлектрических блоков и разработать метод определения коэффициента преобразования ТТН для различных режимов их эксплуатации;

- провести моделирование внешнего контура ТН, разработать метод расчета его конструкции для различных теплофизических условий эксплуатации;

- разработать методику и изготовить измерительный аппаратно-программный комплекс для исследования параметров основных узлов и функциональных характеристик ТН;

- разработать аппаратно-программные средства для: расчета параметров ТЭ материалов и устройств; функционирования электронных приборов и исполнительных устройств интеллектуальной системы контроля параметров ТН; автоматизации процессов исследований, проводимых на измерительных комплексах; управления режимами ТЭУ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в использовании комплексного, научно-обоснованного подхода к разработке методов моделирования и исследования теплофизических свойств термоэлектрических материалов и структур и создание на основе полученных

данных эффективных ТТН для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии, и состоит в следующем:

1. Разработаны методы термодинамического моделирования теплового расширения анизотропных кристаллов по аддитивной схеме и на основе соотношений, полученных из термодинамического выражения Грюнайзена, устанавливающего взаимосвязь между коэффициентом термического расширения кристалла и теплоемкостью. С помощью указанных методов проведен расчет ТКЛР термоэлектрических материалов на основе В12Те3 вдоль направлений кристаллографических осей «а» и «с».

2. В результате исследования температурной зависимости ТКЛР твердых растворов на основе В12Те3 п - и р - типа, экспериментально установлено, что критерий анизотропии ТКЛР (отношение ас /а„) составляет 1,6 для материала В12Те3 - В125е3, а для материала В12Те3 -5Ь2Те3 , ас /о.а изменяется от 1,0 при низких температурах, до 1,6 при 60 °С. Значения ТКЛР в исследованной области температур положительные, а на температурных зависимостях этого параметра не наблюдается аномалий, что определяет отсутствие фазовых переходов в рассматриваемых материалах. Данные по температурным зависимостям теплового расширения твердых растворов В12Те3 - В12Зе3 и В12Те3 -8Ь2Тез вдоль оси «с» получены впервые.

3. Разработан метод определения линейных размеров ТЭУ при изменении температуры, позволяющий оптимизировать конструкцию и технологию сборки термоэлектрических блоков, работающих в условиях многократного термоциклирования.

4. В процессе моделирования внешнего контура ТН разработан метод расчета конструкции этого контура для различных теплофизических условий эксплуатации ТН, позволяющий учитывать взаимодействие источников (стоков) тепла контура.

5. В результате проведенных исследований разработаны метод определения коэффициентов преобразования термоэлектрических ТН для различных режимов их эксплуатации. Предложены математические модели, позволяющие рассчитывать КОП, основываясь на тепло- и электрофизических свойствах ТЭ материалов, используемых при изготовлении ТН или на характеристиках термоэлектрических модулей.

Практическая значимость

1. Для проведения экспериментальных исследований линейного теплового расширения материалов в интервале температур от минус 60 до 400 °С разработана методика и измерительный аппаратно-программный

комплекс. Относительная погрешности измерений данной методики не превышает 2%, что коррелирует с расчетными данными этого параметра. При создании методики и измерительного комплекса применены оригинальные схемотехнические, конструкторские и программные решения, которые защищены свидетельствами о регистрации программного обеспечения.

2. Данные по TKJIP термоэлектрических материалов, а также их температурной зависимости, полученные в диссертационной работе, являются необходимым условием при конструировании ТЭУ.

3. Предложенные методы расчета ТКЛР могут быть использованы исследователями для определения теплового расширения материалов и установления механизмов теплофизических процессов.

4. Метод расчета и оптимизации конструкции термоэлектрических устройств, эксплуатируемых в условиях многократного термоциклиро-вания, использован при разработке термоэлектрических блоков.

5. Метод определения коэффициента преобразования термоэлектрических тепловых насосов для различных режимов их эксплуатации может быть использован при проектировании тепловых насосов.

6. Метод расчета конструкции внешнего контура для различных теплофизических условий эксплуатации может быть использован при разработке и установке любых типов грунтовых тепловых насосов.

7. Изготовленные эффективные термоэлектрические модули выпускаются серийно, термоэлектрические бйоки использованы для создания термоэлектрического теплового насоса.

8. Методика и измерительный аппаратно-программный комплекс для исследования параметров основных узлов и функциональных характеристик ТН используются в процессе их разработки, а также в учебном процессе для проведения лабораторных работ.

9. Результаты диссертационной работы использованы при подготовке учебного пособия "Термометрия", авторы Штерн Ю.И., Шерченков A.A., Миронов P.E., М.: МИЭТ, 2013г.-256 с.

10. Результаты диссертационных исследований использованы при подготовке Учебно-методических комплексов в МИЭТ для образовательных программ по профилям "Интеллектуальные энергосберегающие системы", "Полупроводниковые преобразователи энергии."

Разработанные в диссертации: приборы, методики, измерительные комплексы, аппаратно-программные средства, внедрены и используются на ряде предприятий. Акты внедрения прилагаются в диссертации.

Новизна и практическая значимость аппаратно-программных решений, используемых в диссертационной работе, подтверждена 20 свидетельствами о государственной регистрации программного продукта в РОСПАТЕНТЕ.

Методологическими основами проведенных исследований являются: комплексный, научно-обоснованный подход к исследованию и моделированию теплофизических свойств материалов и статистической обработки данных, а так же использование принципов объектно-ориентированного программирования и построения беспроводных измерительных систем. Предлагаемые методы исследования базируются на общепринятых методиках проведения и моделирования экспериментов с использованием информационных технологий, научно обоснованы и не противоречат основным научно-практическим представлениям в данной области.

На защиту выносятся:

1. Результаты моделирования и исследования теплофизических параметров ТЭ материалов. Методы расчета теплового расширения ТЭ материалов. Теоретически и экспериментально установленные критерии анизотропии ТКЛР ТЭ материалов ЕН2Те3 - ЕН28ез и ЕН2Те3 - БЬгТез вдоль кристаллографических осей «а» и «с», что связано с особенностями химической связи в слоистой структуре этих материалов.

2. Комплексный подход к разработке и оптимизации конструкции ТТН, основывающийся на результатах моделирования и исследования, как свойств термоэлектрических материалов, так и параметров ТЭУ и других элементов конструкции тепловых насосов.

3. Методы теплофизических расчетов элементов конструкции ТН: термоэлектрического устройства; термоэлектрического блока; внешнего теплового контура, позволяющие определить: изменения геометрических параметров термоэлектрических устройств при изменении температуры; коэффициент преобразования ТН для различных режимов его эксплуатации; оптимальные кострукторские решения для внешнего контура ТН.

4. Методики, измерительные комплексы, аппаратно-программные средства, предназначенные для исследования теплофизических параметров материалов и структур, функциональных и эксплуатационных характеристик ТЭУ и ТН.

Апробация работы

Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на 10 Международных и 5 Всероссийских НТ кон-

ференциях: Всерос. НТ конф. «Новые материалы и технологии», М.: МАТИ, 2008; Межд. форум по термоэлектричеству, Киев, 2009; Межд. НТ конф. по термоэлектричеству, Фрайбург, Германия, 2009; Межд. НТ конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века», Воронеж, 20092013; Всерос. НТ конф. «Микроэлектроника и информатика», М., 20102012; Межд. НТ конф. «Энергосбережение в системе теплоснабжения. Повышение энергетической эффективности», СПб, 2010; Межд. НТ конф. «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности», СПб, 2011; Всерос. НТ конф. «Энергосбережение и энергоэффективность технологий передачи, распределения и потребления электрической энергии», М.: МЭИ, 2012; Межд. НТ конф. «Энергосбережение в системах тепло- и газоснабжения. Повышение энергетической эффективности», СПб, 2013.

Публикации

Основное содержание диссертации изложено в 53 научных трудах, в том числе: 8 статей в ведущих отечественных и зарубежных журналах из перечня ВАК, 1 учебное пособие и 20 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ в РОСПАТЕНТЕ.

Личный вклад

Личный вклад автора являлся основополагающим на всех стадиях проведения исследований и состоял в определении целей и постановке задач исследований, обосновании способов их осуществления, непосредственном выполнении значительной части экспериментов, отработке технологических операций, проектировании устройств и оборудования, систематизации и анализе полученных результатов и внедрении результатов диссертации, в том числе, в серийное производство.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём диссертации составляет 200 страниц машинописного текста, включая 10 таблиц, 73 рисунка, список использованных источников составляет 150 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена степень её разработанности, сформулированы цель и основные задачи, определена научная новизна и практическая значимость диссертационной работы, сформулированы положения, выносимые на защиту, степень достоверности результатов и апробация работы.

В первой главе рассмотрены тенденции развития и перспективы использования ТН для преобразования НТЭ. Показаны актуальность разработки и преимущества ТН, работающих на эффекте Пельтье.

Анализируя проблемы конструирования ТЭУ необходимо выделить следующее. Для создания энергоэффективных ТТН необходимы оригинальные конструкторские решения, обоснованные методиками расчета элементов конструкции, учитывающими, в том числе, работу термоэлектрических блоков в режиме термоциклирования. Для совершенствования технологий преобразования НТЭ необходимы методики и аппаратно-программное обеспечение для моделирования и исследования основных параметров и энергоэффективности тепловых насосов.

Одной из важнейших задач при проектировании грунтовых тепловых насосов является расчет его внешнего контура. Ошибки в расчете конструкции грунтового теплообменного контура (ГТК) приводят к снижению характеристик энергоэффективности ТН. Проведен анализ методик моделирования горизонтальных ГТК. Отмечено, что моделированию ГТК в литературе уделено недостаточно внимания, а методы, предложенные для их расчёта, применимы только для отдельных случаев начальных и граничных условий.

Решение любых конструкционно-технологических задач требует знаний о тепловом расширении материалов. Прочность любой конструкции, эксплуатируемой в условиях изменения температуры, не представляется возможным рассчитать, если отсутствуют данные по тепловому расширению материалов, из которых изготовлены элементы конструкции. Механическая прочность полупроводниковых твердых растворов на основе В12Тез, используемых для изготовления термоэлементов, значительно ниже прочности материалов других элементов конструкции ТЭУ. Поэтому, в целом, прочность конструкции ТЭУ лимитируется прочностью ТЭ материалов. Проведенный анализ источников информации показал, что тепловое расширение ТЭ материалов на основе В12Те3 исследовано весьма ограничено. Значения коэффициентов термического расширения и характер их температурной зависимости, полученные разными авторами, заметно отличаются друг от друга.

Один и тот же ТН может иметь разные значения коэффициента преобразования, в зависимости от условий работы. Основной фактор, влияющий на коэффициент преобразования ТН - это разность температур между внешним и внутренним теплообменными контурами, и чем меньше эта разность, тем больше коэффициент преобразования. В связи

с этим при проектировании и установке ТН необходимы достоверные сведения о его эффективности в зависимости от условий эксплуатации.

Эффективная эксплуатация систем обеспечения комфортных температур в помещениях, основанных на использовании ТН, требует оперативного контроля параметров ТЭУ и температуры. Для этих целей целесообразно применение интеллектуальных датчиков и микропроцессорных систем управления режимами работы этих устройств, а также разработка соответствующего программного обеспечения.

Анализ современных проблем создания эффективных ТЭУ и тепловых насосов на их основе для преобразования НТЭ, выполненный в 1 главе, позволил сформулировать цель и основные задачи диссертационного исследования, представленные во введении.

Во второй главе проведен анализ и дан критический обзор имеющихся в литературе экспериментальных данных по тепловому расширению твердых растворов на основе соединений В12Те3, В128е3 и ЗЬ2Те3, а также самих соединений. Проведена статистическая обработка данных по ТКЛР В12Те3, имеющихся в литературе в настоящее время.

Разработаны методы термодинамического моделирования теплового расширения анизотропных кристаллов по аддитивной схеме и на основе соотношений, полученных из термодинамического выражения Грюнай-зена, устанавливающего взаимосвязь между коэффициентом термического расширения кристалла и теплоемкостью. С помощью указанных методов проведен расчет ТКЛР термоэлектрических материалов на основе В12Те3 вдоль направлений кристаллографических осей «а» и «с». Проанализирована возможность оценки значений ТКЛР для низкотемпературных ТЭ материалов на основе В^Те3 по аддитивной схеме (по правилу Вегарда) двумя путями: с учетом образования в системе В12Те3 - В128е3 промежуточного соединения В12Те28е и в приближении, что поведение твердых квазибинарных растворов В12Те3.х8ех не сильно отличается от идеального. Результаты показали, что при больших концентрациях В128е3 оценку ТКЛР твердых растворов В12Те3.х8ек по аддитивной схеме следует проводить, учитывая особенности субсо-лидусной области в системе В12Те3 - В128е3, выбирая в качестве второго компонента тройное соединение БУГе^е, а не В128е3.

Для расчета ТКЛР использовалось также соотношение Грюнайзена:

Ср1ау=д,-Ъ5[Н\Т)-Н\Т0)}, с последующим расщеплением значения аь на составляющие а„ и ас, используя следующие соотношения:

аа = аь+(3с) 1 (а / с) / с/Г] = а£ +(аа -ас)/3

и

ас = а1 ~{2а12с)[с1{а1с)ЫТ} = ас -2(аа -ас)/3 .

Таким образом, определены зависимости: а£ - /(Г), аа = /(Г) и ас = /(Г), для наиболее эффективных низкотемпературных термоэлектрических материалов «-типа на основе ЕН2Те3. Результаты расчета ТКЛР вдоль кристаллографических осей, полученные по правилу аддитивности и из соотношения Грюнайзена, коррелируют между собой.

В третьей главе представлена разработанная методика и измерительный аппаратно-программный комплекс, предназначенные для исследования ТКЛР различных материалов в интервале температур от минус 60 до + 400 °С. Проведенные тестовые исследования на эталонных мерах ТКЛР 2-го разряда из монокристаллического оксида алюминия, поликристаллической меди и поликристаллического алюминия, показали, что относительная погрешность измерений с помощью данной методики не превышает 2%, что коррелирует с полученными расчетными данными этого параметра.

Важным преимуществом предложенной нами методики является то, что измерение ТКЛР материалов в основном интервале температур, соответствующем температуре окружающей среды (от минус 60 до 60 °С), в котором используется подавляющее большинство приборов и оборудования, реализуется в непрерывном цикле измерений. Такое условие достигается тем, что для температурных исследований используется разработанный нами термоэлектрический калибратор ТК-60 с указанным выше рабочим диапазоном температур. В связи с этим, устраняется необходимость стыковки данных, полученных при использовании различных методик, предназначенных для исследований при температурах ниже и выше температуры окружающей среды, что исключает дополнительную погрешность в определении ТКЛР.

Проведены исследования температурной зависимости ТКЛР твердых растворов на основе теллурида и антимонида висмута, обладающих максимальной термоэлектрической добротностью: В^Те^Беодг, легированных Сс1С12 (0,11 вес. %) - «-типа и В^БЬ^^Тез, легированных Те (3 вес. %) и Те14 (0,14 вес. %) - /?-типа, полученные зонной плавкой. Результаты исследований, представлены на рисунках 1 - 4.

200

300 Т, К

200

300 Т, К

Рисунок 1 - Температурная зависимость ТКЛР В12Те2,885ео,12 вдоль оси «а»

Рисунок 2 - Температурная зависимость ТКЛР В12Те2,888е0112 вдоль оси «с»

а,-106,К-

20

15

10

200 300 Т, К

Рисунок 3 - Температурная зависимость ТКЛР В^гБЬ^вТез вдоль

200 300 Т, К

Рисунок 4 - Температурная зависимость ТКЛР В101528Ь1|48Тез

оси «я»

вдоль оси «с»

В процессе исследований экспериментально установлена явно выраженная анизотропия ТКЛР вдоль направления кристаллографических осей «а» и «с», что связано с особенностями химической связи в слоистой структуре этих материалов, которую можно представить в виде набора сложных слоев - атомных квинтетов, перпендикулярных кристаллографической оси «с». Пять атомов в квинтете соединены сильными ковалентными связями, а между квинтетами действуют слабые ван-дер-ваальсовые связи, определяющие высокие значения ТКЛР ТЭ мате-

риала. В результате исследований определено, что критерий анизотропии ТКЛР для материала В12Те3 - В128е3 (отношение - ас/а0) составляет 1,6. Для материала Ш2Те3 - 8Ь2Те3 критерий анизотропии ТКЛР изменяется от 1,0 при низких температурах, до 1,6 при 60 °С. Таким образом, критерий анизотропии ВЬТе21885 е0,|2 не чувствителен к температуре, а для твердого раствора В1о,525Ь148Те3 с понижением температуры заметно уменьшается.

Важно отметить, что резка кристалла, т.е. формирование термоэлемента, производится параллельно оси «а», или перпендикулярно действию ван-дер-ваальровых связей, совпадающих с направлением оси «с». В направлении оси «а» существует максимальный градиент температуры и поэтому значения ТКЛР в расчетах механической прочности особо критичны именно в этом направлении. Исследования температурных зависимостей теплового расширения твердых растворов на основе теллуридов висмута вдоль оси «с» выполнены впервые.

Полученные экспериментальные данные по ТКЛР согласуются с немногочисленными литературными данными и коррелируют с расчетными данными, полученными нами в процессе термодинамического моделирования теплового расширения термоэлектрических материалов.

Для автоматизации исследований ТКЛР разработан программный комплекс, с помощью которого осуществляется: управление устройствами, входящих в состав измерительного комплекса, обработка и сохранение измеренных данных, а так же их визуализации в виде графиков и таблиц. Схема алгоритма программного комплекса представлена на рисунке 5.

Регулирование и управление температурой в измерительном комплексе осуществлялось с использованием разработанных нами математических моделей для интеллектуальных систем управления прецизионным термическим оборудованием. При создании методики и измерительного комплекса применены оригинальные схемотехнические, конструкторские и программные решения, которые защищены свидетельствами о регистрации программного продукта.

Значения температурных полок

Время опроса измерительных устройств

Настройка датчиков температуры

Высота образца (¿о)

■ ><[^ТЬрмометр^^>

Значения температуры I

<^Мупьтиметр^>

Изменение напряжения индуктивного датчика

Г

Высота образца^ задана?

Рисунок 5 - Схема алгоритма программного комплекса для исследований ТКЛР

Четвертая глава посвящена моделированию и разработке термоэлектрических блоков для ТН. Работа ТЭУ осуществляется в условиях многократного термоциклирования при наличии больших температурных градиентов, превышающих 70 °С/мм. Жесткие условия эксплуатации ТЭУ предъявляют повышенные требования к механической прочности этих устройств, которая в свою очередь, в значительной мере, определяется параметрами теплового расширения материалов, используемых в конструкции ТЭУ.

Для оптимизации конструкции блока и толщины переходных слоев, с учетом теплового расширения материалов, предложен метод и проведен расчет элементов конструкции с учетом изменения линейных размеров при изменении температуры. Контактирующие поверхности в

Направляющие

II

о.

термоэлектрическом блоке после механической обработки и полировки не являются идеально гладкими, шероховатость может достигать несколько микрон. Поэтому при контакте деталей образуется воздушный зазор, что приводит к существенному увеличению теплового сопротивления. С целью снижения тепловых потерь между теплопроводящими элементами конструкции ТЭУ наносятся переходные слои пасты или клея с теплопроводностью от 0,8 до 8 Вт/(м-К) (рис.6). Однако толщина наносимого слоя пасты должна быть соизмерима с величиной шероховатости поверхности, так как избыточный слой пасты увеличивает тепловое сопротивление. Положительным эффектом от снижения толщины переходных слоев является также снижение тепловой инерции ТЭУ.

В конструкцию термоэлектрического блока ТН, входят жидкостные теплообменники: один теплообменник контура системы теплохладо-снабжения (3) и два теплообменника контура источника низкопотенциальной энергии (1, 5). На теплообменник (3), с двух сторон, т. е. на каждую рабочую поверхность, устанавливается по 10 герметичных, разработанных в диссертации, термоэлектрических модулей (2, 4), электрически соединенных между собой параллельно, общей мощностью 1500 Вт. При оптимизации толщин переходных слоев следует иметь в виду и их положительную роль, которая заключается в том, что в конструкции ТЭУ эти слои служат амортизаторами, снижая механические нагрузки от вибрации, и, что еще более важно, демпфируют механические напряжения, возникающие при термическом расширении материалов конструкции. ТЭУ.

ТН, как и тепловая машина, имеют физический предел своей эффективности. В ТН эффективность определяется соотношением, называемым коэффициентом преобразования (СОР), который рассчитывается для режимов отопления (СОРн) и кондиционирования (СОРс):

Рисунок 6 - Структурная схема термоэлектрического блока

СОРн =

СОРс=&--IV с IV

= СОРн -1

где Qн - тепло отдаваемое ТН, &£>с~ получаемое.

Например, если у ТН коэффициент преобразования СОРн = 3, то можно предположить, что при его электрической мощности (IV), равной

1 кВт и затраченной на функционирование ТН, из 3 кВт тепловой энергии, переданной в систему отопления (QH), 2 кВт - энергия, взятая от низкопотенциального возобновляемого источника (Qc)-

ТН может иметь различные значения СОР, в зависимости от условий работы, поэтому при проектировании и установке ТН необходимы достоверные сведения о его эффективности в конкретных условиях эксплуатации. С этой целью нами разработаны методы определения СОР ТТН, основанные на использовании тепло- и электрофизических свойствах ТЭ материалов, из которых изготовлены термоэлементы, или на характеристиках термоэлектрических модулей. Уравнение расчета СОР по данным о параметрах ТЭ материалов имеет следующий вид:

Ih(Pp + р„) 2 I2h2(pp+pn)

где а - термоЭДС, X - теплопроводность, р - удельное сопротивление ТЭ материала, 5 и h - площадь и высота термоэлемента, 7> - температура термоэлемента, AT - разность температур между горячим (Гя) и холодным (Гс) спаями, I - сила тока, индексами р и п обозначены характеристики р- и и-ветвей термоэлемента, знак перед вторым членом в правой части уравнения, зависит от того для какого режима рассчитывается СОР: «плюс» для режима отопления, «минус» для кондиционирования.

Для практического использования большой интерес представляет зависимость СОР от значения преобразованной тепловой энергии ТЭУ (рис.7 и рис.8). Для определения СОР, по представленному уравнению, использовались характеристики термоэлектрических материалов Bi2Te2i88Seo,i2 и Bi0,j6Sbli4jTe3. Необходимо отметить, что указанная AT соответствует разности температур теплоносителей внутреннего и внешнего контуров ТН и зависит от условий эксплуатации, причем в режиме отопления Тн соответствует температуре теплоносителя внутреннего контура ТН, а в режиме кондиционирования внешнего.

Предложенный метод определения СОР ТЭУ позволяет спроектировать ТН для каждого конкретного случая климатических условий. Стоимость ТТН определяется его мощностью. Разработанные в диссертации конструкционные решения, используя предлагаемый метод расчета СОР, позволяют наращивать мощность ТТН в процессе эксплуатации.

Рисунок 7 - Зависимость СОР от преобразованной тепловой энергии ТЭУ в режиме отопления: 1 - АТ=Ъ0 К; 2 - Д 7^=35 К; 3 - Д7М0 К

Рисунок 8 - Зависимость СОР от преобразованной тепловой энергии ТЭУ в режиме кондиционирования: 1- Д7^-15 К; 2 - ДГ=15 К; 3 - ДГ=25 К

В пятой главе предложены методики и измерительный комплекс для моделирования, разработки конструкции и исследования ТТН.

Одной из основных проблем конструирования грунтовых ТН, является расчет тепловой энергии, которую способен поглощать (в режиме отопления) или отдавать (в режиме кондиционирования) ГТК. Этот показатель ГТК зависит от нескольких основных факторов: теплофизиче-ских свойств грунта, в который уложен ГТК, климатических условий, глубины укладки ГТК, а так же его конструкции, в особенности от межосевого расстояния между трубами ГТК. Большинство известных инженерных методов расчета используют ориентировочные значения удельной линейной тепловой мощности на погонный метр горизонтальных ГТК, которые могут изменяться от 5 до 30 Вт. Такой широкий разброс данных не позволяет определить реальную энергоэффективность ТН и выбрать оптимальный режим его работы. В связи с этим, в диссертации предложены метод и математические модели для расчета конструкции ГТК ТН.

На практике при моделировании процессов тепломассопереноса, протекающих в грунтовом массиве, можно использовать модель эквивалентной теплопроводности, при этом грунт рассматривается, как некоторое квазиоднородное вещество, к которому применимо уравнение теплопроводности. В предложенной нами модели есть только один источник тепла для ТН, это теплоноситель, который циркулирует по трубам ГТК. По отношению к грунтовому массиву ГТК является внешним

источником тепла. Температура грунта (г) в зависимости от времени работы ТН и расстояния от источника тепла будет изменяться следующим образом:

где г, - температура поверхности трубы; г0 - температура грунта на глубине укладки горизонтального ГТК; 9 - параметр температуры, который зависит: от времени работы ТН, расстояния от источника тепла, и от теплофизических параметров грунта. Для расчета 9, нами предложена следующая математическая модель:

0,02б1п

(Г/До)

ах До 1

+0,084

-ег&

г/Др-1

1,71п

/ \ ах

щ

+

0,б1ат

(1)

где а - коэффициент температуропроводности; г - расстояние от центра трубы до произвольной точки грунтового массива; Я0 - радиус труб ГТК; т - время работы ТН. Исходя из закона Фурье и уравнения (1) была получена математическая модель для расчета линейной мощности [Вт/м] теплообменных труб ГТК:

2 1 „

—= +--А

В4п 2

(2)

где А = 0,0261п

Г \ ах

,*5

+ 0,084, В = 1,71п

г \ ах

V

0,61ах

щ

С помощью полученной математической модели построены графики зависимости линейной мощности ГТК от времени его эксплуатации для различных значений температуры теплообменных труб ГТК (рис. 9 и 10).

Наличие нескольких источников тепловой энергии, а именно труб ГТК, и их взаимное влияние значительно усложняет решение задачи теплообмена в системе ГТК - грунтовой массив. В связи с этим, нами была получена следующая математическая модель, позволяющая учитывать расстояние между теплообменными трубами ГТК:

2 1 л 2

1-0

1 + 9

40 30 20 10

50 30 10

0 200 400 600 800 т, ч

Рисунок 9 - Зависимость мощности ГТК от времени его эксплуатации в январе, в Москве - отопление (начальная температура грунта г0 = 4 °С): 1 -г,= -10оС;2-*,= -5°С; 3 - л= 0°С

0 200 400 600 800 т, ч

Рисунок 10 - Зависимость мощности ГТК от времени его эксплуатации в июле, в Москве -кондиционирование (начальная температура грунта г0=12 ° С): 1 -/,= 30 °С; 2-^=20 °С; 3 - и= 15 °С

Использование данной модели позволяет оптимизировать расстояние между трубами ГТК. Из представленных на рисунках 11 и 12 зависимостей видно, что при использовании методик расчета ГТК без учета расстояния между трубами ошибка может составить десятки процентов. Необходимо отметить, что на практике, часто, расстояния между трубами составляет от 0,5 до 2 м.

20 10

0

Рь Вт/м

1

1

3 Я, м

30 20 10

0^

Рь Вт/м

1

Рисунок 11 - Зависимость линейной мощности горизонтального ГТК от расстояния между трубами, в январе, в Москве: 1 - г,= -10°С; 2 - -5°С; 3 - 7,= 0°С

1,0 2,0 3,0 Д,м

Рисунок 12 - Зависимость линейной мощности горизонтального ГТК от расстояния между трубами, в июле, в Москве: 1 - 30 °С; 2 - 20 °С; 3 - 15 °С

Для исследования энергоэфективности ТН созданы методика и аппаратно-программный измерительный комплекс. В его состав входят два имитационных теплообменных контура: внешний, имитирует работу

контура НТЭ, который в реальных условиях размещается, как правило, в земле или водоеме, а второй имитирует внутренний контур ТН (дом). Основным элементом внешнего контура является специально разработанный теплообменник. Для исследования и эксплуатации термоэлектрических насосов разработана интеллектуальная система мониторинга термодинамических параметров. Система построена по принципу объединения измерительных, исполнительных и аппаратно-программных средств. В состав системы входят: измерители температуры беспроводные (ИТБ) и расходомеры, подключенные к счётчикам импульсов с беспроводным интерфейсом (СИБ).

На базе интеллектуальной системы мониторинга реализовано программное обеспечение измерительного комплекса для исследования ТТН. Предложенное программное обеспечение, схема алгоритма которого представлена на рисунке 13, в совокупности с интеллектуальными

датчиками позволяет:

- проводить инициализацию и автоматическую деинициализацию интеллектуальных датчиков;

- измерять термодинамические параметры имитационных контуров измерительного комплекса (температура, давление, объемный расход);

- на основе измеренных данных рассчитывать мощность и количество отдаваемой (получаемой) тепловой энергии имитационными контурами;

- регулировать и измерять параметры источников питания;

- определять параметры энергоэффективности теплового насоса: коэффициент преобразования, а так же коэффициенты энергетической эффективности теплового насоса и его теплообменников;

- визуализировать результаты в виде графиков и таблиц;

- сохранять результаты в формате совместимом с Microsoft Excel.,

Данные от измерительных датчиков по радиоканалу передаются в

систему хранения и обработки информации, которая состоит из персонального компьютера (ПК), асинхронного сервера интерфейсов RS-232/485 и локального ретранслятора. Локальный ретранслятор по беспроводному каналу обменивается данными с ИТБ и СИБ, после чего полученные данные по интерфейсу RS-485 передаются на асинхронный сервер, откуда по интерфейсу USB или Ethernet поступают на ПК, где происходит расчет, согласно представленным уравнениям:

л 1 in

A houtmout IUAt

где СОР'" - рассчитанный по показаниям внутреннего контура теплового насоса, а СОР0'" - по показаниям внешнего; ЕЕН - коэффициент энергетической эффективности теплообменников ТН; А/г - разница удельных энтальпий теплоносителя на входе и выходе из ТН; т - массовый расход теплоносителя; 7 - ток, V - напряжение питания ТЭУ; Дт - время, в течение которого проходили измерения.

Рисунок 13 - Схема алгоритма программного обеспечения измерительного комплекса для исследования ТН

На разработанном измерительном комплексе были проведены исследования, созданного в процессе выполнения диссертационной работы, термоэлектрического ТН, результаты которых представлены на рисунках 14 и 15.

Проведенные исследования показали хорошую корреляцию расчетных данных, полученных с использованием методов и математических моделей, разработанных в диссертации, с экспериментальными результатами.

Рисунок 14 - Зависимость КОП от тока ТЭУ в режиме отопления:

штриховые линии - СОР'", сплошные- СОР0"': 1 - ДТ= 20 К; 2 - ДТ= 20 К; 3 - ДТ= 40 К

Рисунок 15 - Зависимость КОП от тока ТЭУ в режиме кондиционирования: штриховые линии -СОР'", сплошные - СОР0"': 1 -ДТ= 15 К; 2 -&Т= 20 К; 3 - ДГ=25К

Основные результаты и выводы

1. Разработаны методы термодинамического моделирования теплового расширения анизотропных кристаллов по аддитивной схеме и на основе соотношений, полученных из термодинамического выражения Грюнайзена, устанавливающего взаимосвязь между коэффициентом термического расширения кристалла и теплоемкостью. С помощью указанных методов проведен расчет ТКЛР термоэлектрических материалов на основе В12Те3 вдоль направлений кристаллографических осей «а» и «с». Результаты расчета ТКЛР вдоль кристаллографических осей, полученные по правилу аддитивности и из соотношения Грюнайзена, коррелируют между собой.

2. Для проведения экспериментальных исследований ТКЛР материалов в интервале температур от минус 60 до 400 °С разработана методика и измерительный аппаратно-программный комплекс. Относительная погрешность измерений данной методики, определенная по эталонным образцам, не превышает 2%, что коррелирует с расчетными данными этого параметра. При создании методики и измерительного комплекса применены оригинальные схемотехнические, конструкторские и аппаратно-программные решения.

3. В результате исследования температурной зависимости ТКЛР твердых растворов на основе В12Те3 п - и р - типа, экспериментально установлено, что критерий анизотропии ТКЛР (отношение ас /аа) составляет 1,6 для материала В12Те3-В128е3, а для материала В12Те3-8Ь2Те3, ас/аа изменяется от 1,0, при низких температурах, до 1,6 при 60 °С. Зна-

чения ТКЛР в исследованной области температур положительные, а на температурных зависимостях этого параметра не наблюдается аномалий, что определяет отсутствие фазовых переходов в рассматриваемых материалах. Данные по температурным зависимостям теплового расширения твердых растворов В12Те3 - В128е3 и В12Те3 - БЬ2Те3 вдоль оси «с» получены нами впервые.

4. Разработан метод определения линейных размеров ТЭУ при изменении температуры, позволяющие оптимизировать конструкцию и технологию сборки термоэлектрических блоков, работающих в условиях многократного термоциклирования.

5. Разработан метод определения КОП термоэлектрических ТН для различных режимов их эксплуатации. Предложены уравнения, позволяющие рассчитывать КОП, основываясь на тепло- и электрофизических свойствах ТЭ материалов, используемых при изготовлении ТН или на характеристиках термоэлектрических модулей.

6. В процессе моделирования внешнего контура ТН, разработаны метод и математические модели расчета конструкции этого контура для различных теплофизических условий эксплуатации ТН и позволяющие учитывать взаимодействие источников (стоков) тепла контура.

7. По результатам моделирования разработана конструкция и изготовлены термоэлектрические модули и ТЭУ для ТН, имеющее в составе три жидкостных теплообменника и 20 термоэлектрических модулей общей мощностью до 1500 Вт.

8. Разработаны методика и аппаратно-программный измерительный комплекс для исследования основных параметров ТН. Проведенные исследования показали хорошую корреляцию расчетных данных, полученных с использованием методов и математических моделей, разработанных в диссертации, с экспериментальными результатами (отклонение не более 10%).

9. Для обработки результатов исследований, автоматизации измерений, функционирования приборов, оборудования и измерительных комплексов создан ряд аппаратно - программных решений.

10. Для исследования и эксплуатации термоэлектрических насосов разработана интеллектуальная система мониторинга термодинамических параметров. Система построена по принципу интеграции измерительных, исполнительных и аппаратно-программных средств.

Новизна и практическая значимость технических и аппаратно-программных решений, используемых в диссертационной работе, под-

тверждена 20 свидетельствами о государственной регистрации программного продукта в РОСПАТЕНТЕ.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

1. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Миронов Р.Е., Штерн М.Ю. Разработка математических моделей для интеллектуальных систем управления прецизионным термическим оборудованием// Изв. вузов. Электроника. 2010. - № 2 (82) - С. 52 - 59.

2. Yu. Stem, L. Pavlova and R. Mironov. Thermal Expansion of n-Type Doped Bi2Te2.88Se0.i2 and p-Type Doped Bio^SbusTej Solid Solutions from -60°C to +60°C //Journal of Electronic Materials. - 2010. - V. 39, Issue 9. -P.1422-1428

3. Павлова JI.M., Штерн Ю.И., Миронов P.E. Термическое расширение теллурида висмута // Теплофизика высоких температур. - 2011. - Т.

49. -№ 3. - С. 379-389.

4. Ю.И. Штерн, Я.С. Кожевников, В.М. Рыков, Р.Е. Миронов. Математические модели и аппаратно-программные средства для высокоточных электронных измерителей температуры // Изв. вузов. Электроника. -2013.-Кг 1 (99).-С. 10-17.

5. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Медведев В.А., Миронов Р.Е., Караваев И.С. Методы определения индивидуального потребления тепловой энергии, реализованные на базе интеллектуальной системы контроля энергоресурсов // Измерительная техника. -2013. - № 2. - С. 46-50.

6. Ю.И. Штерн, Я.С. Кожевников, В.А. Медведев, Р.Е. Миронов, И.С. Караваев. Методика и измерительный комплекс для аттестации электронных компонентов и интеллектуальных систем контроля и учета потребления энергоресурсов // Метрология. - 2013. - № 4. - С. 25-33.

7. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Миронов Р.Е., Штерн М.Ю., Караваев И.С. Методика и аппаратно-программный комплекс для автоматической калибровки средств измерения температуры с беспроводным интерфейсом // Измерительная техника. -2013. - № 5. - С. 23 - 26.

8. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Медведев В.А., Штерн М.Ю., Миронов Р.Е. Оценка неопределенности измерения индивидуального потребления тепловой энергии //Метрология. -2013. -№ 5. - С. 19-25.

9. Штерн Ю.И., Шерченков А.А., Миронов Р.Е. Термометрия: учебное пособие. -М.: МИЭТ, 2013. -256 с.

10. Штерн Ю.И., Павлова Л.М., Миронов Р.Е. Тепловое расширение анизотропных низкотемпературных термоэлектрических материалов // Материалы Всерос. HT конф. «Новые материалы и технологии». М.: МАТИ, 2008. Т. 2. - С. 138-139.

11. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Шерченков A.A., Рыгалин Д.Б., Миронов P.E. Беспроводные измерители температуры для дистанционного мониторинга и энергосберегающих технологий // X Межд. НТ конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века» / Сб. докладов. -Воронеж, 2009. - Т. 1. - С. 39-45.

12. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Шерченков A.A., Рыгалин Д.Б., Барсуков Е.В., Миронов P.E. Разработка автоматизированного комплекса для исследования беспроводных измерителей температуры // X Межд. НТ конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века» / Сб. докладов.-Воронеж, 2009.-Т. 1-С. 46-53.

13. Л.М. Павлова, Ю.И. Штерн, P.E. Миронов. Термодинамическое моделирование теплового расширения анизотропных кристаллов / Межвузовский сб.-М.: МИЭТ2009 г., С. 181 - 193.

14. Штерн Ю. И., Павлова Л. М., Миронов Р. Е. Критическая оценка и прогнозирование коэффициентов линейного термического расширения низкотемпературных термоэлектрических материалов // XIII Межд. форум по термоэлектричеству. - Киев, 2009. http://ite.cv.ukrtel.net.

15. Stern Yu., Pavlova L., Mironov R. Thermal expansion of n-type doped Bi2Te2 88Se0.i2 and p-type doped Bi0.52Sbi.48Te3 solid solutions from 200 К to 700 K. The 28 Inter. Conf. on Thermoelectrics and The 7 European Conf. on Thermoelectrics, 2009 Freiburg, Germany, http://ict2009.its.org.

16. Ю.И. Штерн, Я.С. Кожевников, B.M. Рыков, P.E. Миронов, М.Ю. Штерн. Высокоточные электронный средства измерения температуры // XI Межд. конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века» / Сб. докладов. - Воронеж, 2010. - Т. 1. - С. 420 - 432.

17. Ю.И. Штерн, Я.С. Кожевников, В.М. Рыков, М.Ю. Штерн, P.E. Миронов. Системы управления термическим оборудованием // XI Межд. НТ конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века» / Сб. докладов. - Воронеж, 2010.-Т. 1.-С. 433 -444.

18. Ю.И. Штерн, Я.С. Кожевников, Д.Б. Рыгалин, В.М. Рыков, P.E. Миронов. Средства измерения для беспроводного мониторинга температуры теплоносителя в системах теплоснабжения // Энергосбережение в системе теплоснабжения. Повышение энергетической эффективности: 1-я Межд. НТ конф. Сб. докладов - СПб, 2010, С.78 - 83.

19. Миронов P.E. Термодинамическое моделирование теплового расширения низкотемпературных термоэлектрических материалов // 18-я Всерос. межвуз. НТ конф. «Микроэлектроника и информатика -2011». - М.: МИЭТ, 2011. - С. 44.

20. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Рыгалин Д.Б., Доронин С.Ю., Миронов P.E. Интеллектуальная система учета индивидуального потребления тепла // XII Межд. НТ конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века» / Сб. докладов. - Воронеж, 2011. - Т.21. - С. 738 -744.

21. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Доронин С.Ю., Караваев И.С., Миронов P.E., Кожевников К.С. Разработка математической модели и аппаратно-программного метода термокомпенсации для беспроводных измерителей температуры // XII Межд. НТ конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века» / Сб. докладов. - Воронеж, 2011.-Т.21.-С. 745-754.

22. Штерн Ю.И., Штерн М.Ю., Шерченков A.A., Миронов P.E. Моделирование влияния режимов параметров питания на основные характеристики термоэлектрических модулей // XII Межд. НТ конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века» / Сб. докладов. - Воронеж,

2011.-Т. 2. -С. 755-764.

23. Штерн Ю.И., Миронов P.E., Штерн М.Ю., Чирков Д.А., Рогачев М.С. Термоэлектрические блоки для тепловых насосов, использующих низкопотенциальную энергию // Сб. статей XII Межд. НП конф. "Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности". С-Пб., Изд-во Политехи, унта, 2011.-Т. 2.-С. 399-401.

24. Ю.И. Штерн, Я.С. Кожевников, В.А. Медведев, М.Ю. Штерн, P.E. Миронов. Погрешности измерения индивидуального потребления тепловой энергии с помощью методики, основанной на использовании интеллектуальных датчиков температуры // XIII Межд. НТ конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века» / Сб. докладов. - Воронеж,

2012.-Т. 2.-С. 536-543

25. И.С. Караваев, Д.Б. Рыгалин, Я.С. Кожевников, P.E. Миронов. Разработка измерителей давления с беспроводным интерфейсом для интеллектуальных систем передачи и распределения энергоресурсов // Всерос. молодежная НТ конф. «Энергосбережение и энергоэффективность технологий передачи, распределения и потребления электрической энергии». - М.: МЭИ, 2012. - С. 45-46.

26. Ю.И. Штерн, P.E. Миронов, М.Ю. Штерн. Математическое моделирование термического расширения термоэлектрического блока теплового насоса // XIV Межд. НТ конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века» / Сб. докладов. - Воронеж, 2013. - Т. 2. - С. 440 - 447.

27. Ю.И. Штерн, Я.С. Кожевников, P.E. Миронов, И.С. Караваев. Инновационный метод учета индивидуального потребления тепловой энергии // XIV Межд. НТ конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века» / Сб. докладов. - Воронеж, 2013. - Т. 2. - С. 448-457.

28. Свидетельство 2010610839. РФ. Программа для аналого-цифрового преобразования и передачи данных в беспроводных измерителях температуры / Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Штерн М.Ю, Миронов P.E.

29. Свидетельство 2010611349. РФ. Универсальная программа мониторинга беспроводных средств измерения температуры / Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Доронин С.Ю., Барсуков Е.В., Рыков В.М., Миронов P.E.

30. Свидетельство 2011610219, РФ. Программа для дистанционного мониторинга высокоточных средств измерения температуры / Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Лисичкин Д.П., Штерн М.Ю., Миронов P.E.

31. Свидетельство 2011610220, РФ. Программа для тестирования беспроводных измерителей температуры / Штерн Ю. И., Кожевников Я. С., Доронин С. Ю., Рыков В. М., Миронов P.E., Штерн М.Ю.

32. Свидетельство 2011610218, РФ. Программа для многоканальных мультиметров / Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыгалин Д.Б., Рыков

B.М., Штерн М.Ю., Миронов P.E.

33. Свидетельство 2011610849, РФ. Универсальная программа для многоканальных средств измерения температуры / Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Штерн М.Ю., Миронов P.E.

34. Свидетельство 2011610850, РФ. Универсальная программа для высокоточных средств измерения температуры / Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Миронов P.E., Штерн М.Ю.

35. Свидетельство 2011618256, РФ. Программа для тестирования беспроводных устройств индивидуального учета тепловой энергии / Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Доронин С.Ю., Рыков В.М., Миронов P.E., Штерн М.Ю.

36. Свидетельство 2011618255, РФ. Программа для контроля достоверности приемо-передающих характеристик маломощных радио-трансиверов / Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Доронин

C.Ю., Караваев И.С., Миронов P.E.

37. Свидетельство 2012610770, РФ. Программа для аналого-цифрового преобразования и передачи данных с датчика давления /

Штерн Ю. И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Штерн М.Ю., Миронов P.E., Караваев И.С.

38. Свидетельство 2012611047, РФ. Программа для измерения прие-мо-передающих характеристик интеллектуальных датчиков / Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Егоров В.А., Миронов P.E., Штерн М.Ю., Караваев И.С.

39. Свидетельство 2012618647, РФ. Программный комплекс для интеллектуального датчика температуры накладного типа с беспроводным интерфейсом / Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Караваев И.С., Штерн М.Ю., Миронов P.E.

40. Свидетельство 2012618646, РФ. Программный комплекс для дифференциального измерителя температуры с беспроводным интерфейсом / Штерн Ю. И., Кожевников Я.С., Рыков В.М., Штерн М.Ю., Караваев И.С., Миронов P.E.

41. Свидетельство 2012660698, РФ. Программа для микропроцессорной системы управления термоэлектрическим оборудованием / Беспалов В.А., Рыгалин Д.Б., Миронов P.E., Караваев И.С.

42. Свидетельство 2012660439,. РФ. Программа создания графической матрицы для конфигурации интеллектуальной системы контроля и учета энергоресурсов / Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Доронин С.Ю., Штерн М.Ю., Караваев И.С., Миронов P.E.

43. Свидетельство 2012660296, РФ. Программа архивирования конфигураций интеллектуальных систем контроля и учета энергоресурсов / Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Доронин С.Ю., Рыков В.М., Штерн М.Ю., Миронов P.E.

44. Свидетельство 2012660297, РФ. Программа для испытаний электронных компонентов энергосберегающих систем / Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Доронин С.Ю., Рыков В.М., Миронов P.E., Штерн М.Ю.

45. Свидетельство 2012660298, РФ. Программа графического отображения структуры интеллектуальной системы контроля и учета энергоресурсов / Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Доронин С.Ю., Рыков В.М., Штерн М. Ю., Миронов Р. Е.

Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 82.

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МИЭТ»

На правах рукописи Экз. №

МИРОНОВ РОСТИСЛАВ ЕВГЕНЬЕВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ И СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ТЕЛЛУРИДА ВИСМУТА И РАЗРАБОТКА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАСОСОВ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2013

Оглавление

Глава 1. Перспективы и проблемы использования термоэлектрических тепловых насосов для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии....................15

1.1 Перспективы использования тепловых насосов для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии......................................................................16

1.2 Актуальность использования термоэлектрических ТН......................................27

1.3 Тепловое расширение твердых растворов термоэлектрических материалов ...30 1.3.1 Актуальность исследования ТКЛР термоэлектрических материалов и

структур..................................................................................................................30

1.3.2. Анализ методов исследования теплового расширения материалов.........33

1.4 Проблемы конструирования прецизионных термоэлектрических систем........40

1.4.1 Конструктивные особенности термоэлектрических устройств, работающих в условиях термоциклирования и повышенной влажности........................................40

1.4.2 Коэффициент преобразования тепловых насосов.......................................41

1.4.3 Анализ методик расчета внешнего контура грунтового теплового насоса43

1.4.4. Метрологическое обеспечение диссертационных исследований.............45

1.4.5 Аппаратно-программные решения для диссертационных исследований . 46

1.5 Выводы по 1 главе...................................................................................................47

Глава 2. Математическое моделирование теплового расширения термоэлектрических материалов.................................................................................53

2.1 Критический анализ данных по тепловому расширению термоэлектрических материалов.....................................................................................................................54

2.2 Разработка методики расчета ТКЛР анизотропных кристаллов по правилу Вегарда...........................................................................................................................66

2.3 Расчет ТКЛР из соотношения Грюнайзена..........................................................69

2.4 Выводы по 2 главе...................................................................................................76

Глава 3. Разработка методики и измерение ТКЛР низкотемпературных

термоэлектрических материалов.................................................................................80

3.1 Разработка методики и измерительного аппаратно-программного комплекса для исследования ТКЛР материалов...........................................................................80

3.2 Исследование теплового расширения термоэлектрических материалов..........88

3.3 Выводы по главе 3...................................................................................................97

Глава 4. Моделирование и разработка термоэлектрических блоков для тепловых насосов.........................................................................................................................100

4.1 Разработка методики и расчет термоэлектрических устройств, работающих в условиях термоциклирования....................................................................................100

4.2 Моделирование и разработка конструкции термоэлектрического блока для теплового насоса.........................................................................................................108

4.3 Термоэлектрические модули, для эксплуатации в условиях повышенной

влажности....................................................................................................................115

4.4. Выводы по главе 4................................................................................................119

Глава 5. Моделирование, разработка конструкции и исследование термоэлектрического теплового насоса....................................................................121

5.1 Математическое моделирование внешнего контура теплового насоса...........121

5.1.1 Краевые условия математической модели................................................121

5.1.2 Моделирование внешнего контура для трех источников тепловой энергии.................................................................................................................138

5.2 Разработка методики, измерительного аппаратно-программного комплекса и исследование термоэлектрического теплового насоса............................................146

5.2.1 Расчет имитационного контура внешнего теплообменника теплового насоса....................................................................................................................156

5.2.2 Результаты исследований энергоэффективности термоэлектрического блока теплового насоса.......................................................................................162

5.3 Разработка аппаратно-программных средств для исследования и эксплуатации термоэлектрических тепловых насосов....................................................................164

5.3.1 Программное обеспечение измерительного комплекса для исследования TKJIP материалов.................................................................................................165

5.3.2 Аппаратно-программное решение для мониторинга термодинамических параметров теплового насоса..............................................................................169

5.4 Выводы по главе 5.................................................................................................174

Заключение..................................................................................................................176

Список литературы.....................................................................................................179

Приложение.................................................................................................................195

Введение

Актуальность работы

Поддержание комфортных температурных условий в зданиях требует затрат огромного количества энергии. Для этого, по данным Международного Энергетического Агентства, используется до половины всего мирового производства энергии. Перспективный способ решения этой проблемы - использование альтернативных возобновляемых источников тепловой энергии. Среди различных видов таких источников необходимо выделить низкопотенциальную тепловую энергию (НТЭ), которая может эффективно использоваться для отопления и кондиционирования помещений, а так же обеспечения потребностей в горячем водоснабжении. Для использования НТЭ применяют тепловой насос (ТН) - устройство, которое преобразовывает НТЭ и передает её конечному потребителю.

Естественными возобновляемыми источниками НТЭ являются земля и грунтовые воды (геотермальная энергия), воздух, открытые водоемы и т.д. Грунт в качестве источника НТЭ является наиболее распространенным в настоящее время, так как 46 % солнечной энергии усваивается землей. Поэтому грунтовые тепловые насосы (ГТН) являются самыми востребованными ТН, которые принято различать по типу используемого внешнего теплообменного контура, с вертикальным или горизонтальным контуром. В настоящей работе рассматриваются горизонтальные тепловые контуры, так как они менее изучены, к тому же, вертикальные контуры требуют значительных затрат при монтаже и для обеспечения циркуляции теплоносителя.

Необходимо отметить, что замена традиционных систем кондиционирования и отопления на ТН позволит существенно снизить потребление электрической энергии. Снижение потребления энергии от 30 до 70% в режиме отопления, и от 20 до 50% в режиме кондиционирования.

В настоящее время в мире установлено около 1 млн. ТН. Последние 10 лет в 30 ведущих странах наблюдается ежегодный 10% рост рынка ТН. В скандинав-

ских странах в 2011г доля тепла, полученного от ТН, составила более 45% от общего. Российский рынок ТН обладает огромным потенциалом. В настоящее время утверждена (распоряжением правительства РФ от 13 ноября 2009 г № 1715-р) Энергетическая стратегия России на период до 2030 г, предусматривающая масштабное внедрение систем отопления, использующих ТН. Таким образом, исследования в данном направлении являются весьма актуальными.

Самый распространенный тип ТН, это парокомпрессионные ТН, однако они имеют ряд технических недостатков по сравнению с термоэлектрическими. Меньший ресурс работы, более сложная схема преобразования энергии и переключения режимов обогрев - кондиционирование, повышенные требования к внешнему контуру и, наконец, использование теплоносителей, вызывающих разрушение озонового слоя.

В связи с этим, в данной диссертационной работе предложено новое конструкционно-технологическое решение ТН, работающего на эффекте Пельтье. Изучение публикаций в ведущих научных журналах показало, что в настоящее время нет данных о проведении, как в России, так и за рубежом, исследований систем отопления на основе термоэлектрических тепловых насосов (ТТН). Целесообразность создания ТТН можно обосновать несколькими причинами. Термоэлектрические устройства (ТЭУ) обладают рядом достоинств по сравнению с другими системами регулирования температуры: высокой надежностью, отсутствием движущихся частей, практически неограниченным ресурсом работы, небольшими габаритами и весом, малой инерционностью, бесшумностью, независимостью от ориентации в пространстве, возможностью плавного и точного регулирования температуры. При использовании ТТН возможно оперативно переходить от режима отопления к режиму кондиционирования, изменяя полярность питания ТЭУ, причем делать это в автоматическом режиме по заданной программе. Кроме того, высокая экологичность несомненно, увеличивают конкурентоспособность ТТН по сравнению с другими типами ТН.

Отметим основные проблемы создания ТТН. Работа ТЭУ осуществляется в условиях многократного термоциклирования в широком диапазоне температур

(150 - 450 К) при наличии больших температурных градиентов, превышающих 70 К/мм. Жесткие условия эксплуатации ТЭУ предъявляют повышенные требования к механической прочности этих устройств. Механическая прочность материалов термоэлементов значительно ниже прочности материалов других элементов конструкции ТЭУ. Поэтому прочность конструкции ТЭУ лимитируется прочностью термоэлектрических материалов. Наличие достоверных данных, в первую очередь, по термическим коэффициентам линейного расширения (TKJIP) термоэлектрических (ТЭ) материалов, а также их температурной зависимости, является необходимым условием при конструировании ТЭУ. В связи с этим, необходим критический анализ имеющихся в литературе экспериментальных данных по тепловому расширению эффективных ТЭ материалов, на основе соединений Bi2Te3.

Анализ источников информации показал, что тепловое расширение низкотемпературных ТЭ материалов изучено весьма ограниченно, а полученные данные по TKJIP нуждаются в дополнительной проверке. Поэтому исследования теплового расширения этих материалов представляются актуальной задачей. Используя полученные данные, необходимо проведение моделирования и разработка методов расчета ТЭУ с учетом теплового расширения конструкционных элементов.

В ТН эффективность определяется соотношением, называемым коэффициентом преобразования (КОП), равным отношению тепловой энергии, затраченной на обогрев, к электрической энергии, используемой для функционирования ТН. Один и тот же ТН может иметь разные значения КОП, в зависимости от условий работы. Поэтому, одной из задач исследований являлась разработка методики определения КОП ТТН в зависимости, от свойств ТЭ материалов, эффективности ТЭУ и от условий работы ТН.

Одним из основных узлов, определяющих эффективность ТН, является внешний контур. Проведенный анализ методов расчета внешних контуров ГТН показал, что проектированию горизонтальных геотермальных контуров в литературе уделено незначительное внимание, а методы и подходы, предложенные для их расчёта, не в полной мере учитывают условия их эксплуатации.

Эффективная эксплуатация ТН, требует оперативного контроля параметров основных узлов ТТН. Для этих целей целесообразно применение интеллектуальных датчиков и микропроцессорных систем управления режимами работы ТЭУ, а также разработка соответствующего программного обеспечения.

Таким образом, анализ состояния научных исследований и проблем в области современного развития термоэлектрического приборостроения и использования альтернативных источников энергии позволил сделать вывод о том, что моделирование и исследование теплофизических параметров материалов и структур на основе теллурида висмута и разработка ТТН являются актуальными научно-техническими задачами, решение которых имеет существенное значение для развития термоэлектрического приборостроения и позволяет значительно расширить области и эффективность применения термоэлектрического оборудования, в том числе в качестве ТН для преобразования НТЭ.

Цель диссертационной работы - разработка методов моделирования и исследование теплофизических свойств термоэлектрических материалов и структур, создание на основе полученных данных эффективных термоэлектрических тепловых насосов для преобразования НТЭ.

Реализация поставленной цели, требует комплексного подхода к процессу исследований. Проведенный системно-структурный анализ современных проблем создания эффективных ТЭУ и на их основе ТТН для преобразования НТЭ позволил определить следующие основные задачи диссертационных исследований:

- провести критический анализ и систематизировать имеющиеся в литературе экспериментальные данные, полученные различными методами, по тепловому расширению термоэлектрических материалов;

- разработать методы расчета ТКЛР анизотропных кристаллов и провести термодинамическое моделирование теплового расширения низкотемпературных ТЭ материалов различного состава;

разработать методику и изготовить измерительный аппаратно-программный комплекс для исследования теплового расширения материалов;

- провести исследования ТКЛР термоэлектрических материалов на основе теллурида висмута в интервале температур от минус 60 до 60 °С;

- разработать метод расчета и оптимизации конструкции ТЭУ, эксплуатируемых в режиме многократного термоциклирования;

- провести моделирование термоэлектрических блоков и разработать метод определения коэффициента преобразования ТТН для различных режимов их эксплуатации;

- провести моделирование внешнего контура ТН, разработать метод расчета его конструкции для различных теплофизических условий эксплуатации;

разработать методику и изготовить измерительный аппаратно-программный комплекс для исследования параметров основных узлов и функциональных характеристик ТН;

- разработать аппаратно-программные средства для: расчета параметров ТЭ материалов и устройств; функционирования электронных приборов и исполнительных устройств интеллектуальной системы контроля параметров ТН; автоматизации процессов исследований, проводимых на измерительных комплексах; управления режимами ТЭУ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в использовании комплексного, научно-обоснованного подхода к разработке методов моделирования и исследования теплофизических свойств термоэлектрических материалов и структур и создание на основе полученных данных эффективных ТТН для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии, и состоит в следующем:

1. Разработаны методы термодинамического моделирования теплового расширения анизотропных кристаллов по аддитивной схеме и на основе соотношений, полученных из термодинамического выражения Грюнайзена, устанавливающего взаимосвязь между коэффициентом термического расширения кристалла и теплоемкостью. С помощью указанных методов проведен расчет ТКЛР термоэлектрических материалов на основе ЕНгТез вдоль направлений кристаллографических осей «а» и «с».

2. В результате исследования температурной зависимости ТКЛР твердых растворов на основе В12Те3 п - и р - типа, экспериментально установлено, что критерий анизотропии ТКЛР (отношение ас /аа) составляет 1,6 для материала В12Те3 - В128е3, а для материала В12Те3 - 8Ь2Те3, ас /аа изменяется от 1,0 при низких температурах, до 1,6 при 60 °С. Значения ТКЛР в исследованной области температур положительные, а на температурных зависимостях этого параметра не наблюдается аномалий, что определяет отсутствие фазовых переходов в рассматриваемых материалах. Данные по температурным зависимостям теплового расширения твердых растворов В^Те3 - В128е3 и В12Те3 - 8Ь2Те3 вдоль оси «с» получены впервые.

3. Разработан метод определения линейных размеров ТЭУ при изменении температуры, позволяющий оптимизировать конструкцию и технологию сборки термоэлектрических блоков, работающих в условиях многократного термоцикли-рования.

4. В процессе моделирования внешнего контура ТН разработан метод расчета конструкции этого контура для различных теплофизических условий эксплуатации ТН, позволяющий учитывать взаимодействие источников (стоков) тепла контура.

5. В результате проведенных исследований разработаны метод определения коэффициентов преобразования термоэлектрических ТН для различных режимов их эксплуатации. Предложены математические модели, позволяющие рассчитывать КОП, основываясь на тепло- и элек�