Т. С АХМЕТОВ, Е. А. ГАНИН
МЕТОД ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО К. П. Д. ТЕРМОЭЛЕКТРОБАТАРЕЙ ПЛОСКОЙ КОНСТРУКЦИИ
При расчете к.п.д. термоэлектробатарей делается ряд существенных допущений, поэтому большое значение имеет экспериментальное определение этого параметра.
Для заданных значений температуры на горячем и холодном спаях, как известно, существует оптимальная величина нагрузки, соответствующая максимальному к.п.д. термоэлектробатарей. Однако подбор этой нагрузки опытным путем чрезвычайно затруднителен, поэтому при экспериментальном определении к.п.д. термоэлектробатарей удобнее всего пользоваться косвенным методом.
К. л. л. термоэлектробатарей можно выразить зависимостью
где W—электрическая мощность, снимаемая с термоэлектробатареи, вт;
Q, — количество тепла, подведенное к горячему спаю термоэлектробатареи (ккал/ч), которое выражается зависимостью 11.2]
(2)
где Q2 — тепло, проходящее через термоэлектробатарею путем теплопроводности, ккал[ч;
Qnr —тепло Пельтье, поглощаемое на горячем спае, ккал1ч;
Qдж — тепло Джоуля, ккал/ч.
При применении электрического обогрева термоэлектробатареи и отсутствии тепловых утечек в окружающую среду подводимое тепло Q1 равно мощности электрического нагревателя, т. е.
(3)
где Wн—мощность электрического нагревателя при включенной нагрузке термоэлектробатареи, вт;
Wx.x — мощность электрического нагревателя при холостом ходе термоэлектробатареи, вт.
На основе известных термоэлектрических соотношений [1, 2] и зависимостей (3) формулу (2) можно представить в следующем виде:
(4)
где Е — э. д. с. термоэлектробатареи, в;
I к.з — ток короткого замыкания, а;
т= R/r—отношение сопротивления электрической нагрузки R к внутреннему сопротивлению термоэлектробатареи r;
Ък — к. п. д. цикла Карно (термодинамический к. и. д. обратимого двигателя).
Мощность термоэлектробатареи можно выразить соотношением [1, 2]
(5)
Таким образом, к. п. д. термоэлектробатареи для любой величины нагрузки будет выражаться зависимостью
(6)
Находя максимум выражения (6) относительно т. получим соотношение для оптимальной нагрузки M:
В результате оказывается, что величины, входящие в выражения (6) и (7), и температуры спаев, определяющие величину к.п.д. цикла Карно, могут быть получены непосредственно из эксперимента.
Опыт показывает, что на горячем и холодном спаях термоэлектробатареи имеется существенная неравномерность температурного поля, поэтому возникают некоторые трудности при определении средних температур спаев.
Эту неравномерность можно объяснить конструктивными особенностями термоэлектрогенератора (ТЭГ), разбросом термоэлектрических характеристик, технологией изготовления батарей и другими факторами.
В ТЭГ плоской конструкции электроизоляционный теплоконтактный переход определяет тепловое сопротивление, величина которого составляет существенную долю в общем тепловом сопротивлении термогенератора. Неравномерность теплового контакта, появляющаяся в результате неплотного прилегания термоэлектробатареи к теплопроводам, существенно влияет на температурное поле спаев.
Разброс термоэлектрических характеристик элементов батареи ведет к тому, что все элементы при последовательном соединении работают на заданной нагрузке в каком-то усредненном режиме, определяемом средним значением тока, которое выражается зависимостью
(8)
где e — э. д. с. элемента термобатареи;
rк — внутреннее электрическое сопротивление термобатареи.
В результате этого отдельные элементы, для которых Iср не будет соответствовать оптимальной нагрузке, должны иметь иные термические сопротивления, т. е. выдавать заниженную, по сравнению с оптимальной, мощность.
В целях уменьшения погрешности расчета к. п. д. цикла Карно определялся не по средним температурам спаев термоэлектробатареи, а по формуле (4), которая при учете соотношения 
примет вид:
(9)
где I1 — ток на нагрузке, а.
Таким образом, по двум экспериментальным точкам (точка холостого хода и точка нагрузки) строится линейная вольт- амперная характеристика, соответствующая постоянным температурам холодного и горячего спаев; находятся значения термо- э.д.с. Е, ток короткого замыкания Iк.з, ток I1 и величина падения напряжения на нагрузке.
Схема экспериментальной установки:
1 — теплоизоляционное ограждение; 2 — теплоизоляционная засыпка; 3 — охранный нагреватель; 4 — асбоцементная пластина; 5 — крышки; 6 — корпус; 7 — термоэлектробатарея; 8 — основной нагреватель; 9 — электроизоляционная теплоконтактная прокладка; 10 — холодильник
Соответственно этим точкам экспериментально определяются величины мощности электрического нагревателя на холостом ходу WХХ и в точке нагрузки Wп, затем по формулам (9), (7) и (6) подсчитывается максимальный к. п. д. термоэлектробатареи.
Для проведения эксперимента по определению максимального к.п.д. термоэлектробатарей плоской конструкции предлагается схема установки, представленная на рисунке.
Для предотвращения тепловых утечек основного нагревателя в сторону, противоположную испытуемой термоэлектробатареи, в установке предусмотрен охранный нагреватель пластинчатого типа. Для регистрации величины тепловых утечек между охранным и основным нагревателями установлена асбоцементная пластина, по толщине которой замеряется перепад температур. Регулируя в процессе эксперимента электрическую мощность на охранном нагревателе с помощью регулятора напряжения, необходимо добиться минимального перепада температур, т. е. свести тепловые утечки в этом направлении к нулю.
Для создания равномерного теплового потока через термоэлектробатарею в установке применяется асбоцементное теплоизоляционное ограждение и теплоизоляционная засыпка. Боковые тепловые утечки через теплоизоляционное ограждение регистрируются посредством измерения температур по толщине асбоцементных пластин.
Предварительные эксперименты по определению максимального значения к.п.д. термоэлектробатарей плоской конструкции по предлагаемой методике дали положительные результаты.
