* Составители Н. Л. Б. Андреева.

Рис. 13.26. Схематическое изображение термостата

13.3. ТЕРМОСТАТЫ*

Общие положения

В инженерной практике термостатом (ТСТ) называется устройство, которое, находясь в среде с меняющейся в широком интервале температурой, обеспечивает внутри некоторого объема с помещенным в него объектом термостатиронаиия заданную температуру (узкий интервал изменения температуры) в течение длительного времени. При этом объект термостатирования может быть пассивным (без источников тепловой энергии) и активным.

Конструктивно термостат (рис. 13.26, а) состоит из камеры (/) с объектом термостатирования (2), источника или стока тепловой энергии (5), теплоизолирующей оболочки (4) с защитным кожухом (5) Элементы конструкции, а также электрические соединения (6) являются тепловыми мостами (связями) объекта термостатирования с камерой и окружающей средой. Для контроля температуры внутри камеры устанавливается датчик (7) с контрольными и исполнительными устройствами(й), которые управляют источником или стоком тепловой энергии. Наличие

управляющих устройств с регуляторами температуры - характерная черта активных термостатов.

Для выравниванит поля температур в рабочей зоне ТСТ его камеру выполняют из хорошо проводящего тепло материала, нагревательные или холодильные элементы располагают по стенкам камеры равномерно, используют внутри камеры конвекцию среды, применяют снаружи камеры вещество с постоянной температурой плавления и т. д.

При проектировании ТСТ необходимо обеспечить: 1) заданные температуры в рабочем объеме или объекте, 2) точность термостатирования, 3) допустимую неравномерность поля температур в объекте или в объеме камеры, 4) нормальную работу при изменении внешних тепловых потоков, 5) допустимую мощность источников или стоков тепла, 6) необходимое время выхода на заданный режим, 7) заданные массу и обьем.

При разработке конструкций ТСТ рекомендуется:

- равномерно распределять по объему активного объекта источники тепловой энергии (если требуется обеспечить одинаковую точность термостатирования по всему объему);

- электрические и механические связи объекта выполнять из мате-

Ярышев, риалов с большим тепловым сопротивлением, располагать их (по воз-

Температуры стенок, ограничивающих /-Ю прослойку, в первом приближении выбирают ориентировочно, а затем уточняют их значения методом последовательных приближений.

можности) на изотермических поверхностях, применять тепловые компенсаторы;

- выбирать форму камеры в виде шара, цилиндра или куба с надежным тепловым контактом конструкций. Для выравнивания поля температур в камере и уменьшения колебаний температуры в процессе регулирования ее стенки должны быть массивными, выполнены из материала с высоким коэффициентом теплопроводности и большой теплоемкостью. Однако для сокращения времени установления рабочей температуры теплоемкость камеры должна быть минимальна, поэтому для удовлетворения обоих условий необходимо выбрать материал с высоким коэффициентом температуропроводности (например, алюминий);

- обеспечить равномерное температурное поле нагревателя и использовать хорошо проводящие тепло электроизоляционные материалы;

- для оболочки термостата применять теплоизоляцию с малым коэффициентом теплопроводности (например, пенопласт, фетр, стекловолокно, войлок) или создавать вакуумную прослойку;

- для уменьшения теплоотдачи от термостата в окружающую среду помещать ТСТ в кожух, выполненный из тонкого листового металла с малым коэффициентом излучения и с хорошей обработкой поверхности (полировкой]г:

При последующем тепловом расчете и оптимизации конструкции ТСТ выполняют:

I Расчет стационарного режима (выбор размеров, теплофизических параметров материалов, мощности нагревателя и т. п.).

2. Оценку неравномерности поля температур в объекте и камере.

3 Анализ стационарного и нестационарного тепловых режимов тер-мостатируемого объекта по отношению к камере ТСТ и окружающей среде для уменьшения статических ошибок ТСТ.

4 Расчет нестационарного теплового режима (определение теплоилер-ционных свойств объекта, элементов и ТСТ в целом; расчет переходного процесса и влияния изменения внешних условий на точность термоста-тирования; получение уравнений ди-

намики ТСТ, объекта и датчика температуры).

5. Анализ работы электрической схемы автоматики для стабилизации температуры.

6. Расчетно-экспериментальное моделирование геометрических, тепло-физических, статических и динамических характеристик ТСТ.

7. Оптимизацию конструкции с учетом типовых решений.

Последовательность теплового расчета термостата

Рассмотрим последовательность теплового расчета ТСТ [43], тепловая модель которого показана на рис. 13.26, а.

1. На основании исходных данных уточняем геометрические и тепло-физические параметры объекта тер-мостатирования: объем Vi, площадь наружной поверхности Si,2, ортогональные линейные размеры 2Li, 2L2 и 2L3, эффективный коэффициент теплопроводности Я среднюю удельную теплоемкость Cj и среднюю плотность pi.

2. Определяем геометрические и теплофизические -параметры каждой из оболочек: площади внутренней Sj 1 и наружной Sj. 2, поверхностей, а также объемы Vj, i и 2, ограниченные соответственно поверхностям Sj, 1 и Sj, а, объем оболочки Vj = V]\ 2 - Vj, 1, эффективный коэффициент теплопроводности Kj, зф удельную теплоемкость Cj, плотность Pj. В значении величины Kj для газообразных и жидких прослоек должны быть учтены конвекция и излучение [14]. При расчете Kj дф необходимо найти эффективную толщину /-Й прослойки 6j. зф по формуле [42]:

].Эф=(j.2/Sj,2) ( +I).(l-

-Sj,2Vj,i/Sj,xVj ), (13.45)

3. Определяем геометрические и теплофизические параметры тепловых мостов: площадь поперечного сечения Fi, толщину 6j, эквивалентный радиус R = YFiln и коэффициенты теплопроводности ki.

4. Находим определяющие размеры элементов ТСТ: Li = 0,254

для объекта термостатирования,

4 = (yi.2lSi,2) X

X(i-Vj Sj,VjSj,) (13.46)

для оболочек.

5. Находим геометрические характеристики элементов ТСТ:

Ф1 = , Si.a/Ki,

/1 = 0,3 (1-f 0,33(pi),

r\j-Sj,J{Sj,i + Sj,), (13.47)

/Л1 = 0,5[1-0,167(ф,1-ч,у,2)], /j,2 = 0,3[l-0,229j-.i-f0,334),2].

6. Выявляем все тепловые воздействия, которым подвержена рассматриваемая система (источник внутреннего тепловыделения в объекте Ф1, нагреватель мощностью Ф, температура окружающей среды Эр, источник энергии д., распределенный по наружной поверхности ТСТ и др.).

7. Рассчитываем тепловую проводимость объект-среда:

Oic = I /г,с = (1 / Ое -f 1 /о

+ Uae)-\ (13.48)

Ob = 2XbSi,2Sh3,i/Lb (Si,2-fSB3,i)

- тепловая проводимость воздушной прослойки между объектом и камерой;

о = 2Я з2 5из,1 Зиза/иза (Shs.i+Shss)

- тепловая проводимость камера-кожух (теплоизоляции);

Ос = ас5кн(2 (13.49)

- тепловая проводимость кожух- окружающая среда.

Коэффициент теплообмена ас вначале выбирается ориентировочно, а затем, после определения температуры наружной поверхности ТСТ,

следует уточнить его значение и при необходимости повторить расчет методом последовательных приближений. Собственная проводимость объекта Oi = 2kiSijLi.

8. Определяем минимальную мощность нагревателя, которая обеспечит требуемую температуру стабилизации в стационарном режиме при заданных значениях параметров тепловых воздействий: ст. Яс ст.

Ivl ст-

Вид расчетной формулы зависит от того, температура какого элемента должна быть стабилизирована. Если в качестве температуры стабилизации Эст задана температура поверхности объекта Gj, т. е. бс,- = = 6,5, то полная мощность нагревателя камеры

Фн = <?[!К ст 1к=0]с fSis-6с ст~ - 9с ст / с - (1 + о,с / Ов) X XVi9 ict/oic1- (13.50)

Если в качестве температуры стабилизации задана температура Oj, ц в центре объекта, т. е. Эт = 61, д. то

Фн = 01с [бщ-6с ст-9ccт/oc- - (1 /Oic -f 1 /Ов -f 1 /Ol) 11 9 i ст]

(13.51)

Если ТСТ должен Поддерживать на заданном уровне температуру камеры вст = бк> то

Фв = 01с ]6к-Gc ст-9с ст/ с- -ViQvict/Oic]- (13.52)

При этом температура поверхности объекта будет выше температуры стабилизации (температуры камеры), причем

A6i =G,s-e =l/i9rtcT/OB. (13.53)

а температура в центре объекта

6m = 6is+li9t,i ct/oi-

При конструировании ТСТ обычно предусматривают некоторое увеличение мощности нагревателя по сравнению с расчетной для возможности форсированного управления системой термостатирования.