Термоэлектрические тепловые насосы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

Институт холода и биотехнологий

РЕФЕРАТ

на тему:

«Термоэлектрические тепловые насосы»

Выполнила:

Магистрант группы и-5453

Тукмакова А.С.

Санкт-Петербург, 2015г.

Содержание

Введение

Физическое обоснование процесса

Каскадные термоэлектрические тепловые насосы

Режим максимального холодильного коэффициента

Возможные методы усовершенствования термоэлектрического теплового насоса

Бытовое применение

Основные преимущества и недостатки термоэлектрических тепловых насосов

Список литературы

Введение

каскадный термоэлектрический тепловой насос

Принцип работы теплового насоса (ТН) был сформулирован британским физиком и инженером Уильямом Томсоном и в дальнейшем усовершенствован австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером. Изначальной целью Риттингера не было создание теплового насоса, но использование тепла, выбрасываемого холодильной машиной для подогрева воды, а в дальнейшем для нагрева воздуха в помещении. Далее ему пришла идея использовать теплоту земли, т.к. на определенной глубине температура не изменяется в зависимости от времени года, он пропускал фреон по медным трубам, газ конденсировался в доме и возвращался в землю. В доме горячий воздух распространялся при помощи вентилятора. Практическое использование имело место с 30-40-х годов ХХ века, спустя несколько десятилетий интерес к тепловым насосам возрос еще больше в связи с потребностью в энергосбережении. В настоящее время этими устройствами пользуются люди по всему миру.

Устройство теплового насоса схоже с холодильной машиной(ХМ). В ХМ основной задачей является отвод тепла от объекта т.е. его охлаждения, в тепловом насосе отведенная теплота используется для обогрева какой-либо среды. То есть в первую очередь создание теплового насоса было обоснованно экономически. Такие машины бывают парокомпрессионными, абсорбционными, термоэлектрическими. Но если в первых двух случаях холодильную машину нужно переделать, усовершенствовать и усложнить для получения желаемого эффекта, то в третьем случае дело обстоит несколько иначе. Термоэлектрический холодильник уже является и радиатором и также генератором электроэнергии, в зависимости от режима работы, и понятие теплового насоса отображает не цель, с которой используется машина, а саму суть ее работы и тех физических процессов, которые в ней протекают. Поэтому существует некоторое различие в понятии теплового насоса для разных видов машин.

Физическая основа процесса

Указанные устройства содержат термоэлектрический модуль, сформированный в виде матрицы термоэлектрических элементов, состоящих из проводников или полупроводников Р- и N-типа, соединенных последовательно по току и соединенных параллельно по потоку теплоты. Термоэлектрические элементы размещены на подложках из электроизоляционного теплопроводного материала, как правило, типа керамики. Термоэлектрические модули соединены с теплообменниками для формирования теплового насоса, предназначенного для использования в быту и промышленности.

Известные термоэлектрические тепловые насосы имеют определенные недостатки, связанные со способами соединения теплообменников с термоэлектрическими модулями и подключения этих термоэлектрических модулей к источнику питания, а также к контроллеру.

Теперь опишем эффект Пельтье, который является полезным. Имеется некоторый проводник, состоящий из двух разнородных материалов, спаянных между собой. Электрон при переходе в систему с энергией выше его собственной, теряет часть своей энергии, охлаждается, а значит, снижает температуру системы. Таким образом возникает эффект охлаждения. И наоборот, при переходе в систему с энергией ниже собственной, электрон отдает часть своей энергии, а соответственно высвобождается теплота, происходит повышение температуры системы. Возникает разница температур. Стоит заметить, что количество электронов очень велико, а движение их не строго направлено, поэтому свой путь отдельный электрон может пройти только за несколько десятков лет. Эффект Пельтье происходит на фоне теплоты Джоуля, которая выделяется равномерно и прогревает всю систему. Поэтому поверхность теплого контакта следует стабилизировать при температуре окружающей среды, т.е. организовать сброс теплоты, как той, которую сбрасывает охлаждаемое тело, так и теплоту Джоуля. Таким образом термоэлектрический тепловой насос перемещает теплоту от среды с более низкой температурой к среде с более низкой температурой, вопреки второму закону термодинамики. Стоит поточнее разобраться с эффектами, участвующими в этом процессе. Эффект Пельтье, отводящий теплоту. Эффект Джоуля, выделяющий теплоту по всему объему, половина которой поступает на горячий, а половина на холодный спай. И также эффект теплопроводности- естественной передачи теплоты от более горячего спая к менее горячему. Можно записать эти три теплоты с учетом знаков, для случая работы в режиме охлаждения

Qп- Qдж- Qтепл,

теперь можно записать физические параметры, входящие в эти величины

бTI- 1/2(I2R) -K (Тг- Тх)

б- термоЭДС материала,

Т- температура контакта,

I-сила тока,

R- электрическое сопротивление,

К- полная теплопроводность элемента

При росте разности температур происходит увеличение эффекта теплопроводности.

После достижения определенного значения силы тока, эффект Джоуля начинает преобладать над эффектом Пельтье, так как в выражении для теплоты Джоуля сила тока находится в квадрате. Значит, существует предел эффекта охлаждения. И возможно достижение максимума разности температур при компенсации всех трех эффектов. Тогда можно приравнять выражение к нулю:

бTI- 1/2(I2R) -K (Тг- Тх) =0

Такой режим демонстрирует возможности эффекта, но для получения практической выгоды нужно поместить нагрузку на холодный спай. В таком случае уменьшится разность температур, но эффект Пельтье будет использоваться для охлаждения

бTI- 1/2(I2R) -KДТраб = Q0

ДТраб<ДТmax

При увеличении тепловой нагрузки рабочая разность температур уменьшается. В конечном итоге имеем ДТраб=0, Q0=Q0max

Тогда, Q0max=K ДТmax

Далее можно определить максимально возможный (оптимальный) ток, при котором достигается ДТmax

бТх=IR

Iопт=I0= бTxR= бTxs/сl

Б зависит от свойств материала. Высоту и сечение ветви можно варьировать любым способом. Это дает теоретическую возможность создавать термоэлемент любой мощности.

Зная оптимальный ток, можно определить ДТmax

ДТmax=1/2 ZТх2=1/2 (б2Tx2/кс)

Из последнего выражения следует важное замечание о том, что эффективность термоэлектрических холодильных машин зависит только от энергетических и тепловых характеристик материала. Никаких технических параметров в формуле нет, значит, эффективность не зависит от геометрических параметров, что весьма выгодна отличает термоэлектрические машины от парокомпрессионных, где эффективность напрямую зависит от мощности на валу электродвигателя.

Еще раз рассмотрим холодный спай термоэлемента, находящийся при максимальной разности температур. Учитывая принцип аддитивности тепловых потоков, может сокращать потоки направленные друг другу навстречу

ДТmax=0

Тогда

Ѕ Qпельтье= Qк

Таким образом, при максимальной разности температур одна половина теплоты Пельтье расходуется на перемещение половины теплоты Джоуля на горячий спай, а вторая половина на компенсацию теплового потока на холодный спай, поступающего за счет теплопроводности ветвей термоэлемента. Физическая картина на холодном спае термоэлемента при максимальном токе и разности температур такая: эффект Пельтье перемещает всю теплоту Джоуля на горячий спай и компенсирует поток за счет теплопроводности ветвей при температуре ниже температуры горячего спая на величину ДTmax.

Каскадные термоэлектрические тепловые насосы

Если холодопроизводительность машины достаточна, но разница температур не удовлетворяет нужд потребителей, и существует необходимость получить рабочую разность температур больше максимальной разности температур, то есть смысл соединить термобатареи в каскад.

На горячем спае самой нижней термобатареи выделяется самое большое количество теплоты, т.к. теплота Джоуля суммируется, то каждый каскад вносит свой вклад. Каскадирование позволяет увеличить рабочую разность температур.

Режим максимального (оптимального) холодильного коэффициента

Известно, что в отличие от КПД холодильный коэффициент может быть и равен единице и даже быть больше нее.

е= Q0/W0

Стоит задержать внимание на этом парадоксе. Для перевода системы из одного состояния в другое нет необходимости переводить в это состояние каждую частицу системы в отдельности, так как существуют частицы с энергией гораздо больше и меньше средней. Это создается за счет Гауссового распределения- статистического разброса частиц системы по энергиям.

Гауссово распределение, по оси х отложена средняя температура системы

Следовательно, этот процесс происходит естественным путем, и нет нужды совершать работу. Т.к. эта энергия W находится в знаменателе выражения, холодильный коэффициент возрастает при стремлении разности температур к нулю, и значит при стремлении максимумов систем к совмещению. При равенстве температур любая частица за счет броуновского движения может оказаться в любой из этих двух систем.

Возможные методы усовершенствования термоэлектрического теплового насоса

Благодаря компактности элементов, существует возможность совмещать термоэлектрические ТН, или термоэлектрические модули, во всевозможные конфигурации. Это позволяет не только удобно располагать их в зависимости от требований, но и улучшать эффективность за счет грамотных геометрических решений.

Например, термоэлектрический тепловой насос содержит один или более термоэлектрических модулей, соединенных с горячей стороны с первым теплообменником, а с холодной стороны - со вторым теплообменником(рис.2). Насос содержит также пару удлиненных шинных элементов из электро- и теплоизоляционного материала, которые расположены на двух параллельных сторонах теплообменников по меньшей мере частично в зазоре между торцевыми поверхностями фланцев теплообменников. По меньшей мере один из удлиненных шинных элементов содержит проводники для подачи электропитания для термоэлектрических модулей и проводники для подачи сигналов управления этими модулями. Теплообменники, контактирующие с термоэлектрическими модулями, соединены один с другим посредством множества зажимов, каждый из которых сформирован С-образной металлической скобой. Технический результат: возможность адаптации к различным эксплуатационным требованиям. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.[2]

Рис.2

Бытовое применение

Главное направление в бытовом применение- это энергосбережение, получение тепла/холода/электроэнергии в небольшом (как раз таки достаточном для быта) количестве. Например, термоэлектрический тепловой насос для бытового отопления.[3] Конструкция теплового насоса приведена в двух разрезах на рис.3 и 4. Он состоит из теплоизоляционного корпуса 8, нагреваемого проточного теплообменника 9, батареи термоэлектрических модулей 10 и охлаждаемого проточного теплообменника 11. В обоих теплообменниках установлены перегородки 12, которые разбивают поток теплоносителя и равномерно распределяют его по всему объему теплообменников.

Принцип работы устройства следующий. На самой батарее отопления устанавливается стандартное биметаллическое реле, на котором пользователь задает необходимую температуру. При замыкании контактов биметаллического реле через батарею термоэлектрических модулей 10 протекает постоянный ток от источника постоянного тока (на чертеже не показан). Термоэлектрические модули в соответствии с эффектом Пельтье перекачивают тепло от охлаждаемого проточного теплообменника 11 к нагреваемому проточному теплообменнику 9. При повышении температуры батареи отопления до заданной контакты биметаллического реле размыкаются и термоэлектрический тепловой насос выключается.

Устройство просто в изготовлении, не требует специального обслуживания и может использоваться в любых бытовых условиях.

рис.3

Рис.4

Основные преимущества и недостатки термоэлектрических тепловых насосов

Тепловые насосы, работающие на термоэлектричестве, принципиально отличаются от парокомпрессионных и абсорбционных машин. Следует отметить их основные преимущества и недостатки.

Преимущества:

Простое переключение режима “холодильник-радиатор”, осуществляемое за счет изменения направления течения тока.

Независимость от габаритов, формы, пространственного расположения, веса.

Отсутствие хладагентов. Работа совершается электрическим током. В настоящее время существует проблема использования углеводородных рабочих веществ, самые эффективные из них, такие как R12 и R22 запрещены из-за разрушающего действия на озоновый слой, хлор, входящий в их состав, крайне опасен для атмосферы Земли. Аммиак токсичен и опасен в использовании. Природные холодильные агенты, например, пропан, этан, крайне взрыво- и пожароопасны, особенно при их прохождении через компрессор, что опасно для здоровья и даже жизни рабочих.

Отсутствие инерции из-за того, что работа совершается электрическим током.

Нечувствительность к короткому замыканию.

Отсутствие движущихся частей, бесшумность, отсутствие вибраций, а значит, долгосрочность и надежность работы, отсутствие пагубного воздействия на здоровье рабочих.

Отсутствие змеевиков, которые требуют особого внимания, промывки, продувки, снятия льда.

Незаменимость в областях, находящихся в недосягаемости для человека, где важен сам факт возможности получения энергии, а не эффективность, например, в космосе.

Недостатки:

Главным недостатком по-прежнему остается низкая эффективность таких систем, из-за которой термоэлектричество не находит широкого применения и почти не используется в промышленных нуждах.

Сложные технологии синтеза материалов с нужными свойствами, достаточно высокая их стоимость. Так что термоэлектрики как правило оказываются экономически невыгодным решением.

Список литературы

[1] Булат Л.П., Ведерников М.В., Вялов А.П., Термоэлектрическое охлаждение, под редакцией Л.П.Булата, Спб.:СПбГУНиПТ, 2002г.

[2] КОДЕКАСА Маттео (IT), ПАСТОРИНО Джорджо (IT), патент от 27.06.2009 г.

[3] Исмаилов Тагир Абдурашидович, Аминов Гарун Ильясович, Исмаилов Рустам Тагирович ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" (ДГТУ) патент от 23.07.07.

Размещено на Allbest.ru