Комбинированные теплонасосные установки

Коэффициент преобразования можно увеличить путем приближения характеристик ТН условиям имеющихся источников тепла и требованиям потребителей, а при необходимости и к различным видам приводной энергии. С этой целью целесообразно разработать комбинированную систему, состоящую из нескольких одинаковых или различных теплонасосных контуров. Такие комбинированные системы обычно применяют только в крупных установках. Более высокие расходы на узлы и автоматизацию имеют оправдываться соответствующей экономией энергии. Теоретически из разных теплонасосных циклов можно составить большое количество схем соединений, из которых, однако, представляет интерес только три группы: несколько компрессионных ТН; несколько сорбционных ТН; компрессионное-сорбционные ТН.

К комбинации из нескольких компрессионных ТН циклов относится параллельное соединение (рис. 1.25, а). Последовательное соединение компрессионных ТН (рис. 1.22, б) представляет собой каскадные установки, чаще с различными хладагентом.

Комбинированные теплонасосные установки

Рис. 1.25. Комбинированные теплонасосные установки а - параллельное соединение; 5-последовательное соединение

Наиболее важное параллельное соединение. Каскадные установки следует применять, когда более дешевые двухступенчатые ТН не удовлетворяют требованиям разницы температур между горячей и холодной сторонами, или в установках с комбинацией процессов производства холода и теплоты, а также при необходимости достижения более высоких отопительных температур с помощью существующей холодильной установки.

Сорбционные ТН, так же как компрессионные, можно применять с параллельным соединением, при этом достигается лучшее соответствие теоретическом цикла. Если необходимо преодолеть более высокие температурные перепады между горячей и холодной сторонами, применяют сорбционные установки.

Другой тип соединения - комбинированное подключение компрессионного ТН с приводом от двигателя к абсорбционного ТН. Отработанная теплота двигателя используется для привода в действие абсорбционного ТН, благодаря чему увеличивается количество полезной теплоты.

Термоэлектрические тепловые насосы

Для ТН также может применяться термоэлектрический метод, открытый в 1834 г.. И называемый эффектом Пельтье. Он состоит в том, что в местах соединения (спайки) двух различных электрических проводников при прохождении электрического тока возникает термопара, причем в зависимости от направления тока создается нагрева или охлаждения. Этот эффект-обратный эффект Зеебека, при котором в случае разницы температур в местах спайки гальванометр показывает наличие электрического напряжения.

Физический смысл термоэлектрического ТН пояснил Иоффе: исходя из предпосылки, что свободные электроны в проводниках из различных материалов имеют разную энергию при одинаковой температуре. При прохождении тока электроны с высокой энергией переходят из одного проводника в другой, где энергия электронов ниже. Часть своей повышенной энергии передается на имеющиеся электроны, в связи с чем увеличивается температура в местах спайки. Обратный процесс протекает в холодном соединении. Сам по себе эффект Пельтье является необратимым процессом. Его необратимость, ухудшает, выражается в Джоулево теплые, которое возникает при прохождении тока в цепи, и теплопроводности от горячей стороны к холодной.

Тепловой поток на холодной стороне (рис. 1.26)

на горячей стороне

где / - ток в цепи; Т0- температура холодного спая; 7 ^ - температура теплого спая; ДГ - разница температур спаев.

Схема цепи с термопар

Рис. 1.26. Схема цепи с термопар

ТермоЭДС в цепи, состоящей из термоЭДС двух спаев проводников А и В,

Электрическое сопротивление проводников

где ь- длина проводника; А - сечение проводника; р - удельное сопротивление проводника.

Коэффициент, учитывающий теплопроводность (X) ветвей термопары

Необходимое напряжение на клеммах ИКП ~ ИЯ + ЭАТ , откуда необходимо электрическая мощность

коэффициент преобразования

Решающее значение для достижения максимального коэффициента преобразования должны термоэлектрические свойства материала проводников, выраженные через термо-ЭДС е, электропроводность о, теплопроводность X. Конечно эффективность оценивается по зависимости

Как рекомендованные материалы применяются полупроводники, то есть сплавы металлов с сурьмой, висмутом, теллуром, селеном. Особенно широкое распространение получили полупроводниковые сплавы типа 8и2Те3 и 8ЬТе3, в которых эффективность 1 достигла (с ... 3,5-10 ~ 3) К1. Хотя до сих пор не установлена теоретический предел коэффициента Z, считают, что в таких парах он не будет превышать 4-10 ~ 3К ~ '.

Термопары могут различным образом объединяться в термобатареи. Для изготовления таких батарей требуется сложная технология. Особенно важно выдержать параллельность в плане, чтобы достичь высокой теплопроводности соединений со строительными конструкциями, которые выполняют роль теплопроводник. На рис. 1.27 показано термоэлектрический нагревательных-холодильный блок, состоящий из термоэлектрической батареи и теплопередавачив.

Схема термоэлектрического нагревателя

Рис. 1.27. Схема термоэлектрического нагревателя / - проводник; 2 - элемент ветви термопары; С - теплообменник; 4 - электрокардиография; 5 - точки спаев; б - подключение источника тока

Иоффе рассчитал максимальное значение коэффициента преобразования холодильного цикла одно- и двухступенчатых батарей. Даже при высоком значении 2 от Г> 30 К коэффициенты мощности не более 2 Двухступенчатая конструкция также не дает существенного улучшения.

Термоэлектрические ТН имеют следующие преимущества: - отсутствие механических подвижных деталей; - Нет износа, длительные сроки службы; - Простота перехода из режима нагрева до охлаждения при переключении полюсов; - Бесшумность. Недостатки: - низкий коэффициент преобразования; - Высокая стоимость материалов; - Дорогие выпрямители.

Термоэлектрические установки эффективны только при малых мощности - до 100 Вт, когда удельный вес стоимости компрессора велика. При разработке ТН, предназначенного для уменьшения расходов первичной энергии, термоэлектрический способ не имеет значения.

Пример . С учетом перспективного развития полупроводниковых материалов и достижения значения коэффициента добротности Z = 0,01 1 / К определить холодильный коэффициент и эксергетический КПД термоэлектрической полупроводниковой установки, если сопротивление полупроводниковых элементов R = 20 Ом, разница коэффициентов термо-ЭДС Ле = 1 В / К сила тока / = С А.

Горячие спаи термоэлементов охлаждаются водой /в=ь0.с~ 20 ° С. Минимальная разница температур Д / г = 7 * ч - ТВ ~ 1 К. Температура холодных спаев Г0 = 270 К.

Решение . Коэффициент, учитывающий удельный теплопритоков от горячих спаев термоэлементов к холодным,

1 = е2 И kR, к = е2 lzR = 1 / 0,01 -20 = 5 Вт / К.

Температура горячих спаев 7 ^ = 7; + ^ = 293 + 1 = 294 К.

Разница температур между горячим и холодными спаями ДГ = Гг - Г0 = 294 - 270 = 24 К.

холодильный коэффициент

Коэффициент работоспособности холода (tg ) в - (? О "Го.с)" То = (270-293) / 270 = 0,0852.

Эксергетический КПД установки

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >