На правах рукописи

БОГОМОЛОВ ИВАН НИКОЛАЕВИЧ

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ

КОМБИНИРОВАННЫХ КОМПРЕССИОННО-ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ И ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ

Специальность 05.04.03 - Машины и аппараты, процессы холодильной и

криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий

Научный руководитель: доктор технических наук

Сулин Александр Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Пекарев Валентин Иванович

кандидат технических наук, доцент

Мальгин Юрий Васильевич

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики (СПбГУ ИТМО)

Защита состоится л29 октября 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Да212.234.01 при Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д.9. тел./факс (812) 315-30-15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан л24 сентября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор Тимофеевский Л.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В настоящее время диапазон производительности систем охлаждения и термостатирования, применяемых в промышленности, сельском хозяйстве и научно-исследовательских работах, охватывает мощности от единиц и десятых долей ватта до десятков мегаватт. Если в секторе больших производительностей безусловно доминируют парокомпрессионные, пароэжекторные и абсорбционные установки, то для малых тепловых мощностей неоспоримым преимуществом обладают термоэлектрические преобразователи, реализующие эффект Пельтье. Вторым существенным фактором кроме производительности является развиваемый тем или иным устройством перепад температур и соответствующие ограничения на температуры и давления рабочего тела. Например, для парокомпрессионных холодильных машин эти ограничения связаны с допустимой степенью сжатия в компрессоре и температурами кипения и конденсации в аппаратах. При этом развиваемого перепада температур в одном каскаде парокомпрессионного цикла бывает недостаточно для практических приложений, что вынуждает переходить к более сложным и дорогостоящим многокаскадным парокомпрессионным системам с соответствующим снижением их надежности.

Современные требования к качеству выпускаемой продукции и, соответственно, - к организации производства в соответствии с международными стандартами определяет все возрастающую необходимость в развитии лабораторной испытательной базы на предприятиях и в сертификационных центрах. Одними из определяющих для химической, металлургической, медико-биологической отраслей являются климатические испытания образцов продукции на воздействие пониженных температур уровня -60... -80 С. При этом, с учетом малоразмерности образцов и отсутствия, чаще всего, внутренних источников тепловыделений, требуемая холодопроизводительность испытательного оборудования ограничена десятками ватт при объемах рабочих камер не более нескольких десятков литров.. Использование двухкаскадных парокомпрессионноых установок для решения этих задач экономически и экологически нецелесообразно, в то время как холодопроихводительности термоэлектрических систем на данных температурных уровнях совершенно недостаточно. Проблема создания низкотемпературных установок малой холодопроизводительности может быть решена с использованием одноступенчатых парокомпрессионных холодильных машин (ПКХМ) и термоэлектрических модулей (ТЭМ) в схемах комбинированных компрессионно-термоэлектрических систем термостатирования (КТСТ). Несмотря на то, что данное техническое решение принципиально известно, в настоящее время отсутствует теория проектирования КТСТ с использованием современной материальной базы комплектующих и возможностей современной вычислительной техники.

Применение тепловых схем КТСТ с использованием ТЭМ и расширением температурного диапазона системы всего на 10... 20 С позволяет достичь качественно значимых результатов по сравнению с ПКХМ. При этом, относительно небольшие перепады температур, развиваемые термоэлектрическим блоком, в большой степени нивелируют такой недостаток элементов Пельтье, как относительно низкий коэффициент преобразования. Кроме того, высокие плотности тепловых потоков, характерные для термоэлектрических модулей, являются фактором, интенсифицирующим процессы теплопередачи при кипении и конденсации рабочего тела в аппаратах парокомпрессионной машины. Конструктивная пластичность термоэлектрических устройств открывает возможность их применения в тепловом контакте как с испарителями, так и с конденсаторами парокомпрессионной машины в схемах как с одним, так и с двумя каскадами. Это позволяет предложить тепловые схемы КТСТ не только в качестве систем охлаждения, но и в режиме теплового насоса и в системах со стабилизацией параметров в аппаратах ПКХМ.

Таким образом, актуальной научной задачей, решенной в настоящей диссертации, является разработка методик расчета, выбора режимных параметров, конструирования и внедрения комбинированных компрессионно-термоэлектрических систем термостатирования.

Задачи исследования

1. Разработка схемных решений КТСТ с расширением температурного диапазона функционирования.

2. Разработка схемных решений КТСТ со стабилизацией тепловых режимов в аппаратах системы.

3. Разработка и обоснование математической модели КТСТ на основе современной материальной базы.

4. Анализ внутренних и внешних необратимых потерь и оценка их влияния на эффективность работы КТСТ.

5. Экспериментальная оценка адекватности математической модели.

6. Исследование режимов работы КТСТ и определение рациональных диапазонов изменения режимных параметров.

7. Конструктивное воплощение и внедрение КТСТ в промышленности.

Научная новизна работы заключается в:

- разработке тепловой и математической модели КТСТ с расширением температурного диапазона функционирования.

- разработке тепловой и математической модели КТСТ со стабилизацией тепловых режимов в аппаратах системы.

- обосновании режимных параметров КТСТ, таких как: оптимальные значения токов питания термоэлектрического каскада; диапазоны рационального применения схем с однокаскадными и двухкаскадными термоэлектрическими блоками; диапазоны рационального применения схем теплонасосных систем; режимные параметры КТСТ со стабилизацией параметров в аппаратах ПКХМ.

- разработке методики расчета КТСТ.

Практическая ценность работы заключается в корректном расчете энергетических показателей КТСТ, изготовленных на современной элементной базе, на основе чего спроектирован, внедрен в промышленности и успешно эксплуатируется ряд устройств на основе комбинированных компрессионно-термоэлектрических систем термостатирования.

Достоверность полученных результатов, положений и выводов работы подтверждается согласованностью полученных теоретических и экспериментальных результатов, а также сопоставлением результатов выполненного исследования с данными литературных источников.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы доложены на шести научно-технических конференциях: на 32-й научно-технической конференции по итогам НИР за 2005 г. профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сотрудников университета, СПбГУНиПТ, С-Петербург, 2006 г.; на 33-й научно-технической конференции по итогам НИР за 2006 г. профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сотрудников университета, СПбГУНиПТ, С-Петербург, 2007 г.; на III-й Международной научно-технической конференции Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке, СПбГУНиПТ, С-Петербург, 2007 г.; на III-й Всероссийской научно-технической конференции Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения, Махачкала, 2007 г.; на III-й Международной научно-практической конференции Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности, С-Петербург, 2007 г.; на V-й Международной научно-практической конференции Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности, С-Петербург, 2008 г. Основные положения и результаты работы опубликованы в 8 статьях, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 125 стр. машинописного текста, в 72 рисунках и 7 таблицах. Список литературы включает в себя 135 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ данных литературных источников, патентной и нормативной документации, а также интернет-публикаций позволяет выделить в сфере применения систем охлаждения и термостатирования область, характеризуемую снижением температуры относительно окружающей среды до 100 С при малых требуемых холодопроизводительностях до нескольких десятков ватт. Прежде всего, эта область характерна для лабораторной испытательной и экспериментальной техники, а также для устройств термостабилизации медико-биологического назначения.

Рис.1. Условная диаграмма рабочих диапазонов низкотемпературных систем термостатирования.

Из рис. 1 видно, что для диапазона температур -40 Е -80 С при требуемой холодопроизводительности до 100 Вт мощности ПКХМ являются избыточными, а мощности термоэлектрических систем - недостаточными. В то же время комбинированные компрессионно-термоэлектрические системы представляют собой целесообразное с экономической и экологической точки зрения решение задачи обеспечения данных тепловых режимов.

а б в г

Рис.2. Принципиальные схемы комбинированных компрессионно-термоэлектрических устройств:

1 - термобатарея; 2 - испаритель; 3 - конденсатор; 4 - компрессор; 5 - ТРВ;

6 - теплообменник; 7 - камера.

В работе рассмотрены варианты компоновки ТЭМ с ПКХМ в схемах низкотемпературного охладителя (рис.2а), теплового насоса (рис.2б), стабилизатора температуры конденсации (рис. 2в) и стабилизатора промежуточных температур в каскадной ПКХМ (рис. 2г). Первые две схемы мы классифицируем как схемы КТСТ с расширением температурного диапазона, вторые две - как схемы со стабилизацией параметров в аппаратах ПКХМ.

Для моделирования процессов в КТСТ рассмотрим энергетический баланс в системе на примере низкотемпературного охладителя.

Методика расчета КТСТ построена на обеспечении выполнения закона сохранения энергии, а именно, для случая низкотемпературной системы холодопроизводительность ПКХМ должна быть равна теплопроизво-дительности термоэлектрического блока, которая, в свою очередь, определяется суммой его холодопроизводительности и энергопотребления.

1 - зависимости для холодопроизводительности ТЭМ

2 - зависимости для теплопроизводительности ТЭМ

Qc - ось производительности

To - ось температуры кипения в испарителе ПКХМ

TТБ - ось перепада температур на ТЭМ

Рис.4. Расчетная номограмм КТСТ.

Важным усложняющим фактором, определяющим режимы работы КТСТ, является нелинейность, выраженная в температурной зависимости свойств полупроводникового вещества ТЭМ. На разработанной в диссертации расчетной номограмме параметров КТСТ (рис. 4.) эта нелинейность проявляется в необходимости использования семейства зависимостей, построенных для различных температур тепловыделяющих спаев ТЭМ. Поскольку температура тепловыделяющего спая определяется температурой кипения в испарителе, нахождение решения выполняется в итерационном процессе последовательных приближений.

Предложенный графоаналитический метод позволяет выполнить экспресс-оценку режимных параметров проектируемой системы, однако для корректного расчета и термодинамического анализа в диссертации предложен метод алгоритмического расчета, основанный на системе уравнений, описывающих процессы переноса в КТСТ.

Тепловая нагрузка на рабочую камеру является функцией температурного напора, а также геометрических и теплофизических характеристик.

(1)

Из условия теплового баланса холодопроизводительность ТЭМ равна тепловой нагрузке на камеру.

(2)

Развиваемая на ТЭМ выбранного типоразмера разность температур определяется требуемой холодопроизводительностью, номиналом энергопитания и температурой тепловыделяющего спая, которая, в свою очередь зависит от режима работы ПКХМ

(3)

Контактные термические сопротивления между поверхностями ТЭМ и аппаратов ПКХМ являются характерной необратимостью, характеризующей внутренние потери в КТСТ.

(4)

(5)

Энергопотребление и тепловыделения ТЭМ определяется режимом энергопитания и развиваемой холодопроизводительностью

(6)

(7)

Из условия теплового баланса холодопроизводительность ПКХМ равна теплопроизводительности ТЭМ.

(8)

Развиваемая разность температур в ПКХМ определяется типом машины, ее холопроизводительностью и температурой окружающей среды.

(9)

Расчетная температура в рабочей камере определяется суммированием развиваемых перепадов в ПКХМ и ТЭМ.

(10)

В настоящее время в сфере парокомпрессионного холодильного машиностроения, а также в области термоэлектрического приборостроения представлены сотни типоразмеров продукции, причем их номенклатура постоянно изменяется. В этой связи в диссертационной работе предложено в тех блоках математической модели, которые соответствуют выражениям (3) и (9) системы уравнений использовать результаты аппроксимации технических характеристик оборудования, представляемых фирмами производителями. Данный подход тем более оправдан, что современное стандартное программное обеспечение, например, в среде Microsoft Office предлагает быстрые и эффективные инструменты аппроксимации.

Например, характеристики ТЭМ производства компании Остерм, заложенные в методику расчета данной работы, аппроксимированы в виде:

Перепад температур на спаях однокаскадного модуля типа К1-127-1,4/1,6

при : при :

для I=5,8A: dT = -1,282 * Qo + 50 для I=5,9A: dT = -1,260 * Qo + 46,5

для I=5А: dT = -1,303 * Qo + 49 для I=5A: dT = -1,280 * Qo + 45,5

для I=4А: dT = -1,350 * Qo + 46,5 для I=4A: dT = -1,33 0 * Qo +43

для I=3А: dT = -1,414 * Qo + 41 для I=3A: dT = -1,410 * Qo +38,2