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
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
кандидат технических наук, доцент
Ведущая организация – Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики (СПбГУ ИТМО)
Защита состоится «29» октября 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.234.01 при Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий Санкт-Петербург, ул. Ломоносова,. тел./
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан «24» сентября 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук,
профессор
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 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 наС 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 … -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
для I=2А: dT = -1,519 * Qo + 32,5 для I=2A: dT = -1,500 * Qo +30
для I=1А: dT = -1,625 * Qo + 19,5 для I=1A: dT = -1,636 * Qo +18
Подобные аппросимационные характеристики заложены в программу расчета в широком диапазоне температур тепловыделяющих спаев для ТЭМ одно - и двухкаскадного исполнения.
Ниже приведен пример аппроксимации характеристик компрессорно-конденсаторных агрегатjв фирмы Hermetic, использованные при расчетах в диссертационной работе:
для агрегата AEZ2415ZBR: Tкип = 0,0727 * Qo – 49,9;
для агрегата AE1417ZB: Tкип = 0,0588 * Qo – 49,1;
для агрегата CAE2420ZBR: Tкип = 0,0465 * Qo – 48,49.
Методика расчета КТСТ, основанная на решении системы уравнений (1–10)
|
|
Рис. 5. Зависимость температуры в камере от холодопроизводительности
|
На рис.5. показаны зоны рационального применения того или иного технического решения КТСТ. Показано, что в области I (с диапазоном температур –80 до –63°C) наиболее эффективно, с точки зрения достижения минимальных температур в камере, термоэлектрический блок комбинированной системы выполнять на основе двухкаскадных ТЭМ. В области II (с диапазоном температур –63 до –40°C) наиболее низкие температуры в камере термостатирования могут быть получены при использовании однокаскадных модулей в термоэлектрическом блоке. В области III с температурами в рабочей камере, выше –40°C, целесообразно применять однокаскадное охлаждение (как на базе ПКХМ, так и на базе ТЭМ).
|
|
|
|
|
|
а б
Рис. 6. Зависимость температуры в камере от силы тока для комбинированной системы при различных нагрузках: а – с однокаскадными ТЭМ; б – с двухкаскадными ТЭМ.
На рис. 6 приведены примеры расчетов низкотемпературных КТСТ, из которых видно, что оптимальные режимы работы ТЭМ, обеспечивают минимальную температуру в рабочей камере при определенных значениях силы тока питания. При этом видно, система с однокаскадными ТЭМ гораздо чувствительнее к номиналам питания, чем система с двухкаскадными ТЭМ.
Применение ТЭМ в комбинации с ПКХМ при работе по схеме теплового насоса (рис. 2б) позволяет существенно расширить температурный диапазон эффективной работы системы.
Рис. 7. Теплопроизводительность КТСТ в зависимости от условий теплоотдачи со стороны термоэлектрического блока при различных температурах окружающей среды.
На рис. 7 приведены зависимости для теплопроизводительности некоторой КТСТ в диапазоне температур наружного воздуха от 20 до -20 С. Следует отметить, что работа традиционной ПКХМ в режиме теплового насоса при температурах наружного воздуха нижеС практически нецелесообразна, т. к. коэффициент преобразования системы в этих условиях стремится к единице и вырабатываемая тепловая мощность равна энергопотреблению компрессора. Применение ТЭМ в тепловом контакте с испарителем ПКХМ позволяет поднять температуру кипения и существенно увеличить коэффициент преобразования для данных условий эксплуатации.
Рис.8 Зависимость отопительного коэффициента от температуры окружающей среды при различных режимах работы КТСТ в режиме теплового насоса.
На рис. 8 приведены расчетные зависимости коэффициента преобразования конкретной КТСТ от температуры окружающей среды при различной мощности энергопотребребления. Видно, что коэффициент преобразования данной системы заметно превышает единицу даже при низких температурах окружающей среды. Причем величина коэффициента преобразования существенно растет с ростом мощности системы.
Применение ТЭМ в комбинированных системах охлаждения наряду с расширением рабочего температурного диапазона может быть рациональным с позиций поддержания оптимальных параметров в аппаратах системы. В диссертационной работе приведены примеры расчета КТСТ со стабилизацией температуры конденсации ПКХМ, а также схемные решения двухкаскадных ПКХМ со стабилизацией температуры в промежуточных теплообменниках системы. Из опыта проектирования и эксплуатации двухкаскадных ПКХМ известно, что колебания температуры и давления в промежуточных теплообменниках часто приводят к выходу из строя компрессора низкотемпературной ступени системы.
Контактные термические сопротивления на поверхностях сопряжения ТЭМ с теплообменными аппаратами определяют необратимые потери, характерные для систем с применением термоэлектрических преобразователей. Данные потери относятся к внутренним потерям системы, т. е. к такому виду потерь, которые могут быть снижены на этапе проектирования.
Δtкам, 0С Δtкам, 0С
k, 10 3 · Вт/(м2 К) k, 10 3 · Вт/(м2 К)
Рис.9. Изменение развиваемой разности температур низкотемпературной КТСТ в зависимости от коэффициента теплопередачи на контактных поверхностях ТЭМ. Здесь k1 – контакт на теплопоглощающей стороне ТЭМ, k2 – контакт на тепловыделяющей стороне ТЭМ.
Расчетные данные на рис. 9 характеризуют влияние качества теплового контакта ТЭМ на характеристики системы в зависимости от направления теплового потока и развиваемой холодопроизводительности. Видно, что снижение коэффициента теплопередачи контакта ниже 4Вт/(м2 К) существенно занижают характеристики системы, что особенно сказывается на тепловыделяющей стороне ТЭМ из-за более высоких плотностей теплового потока.
Экспериментальные исследования КТСТ выполнялись на экспериментальном стенде (рис.10) в два этапа. На первом этапе получена нагрузочная характеристика экспериментального компрессорно-конденсаторного агрегата в соответствии с выражением (9). На втором этапе получены экспериментальные данные по выходу системы на режим при различных мощностях энергопотребления ТЭМ, которые сопоставлены с расчетными характеристиками по аналогии с зависимостями на рис. 6. Расхождение по расчетному и экспериментально полученному перепаду температур в камере относительно окружающей среды не превышает 3% (рис.11).
Результаты диссертационной работы внедрены в нефтехимической
и в лакокрасочной промышленности, а также в сертификационных испытательных центрах РФ. На рис.12 приведен общий вид модели испытательного криостата «Миконта-МТ», выполненного по схеме низкотемпературной КТСТ.
Рис. 10. Схема экспериментального стенда и измерительной системы для исследования низкотемпературной КТСТ.
Рис. 11. Пример выхода на стационарный режим и сравнительные экспериментально-расчетные характеристики низкотемпературной КТСТ.
Рис.12. Общий вид и характеристики криостата «Миконта-МТ»
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Показано, что в технике охлаждения и термостатирования существует диапазон температур и производительностей, в котором КТСТ обладают рядом преимуществ перед традиционными системами.
2. Обоснованы и разработаны две группы тепловых схем КТСТ: схемы с расширением температурного диапазона (морозильные камеры и тепловые насосы) и схемы со стабилизацией тепловых режимов в аппаратах системы.
3. Расчет и проектирование КТСТ предложено проводить на базе разработанного программного продукта, реализующего математическую модель, учитывающую характеристики современной элементной базы парокомпрессионных установок и термоэлектрических модулей.
4. Адекватность математической модели и результатов расчетов доказана с помощью натурного эксперимента с низкотемпературной КТСТ на разработанном экспериментальном стенде.
5. Показано, что для низкотемпературных КТСТ характерны оптимальные режимы работы, достигаемые изменением силы тока питания термоэлектрического каскада.
Приведены примеры расчета устройств с минимизацией температуры в рабочей камере.
6. Анализ внешних и внутренних необратимых потерь в элементах КТСТ указывает на возможность повышения их эффективности за счет снижения контактных термических сопротивлений в элементах системы.
7. На основе современной элементной базы построены сравнительные характеристики КТСТ с одно - и двухкаскадными термоэлектрическими блоками в широком диапазоне производительности и температур статирования.
8. Разработаны, изготовлены и внедрены в промышленности опытные образцы КТСТ различной производительности для климатических испытаний образцов продукции.
Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях:
1. , Богомолов расчетные характеристики низкотемпературной комбинированной системы термостатирования – Известия Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий, 2006, №1, с.38–40.
2. , Сулин тепловых режимов компрессионно-термоэлектрического криостата – Теория и практика разработки и эксплуатации пищевого оборудования, 2007, №1, с.28–33.
3. , Богомолов термического сопротивления тепловому контакту на энергетические характеристики комбинированной системы охлаждения – Известия Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий, 2007, №1, с.15–17.
4. , Сулин термоэлектрических батарей для стабилизации температуры конденсации в комбинированных системах охлаждения – Материалы III Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», С-Петербург, 2007, с.179–182.
5. Богомолов эффективных режимов термоэлектрической ступени в гибридных системах охлаждения – Материалы III Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения», Махачкала, 2007, с.19–21.
6. , Богомолов решения и характеристики компрессионно-термоэлектрических систем термостатирования – Материалы III Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения», Махачкала, 2007, с.100–102.
7. Богомолов исследования термостатов с комбинированной компрессионно-термоэлектрической системой охлаждения – Материалы V Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», С-Петербург, 2008, с. 325–329.
8. , Богомолов -термоэлектрические термостаты лабораторного назначения – Известия вузов. Приборостроение, №7, 2008, с.65–67.
