Сделай Сам Свою Работу на 5

Термоэлектрические тепловые насосы





Работа теплового насоса заключается в перекачке тепловой энергии от материала с более низкой температурой к материалу с более высокой температурой. Заметим, что бытовые холодильники, по существу, являются тепловыми насосами – теплота забирается в холодильной камере (происходит охлаждение) и отдается окружающему пространству от испарителя (происходит нагрев). Распространенные компрессионные и абсорбционные агрегаты имеют значительную массу, большие габаритные размеры и потребляют много электроэнергии. Кроме того, они не могут плавно регулировать температуру. Движущиеся части и газ – фреон ограничивают срок службы компрессоров. Этих недостатков лишены термоэлектрические тепловые насосы. Чтобы понять принцип их работы, рассмотрим термоэлемент, составленный из ветвей с дырочной (р-типа) и электронной (n-типа) проводимости (рис. 6.2, а).

Ветви 1 термоэлемента соединяют, металлической пластиной 2. При пропускании тока через термоэлемент в направлении, указанном стрелкой, на n-р-переходе (холодном спае) поглощается, а на р-n-переходе (горячем спае) выделяется в единицу времени теплота Пельтье QП в соответствии с зависимостью (6.2):



Если при этом температура охлаждаемого спая Т1, а нагреваемого Т2, то теплоту Пельтье для горячего и холодного спаев можно выразить как:

. (6.6)

. (6.7)

Холодному спаю от окружающей среды сообщается теплота Q0. Кроме того, по ветвям термоэлемента вследствие их теплопроводности от горячего спая к холодному передается теплота QТ. С некоторым приближением можно считать, что на каждом из спаев выделяется половина теплоты Ленца-Джоуля QR. Уравнение теплового баланса для холодного спая может быть записано в следующем виде:

. (6.8)

Рис. 6.2. Схема термоэлемента (а) и термоэлектрического полупроводникового насоса, применяемого для охлаждения (б) и нагрева (в) воздуха:

1 – ветвь термоэлемента; 2 – металлическая пластина; 3 – приточный вентилятор; 4 и 6 – холодные и горячие спаи; 5 – тепловой насос

 

Из уравнения (6.8) теплота, забираемая от окружающей среды:

. (6.9)

Уравнение теплового баланса для горячего спая запишется так:

, (6.10)

где Qr - теплота, передаваемая горячим спаем нагреваемому объект.



 

Из уравнения (6.10) получаем:

. (6.11)

Так как Qr и Qo представляют собой количество теплоты в единицу времени, то работа электрических сил (потребляемая мощность)

. (6.12)

С учетом формул (6.5) и (6.6), а также отношений (6.9) и (6.11) уравнение (6.12) можно переписать в следующем виде:

, (6.13)

где R - сопротивление ветви термоэлемента, Ом.

 

Из анализа уравнения (6.13) видно, что потребляемая термоэлементом мощность Р расходуется на преодоление термоЭДС и активного сопротивления; термоэлемент при этом работает как тепловой насос, перекачивая теплоту от окружающей среды нагреваемому объекту.

Для анализа энергетической эффективности тепловых насосов обратимся к уравнению (6.12), которое можно переписать в таком виде:

. (6.14)

Так как отношение Qr/P = kОТ представляет собой отопительный коэффициент, а отношение Q0/Р = kx - холодильный, можно получить известное из термодинамики соотношение:

. (6.15)

При использовании современных полупроводниковых материалов k0T полупроводникового теплового насоса достигает 5. С учетом уравнения (6.15)

. (6.16)

Следовательно, эффективность отопления будет тем выше, чем меньше разность температур Т2 - Т1 между спаями.

Наиболее экономичным с точки зрения потребления электрической энергии является режим работы теплового насоса, при котором отопительный или холодильный коэффициенты максимальные. При работе в режиме охлаждения максимальному холодильному коэффициенту соответствует определенный ток в цепи термоэлемента. Это объясняется тем, что при больших значениях тока теплота Ленца-Джоуля QR, пропорциональная квадрату тока, превышает теплоту Пельтье Q, пропорциональную, т.е. вместо охлаждения будет происходить нагрев. При работе в режиме нагрева экстремальная зависимость отопительного коэффициента от тока отсутствует.



Холодо- и теплоподачу тепловых насосов регулируют, изменяя силу тока, протекающего по термоэлементам. Регулирование может быть непрерывным или по принципу включено-выключено. Последнее отличается большей простотой, но меньшей экономичностью, так как через ветви термоэлементов, имеющих высокую теплопроводимость, при отключении питания возникает большая передача теплоты.

Для питания термоэлектрических нагревательных и холодильных устройств используют источники постоянного тока или тока с незначительной пульсацией. Наиболее распространены выпрямители однофазного переменного тока с последующим сглаживанием пульсации в фильтре. Чтобы получить нужное напряжение, применяют понижающий трансформатор и одно- или двухполупериодные схемы выпрямления. Для сглаживания пульсации применяют, как правило, индуктивные фильтры, включенные последовательно с термобатареей, или аккумуляторы, соединяемые параллельно с термобатареей. В случае трехфазного выпрямления фильтр обычно не ставят, так как пульсация при этом незначительная.

Термоэлектрические устройства могут найти применение для охлаждения питьевой воды в полевых условиях. Вода охлаждается при протекании через термобатарею или в сосуде для ее хранения. Аналогичные охладители возможно использовать и для молока. При этом необходимо, чтобы оно стекало тонким слоем по охлаждаемым сторонам термобатареи. Такая конструкция обеспечивает хороший теплообмен с молоком и легкий доступ к поверхностям, требующим мытья после пользования.

Термоэлектрические тепловые насосы особенно перспективно применять в качестве кондиционеров в различных производственных помещениях для поддержания комфортных условий по температуре (рис. 6.2. б). Легкий переход с охлаждения на нагрев и, следовательно, большая гибкость по сравнению с обычными системами дают значительные преимущества термоэлектрическим кондиционерам.

Контрольные вопросы и задания. 1. Объясните физическую сущность эффектов Зеебека, Пельтье и Томсона. 2. В каких технических устройствах используют эти эффекты? 3. Объясните принцип работы термоэлемента. 4. Объясните принцип работы теплового насоса. 5. Как можно регулировать холодо- и тепло- отдачу термоэлектрических тепловых насосов? 6. Назовите преимущества и области применения полупроводниковых тепловых нагревателей и охладителей в сельском хозяйстве.

 

 

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.