Моделирование и исследование теплофизических параметров материалов и структур на основе теллурида висмута и разработка термоэлектрических насосов для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии Миронов, Ростислав Евгеньевич

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Миронов, Ростислав Евгеньевич. Моделирование и исследование теплофизических параметров материалов и структур на основе теллурида висмута и разработка термоэлектрических насосов для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии : диссертация ... кандидата технических наук : 05.27.06 / Миронов Ростислав Евгеньевич; [Место защиты: Нац. исслед. ун-т МИЭТ].- Москва, 2013.- 200 с.: ил. РГБ ОД, 61 14-5/422

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Перспективы и проблемы использования термоэлектрических тепловых насосов для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии 15

1.1 Перспективы использования тепловых насосов для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии 16

1.2 Актуальность использования термоэлектрических ТН 27

1.3 Тепловое расширение твердых растворов термоэлектрических материалов .30

1.3.1 Актуальность исследования ТКЛР термоэлектрических материалов и структур 30

1.3.2. Анализ методов исследования теплового расширения материалов 33

1.4 Проблемы конструирования прецизионных термоэлектрических систем 40

1.4.1 Конструктивные особенности термоэлектрических устройств, работающих в условиях термоциклирования и повышенной влажности 40

1.4.2 Коэффициент преобразования тепловых насосов 41

1.4.3 Анализ методик расчета внешнего контура грунтового теплового насоса43

1.4.4. Метрологическое обеспечение диссертационных исследований 45

1.4.5 Аппаратно-программные решения для диссертационных исследований 46

1.5 Выводы по 1 главе 47

Глава 2. Математическое моделирование теплового расширения термоэлектрических материалов 53

2.1 Критический анализ данных по тепловому расширению термоэлектрических материалов 54

2.2 Разработка методики расчета ТКЛР анизотропных кристаллов по правилу Вегарда 66

2.3 Расчет ТКЛР из соотношения Грюнайзена 69

2.4 Выводы по 2 главе 76

Глава 3. Разработка методики и измерение ТКЛР низкотемпературных термоэлектрических материалов 80

3.1 Разработка методики и измерительного аппаратно-программного комплекса для исследования ТКЛР материалов 80

3.2 Исследование теплового расширения термоэлектрических материалов 88

3.3 Выводы по главе 3 97

Глава 4. Моделирование и разработка термоэлектрических блоков для тепловых насосов 100

4.1 Разработка методики и расчет термоэлектрических устройств, работающих в условиях термоциклирования 100

4.2 Моделирование и разработка конструкции термоэлектрического блока для теплового насоса 108

4.3 Термоэлектрические модули, для эксплуатации в условиях повышенной влажности 115

4.4. Выводы по главе 4 119

Глава 5. Моделирование, разработка конструкции и исследование термоэлектрического теплового насоса 121

5.1 Математическое моделирование внешнего контура теплового насоса 121

5.1.1 Краевые условия математической модели 121

5.1.2 Моделирование внешнего контура для трех источников тепловой энергии 138

5.2 Разработка методики, измерительного аппаратно-программного комплекса и исследование термоэлектрического теплового насоса 146

5.2.1 Расчет имитационного контура внешнего теплообменника теплового насоса 156

5.2.2 Результаты исследований энергоэффективности термоэлектрического блока теплового насоса 162

5.3 Разработка аппаратно-программных средств для исследования и эксплуатации термоэлектрических тепловых насосов 164

5.3.1 Программное обеспечение измерительного комплекса для исследования ТКЛР материалов 165

5.3.2 Аппаратно-программное решение для мониторинга термодинамических параметров теплового насоса 169

5.4 Выводы по главе 5 174

Заключение 176

Список литературы 179

Приложение 195

Перспективы использования тепловых насосов для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии
Критический анализ данных по тепловому расширению термоэлектрических материалов
Термоэлектрические модули, для эксплуатации в условиях повышенной влажности
Аппаратно-программное решение для мониторинга термодинамических параметров теплового насоса

Введение к работе

Актуальность темы

Поддержание комфортных температурных условий в зданиях требует затрат огромного количества энергии. Для этого, по данным Международного Энергетического Агентства, используется до половины всего мирового производства энергии. Перспективный способ решения этой проблемы - использование альтернативных возобновляемых источников тепловой энергии. Среди различных видов таких источников необходимо вьщелить низкопотенциальную тепловую энергию (НТЭ), которая может эффективно использоваться для отопления и кондиционирования помещений, а так же обеспечения потребностей в горячем водоснабжении. Для использования НТЭ применяют тепловой насос (ТН) - устройство, которое преобразовывает НТЭ и передает её конечному потребителю.

Естественными возобновляемыми источниками НТЭ являются земля и грунтовые воды (геотермальная энергия), воздух, открытые водоемы и т.д. Грунт в качестве источника НТЭ является наиболее распространенным в настоящее время, так как 46 % солнечной энергии усваивается землей. Поэтому грунтовые тепловые насосы (ГТН) являются самыми востребованными ТН, которые принято различать по типу используемого внешнего теплообменного контура, с вертикальным или горизонтальным контуром. В настоящей работе рассматриваются горизонтальные тепловые контуры, так как они менее изучены, к тому же, вертикальные контуры требуют значительных затрат при монтаже и для обеспечения циркуляции теплоносителя.

Необходимо отметить, что замена традиционных систем кондиционирования и отопления на ТН позволит существенно снизить потребление электрической энергии. Снижение потребления энергии от 30 до 70% в режиме отопления, и от 20 до 50% в режиме кондиционирования.

В настоящее время в мире установлено около 1 млн. ТН. Последние 10 лет в 30 ведущих странах наблюдается ежегодный 10% рост рынка ТН. В скандинавских странах в 2011г доля тепла, полученного от ТН, составила более 45% от общего. Российский рынок ТН обладает огромным потенциалом. В настоящее время утверждена (распоряжением правительства РФ от 13 ноября 2009 г № 1715-р) Энергетическая стратегия России на период до 2030 г, предусматривающая масштабное внедрение систем отопления, использующих ТН. Таким образом, исследования в данном направлении являются весьма актуальными.

Самый распространенный тип ТН, это парокомпрессионные ТН, однако они имеют ряд технических недостатков по сравнению с термоэлектрическими. Меньший ресурс работы, более сложная схема преобразования энергии и переключения режимов обогрев - кондиционирование, повышенные требования к внешнему контуру и, наконец, использование теплоносителей, вызывающих разрушение озонового слоя.

В связи с этим, в данной диссертационной работе предложено новое конструкционно-технологическое решение ТН, работающего на эффекте Пельтье. Изучение публикаций в ведущих научных журналах показало, что в настоящее время нет данных о проведении, как в России, так и за рубежом, исследований систем отопления на основе термоэлектрических тепловых насосов (ТТН). Целесообразность создания ТТН можно обосновать несколькими причинами. Термоэлектрические устройства (ТЭУ) обладают рядом достоинств по сравнению с другими системами регулирования температуры: высокой надежностью, отсутствием движущихся частей, практически неограниченным ресурсом работы, небольшими габаритами и весом, малой инерционностью, бесшумностью, независимостью от ориентации в пространстве, возможностью плавного и точного регулирования температуры. При использовании ТТН возможно оперативно переходить от режима отопления к режиму кондиционирования, изменяя полярность питания ТЭУ, причем делать это в автоматическом режиме по заданной программе. Кроме того, высокая экологичность несомненно, увеличивают конкурентоспособность ТТН по сравнению с другими типами ТН.

Отметим основные проблемы создания ТТН. Работа ТЭУ осуществляется в условиях многократного термоциклирования в широком диапазоне температур (150 - 450 К) при наличии больших температурных градиентов, превышающих 70 К/мм. Жесткие условия эксплуатации ТЭУ предъявляют повышенные требования к механической прочности этих устройств. Механическая прочность материалов термоэлементов значительно ниже прочности материалов других элементов конструкции ТЭУ. Поэтому прочность конструкции ТЭУ лимитируется прочностью термоэлектрических материалов. Наличие достоверных данных, в первую очередь, по термическим коэффициентам линейного расширения (ТКЛР) термоэлектрических (ТЭ) материалов, а также их температурной зависимости, является необходимым условием при конструировании ТЭУ. В связи с этим, необходим критический анализ имеющихся в литературе экспериментальных данных по тепловому расширению эффективных ТЭ материалов, на основе соединений Bi₂Te₃.

Анализ источников информации показал, что тепловое расширение низкотемпературных ТЭ материалов изучено весьма ограниченно, а полученные данные по ТКЛР нуждаются в дополнительной проверке. Поэтому исследования теплового расширения этих материалов представляются актуальной задачей. Используя полученные данные, необходимо проведение моделирования и разработка методов расчета ТЭУ с учетом теплового расширения конструкционных элементов.

В ТН эффективность определяется соотношением, называемым коэффициентом преобразования (КОП), равным отношению тепловой энергии, затраченной на обогрев, к электрической энергии, используемой для функционирования ТН. Один и тот же ТН может иметь разные значения КОП, в зависимости от условий работы. Поэтому, одной из задач исследований являлась разработка методики определения КОП ТТН в зависимости, от свойств ТЭ материалов, эффективности ТЭУ и от условий работы ТН.

Одним из основных узлов, определяющих эффективность ТН, является внешний контур. Проведенный анализ методов расчета внешних контуров ГТН показал, что проектированию горизонтальных геотермальных контуров в литературе уделено незначительное внимание, а методы и подходы, предложенные для их расчёта, не в полной мере учитывают условия их эксплуатации.

Эффективная эксплуатация ТН, требует оперативного контроля параметров основных узлов ТТН. Для этих целей целесообразно применение интеллектуальных датчиков и микропроцессорных систем управления режимами работы ТЭУ, а также разработка соответствующего программного обеспечения.

Таким образом, анализ состояния научных исследований и проблем в области современного развития термоэлектрического приборостроения и использования альтернативных источников энергии позволил сделать вывод о том, что моделирование и исследование теплофизиче-ских параметров материалов и структур на основе теллурида висмута и разработка ТТН являются актуальными научно-техническими задачами, решение которых имеет существенное значение для развития термоэлектрического приборостроения и позволяет значительно расширить области и эффективность применения термоэлектрического оборудования, в том числе в качестве ТН для преобразования НТЭ.

Цель диссертационной работы - разработка методов моделирования и исследование теплофизических свойств термоэлектрических ма-

териалов и структур, создание на основе полученных данных эффективных термоэлектрических тепловых насосов для преобразования НТЭ.

Реализация поставленной цели, требует комплексного подхода к процессу исследований. Проведенный системно-структурный анализ современных проблем создания эффективных ТЭУ и на их основе ТТН для преобразования НТЭ позволил определить следующие основные задачи диссертационных исследований:

провести критический анализ и систематизировать имеющиеся в литературе экспериментальные данные, полученные различными методами, по тепловому расширению термоэлектрических материалов;

разработать методы расчета ТКЛР анизотропных кристаллов и провести термодинамическое моделирование теплового расширения низкотемпературных ТЭ материалов различного состава;

разработать методику и изготовить измерительный аппаратно-программный комплекс для исследования теплового расширения материалов;

провести исследования ТКЛР термоэлектрических материалов на основе теллурида висмута в интервале температур от минус 60 до 60 С;

разработать метод расчета и оптимизации конструкции ТЭУ, эксплуатируемых в режиме многократного термоциклирования;

провести моделирование термоэлектрических блоков и разработать метод определения коэффициента преобразования ТТН для различных режимов их эксплуатации;

провести моделирование внешнего контура ТН, разработать метод расчета его конструкции для различных теплофизических условий эксплуатации;

разработать методику и изготовить измерительный аппаратно-программный комплекс для исследования параметров основных узлов и функциональных характеристик ТН;

разработать аппаратно-программные средства для: расчета параметров ТЭ материалов и устройств; функционирования электронных приборов и исполнительных устройств интеллектуальной системы контроля параметров ТН; автоматизации процессов исследований, проводимых на измерительных комплексах; управления режимами ТЭУ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в использовании комплексного, научно-обоснованного подхода к разработке методов моделирования и исследования теплофизических свойств термоэлектрических материалов и структур и создание на основе полученных

данных эффективных ТТН для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии, и состоит в следующем:

Разработаны методы термодинамического моделирования теплового расширения анизотропных кристаллов по аддитивной схеме и на основе соотношений, полученных из термодинамического выражения Грюнайзена, устанавливающего взаимосвязь между коэффициентом термического расширения кристалла и теплоемкостью. С помощью указанных методов проведен расчет ТКЛР термоэлектрических материалов на основе Ві₂Тез вдоль направлений кристаллографических осей «а» и «с».
В результате исследования температурной зависимости ТКЛР твердых растворов на основе Ві₂Тез п - и р - типа, экспериментально установлено, что критерий анизотропии ТКЛР (отношение а_с /а_а) составляет 1,6 для материала Ві₂Те₃ - Bi₂Se₃, а для материала Bi₂Te₃ -Sb₂Te₃ , a_c/a_a изменяется от 1,0 при низких температурах, до 1,6 при 60 С. Значения ТКЛР в исследованной области температур положительные, а на температурных зависимостях этого параметра не наблюдается аномалий, что определяет отсутствие фазовых переходов в рассматриваемых материалах. Данные по температурным зависимостям теплового расширения твердых растворов Bi₂Te₃ - Bi₂Se₃ и Bi₂Te₃ -Sb₂Te₃ вдоль оси «с» получены впервые.
Разработан метод определения линейных размеров ТЭУ при изменении температуры, позволяющий оптимизировать конструкцию и технологию сборки термоэлектрических блоков, работающих в условиях многократного термоциклирования.
В процессе моделирования внешнего контура ТН разработан метод расчета конструкции этого контура для различных теплофизических условий эксплуатации ТН, позволяющий учитывать взаимодействие источников (стоков) тепла контура.
В результате проведенных исследований разработаны метод определения коэффициентов преобразования термоэлектрических ТН для различных режимов их эксплуатации. Предложены математические модели, позволяющие рассчитывать КОП, основываясь на тепло- и электрофизических свойствах ТЭ материалов, используемых при изготовлении ТН или на характеристиках термоэлектрических модулей.

Практическая значимость

1. Для проведения экспериментальных исследований линейного теплового расширения материалов в интервале температур от минус 60 до 400 С разработана методика и измерительный аппаратно-программный

комплекс. Относительная погрешность измерений данной методики не превышает 2%, что коррелирует с расчетными данными этого параметра. При создании методики и измерительного комплекса применены оригинальные схемотехнические, конструкторские и программные решения, которые защищены свидетельствами о регистрации программного обеспечения.

Данные по ТКЛР термоэлектрических материалов, а также их температурной зависимости, полученные в диссертационной работе, являются необходимым условием при конструировании ТЭУ.
Предложенные методы расчета ТКЛР могут быть использованы исследователями для определения теплового расширения материалов и установления механизмов теплофизических процессов.
Метод расчета и оптимизации конструкции термоэлектрических устройств, эксплуатируемых в условиях многократного термоциклиро-вания, использован при разработке термоэлектрических блоков.
Метод определения коэффициента преобразования термоэлектрических тепловых насосов для различных режимов их эксплуатации может быть использован при проектировании тепловых насосов.
Метод расчета конструкции внешнего контура для различных теплофизических условий эксплуатации может быть использован при разработке и установке любых типов грунтовых тепловых насосов.
Изготовленные эффективные термоэлектрические модули выпускаются серийно, термоэлектрические блоки использованы для создания термоэлектрического теплового насоса.
Методика и измерительный аппаратно-программный комплекс для исследования параметров основных узлов и функциональных характеристик ТН используются в процессе их разработки, а также в учебном процессе для проведения лабораторных работ.
Результаты диссертационной работы использованы при подготовке учебного пособия "Термометрия", авторы Штерн Ю.И., Шерченков А.А., Миронов Р.Е., М.: МИЭТ, 2013г.-256 с.

10. Результаты диссертационных исследований использованы при
подготовке Учебно-методических комплексов в МИЭТ для образова
тельных программ по профилям "Интеллектуальные энергосберегаю
щие системы", "Полупроводниковые преобразователи энергии."

Разработанные в диссертации: приборы, методики, измерительные комплексы, аппаратно-программные средства, внедрены и используются на ряде предприятий. Акты внедрения прилагаются в диссертации.

Новизна и практическая значимость аппаратно-программных решений, используемых в диссертационной работе, подтверждена 20 свидетельствами о государственной регистрации программного продукта в РОСПАТЕНТЕ.

Методологическими основами проведенных исследований являются: комплексный, научно-обоснованный подход к исследованию и моделированию теплофизических свойств материалов и статистической обработки данных, а так же использование принципов объектно-ориентированного программирования и построения беспроводных измерительных систем. Предлагаемые методы исследования базируются на общепринятых методиках проведения и моделирования экспериментов с использованием информационных технологий, научно обоснованы и не противоречат основным научно-практическим представлениям в данной области.

На защиту выносятся:

Результаты моделирования и исследования теплофизических параметров ТЭ материалов. Методы расчета теплового расширения ТЭ материалов. Теоретически и экспериментально установленные критерии анизотропии ТКЛР ТЭ материалов Bi₂Te₃ - Bi₂Se₃ и Bi₂Te₃ - Sb₂Te₃ вдоль кристаллографических осей «а» и «с», что связано с особенностями химической связи в слоистой структуре этих материалов.
Комплексный подход к разработке и оптимизации конструкции ТТН, основывающийся на результатах моделирования и исследования, как свойств термоэлектрических материалов, так и параметров ТЭУ и других элементов конструкции тепловых насосов.
Методы теплофизических расчетов элементов конструкции ТН: термоэлектрического устройства; термоэлектрического блока; внешнего теплового контура, позволяющие определить: изменения геометрических параметров термоэлектрических устройств при изменении температуры; коэффициент преобразования ТН для различных режимов его эксплуатации; оптимальные кострукторские решения для внешнего контура ТН.
Методики, измерительные комплексы, аппаратно-программные средства, предназначенные для исследования теплофизических параметров материалов и структур, функциональных и эксплуатационных характеристик ТЭУ и ТН.

Апробация работы

Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на 10 Международных и 5 Всероссийских НТ кон-

ференциях: Всерос. НТ конф. «Новые материалы и технологии», М: МАТИ, 2008; Межд. форум по термоэлектричеству, Киев, 2009; Межд. НТ конф. по термоэлектричеству, Фрайбург, Германия, 2009; Межд. НТ конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века», Воронеж, 2009-2013; Всерос. НТ конф. «Микроэлектроника и информатика», М., 2010-2012; Межд. НТ конф. «Энергосбережение в системе теплоснабжения. Повышение энергетической эффективности», СПб, 2010; Межд. НТ конф. «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности», СПб, 2011; Всерос. НТ конф. «Энергосбережение и энергоэффективность технологий передачи, распределения и потребления электрической энергии», М.: МЭИ, 2012; Межд. НТ конф. «Энергосбережение в системах тепло- и газоснабжения. Повышение энергетической эффективности», СПб, 2013.

Публикации

Основное содержание диссертации изложено в 53 научных трудах, в том числе: 8 статей в ведущих отечественных и зарубежных журналах из перечня ВАК, 1 учебное пособие и 20 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ в РОСПАТЕНТЕ.

Личный вклад

Личный вклад автора являлся основополагающим на всех стадиях проведения исследований и состоял в определении целей и постановке задач исследований, обосновании способов их осуществления, непосредственном выполнении значительной части экспериментов, отработке технологических операций, проектировании устройств и оборудования, систематизации и анализе полученных результатов и внедрении результатов диссертации, в том числе, в серийное производство.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 200 страниц машинописного текста, включая 10 таблиц, 73 рисунка, список использованных источников составляет 150 наименований.

Перспективы использования тепловых насосов для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии

Тепловой насос - это устройство, которое преобразовывает низкопотенциальную тепловую энергию из возобновляемых источников и передает её конечному потребителю. Принцип работы теплового насоса (ТН) определен Карно в описании цикла Карно, опубликованном в его диссертации в 1824 году [4].

Первую практическую теплонасосную систему предложил лорд Кельвин в 1852 г. Она была названа умножителем тепла и показывала, как можно холодильную машину эффективно использовать для целей отопления. В обосновании своего предложения Кельвин указывал, что ограниченность энергетических ресурсов не позволит непрерывно сжигать топливо в печах для отопления, и что его умножитель тепла будет потреблять меньше топлива, чем обычные печи [5]. В качестве низкопотенциального источника тепла умножитель тепла Кельвина использовал окружающий воздух [6].

Тепловой насос представляет собой обращенную тепловую машину. Тепловая машина получает тепло от высокотемпературного источника и отдает его при низкой температуре, при этом совершая полезную работу. Тепловой насос наоборот требует затраты работы для получения тепла при низкой температуре и отдачи его при более высокой (рисунок 1.2).

Как видно из рисунка 1.2, любой тепловой насос, как и тепловая машина состоит из трех основных частей: рабочее тело, охладитель и нагреватель. В зависимости от режима работы теплового насоса (отопление или кондиционирование) в роли охладителя и нагревателя выступают внешний и внутренний контуры ТН. Внешний контур ТН - это теплообменник, который является коллектором низкопотенциальной тепловой энергии, в то время как внутренний контур ТН представляет собой систему отопления или кондиционирования, установленную в помещении, температурный режим которого регулируется ТН.

Рабочее тело теплового насоса - это всегда агрегат, который непосредственно преобразует низкопотенциальную энергию по определенному принципу. Можно выделить несколько типов тепловых насосов, работающих по различным принципам:

- воздушно-компрессорные тепловые насосы;

- тепловые насосы с механической компрессией пара (парокомпрессионный цикл);

- абсорбционные тепловые насосы;

- тепловые насосы, основанные на использовании эффекта Ранка;

- тепловые насосы, основанные на использовании двойного цикла Ренкина;

- тепловые насосы, работающие по циклу Стирлинга;

- тепловые насосы, работающие по циклу Брайтона;

- термоэлектрические тепловые насосы;

- обращенный топливный элемент;

- тепловые насосы с использованием теплоты плавления;

- тепловые насосы с использованием механохимического эффекта;

- тепловые насосы с использованием магнетокалорического эффекта.

Основу эксплуатируемого сегодня в мире парка ТН составляют пароком прессионные тепловые насосы [7]. В связи с этим для понимания процесса преобразования низкопотенциальной энергии рассмотрим устройство и принцип работы теплового насоса, основанного на парокомпрессионном цикле.

На рисунке 1.3 представлена структурная схема парокомпрессионного теплового насоса. Для термодинамического понимания принципа работы ТН на рисунке 1.4 представлена p-h (давление - удельная энтальпия) диаграмма цикла с механической компрессией пара.

Рассмотрим поэтапно парокомпрессионный цикл при работе теплового насоса в режиме отопления. Низкоптенциальная энергия поступает из внешнего контура в испаритель (1 на рис. 1.3), где рабочее вещество компрессионного ТН -хладагент испаряется, забирая низкопотенциальную энергию (Qc)- При этом, за счет внешнего контура, температура испарителя должна поддерживаться больше значения температуры испарения хладагента. Это связано с тем, что на выходе из испарителя необходимо получить сухой перегретый пар, так как попадание жидкости вместе с паром на вход компрессора снижает срок его эксплуатации и в конечном итоге может вывести его из строя. Процесс испарения хладагента показан отрезком 1-2 на рисунке 1.4. Далее сухой пар попадает в компрессор (2 на рисунке 1.3), здесь за счет электрической энергии (W) компрессор совершает работу над газообразным хладагентом. При этом происходит его изоэнтропийное сжатие и как следствие повышение температуры. Процесс сжатия газообразного хладагента представлен отрезком 2-3 на рисунке 1.4.

После компрессора пар попадает в конденсатор (3 на рисунке 1.3), где его следует охладить при постоянном давлении (3-4 на рисунке 1.4), после чего он начнет конденсироваться (4-5 на рисунке 1.4), при этом отдавая тепло (QH) ВО внутренний контур теплового насоса (в систему отопления). Перед тем, как паро жидкостная смесь хладагента из конденсатора снова попадет в испаритель, необходимо сбросить давление. В ТН за это отвечает дроссельный вентиль (4 на рис. 1.3). Процесс адиабатического расширения хладагента представлен отрезком 5-1 на рисунке 1.4.

Из рисунка 1А хорошо видно, что для преобразования бесплатной низкопотенциальной энергии (Qc), перед тем как отдать её в здание (QH), ТН использует электрическую энергию (W). В большинстве случаев, каждый кВт электрической энергии, использованный для обеспечения работы ТН, возвращает 3 кВт возобновляемой энергии из земли.

Естественными возобновляемыми источниками низкопотенциальной тепловой энергии являются земля и грунтовые воды (геотермальная энергия), воздух и открытые водоемы, такие как реки, озера и т.д.

Использование воды в качестве источника низкопотенциальной энергии является, как правило, наиболее энергетически эффективным решением для эксплуатации теплового насоса. Первые крупные тепловые насосы, которые устанавливались в Европе, использовали низкопотенциальное тепло рек [8 - 10]. Однако главный недостаток этого источника его труднодоступность, так как далеко не у каждого объекта, куда устанавливается тепловой насос, есть доступ, например, к реке или озеру. Кроме того, использование этого источника низкопотенциальной тепловой энергии (в том числе и грунтовых вод) зачастую связано с высокой стоимостью по монтажу и с жесткими административными требованиями или даже запретами.

Критический анализ данных по тепловому расширению термоэлектрических материалов

В данной работе проведен анализ и дан критический обзор имеющихся в литературе экспериментальных данных по тепловому расширению твердых растворов на основе соединений ВІ2ТЄ3, Bi2Se3 и Sb2Te3, а также самих соединений. На основе результатов совместной статистической обработки оригинальных данных по тепловому расширению, полученных разными методами, рекомендованы уравнения, описывающие температурную зависимость ТКЛР бинарных соединений, которые использованы нами при разработке методов моделирования ТКЛР твердых растворов ВІ2 SexTe3-x и Bi2.x SbxTe3 разного состава [22-24].

Тепловое расширение теллурида висмута изучено более подробно, чем других соединений - аналогов Bi2 Se3 и Sb2Te3 , с использованием методов: рентгеновского [61-63] и дилатометрического [64-68] в интервале температур от 4,2 до 870 К, т.е. почти до точки плавления теллурида висмута (897 К). На рисунке 2.2 показаны графики ТКЛР соединения Ві2Те3 вдоль осей а и с в зависимости от температуры, построенные по данным дилатометрических и рентгеновских измерений. Как видно на рисунках, экспериментальные температурные кривые коэффициентов линейного термического расширения Ві2Те3 нелинейные и плохо согласуются между собой. Точность определения ТКЛР вдоль направления оси с значительно ниже, чем в направлении, перпендикулярном к ней. Это, в частности, связано с гораздо меньшей длиной образцов, которые можно вырезать из слитков перпендикулярно плоскостям спайности, так как скорость роста кристаллов Ві2Тез в направлении оси с значительно меньше, чем в направлении, перпендикулярном к ней.

В работе [61] проведены прецизионные рентгеновские исследования ТКЛР при температурах от 78 К до 673 К на отожженных поликристаллических образцах и монокристаллах Ві2Тез, использованных для уточнения параметров решетки вдоль гексагональной оси с. Кривые температурной зависимости коэффициентов термического расширения в направлении осей а и с, построенные по данным работ [61, 62, 69], показывают наличие экстремумов. Позднее в работе [62] при исследовании теплового расширения соединения Ві2Тез рентгеновским методом в интервале от 4,2 К до 600 К в динамическом режиме на образцах п- яр - типа эти экстремумы на кривых ТКЛР не нашли подтверждения. Наблюдаемое несовпадение значений и различие форм температурных кривых ТКЛР можно объяснить не только использованием разных экспериментальных методов, но и различием способов обработки первичных данных при расчете ТКЛР. Важной причиной, приводящей к рассогласованию результатов по тепловому расширению, может быть также неравновесное состояние образцов при измерениях. К сожалению, сведения о термических выдержках при измерениях ТКЛР теллурида висмута и скоростях нагрева или охлаждения образцов в цитируемых работах, кроме [67, 68], отсутствуют, и это не позволяет сделать определенные выводы о достижении равновесного состояния в проведенных экспериментах.

Фундаментальный справочник по ТКЛР [34] содержит таблицы, где пред ставлены только относительные удлинения —(%), рассчитанные на основе рентно геновских данных [61] и не дает рекомендуемых значений ТКЛР, так как из-за малого количества точек, приведенных в [61], провести надежную оценку ТКЛР невозможно.

В таблице 2.1 приведена полная сводка данных по коэффициентам линейного термического расширения Ві2Тез, имеющихся в литературе в настоящее время. Из таблицы 2.1 видно, что кристаллы Ві2Тез обладают весьма выраженным анизо 57 тропным расширением. ТКЛР вдоль направлений, параллельных и перпендикулярных гексагональной оси с, значительно различаются. Отношение ас/аа, характеризующее анизотропию ТКЛР теллурида висмута, по данным разных работ находится в пределах 1,0 - 1,7. Разброс значений ас1аа может быть обусловлен разной ориентацией кристаллитов в образцах, дефектами стыковки и другими причинами. Расхождения между коэффициентами теплового расширения для ВігТез по данным разных работ могут быть обусловлены не только различием методик синтеза исходных материалов и режимов измерения удлинений образцов (статических и динамических), но также и разными способами обработки первичных данных, т.е. разным выбором рабочих формул при расчете ТКЛР. К сожалению, факторы, влияющие на точность определения ТКЛР, в оригинальных работах по термическому расширению Ві2Тез часто не упоминаются, и это затрудняет экспертную оценку надежности полученных данных.

Сильная анизотропия термического расширения может быть связана с особенностями кристаллической структуры Bi2Te3 и различным характером преимущественных химических связей по разным направлениям. В [61, 62, 65, 66] изучены зависимости аа(7) и ас(Т) в плоскости слоев и перпендикулярно им. В остальных работах [64, 67, 68] исследования теплового расширения теллурида висмута проведены на поликристаллических образцах Ві2Тез с неопределенной ориентацией. Таким образом, экспериментальные значения ТКЛР для ВІ2ТЄ3 [34, 61 - 69] имеют достаточно большой разброс, а вопрос относительно экстремумов на кривых температурной зависимости линейных коэффициентов теплового расширения остается нерешенным до сих пор.

Отбор достоверных данных по термическому расширению ВІ2ТЄ3 был начат с графического построения зависимостей Д / L298 = f(T) в интервале температур 4,2 - 850 К. Данный анализ позволил обнаружить точки, резко выпадающие из общей картины, и исключить их как результаты, находящиеся вне области достоверных измерений. На рисунке 2.3 представлены графики относительных удлинений ALa/L29s=f(T) и изменений периода решетки Аа/а2дг = /(Т) при нагреве для моно- и поликристаллических образцов ВІ2ТЄ3, построенные по данным [61, 62, 65, 66]. Кривая 4 построена на основе пересчета значений ТКЛР, приведенных в [65], на величины относительных линейных удлинений ALa /L29& по выражению

Термоэлектрические модули, для эксплуатации в условиях повышенной влажности

Основными элементами термоэлектрических блоков, используемых в тепловых насосах, является термоэлектрические модули, к надежности которых предъявляются повышенные требования.

Термоэлектрический модуль состоит из последовательно соединенных, с помощью коммутационных элементов, в открытую электрическую цепь термоэлементов. Длительное воздействие влажности на модуль вызывает ряд серьезных проблем. Влага конденсируется из окружающей среды при положительных температурах ниже точки росы. В подавляющем большинстве случаев модули функционируют при таких температурах, когда неизбежно образование влаги на элементах их конструкции. Помимо негативных последствий, связанных с процессом коррозии, осаждаемая внутри модуля вода создает, так называемый, тепловой мост между горячим и холодным спаями модуля. Это приводит к снижению эффективности работы модуля, т.к. уменьшается основной параметр - разность температур между спаями. Таким образом, при разработке термоэлектрических блоков для тепловых насосов актуальным является вопрос защиты термоэлектрических модулей. Для этих целей производилась защита термоэлементов с помощью эпоксидного лака и кремнийорганического герметика, которая заключалась в нанесении защитных покрытий на ветви термоэлементов и внутренние поверхности коммутационных матриц, а также защита модуля по периметру, что значительно увеличило ресурс работы модуля и его надежность.

Технологический процесс включает две стадии: защита ветвей термоэлементов, коммутационных шин и внутренних поверхностей коммутационных матриц лаком УР-231 и герметизация термоэлектрического модуля по периметру кремнеорганическим герметиком ВГО-1.

Эпоксидно-уретановый лак УР-231 активно используется для герметизации изделий электронной техники. При отверждении УР-231 образует тонкую прочную пленку, которая придает поверхности антиадгезионные свойства. В тоже время, пленка лака обладает высокой адгезией к материалам, используемым в конструкции модуля.

Однокомпонентный термостойкий кремнеорганический герметик ВГО -1 применяется для термо-, влаго-, электро- и виброизолирующей герметизации различных устройств, имеет хорошую адгезию к различным материалам. В связи с эластичностью силиконового герметика, он является предпочтительным материалом при работе изделий в условиях цикличного изменения температур в широком диапазоне.

УР-231 и ВГО-1 обладают высокой вибростойкостью, гидрофобностью, сопротивлением действию озона, окислителей и ультрафиолетовых лучей, хорошими диэлектрическими свойствами. Необходимо отметить высокую термо- и морозостойкость этих материалов. Они химически инертны и не вызывают коррозии.

Нанесение лака УР-231 производится центрифугированием в течение 30 секунд. Толщина пленки лака определяется скоростью вращения центрифуги. Проведенные в процессе разработки технологии исследования показали, что оптимальной является толщина пленки порядка 25 мкм, что соответствует скорости вращения центрифуги - 2000 об/мин. После нанесения лак сушится 3 часа при температуре 65 С.

На второй стадии герметизации производится защита ветвей термоэлементов, расположенных по периметру модуля, с целью исключения проникновения герметика внутрь модуля. Затем с помощью шпателя на боковые поверхности модуля наносится слой ВГО-1. Герметик должен полностью покрывать торцы модуля, не выходя за его габариты. Сушка герметика проводится при комнатной температуре в течение суток.

На рисунке 4.6 представлена партия модулей, предназначенных для изготовления термоэлектрических блоков тепловых насосов, после нанесения защитного покрытия.

Термоэлектрические модули после изготовления проходят комплексные испытания: тепло - и электрофизических параметров, механической прочности, климатические и на надежность.

Кроме испытаний в климатической камере, работоспособность модулей определяется также следующим образом. Термоэлектрический модуль погружается в раствор соленой воды, на него от источника питания подается напряжение 3 В (рисунок 4.7). В таком состоянии модуль выдерживается 5 суток. В процессе исследований производится измерение сопротивления модуля по переменному току, которое не должно изменяться более, чем на 1%, что соответствует погрешности измерений.

Аппаратно-программное решение для мониторинга термодинамических параметров теплового насоса

Для исследования и эксплуатации термоэлектрических насосов была разработана интеллектуальная система мониторинга термодинамических параметров.

Интеллектуальная система - это объединение технических и программных средств, способных синтезировать цель, принимать решение к действию, обеспечивать действие для достижения цели, прогнозировать значения параметров результата действия и сопоставлять их с реальными, а также, образуя обратную связь, корректировать цель или управление. Таким образом, под интеллектуальной системой понимают объединенную информационным процессом совокупность технических средств и программного обеспечения, работающую во взаимосвязи с человеком или автономно, способную на основе сведений и знаний при наличии мотивации синтезировать цель, принимать решение к действию и находить рациональные способы достижения цели [116].

Интеллектуальная система проводит мониторинг термодинамических параметров [145] внешнего и внутреннего контуров теплового насоса, и на основе полученных данных выполняет следующие функции:

- посредством сравнения выявляет происходящие изменения в контурах ТН;

- на основе корреляций между переменными устанавливает механизмы происходящих изменений;

- после статистической обработки данных мониторинга передает их в систему управления контроля режимов работы теплового насоса, повышая тем самым эффективность его работы.

Интеллектуальная система, блок-схема которой представлена на рисунке 5.31, строится на базе интеллектуальных датчиков с беспроводным интерфейсом, содержащих в своем составе микроконтроллер, управляющий сбором данных и передачей данных в беспроводную сеть. В беспроводной сети за сбор информации отвечают базовые станции. Количество базовых станций и топология беспроводной сети системы мониторинга разработана таким образом, что может конфигурироваться в зависимости от объекта, на котором установлен тепловой насос (многоэтажный жилой дом, производственное помещение и т.д.).

Интеллектуальные датчики [146-149], входящие в систему мониторинга -это основные источники информации:

- интеллектуальные измерители температуры;

- интеллектуальные счетчики импульсов, устанавливаемые совместно с расходомерами;

- интеллектуальные датчики давления.

Интеллектуальные измерители температуры и давления предназначены для измерения термодинамических параметров теплоносителя в контурах (внешнем и внутреннем) теплового насоса. Интеллектуальные счетчики позволяют считать импульсы от расходомеров с импульсным выходом за определенный промежуток времени.

На базе интеллектуальной системы мониторинга реализовано аппаратно-программное обеспечение измерительного комплекса для исследования исследование термоэлектрического теплового насоса.

Разработанное программное обеспечение, структурная схема и внешний вид которого представлены на рисунках 5.32 и 5.33, соответственно, в совокупности с интеллектуальными датчиками, позволяет [150]:

- проводить инициализацию и автоматическую деинициализацию интеллектуальных датчиков;

- измерять термодинамические параметры имитационных контуров измерительного комплекса (температура, давление, объемный расход);

- на основе измеренных данных рассчитывать мощность и количество отдаваемой (получаемой) тепловой энергии имитационными контурами;

- проводить измерение мощности системы питания;

- определять параметры энергоэффективности теплового насоса: коэффициент преобразования, а так же коэффициенты энергетической эффективности теплового насоса и его теплообменников;

- визуализация результатов в виде графиков и таблиц;

- сохранение результатов в формате совместимом с Microsoft Excel.

Представленное в диссертационной работе программное обеспечение, устанавливаемое на ПК, разработано на объектно-ориентированном языке C++ под средой разработки Microsoft Visual Studio.

Графический интерфейс позволяет осуществлять взаимодействие пользователя с компьютером в форме диалога, с использованием окон, меню и элементов управления (диалоговых панелей, кнопок и так далее).

Для создания графического интерфейса программного обеспечения использованы стандартные Windows-формы с применением пакета графической библиотеки MFC (Microsoft Foundation Classes), что позволяет сделать интерфейс интуитивно понятным, так как эти же технологии применяются при разработке большинства Windows-приложений и каждый пользователь Windows с ними знаком.