Введение к работе
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
-
Разработка схемных решений КТСТ с расширением температурного диапазона функционирования
-
Разработка схемных решений КТСТ со стабилизацией тепловых режимов в аппаратах системы
-
Разработка и обоснование математической модели КТСТ на основе современной материальной базы
-
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 > спешно 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 Ш-й Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», СПбГУНиПТ, С-Петербург, 2007 г, на Ш-й Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения», Махачкала, 2007 г, на Ш-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
