Введение к работе
Актуальность проблемы. На данном этапе развития науки и техники задачи исследования специальных средств для обеспечения интенсивной теплопередачи от источников с высокими тепловыми нагрузками, создание принципиально новых высокоэффективных систем охлаждения и термостабилизации, отвечающих специфическим требованиям проектирования теплообменных аппаратов, обладающих улучшенными характеристиками, являются все более насущными и актуальными. Это связано с насыщением мирового рынка новыми техническими средствами, обладающими большими функциональными возможностями и высоким быстродействием, но характеризующимися повышенным значением удельных тепловых перегрузок и перегревов, что сказывается на надежности их работы.
Одним из перспективных направлений при создании систем охлаждения и термостабилизации аппаратуры является использование полупроводниковых термоэлектрических преобразователей, обеспечивающих построение экономичных, малогабаритных холодильников и стабилизаторов температуры с широкими функциональными возможностями по поддержанию заданного теплового режима. Теория и возможности практического применения приборов подобного типа достаточно подробно описаны в работах Иоффе А.Ф., Стильбанса Л.С., Коленко А.Е., Бурштейна А.И., Каганова М.А., Привина М.Р., Анатычука Л.И., Котырло Г.К., Вайнера А.Л., Иорданишвили Е.К., Зорина И.В., и др. В данных работах произведен расчет параметров устройств, работающих в различных режимах, определена энергетическая эффективность их применения. Основной упор здесь сделан на исследование теплофизических процессов при неизменной температуре на спаях термоэлектрических преобразователей энергии.
Однако существует много областей применения термоэлектрических устройств, где имеет место изменение температуры теплоносителей вдоль поверхностей термоэлектрической батареи (ТЭБ), поглощающих и выделяющих тепло. В первую очередь сюда необходимо отнести различные типы теплообменных аппаратов: охладители и нагреватели потоков жидкости, воздухоохладители, кондиционеры и т.п., т.е. все приборы, в которых циркуляция теплоносителей происходит вдоль спаев ТЭБ. При значительном прогрессе в термоэлектрической технике работы по устройствам подобного типа практически отсутствуют, не разработаны в полной мере их теоретические основы, не указаны эффективные режимы работы, не определены области целесообразного применения и т.д.
Представляет интерес исследование термоэлектрических теплообменных аппаратов специальной конструкции с улучшенными энергетическими характеристиками, их оптимизация, определение основных параметров, а также рациональных областей применения. Указанный интерес обусловлен недостаточностью исследований в этой области наряду с острой необходимостью разработки действенных высокоэффективных теплообменных аппаратов с улучшенными свойствами. Отмеченные обстоятельства и определяют актуальность настоящего диссертационного исследования.
Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка термоэлектрических теплообменных аппаратов рекуперативного типа с тепловыми мостиками с улучшенными энергетическими, массогабаритными и надежностными показателями.
Основными задачами диссертационной работы являются:
-
Разработка термоэлектрических теплообменных аппаратов рекуперативного типа, в которых совмещены возможности теплопередачи через высокотеплопроводный материал (тепловой мостик) и интенсификации теплообмена при использовании ТЭБ.
-
Разработка математической модели термоэлектрических теплообменных аппаратов рекуперативного типа, выполненных совместно с тепловыми мостиками различной конфигурации.
-
Проведение комплекса экспериментальных исследований с целью проверки адекватности математической модели теплообменных аппаратов практике.
-
На основе проведенных исследований разработка новых типов термоэлектрических теплообменных аппаратов рекуперативного типа для приборов и устройств холодильной техники.
-
Внедрение результатов исследований и разработок на предприятиях холодильной промышленности, в учебные процессы кафедр, в научно-исследовательскую деятельность лабораторий вузов Республики Дагестан и Российской Федерации.
Методы исследования. В процессе решения поставленных задач использованы принципы системного подхода, теория теплопроводности твердых тел, теория конвективного теплообмена, математическая статистика, аналитические методы решения дифференциальных уравнений и систем дифференциальных уравнений, экспериментальные методы исследования.
Новые научные результаты. При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие основные новые научные результаты:
-
Принцип построения термоэлектрических теплообменных аппаратов рекуперативного типа, заключающийся в совмещении возможностей теплопередачи через высокотеплопроводный материал (тепловой мостик) и интенсификации теплообмена при использовании ТЭБ.
-
Методика расчета теплового режима термоэлектрических теплообменных аппаратов рекуперативного типа, выполненных совместно с тепловыми мостиками различной конфигурации.
-
Совокупность результатов теоретических и экспериментальных исследований, отражающая зависимость изменения температуры жидкости на выходе из теплообменного аппарата от коэффициента заполнения, величины тока питания ТЭБ, длины теплообменного аппарата.
-
Конструкции термоэлектрических теплообменных аппаратов с тепловыми мостиками и устройств на их основе.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанная конструкция термоэлектрического теплообменного аппарата рекуперативного типа позволит повысить эффективность работы охлаждающей аппаратуры за счет оптимизации ее энергетических и надежностных характеристик.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные в диссертационной работе методы, расчетные модели и устройства использованы при выполнении госбюджетной научно-исследовательской работы в рамках тематического плана ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» по заданию Министерства образования и науки Российской Федерации «Исследование электро- и теплофизических процессов в термоэлектрических теплообменных аппаратах рекуперативного типа и создание математической модели на их основе». Основные результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования и производство ФГБУН Институт проблем геотермии ДНЦ РАН, ОАО «Концерн КЭМЗ», ООО «Геоэкопром», а также в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет».
Апробация результатов работы. Работа в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на Международной НТК «Молодые ученые – науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» (Москва, МИРЭА, 2008 г.), IV Международной НТК «Низкотемпературные и пищевые технологии в ХХI веке» (Санкт-Петербург, СПбГУНиПТ, 2009 г.), V Международной НТК «Низкотемпературные и пищевые технологии в ХХI веке» (Санкт-Петербург, СПбГУНиПТ, 2011 г.), XXXI и XXXII итоговой НТК преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ (Махачкала, ДГТУ, 2010 и 2011 г.), научно-технических семинарах кафедры теоретической и общей электротехники ГОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» с 2008 по 2011 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи, 9 докладов и тезисов докладов на научных конференциях, получен 1 патент Российской Федерации на изобретение.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 101 наименование и приложения. Основная часть работы изложена на 128 страницах машинописного текста. Работа содержит 36 рисунков и 16 таблиц.
