Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор и постановка задач исследований 12
1.1. Развитие термоэлектрической техники 12
1.2. Термоэлектрические преобразователи (ТЭП) и их применение в тепловых насосах 15
1.2.1. Принцип работы термоэлектрических преобразователей 15
1.2.2. Характеристики термоэлектрических преобразователей 21
1.2.3. Термоэлектрические преобразователи теплообменного типа 27
1.3. Термоэлектрические охлаждающие устройства и их использование..34
1.4. Эффективность применения термоэлектрических кондиционеров и перспективы их использования 42
1.5. Постановка задач исследований 49
ГЛАВА 2. Исследование термоэлектрического преобразователя для кондиционера 51
2.1. Конструкция кольцевого кондиционера с термоэлектрическими преобразователями 51
2.2. Экспериментальное исследование работы термоэлектрического преобразователя (ТЭП) 55
2.3. Расчеты термоэлектрических характеристик преобразователя по экспериментальным данным 60
2.3.1. Определение параметров ТЭП 66
2.3.2. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными 67
2.4. Сравнение результатов испытаний ТЭП с данными испытаний кондиционера 68
2.5. Алгоритм приближенного численного моделирования тепловых процессов в кондиционере 69
ГЛАВА 3. Тепловой расчёт кондиционера с термоэлектрическими преобразователями 72
3.1. Расчетная схема кондиционера и его средние характеристики 72
3.2. Методика теплового расчета 76
3.2.1. Тепловой баланс на спаях термопары и термоэлектрическом преобразователе и в кондиционере 77
3.2.2. Теплоперенос от спаев к теплоносителям и тепловой баланс теплоносителей 82
3.2.3. Распределение разности средних температурных напоров, температур и холодильный коэффициент 85
3.2.4. Расчет коэффициентов теплообмена и теплопередачи 90
3.2.5. Влияние теплоэлектрофизических характеристик и режимных параметров на работу кондиционера 92
3.2.6. Методика теплового расчёта кондиционера с ТЭП 96
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования макета кондиционера кольцевого типа с термоэлектрическими преобразователями 101
4.1. Экспериментальный стенд и методики проведения исследований... 101
4.2. Результаты исследований и их анализ 114
4.3. Результаты расчётов по теоретической модели и сравнение их с экспериментальными данными 126
4.4. Основные выводы и рекомендации по усовершенствованию конструкции кондиционера 130
ГЛАВА 5. Автоматическое управление работой термоэлектрического кондиционера. области использования кондиционера кольцевого типа 135
5.1. Питание термоэлектрических преобразователей постоянным током и системы регулирования 135
5.2. Выбор управляющего воздействия при регулировании температуры воздуха кондиционером с термоэлектрическими преобразователями 137
5.3. Области использования кондиционера кольцевого типа 142
Заключение 152
Литература 155
Приложение 1 165
- Эффективность применения термоэлектрических кондиционеров и перспективы их использования
- Экспериментальное исследование работы термоэлектрического преобразователя (ТЭП)
- Тепловой баланс на спаях термопары и термоэлектрическом преобразователе и в кондиционере
- Основные выводы и рекомендации по усовершенствованию конструкции кондиционера
Введение к работе
Приборы и аппараты, призванные создавать комфортные условия жизни во всех её проявлениях, окружают нас буквально везде. Вместе с тем, общеизвестны проблемы 20 века: истощение традиционных энергетических ресурсов, возникновение «озоновых дыр», другие глобальные экологические проблемы, связанные с эксплуатацией техники и утилизацией промышленных и бытовых отходов и др., которые возникли, в том числе, в результате использования холодильного оборудования.
Конструкция большинства образцов холодильной техники предполагает использование промежуточных газожидкостных энергоносителей, из которых львиную долю до недавнего времени составляли фреоны, губительно действующие на озоновый слой Земли. В соответствии с Монреальским протоколом международной конференции по проблеме защиты озонового слоя Земли от 29 июня 1990г. [1] использование фреонов в промышленности с 2000г. запрещено, и соответственно, должна быть проведена их замена на другие носители. Одним из таких носителей являются озонобезопасные хладоны, но использование их в холодильной технике снижает эффективность последней и не решает полностью проблем экологии.
При использовании подобных аппаратов на транспорте и других объектах нестационарного базирования особенно ощутимой становится их уязвимость и ненадёжность при работе в условиях повышенных вибраций и знакопеременных нагрузок на механические части, приводящих к нарушению герметичности и выходу аппаратов из строя. Следует добавить, что для обслуживания их требуется специальное оборудование и определённая квалификация персонала. Становится очевидной сложность эксплуатации и ремонта подобной техники, что в целом делает предметом пристального рассмотрения, как экономическую целесообразность, так и возможность массового её использования.
В 21 веке в связи с дальнейшим развитием техники многие требования, к ней предъявляемые, становятся не только желательными, но и обязательными.
7 Например, человек, сидящий за рулём или рычагами автомобиля, трактора, водного, воздушного судна или в кабине грузоподъёмного крана, то есть управляющий средством повышенной опасности, часто находится в экстремальных условиях. Всё возрастающие скоростные и функциональные показатели технических средств (грузоподъёмность, быстродействие, производительность) неизбежно повышают интенсивность управляющих операций, которая приближается к пределу человеческих возможностей. Ещё труднее сохранить работоспособное состояние на протяжении длительного периода времени, особенно в условиях, близких к экстремальным.
Применительно к холодильной технике это означает, что оснащение кабины водителя (оператора), например, кондиционером, из категории создания дополнительных комфортных условий переходит в категорию обязательного обеспечения безопасности и эффективности функционирования, так как климатические условия должны соответствовать требованиям жизнедеятельности человека [2].
Создание климатических условий необходимо и в отношении приборов, которыми всё более и более оснащаются технические средства, с той лишь разницей, что в данном случае речь идёт о технических параметрах устройств и соответствующем диапазоне температурных и других характеристик, которые призваны обеспечить системы охлаждения.
Бесспорно, необходимы альтернативные направления компрессионному газожидкостному холодильному и кондиционерному оборудованию, способные создать новое поколение подобной техники, отвечающей требованиям надёжности, долговечности, компактности, практичности и эффективности при конкурентоспособной цене и технологичности производства.
Одним из таких направлений является разработка термоэлектрической техники, которая может отвечать всем указанным требованиям. Кроме того, она имеет преимущество по сравнению с традиционной техникой - универсальность: без каких-либо существенных конструктивных усложнений может вырабатывать как «холод», так и «тепло». В некоторых случаях эта способность становится преобладающей.
Термоэлектрические преобразователи энергии (генераторы и тепловые насосы) обладают достаточно высокой надежностью и эффективностью; могут работать в широком диапазоне температур; не требуют постоянного обслуживания, что обеспечивает их конкурентоспособность по сравнению с другими системами преобразования энергии. На основе термоэлектрических преобразователей созданы термоэлектрические генераторы, используемые в космических и подводных исследованиях, в системах автоматики, телеуправления, метрологии, на автономных объектах различного назначения.
Термоэлектрические тепловые насосы являются практически единственными приемлемыми устройствами для охлаждения малогабаритных объектов. С этой целью промышленностью выпускаются термоэлектрические преобразователи (ТЭП) и модули (ТЭМ), позволяющие решить задачи непрерывного получения холода и теплоты. На базе таких преобразователей разработан и испытан целый ряд холодильников (автомобильных, судовых, бытовых и т.п.), кондиционеров и воздухоохладителей (в медицине, электронике).
Широкое использование термоэлектрических преобразователей (ТЭП) для целей охлаждения требуют создания методики расчета таких устройств, которая учитывала бы термоэлектрические характеристики термоэлементов, термические сопротивления на спаях термопар и в местах «подвода-отвода» тепла, конструктивные особенности охлаждающего устройства.
Создание такой методики расчета требует ее экспериментальной проверки на конкретном аппарате с использованием теплоэлектрофизических характеристик используемых ТЭП.
Цель работы. Целью работы являются экспериментальные и теоретические исследования тепловых характеристик нового малогабаритного кондиционера кольцевого типа с термоэлектрическими преобразователями и создание методики его теплового расчета.
Поставлены и решены следующие задачи: - создана конструкция кольцевого кондиционера с однорядным расположением термоэлектрических преобразователей; - разработан и изготовлен специальный стенд для экспериментального исследования тепловых характеристик кондиционера; - проведены экспериментальные исследования работы модели кондиционера в широком диапазоне изменения параметров системы; проведены теоретические исследования работы кондиционера и создана методика его теплового расчета, позволяющая оценить влияние теплоэлектрофизических характеристик преобразователя, режимных и конструктивных параметров на тепловые характеристики кондиционера; проведено сравнение экспериментальных данных по тепловым характеристикам кондиционера с расчетными данными по теоретической методике; - определены области использования кондиционера.
Научная новизна заключается в получении следующих основных результатов: - разработан новый тип малогабаритного кольцевого кондиционера с однорядным расположением термоэлектрических преобразователей, что повышает эффективность их использования; - экспериментально определены диапазоны изменения тепловых характеристик кондиционера кольцевого типа (холодо- производительности, холодильного коэффициента, температурного напора) при изменении начальных режимных параметров холодного и горячего теплоносителей и мощности электрического питания термоэлектрических преобразователей; - разработана методика теплового расчета кондиционеров с термоэлектрическими преобразователями, учитывающая не только теплоэлектрофизические характеристики ТЭП и термические сопротивления «подвода-отвода» теплоты к спаям термопары, но и условия передачи теплоты к ним от теплоносителей с учетом конструктивных характеристик устройств; - проверена экспериментально работа одиночных термоэлектрических преобразователей типа К1-127-1,4/1,5 (ВІ2ТЄ3 - Bi2Se3). Выяснено, что при проведении тепловых расчетов кондиционеров можно использовать заводские данные по теплоэлектрофизическим характеристикам преобразователей.
Практическая значимость работы заключается в решении следующих вопросов: создан специальный экспериментальный стенд для полномасштабных исследований кондиционеров любой конструкции с термоэлектрическими преобразователями; по предложенной методике расчета кондиционеров с термоэлектрическими преобразователями можно проводить тепловые расчеты кондиционеров с различными конструктивными решениями и оптимизировать их работу по холодному и горячему теплоносителям, поверхностям теплосъёма, мощности питания и т.п.; - пилотный образец малогабаритного кондиционера кольцевого типа с однорядным расположением термоэлектрических преобразователей рекомендуется для серийного изготовления с целью использования при создании комфортных условий в объектах малого объёма (транспортные кабины, кабины маломерных судов, офисы малого объёма, охлаждение напитков в торговом оборудовании, рабочие места и т.п.).
Реализация. Методика теплотехнического расчёта параметров кольцевого кондиционера, а также результаты макетного образца кондиционера использованы при разработке опытно-промышленных образцов, внедрённых в двух вариантах: бортовой кондиционер для кают маломерных и других надводных судов. Опробован и внедряется ООО «Техноцентр «Термические технологии» в г. Волгодонске с 2005 г. (Справка об использовании -Приложение III); кондиционер системы поддержания климатических условий в стойках АСКУ. Внедрён на образцах головной серии систем «Потенциал - М. «С» ООО «Потенциал» г. Тольятти в 2005 г. (Справка об использовании - Приложение IV).
18 марта 1997 года была подана заявка № 97103652/20 (004063) на полезную модель «Кондиционер», был установлен приоритет и получено положительное решение о выдаче свидетельства (Приложение V на 3-х листах).
Работа выполнена на кафедрах «Промышленная теплоэнергетика» и «Теоретическая теплотехника» ГОУ ВПО УГТУ-УПИ в соответствии с координационным планом АН России по проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика» № ГР 01840005222 (Научно-техническая программа Министерства образования России «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники») и в рамках г/б темы №1686 (гос. per. № 01200205928) «Создание теоретических основ теплотехнических процессов использования энергии топлива и других видов энергоресурсов с целью создания эффективных методов энергосбережения и экологически чистых технологий».
Эффективность применения термоэлектрических кондиционеров и перспективы их использования
Показано, что: 1) в идеализированном термоэлементе (отсутствуют термические сопротивления между спаями термобатареи и окружающими средами) минимальное значение температуры холодных спаев падает с уменьшением тепловой нагрузки на холодной стороне термобатареи. При этом обеспечивается максимальный перепад температуры между горячим и холодным спаями термобатареи; 2) термобатарея имеет положительную холодопроизводительность, т.е. обладает способностью поглощать тепло на холодных спаях только в определенном диапазоне изменения плотности тока и имеет максимальную холодопроизводительность при определенной плотности тока; 3) конструкция термобатареи, работающей с максимальной холодопроизводительностью, достигается за счет выбора числа термоэлементов таким образом, чтобы сечение одного элемента обеспечивало в цепи термобатареи оптимальную плотность тока; 4) изменение холодильного коэффициента в зависимости от плотности тока имеет различный характер в зависимости от знака разности температур на спаях термобатареи. При AT = Тг — Тх 0 эта зависимость имеет гиперболический характер и является монотонно убывающей. При AT = Тг — Тх 0 холодильный коэффициент имеет положительное значение в интервале плотности токов от min до max и имеет максимум при определенной плотности тока [6]; 5) соотношение (1.7) и их анализ относятся к простейшему случаю, когда фиксированы температуры холодных и горячих спаев, причем они не изменяются при изменении плотности тока питания ТЭП. В реальных условиях работы ТЭП фиксированными являются обычно температуры среды или объектов, окружающих холодные и горячие спаи термопреобразователя. Термические сопротивления между спаями термобатареи и окружающими их средами слабо зависят от температуры, поэтому в стационарных режимах температуры спаев будут зависеть от термических сопротивлений теплопроводности (при контакте термобатареи с охлаждаемым или нагреваемым объектом) или от термического сопротивления теплоотдачи (при подводе-отводе тепла к поверхностям термобатареи путем конвективного теплообмена) [26]. При заданных температурах окружающих сред теплообмен на спаях является основным фактором, определяющим максимальные значения энергетических показателей ТЭП. При интенсификации теплообмена между спаями и окружающими их средами энергетические показатели ТЭП монотонно возрастают. Определяющей является интенсификация теплообмена со стороны горячих спаев [36,62]. Влияние условий теплообмена на характеристики термоэлементов проявляется прежде всего в уменьшении полезно используемого перепада температур из-за наличия тепловых потерь. Источниками тепловых потерь в термобатареях являются не только термические сопротивления теплопроводности и теплоотдачи, но и перетечки тепла от горячих спаев к холодным через изоляцию между термоэлементами, поскольку в реальных конструкциях термобатарей промежутки между термоэлементами заполнены связующим компаундом с коэффициентом теплопроводности примерно таким же, как и у термоэлектрических материалов. Для оценки влияния изоляционных прослоек на температурное поле термоэлементов и их характеристик рассматривалось двумерное поле распределения температур в системе термоэлемент - изоляционная прослойка [37-40]. Из анализа полученного выражения для холодильного коэффициента [40] следует, что при достаточно малых коэффициентах теплопроводности изоляционного материала увеличение ширины изоляционной прослойки позволяет существенно повысить эффективность термоэлемента [36,40]. В некоторых термобатареях используются термоэлементы, у которых часть боковой поверхности не теплоизолирована и участвует в теплообмене с окружающей средой. Улучшение характеристик охлаждающих термоэлементов в этом случае связано с использованием особенностей распределения температур по высоте ветвей термоэлементов. Исследования [41] показали, что основное изменение температур в термоэлементах осуществляется в узких приконтактных зонах, причем значительная часть термоэлемента имеет температуру, превышающую температуру окружающей среды. Это позволило использовать часть боковой поверхности для конвективного отвода тепла в окружающую среду, благодаря чему существенно уменьшаются теплопритоки к холодному спаю и повышается холодопроизводительность термоэлемента [42-44]. Для улучшения характеристик термоэлементов с боковым отводом тепла используют профилирование ветвей термоэлементов [45], или охлаждение боковых поверхностей за счет конвективного теплообмена с жидким или газовым теплоносителем, продуваемым через каналы в ветвях термоэлементов (проницаемые термоэлементы) [46, 47, 48].
Использование термоэлементов, работающих в нестационарном режиме, позволяет обеспечить увеличение глубины охлаждения в ТЭП [8,25,16,49-51] и решить вопросы о требуемом времени выхода ТЭП в стационарный режим.
Способ управления инерционностью генерирующих элементов без изменения их высоты приведен в [8] и основан на использовании переменного во времени теплового потока. Для обеспечения заданного температурного режима термоэлементов в переходных процессах используются методы управления, основанные на изменении тока питания по определённому закону [50] или же применение термоэлементов специальной формы [52].
Значительное увеличение глубины охлаждения в нестационарном режиме достигается в случае применения тока питания специальной формы [25], но он требует сложных систем регулирования тока питания,[36].
Экспериментальное исследование работы термоэлектрического преобразователя (ТЭП)
Преимущества, которыми наделены термоэлектрические приборы, бесспорны, но применение их на данный момент не стало массовым. Выше были упомянуты те области применения, где у подобных приборов нет альтернативы, и где используется ещё одно их достоинство - миниатюрность. Речь идёт об охлаждающих устройствах малой мощности, когда создание приборов, основанных на других принципах, зачастую просто невозможно. Перспективным является применение термоэлектрической техники для кондиционирования воздуха в помещениях малого объема (небольшие жилые помещения, кабины транспортных средств и т.п.) Пока же использование термоэлектричества для этих целей представлено в литературных источниках весьма слабо.
В России и в мире нет практически ни одной фирмы, которая оснащала бы свою серийную продукцию (например, автомобили) термоэлектрическими кондиционерами.
Это, на наш взгляд, связано с тем, что к настоящему времени действует сформированное за прошедшие годы основное стратегическое направление -кондиционирование воздуха во всем объеме, а локальное кондиционирование считается неэффективным. Например, по свидетельству специалистов в области климатических систем легкового автомобиля для объемного кондиционирования салона необходим агрегат мощностью не менее 2,0 кВт [69].
Для создания термоэлектрического кондиционера такой мощности на автомобиле необходимо иметь дополнительный источник питания или существенно увеличить мощность источников постоянного тока (аккумуляторов). Это сдерживает использование термоэлектрических кондиционеров. Эти же соображения в полной мере можно отнести к любому объекту подвижного состава (специальный транспорт, железнодорожный транспорт, автомобили, яхты, катера и т.п.), в котором ограничены энергетические мощности.
Однако, к приоритетным задачам необходимо отнести создание необходимых условий тем, для кого кабина является рабочим местом, т.е. водителям автомобилей, машинистам локомотивов, судоводителям и т.п. При определенных условиях (при создании несоизмеримо лучших условий для водителей и пассажиров при относительно невысокой цене и минимальном вмешательстве в штатные системы транспортных средств) новый кондиционер может найти широкое применение.
В настоящее время созданы и выпускаются промышленностью типовые термоэлектрические преобразователи - модули (ТЭП или ТЭМ), перечень которых достаточно широк. На рис. 1.9 показаны термоэлектрические преобразователи плоскостного типа.
Наиболее известные предприятия, специализирующиеся в области термоэлектрических преобразователей: - ГНПП ТФП «ОСТЕРМ СПБ» (г. С - Петербург) производит более 100 типов модулей, 90% продукции экспортируется; - ОАО ИПФ «КРИОТЕРМ» (г. С - Петербург) - более 150 типов модулей; - Миасский машиностроительный завод (г. Миасс Челябинской области), по заявлению генерального директора, сделанному прессе производит более половины всех российских термомодулей, является крупнейшим производителем термоэлектрической техники; - ОАО «Корпорация НПО «РИФ» имеет в своём составе дочернюю фирму ООО «Фотон», производящую термоэлектрические модули и изделия с их использованием. За последние пять лет были предприняты попытки создания автомобильного термоэлектрического кондиционера такими организациями, как: ОАО «Гранит» г. Ростов - на - Дону; НИИТОП г. Нижний Новгород; ПО «Изотоп» г. Иошкар - Ола; НАТИ г. Москва; «Экохол» г. Москва; ООО «Комфорт» г. Москва; ТОО «Паллада»; ЗАО «Аргамак г. Санкт - Петербург; фирмой «Кондис» г. Гагарин Смоленской области; Миасским Машиностроительным заводом, которые, однако, так и не пошли в серийное производство. Основные предложения по использованию термоэлектрических модулей в системах кондиционирования воздуха сделаны для подвижного железнодорожного состава. В [70-74] приводится системная оценка эффективности разных типов систем кондиционирования воздуха, приводится теплоэнергетическая модель вагона с учетом конструкции системы кондиционирования на основе термомодулей и предложена конструкция сегнетотермоэлектрической системы кондиционирования с улучшенными термоэлектрическими преобразователями. Миасским машиностроительным заводом разработан и запущен в серию кондиционер для вагонов повышенной комфортности. Имеется и предлагается к реализации достаточно мощный кондиционер для кабины машиниста локомотива (ОАО «Корпорация НПО РИФ») с холодопроизводительностью 4 КВт при энергопотреблении 5 КВт, вес блока охлаждения 120 кг. При этом в кабине локомотива типа 2ТЭ116 предполагается устанавливать 2 блока охлаждения, к ним, естественно, поставляется соответствующая система охлаждения и энергопитания. В целом агрегат представляется достаточно громоздким. Применение вышеупомянутых автомобильных кондиционеров при реализации объемного кондиционирования дальше опытных образцов не пошло. Вместе с тем, при рассмотрении объектов малого объема и вообще небольшой зоны, в которой находится человек, встает вопрос о том, нужно ли объемное кондиционирование?
Тепловой баланс на спаях термопары и термоэлектрическом преобразователе и в кондиционере
Термоэлектрические преобразователи холодильников и кондиционеров должны питаться от источников постоянного тока. В стационарных условиях питание ТЭП наиболее часто осуществляется с помощью выпрямителей от сети переменного тока. При однофазном питании выпрямителей при определённых условиях пульсации тока могут привести к существенному снижению технико-экономических характеристик ТЭП [92,93]. Оптимальные условия работы одного термоэлемента (термопары), питающегося пульсирующим током, для различных режимов определены в [93]. Оптимизация проводилась по действующему значению напряжения питания. Анализ работы термопары, питаемой пульсирующим током, показал, что использование для ее расчета формул, справедливых для постоянного тока, приводит к погрешности в определении максимальной холодо-производительности и холодильного коэффициента, которая составляет примерно 60-70%. Одним из способов сглаживания пульсаций тока является переход на питание двух - или трехфазным током [29]. Отмечено, что уже при трёхфазном однополупериодном выпрямлении ток протекает через термобатарею практически непрерывно.
Для питания ТЭП от сети переменного тока чаще всего применяются однофазные двухполупериодные выпрямители, оснащенные для сглаживания пульсаций фильтрами. В качестве сглаживающих устройств применяются и электрохимические источники тока, подключенные параллельно к батарее [94]. Поскольку в большинстве ТЭП используется низкое питающее напряжение, перед выпрямителем устанавливается понижающийтрансформатор с использованием схем выпрямления с выводом нулевой точки вторичной обмотки трансформатора [95]. Для питания ТЭП в устройствах небольшой холодо- и теплопроизводительности используются электрохимические источники тока (аккумуляторы и сухие элементы). Основным недостатком электрохимических источников тока является зависимость их характеристик от температуры и падения ЭДС по мере разряда батарей [96, 97, 98]. Для устройств, требующих поддержания температурного режима, в схему питания вводят стабилизаторы напряжения. Все охлаждающие устройства с термоэлектрическими преобразователями разделяются на две группы: - устройства, требующие поддержания заданной температуры с заданной точностью (термостаты); - устройства, требующие регулирования температуры в определенном диапазоне (кондиционеры, охладители потоков жидкости или газа и т.п.). Регулирование температурных режимов ТЭП осуществляют двумя способами: за счет изменения силы тока, которое основано на использовании полупроводниковых триодов и управляемых выпрямителей на тиристорах [64, 101-105], и изменения термических сопротивлений подвода и отвода тепла. В систему автоматики устройств, предназначенных для охлаждения или нагрева жидкостей (газа) кроме терморегулятора включают устройство защиты термобатарей от перегрева и блокировку по нижнему допустимому уровню температур [106]. Для создания более сложных систем регулирования, позволяющих поддерживать температуру охлаждаемой жидкости (газа) с заданной точностью при различных возмущениях, требуется в каждом случае определять статические и динамические характеристики объекта регулирования и на основании их анализа выбрать требуемый закон регулирования [107-109]. Выбор управляющего воздействия при регулировании температуры воздуха кондиционером с термоэлектрическими преобразователями Тепловые схемы функционирования кондиционеров будут практически одинаковы. Одна из возможных схем показана на рис. 5.1. На схеме показаны основные тепловые потоки, влияющие на температуру воздуха в помещении 7д", и введены следующие обозначения: 0.чею Qo6, QOKP, йшф - тепловыделение людей, работающего оборудования, притоки теплоты из окружающей среды через ограждения и инфильтрацией;холодопроизводительность и теплота «горячего» источника; N- мощность питания ТЭП ов; Токр - температуры «холодного» и «горячего» носителей на входе и выходе кондиционера и окружающей среды; Мх — масса воздуха в помещении. В статическом режиме работы существует баланс теплоты Индексом «s» определены параметры в статическом режиме. В этом режиме температура охлаждаемого воздуха Tfa" постоянна. Примем её за заданное (комфортное) значение. Любые изменения в теплопритоках нарушают баланс (5.1), что приводит к изменению температуры 7д/ и, следовательно, нарушению комфортных условий. Требуется автоматически поддерживать температуру Т " заданной.
Основные выводы и рекомендации по усовершенствованию конструкции кондиционера
Специально разработанный блок управления и индикации, электрическая схема которого представлена на Рис. 5.5, позволил управлять питанием бортовой системы и обеспечить защиту ТЭП от несанкционированных режимов. Измерение температур обеспечивалось образцовыми ртутными термометрами, напряжение и ток на интересующих участках цепи -цифровыми вольтметрами и мультиметрами, расход воды измерялся ротаметром. В результате швартовых и ходовых испытаний было установлено:
Кондиционер достаточно эффективно охлаждает локальную наиболее обитаемую зону ( радиус 1,5 м) на 8-10 С и в этом смысле способен создать в этой зоне комфортные климатические условия. При подведенной электрической мощности 169 Вт и температуре воздуха на входе в кондиционер 29,5 С температура воздуха на выходе из кондиционера составила 20,2 С, а в районе головы сидящего за столом человека 22 + 23 С после 15 минут работы кондиционера.
Идея установки водяного теплообменника за бортом для варианта А оказалась весьма перспективной.
Обработка данных затруднена большой погрешностью измерения расходов воздуха и воды. Однако, анализ показывает, что использованные при макетировании воздушный вентилятор и водяной насос не вполне обеспечили оптимальные количества теплоносителей. Для обеспечения комфортных условий при более широком диапазоне изменения температуры наружного воздуха необходим вентилятор большей производительности, а водяной насос с большим напором (не менее 2кПа) для преодоления гидравлических сопротивлений выносного теплообменника и водяного теплообменника основного модуля. 4. Обнаружено заметное падение напряжения на элементах бортовой электрической сети на 1,5-2В, следовательно, для нормальной работы ТЭП и функционирования бортовой электрической сети, необходимо источник стабилизированного питания с напряжением на выходных клеммах- 13,8- 14 В. 5. Опыт макетирования схемы кондиционера по варианту А показал возможность обеспечения в локальной зоне благоприятных климатических условий, согласования работы кондиционера с имеющимся бортовым оборудованием. Несмотря на некоторые просчеты в выборе покупного оборудования идея локального кондиционирования небольших помещений и кабин вызвала в целом положительные реакции возможных пользователей кондиционера кольцевого типа. На базе проведенных исследований и судовых испытаний просчитана серия экспериментальных судовых кондиционеров на холодопроизводительности 210, 280 и 310 Вт. Данные кондиционеры по сравнению с другими автономными термоэлектрическими кондиционерами выгодно отличаются высоким значением холодильного коэффициента (1,3 1,4), что обеспечивается охлаждением горячих спаев термобатарей проточной забортной водой. Важным достоинством кондиционеров является также отсутствие в России их фреоновых аналогов. Для различных типов автомобилей возможно применение различных конструктивных схем расположения кондиционного оборудования, общими элементами которых являются: - термоэлектрический блок, включающий в себя термоэлектрические модули с системой теплообмена; - систему отвода тепла от горячих спаев; - систему отбора тепла от кондиционируемого воздуха. При расположении кольцевого кондиционера на крыше автомобиля система теплосъема с горячей стороны обеспечивается жидкостным контуром и теплообменником, обдуваемым: - воздухом от отдельного вентилятора или частью воздуха, отбираемого от центробежного вентилятора, подающего воздух на кондиционирование; - воздухом наружным при движении транспорта; - комбинированной подачей воздуха на охлаждение жидкости в теплообменнике. На режимах холостого хода (стояночный режим) работают водяные насосы, обеспечивающие циркуляцию охлажденной жидкости через блоки ТЭП и теплообменник. Подача охлажденного воздуха в салон, осуществляется в процессе обдува холодной стороны ТЭП при помощи центробежного вентилятора, у которого часть воздуха, идущего на охлаждение ТЭП отбирается и через регулирующую заслонку направляется на обдув теплообменника. Питание электроэнергией для обеспечения работы блоков ТЭП, водяных насосов для прокачки охлаждающей жидкости в независимой системе охлаждения и работы вентиляторов обеспечивается за счет автомобильного генератора.
В режиме движения на скорости происходит перемещение воздушной заслонки в воздухозаборнике, что обеспечивает подачу воздушного потока на обдув теплообменника. При достижении определенной скорости, обеспечивающей достаточный съем тепла обдувом наружных (горячих сторон) ТЭП, возможно отключение, при помощи термодатчиков, независимого жидкостного контура охлаждения. Электроэнергия в таком случае, вырабатываемая генератором автомобиля, расходуется только для обеспечения функционирования ТЭП.
Интересное решение при создании кондиционера на ТЭП может получиться при рассмотрении еще одной схемы. Во многих моделях зарубежных автомобилей для улучшения обдува заднего стекла в дождливую погоду, применяются спойлеры, они устанавливаются либо на крышах, либо на крышке багажника автомобиля. В данном варианте предлагается использовать спойлер, как вариант конструкции двойного назначения.
Имея большую хорошо обдуваемую наружную поверхность, спойлер дает возможность разместить на его поверхности ТЭП. Сам блок может быть конструктивно выполнен, аналогично описанному в варианте расположения на крыше. Передача охлажденного воздуха в салон может осуществляться по гибким рукавам, расположенным в багажном отделении, до задних стоек крыши. Центробежный насос можно установить либо в нишах багажного отделения, либо по центру спойлера в технологических приливах.
Для улучшения теплосъема с верхней поверхности спойлера при движении автомобиля, поверхность спойлера можно делать оребренной, тогда ТЭП должны быть вмонтированы непосредственно на поверхности спойлера и его горячая сторона должна контактировать с обдуваемым потоком воздуха.
При переходе в современном автомобилестроении на алюминиевые сплавы при создании кузовов возможно использовать наружную крышу кузова автомобиля, как радиатор кондиционера для съема тепла в схеме «воздух-воздух».
