Твердотельные охлаждающие системы

К твердотельным охлаждающим системам относятся:

o термоэлектрическое охлаждение;

o электрокалорическое охлаждение;

o магнитокалорическое охлаждение;

o эмиссионное охлаждение;

o NIS – охлаждение.

Основным преимуществом твердотельного охлаждения в сравнении с использованием принципа парокомпрессионного охлаждения является существенное сокращение габаритов холодильников при одной и той же холодопроизводительности. Важно также отметить, что электрокалорические и магнитокалорические методы получения искусственного холода могут осуществлять охлаждение в широком интервале температур: как ниже, так и выше комнатной.

Другое преимущество калорических методов охлаждения состоит в их высокой эффективности, поскольку нагрев и охлаждение здесь являются практически обратимыми термодинамическими циклами в отличие от процессов сжатия и расширения пара в рабочем цикле парокомпрессионной холодильной машины. Так в области комнатных температур калорические холодильники на 20…30% эффективнее устройств, работающих по парогазовому циклу. Немаловажным является и то, что твердотельные охлаждающие устройства вляются экологически чистыми.

Твердотельные охлаждающие устройста обладают еще и следующими основными преимуществами:

Ø удобством и простотой эксплуатации, отсутствием необходимости сервисного обслуживания;

Ø легкостью и удобством дистанционного управления;

Основные недостатки:

· высокая стоимость используемых материалов;

· технологическая сложность изготовления.

Термоэлектрические холодильные машины

В термоэлектрическом охлаждающем устройстве низкую температуру получают с помощью полупроводниковых термоэлементов, соединенных последовательно в батарею.

Термоэлемент (рис.2.10) состоит из двух с различной проводимостью полупроводников – электронного (–) и дырочного (+). Они последовательно соединяются металлическими пластинами, образующими спаи. При прохождении постоянного электрического тока один из спаев охлаждается и имеет температуру Т_х, а другой – нагревается и имеет температуру Т_г.

При этом, к первому спаю подводится из окружающей среды теплота Q₀, а от второго отводится теплота Q_г.

Количество подводимой теплоты (теплота Пельтье) будет

Q₀ = е·Т_х·J,

где е – коэффициент, зависящий от свойств полупроводниковых материалов;

Применяя современные термоэлементы, можно получить разность температур Т_г – Т_х = 20…60⁰С. Однако по энергетической эффективности термоэлектрические охлаждающие устройства существенно уступают парокомпрессионным холодильным машинам, из-за чего они не нашли широкого промышленного применения. Вместе с тем благодаря высокой надежности,

конструктивной простоте, компактности, бесшумности, долговечности термоэлектрические охлаждающие устройства используют там, где предпочтение отдают указанным качествам, – в установках специального назначения, охлаждаемых барах-холодильниках, транспортных холодильниках небольшой емкости, водоохладителях, кондиционерах специального назначения.

Электрокалорическое охлаждение

Непрерывное электрокалорическое охлаждение теплоносителя осуществляется за счет попеременного пропускания его через две параллельные линии, составленные каждая из блока сегнетоэлектрических пластин и теплообменника-охладителя. Единым для обоих блоков является камера охлаждения. Если в одном из блоков (первом) вследствие электрокалорического эффекта сегнетоэлектрические пластины будут иметь пониженную температуру (электрическое поле отключено), то при прокачивании через этот блок теплоносителя он будет охлаждаться. Далее охлажденный теплоноситель воспринимает тепло в камере охлаждения и поступает во второй параллельный блок, где дополнительно нагревается от разогретых сегнетоэлектрических пластин (электрическое поле включено), а затем охлаждается в теплообменнике-охладителе. После снятия электростатического поля этот второй параллельный блок будет иметь пониженную температуру, а при прокачивании через него хладоносителя в обратном направлении он также будет охлаждаться и соответственно в последующем нагреваться при прохождении камеры охлаждения до поступления в первый блок. На этом один цикл непрерывно охлаждения заканчивается.

Магнитокалорическое охлаждение

Эффект охлаждения вызывается материалом, способным намагничиваться. На задней стенке холодильника располагается сильный постоянный магнит и вращающийся диск, на котором размещается этот специальный намагничивающийся материал, который при каждом обороте диска входит в поле постоянного магнита. Находясь в магнитном поле, материал намагничивается и при этом нагревается. Выходя из магнитного поля, он размагничивается и охлаждается до температур значительно более низких, чем температура окружающей среды.

С точки зрения эффективности превращения электроэнергии в холод магнитокалорические холодильники превосходят примерно в 1,5 раза компрессионные.

Эмиссионное охлаждение

Это охлаждение основано на явлении термоэлектронной эмиссии, в результате которой электроны, имеющие достаточно большую энергию могут преодолеть работу выхода и покинуть разогретый катод. В этом случае катод будет обеднен электронами, что приведет к снижению его температуры. Установлено, что практическая реализация охлаждения от комнатной температуры и ниже возможна только путем создания вакуумного зазора (туннеля) шириной не более 5…15 наномикрон. На базе этого типа охлаждения разрабатываются, так называемые, "холодильные чипы".

NIS-охлаждение

Этот тип охлаждения основан на туннелировании электронов с использованием структуры NIS ("нормальный металл – диэлектрик - сверхпроводник"). Туннелирование электронов из нормального металла в сверхпроводник становится возможным при достаточно большом электрическом напряжении. Так как в сверхпроводник туннелируют только электроны с энергиями вблизи уровня Ферми (т.е. самые высокоэнергетичные), то суммарная энергия оставшихся электронов уменьшается и металл охлаждается [21].

Помимо рассмотренных холодильных машин, распространение нашли вихревые трубы (охладители), использующие эффект Ранка-Хильша, к которым энергия, необходимая для их работы, подводится от сжатого воздуха, имеющего обычно температуру окружающей среды. Принципиальная противоточная схема вихревой трубы показана на рис.2.11.

Предварительно сжатый воздух поступает в трубу через сопло 2, направленное по касательной линии к внутренней поверхности. Поток воздуха закручивается в трубе. Молекулы воздуха, двигающиеся по поверхности трубы с большой скоростью, направляются к вентилю 4, а молекулы в центральной части потока с малой скоростью проходят через диафрагму 3 и выходят с другого конца трубы с более низкой, чем начальной температурой. Температура холодного потока зависит от давления воздуха на входе в сопло и от отношения массы холодного потока к общей массе воздуха.

При избыточным давлении на входе в трубу 0,3…0,5 МПа можно получить на холодном конце трубы температуру воздуха на 50⁰С ниже начальной.

Вихревая труба, кроме повышенного шума, уступает и по энергетической эффективности парокомпрессионным холодильным машинам. Поэтому вихревая труба может представлять интерес благодаря простоте конструкции лишь для лабораторных и специальных установок.

Тем не менее, в настоящее время теория вихревого процесса изучается большим кругом специалистов. Но экономичность вихревых труб до сих пор остается неудовлетворительной. Энергозатраты на сжатие газа для производства единицы "холода" в вихревых трубах пока примерно в 8…10 раз больше энергозатрат на производство той же единицы "холода" в парокомпрессионных холодильных машинах.

2. 7. Кондиционер Майсоценко

В этом бескомпрессорном кондиционере внешний поток воздуха делится на две части. Одна его часть охлаждается в сухом рабочем канале за

счет контакта с обратной стороной влажного канала, где испаряется вода (рис.2.12), а оставшаяся его часть нагревается и увлажняется во влажном канале.

Температура и влагосодержание части воздуха во влажном канале повышаются. Нагрев и увлажнение воздуха во влажном канале связано с подводом теплоты, идущей на испарение водяной пленки в этом канале, которое осуществляется в результате отвода эквивалентной теплоты от частей потоков в соответствующих «сухих» каналах. В обоих «сухих» каналах охлаждение воздуха примерно до точки росы происходит за счет скрытой теплоты испарения воды, а движущей силой тепло- и массообмена является психрометрическая разность температур.

Вопросы к разделу2

1). Каким образом определяется холодильный коэффициент и коэффициент преобразования теплового насоса?

2). Принципиальная схема и принцип действия простейшей парокомпрессионной холодильной машины.

3). Принципиальная схема и принцип действия абсорбционной холодильной машины.

4). Какие известны типы абсорбционных холодильных машин?

5). Каким образом оценивают энергетическую эффективность абсорбционных холодильных машин?

6). Какие типы холодильных машин относятся к теплоиспользующим?

7). Принципиальная схема и принцип действия простейшей воздушной холодильной машины.

8). Принципиальные схемы и принцип действия воздушной холодильной машины с избыточным давлением и с разряжение в холодильной камере.

9). Схема, принцип действия и идеализированный цикл холодильной машины Стирлинга.

10). Принципиальная схема и принцип действия термоэлектрической холодильной машины.

11). Принцип действия электрокалорического и магнитокалорического холодильника.

12) Принцип действия эмиссионного и NIS-охлаждения.

13). Принципиальная схема и принцип действия вихревой трубы.

14). Принцип действия кондиционера Майсоценко.