Охлаждение расширением газа в пульсационном устройстве

Лекция 4

Охлаждение расширением газа в пульсационном устройстве.

    Предварительно сжатый газ с параметрами р₁ и Т₁ (например, р₁=0,5 МПа) подается во вращающийся ротор-распределитель. В полости корпуса и в выходном патрубке более низкое давление р₂, например 0,1 МПа.

    Газ через сопла в роторе-распределителе периодически подводится к трубкам-рецепторам с частотой равной частоте вращения ротора умноженной на число сопел ротора. В рецепторе газ периодически сжимается и расширяется.

    В результате такого пульсационного процесса в нем устанавливается постоянное распределение температуры от (0,7…0,9)Т₁, в начале рецептора, до (1,7…2,0)Т₁, в конце рецептора.

    Давление на входе в рецептор изменяется от близкого к р₂ (например, 0,1 МПа) до более высокого давления, но несколько меньше чем р₁.

    От горячего конца рецептора тепло отводится в окружающую среду, т.е. отдается часть энергии сжатого газа.

Рекомендуемые материалы

    Пульсационный процесс уподобляется процессу расширения газа с отводом энергии (в принципе, отводимое тепло может быть полезно использовано).

    В связи с этим температурная эффективность этого процесса достаточно высока и может приближаться к эффективности расширения газа в детандере.

    На графике показано распределение температуры вдоль длины рецептора.

Пример.

Т₁ = Т_ос = 293 К

Т_к.рец. = 586 К (313 ^оС)

Т_выход. = 234 К (-38 ^оС)

Пример

Число сопел 4, число рецепторов 16, диаметр рецептора 0,012 м (12см), длина рецептора 𝓵 = 1 м, при 𝜋_к =  =  3,0,

Относительная эффективность различного способа охлаждения расширением.

*Только для доли

Охлаждение с использованием электрических и магнитных эффектов.

Термоэлектрический эффект (полупроводниковые охладители)

Термоэлектрический эффект основан на явлении возникновения ЭДС в цепи из двух разнородных проводников, если спаи этих проводников имеют различную температуру. На этом принципе построены термопары, использующие для измерения температуры.

    Открыт в 1812г. Зеебеком. В 1834г. Пельтье обнаружил обратный эффект, т.е. нагрев и охлаждение противоположных спаев.

    Устройство полупроводникового элемента:

    Два разнородных полупроводника 1 и 2 соединены между собой спаем, другой конец соединен горячим спаем, соединен с источником постоянного тока. В результате прохождения тока, согласно эффекту Пельтье один из спаев охлаждается и к нему может быть подведено тепло Q₀ от охлаждаемого объекта. Второй спай нагревается и тепло Q_г отводится в окружающую среду. Эффект охлаждения зависит прежде всего от свойств материала полупроводников, а именно от их термо ЭДС, обозначают буквой 𝛼, . Переносимое по эффекту Пельтье, равно

разности термо ЭДС полупроводников, умноженное на силу тока и абсолютную температуру холодного спая.

    Материалы полупроводников 1 и 2 подбирают таким образом, чтобы коэффициент Пельтье 𝛼 для них были равны по величине и противоположны по знаку.

    Тогда холодопроизводительность по эффекту Пельтье будет равно Q = 2𝛼𝒥T_x.

    Полной реализации эффекту Пельтье препятствует два физических фактора: 1) теплопроводность полупроводников, в результате которой тепло перетекает обратно от горячего спая к холодному; 2) нагрев полупроводников от Джоулевого тепла выделяемого проводником при прохожении через него тока.

    Холодопроизводительность полупроводников элемента:

    (1)

где  – сила тока, А

       - длина полупроводников, м

      S – поперечное сечение проводников, м²

       - коэффициент теплопроводности,

    (2)

    Из формулы видно, что эффект Пельтье пропорционален силе тока первой степени, а потери связанные с выделением Джоулевого тепла пропорциональны квадрату тока, следовательно существует оптимальное значение тока, обеспечивающее максимальное  при заданных температурах Т_г и Т_х.

    Максимальную  можно определить .

   (3)

    Если уравнение (3) поставить в уравнение (2), то мы получим

    (4)

    В соответствии с (4) уравнением можно построить график зависимости холодопроизводительности термоэлемента горячего и холодного спая.

    Поскольку тепло от горячего спая вводится в окружающую среду имеющей температуру Т_ос, то в пределе можно считать, что Т_г = Т_ос.

    Рабочие условия термоэлемента находящегося между этими двумя крайними точками:

    Превое условие – возникает тогда, когда к холодному спаю подводится большое количество тепла с которым устройство не может справиться.

    Второе условие – возникает если поверхность покрыть мощной теплоизоляцией, тогда разность температур будет максимальной, а приток тепла будет равен 0.

    Если в уравнение (4) , то можно определить величину _max

К^-1 – называется коэффициентом добротности проводниковых материалов.

    При выборе материала стремятся получить более высокие значения коэффициента Z. Анализ показывает, что наиболее высокие значения Z имеют именно полупроводники.

   Металлы имеют высокую электропроводность , но низкое значение коэффициента Пельтье.

Люди также интересуются этой лекцией: 2 Человек и духовный мир.

    Диэлектрики напротив имеют весьма высокий коэффициент Пельтье, но низкое значение .

    Наиболее благоприятное смешение  и max Z имеют полупроводники.

    В состав сплавов различных полупроводников включают: кремний, германий, селен, телур, окиси сульфидов, селенидов, тебуридов и др.

    Лучшие материалы имеют Z обеспечивающее , при окружающей температуре 20 ^оС. Для обеспечения необходимой холодопроизводительности термоэлектрического охладителя применяют комбинации из множеств параллельно работающих термоэлементов.

    Для достижения более низких темпреатур применяют комбинации, где термоэлементы работают в две ступени: верхняя ступень охлаждения, горячий спай нижней ступени.

    По энергетической эффективности термоэлектрические холодильники существенно уступают парокомпрессионным холодильным машинам. Мощность таких охладителей реально составляет от нескольких Вт до нескольких кВт. Их достаточно широкое применение обусловлено тем, что они компактны, безшумны, экологически чисты и легко встраиваются в различные электронные системы, автомобили, мебель.