Охлаждение при расширении газа с совершением внешней работы. СТ с применением детандерных агрегатов

Здесь предполагается, что газ расширяется в поршневом детандере или турбодетандере адиабатически, т.е. без теплообмена с окружающей средой и его энергия преобразуется во внешнюю работу, которая выполняется тормозным электродвигателем, ступенью сжатия компрессора или механическим тормозом. При этом энергия газа, а следовательно, и его температура понижаются.

Предельная температура охлаждения в детандере может быть определена по формуле:

Т₂ = Т₁ (Р₂/Р₁)^(n-1)/n ,

где: Т₁ – температура торможения сжатого воздуха, К,

Т₂ – температура торможения расширенного (холодного) воздуха, К,

Р₁, Р₂ – давления сжатого и расширенного воздуха, МПа,

n – показатель политропы расширения.

Для приближенной оценки изменения температуры газа в турбодетандере используется интегральный средний коэффициент охлаждения газа при адиабатном расширении

Применительно к воздуху в области давлений от 1 до 8 кг/см² вдали от состояния сжижения можно принять град/(кг/см²). Так, при расширении газа с 7...8 атм до 1 атм., температура газа может понизиться на

В реальных детандерах температурный эффект ниже адиабатного из-за трения, теплообмена и других факторов, увеличивающих температуру газа на выходе их детандера. Эффективность турбодетандеров оценивается адиабатным КПД, равным 0,65…0,85.

Рис. 3.6. Схема воздушной холодильной машины:

1 - турбокомпрессор; 2- промежуточный холодильник;

3 - турбодетандер; 4 - тормозной электродвигатель;

5- объект охлаждения; 6 - линия сброса воздуха в атмосферу;

7 — линия возврата воздуха в турбокомпрессор

В газовой (воздушной) холодильной машине (рис. 3.6) газ сжимается в турбокомпрессоре 1 и направляется в промежуточный холодильник 2, где охлаждается встречным потоком воздуха из объекта охлаждения или от постороннего источника - атмосферным воздухом или водой из системы оборотного водоснабжения. Затем воздух поступает в турбодетандер 3 , где в результате совершения внешней полезной работы на тормозном устройстве 4 температура его понижается. Далее воздух охлаждает объект 5, а сам при этом нагревается. Если температура воздуха еще не высока, то он направляется в холодильник 2. Если имеется опасность загрязнения воздуха в объекте 5, то он по линии 6 сбрасывается в атмосферу. В противном случае воздух по линии 7 может быть возвращен в турбокомпрессор.

Термоэлектрический эффект

Сущность термоэлектрического эффекта Пельтье состоит в том, что при протекании электрического тока через разнородные проводники в местах их контактов (спаев) в зависимости от направления тока выделяется или поглощается некоторое количество теплоты Q_n. Термоэлемент (ТЭ) состоит из двух ветвей 2 (рис. 3.7) , соединенных металлическими пластинами 1 и 3 с источником питания 4 . Ветви представляют собой полупроводники с электронной (-) и дырочной (+) проводимостью. Пластина 1 образует холодный спай с температурой Т_х , а пластины 3 -горячий спай с температурой Т_Г . Разнородность проводников (ветвей) 2 определяется разным уровнем энергии электронов. Чем больше алгебраическая разность величин этой энергии, тем больше эффект Пельтье.

Рис. 3.7. Схема термоэлемента: 1,3- металлические пластинки спаи; 2 - полупроводники-ветви; 4 - источник питания

Если электроны при протекании из одной ветви термоэлемен­та в другую отбирают кинетическую энергию от атомов в спае, то температура спая понижается. При обратном направлении тока элек­троны переходят на более низкий энергетический уровень, отдавая часть энергии атомам кристаллической решетки, и спай нагревается.

Термоэлемент можно рассматривать как холодильную машину, в которой рабочим телом является электронный газ, с различным состоянием в разных точках цепи.

На холодном спае поглощается теплота

а на горячем спае выделяется теплота

где е - коэффициент термоэлектродвижущей силы (ТЭДС); I - сила тока.

ТЭДС возникает в результате диффузии электронов и дырок из нагретых мест к холодным.

Если идеализировать работу ТЭ, т.е. полагать, что нет перетока теплоты Q_m от горячих спаев к холодным, нет в ветвях выделения джоулевой теплоты Q_дж, нет теплообмена ветвей с окружающей средой и теплообмен происходит только на спаях, то уравнение теплового баланса для ТЭ имеет вид:

где L - работа, которую совершает ток против ТЭДС ТЭ, или мощность, потребляемая ТЭ.

В реальном ТЭ холодопроизводительность равна:

,

а теплопроводительность (по горячему спаю)

. ,

Здесь 0,5Q_дж показывает, что половина джоулевой теплоты поступает на холодный спай.

Работа тока L с учетом выделяющего в ветвях джоулевой теплоты равна:

где R- сопротивление ветвей.

От горячего спая следует отвести теплоту

.

Энергетическим показателем термоэлемента является его холодильный коэффициент

.

В качестве термоэлектрических материалов применяют полупроводниковые сплавы на основе висмута и сурьмы.

При фиксированной температуре t_Г = 30°C можно получить t_x = - 45°С ...- 50°С, т.е. разность температур между спаями Δt_max = t_Г - t_x = Δt = 75 ... 80°С.

Наиболее важными характеристиками термоэлемента являются холодопроизводительность Q₀ и потребляемая мощность N. Переток тепла по ветви

,

где Z - эффективность вещества термоэлемента; чем больше Z, тем меньше переток тепла от горячего спая к холодному.

Следовательно, выражение для холодопроизводительности принимает вид:

и для потребляемой мощности

.

Из выражения для Q₀ видно, что поглощение теплоты на холодном спае зависит от силы тока в первой степени, а джоулева теплота - от силы тока в квадрате. Следовательно, наибольшее охлаждение спая возможно лишь при некоторой ограниченной силе тока, а при больших значениях I холодопроизводительность Q₀ начнет уменьшаться.

Различают три характерных режима работы термоэлемента.

I режим - максимальной холодопроизводительности - Q_0max, при котором I = I_max.

II режим - максимального холодильного коэффициента – ε_max, при котором сила тока I изменяется в соответствии с изменением разности температур на спаях Δt, обеспечивая минимум затрат электроэнергии.

III режим - минимального тока I_min при котором заданные значения Q₀ и Δt, обеспечиваются минимально возможным значением тока - I_min.

Таким образом, два показателя работы ТЭ холодопроизводительность Q₀ и холодильный коэффициент ε - в трех режимах работы (Q_max , ε_max и I_min) являются функциями разности температур Δt (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Зависимость ε , Q₀ от температур на спаях Δt

При жестких лимитах на электроэнергию режим етах является единственно приемлемым. В микроохладителях при малой потребляемой мощности порядка 10 ... 20 Вт, где требуются минимальные размеры и вес конструкции, используют режим Q_max. Если используются слаботочные источники тока, то следует применять режим I_min.

Системы термостатирования на основе термоэлектрических охладителей отличаются малыми габаритами, отсутствием рабочего тела, движущихся деталей и простотой обслуживания. В энергетическом отношении термоохлаждающие устройства существенно уступают паро-компрессионным холодильным машинам. При разности температур Δt = 30 ... 40°С холодильный коэффициент термоохлаждающих устройств не превышает единицы, а в ПКХМ он намного выше. Однако при малых Q₀ (до 20 Вт) потери в ПКХМ велики и ε для термоохлаждающих устройств может быть выше.

Надежность работы ТЭ зависит в основном от качества электрической изоляции элементов теплового сопряжения спаев с теплообменными поверхностями и степени нейтрализации температурных и механических напряжений в ветвях ТЭ.

Механические свойства полупроводниковых веществ ТЭ относительно низки, отличаются хрупкостью наподобие графита, и поэтому нуждаются в виброзащите.

Контрольные вопросы к разд.1.1-1.3

1. Назовите основные объекты термостатирования.

2. Чем системы термостатирования отличаются от систем кондиционирования воздуха?

3. По каким признакам классифицируются системы термостатирования?

4. Какие теплоносители используются в системах термостатирования? Их достоинства и недостатки.

5. На каких физических принципах строится получение холода в системах термостатирования?

6. В чём заключается дроссельный эффект Джоуля-Томсона?

7. Что такое детандер?

8. Почему при протекании через детандер газ охлаждается больше, чем при дросселировании?

9. В чём заключается принцип действия вихревой трубы?

10. Назовите достоинства и недостатки использования вихревых труб в СТ?

11. В чём заключается термоэлектрический эффект Пельтье?