Термоэлектрическая холодильная машина

Термоэлектрическую холодильную машину уместнее называть охлаждающим устройством из-за весьма специфической конструкции.

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

Термоэлемент (рис. 7) 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

Рис. 7. Принципиальная схема термоэлемента: 1 - холодный спай; 2 - горячий спай; 3 - источник постоянного тока; 4 - полупроводники

Количество подводимой теплоты (теплота Пельтье) можно представить

Q₀=еT_ХI

где е - коэффициент, зависящий от свойств полупроводниковых материалов;

I - сила тока.

При изготовлении термоэлектрических охлаждающих устройств используют соединения висмута, сурьмы, селена и другие достаточно дорогие полупроводниковые материалы.

Применяя современные термоэлементы, можно получить разность температур T_Г - Т_Х=20... 60 ºС. 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.

Вихревая труба

Помимо рассмотренных холодильных машин, распространение нашли вихревые трубы (охладители), к которым энергия, необходимая для их работы, подводится с воздухом, имеющим обычно температуру окружающей среды.

Рис. 8. Принципиальная схема вихревой трубы:

1 - корпус; 2 - сопло; 3 - диафрагма; 4 - вентиль

Предварительно сжатый воздух поступает в трубу через сопло, направленное по касательной линии к внутренней поверхности. Поток воздуха закручивается в трубе. Молекулы воздуха, двигающиеся по поверхности трубы с большой скоростью, направляются к вентилю, а молекулы в центральной части потока с малой скоростью проходят через диафрагму и выходят с другого конца трубы с более низкой, чем начальная, температурой.

Температура холодного потока зависит от давления воздуха на входе в сопло и от отношения массы холодного потока к общей массе воздуха, поступающего в трубу.

При начальном давлении 0,3 ... 0,5 МПа можно получить на холодном конце трубы температуру воздуха на –50 ºС ниже начальной.

Вихревая труба по энергетической эффективности уступает парокомпрессионной холодильной машине, воздух обладает большой осушающей способностью. Поэтому вихревая труба может представляет интерес благодаря простоте конструкции лишь для лабораторных и специальных установок.

Тема № 3.

РАБОЧИЕ ВЕЩЕСТВА ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Холодильные агенты

Рабочее вещество, с помощью которого в холодильной машине совершается обратный круговой процесс или цикл называют холодильным агентом. В специальной технической литературе применяют сокращенный термин хладагент.

Если проанализировать формулу для расчета теоретического холодильного коэффициента обратного цикла Карно, то окажется, что его значение не зависит от природы рабочего вещества. В действительных условиях экономичность работы холодильной машины, ее конструкция и размеры в большей степени зависят от рода холодильного агента.

К холодильным агентам предъявляются требования термодинамического, физиологического, экологического и экономического характера.

1. Холодильный агент должен обладать умеренными давлениями при температуре кипения и конденсации (т.е. в испарителе не должно быть вакуума, воизбежание подсоса воздуха в систему, а в конденсаторе давление конденсации не должно превышать 1,5-1,7 МПа - для аммиачных установок и 0,9-1,2 МПа - для фреоновых для облегчения конструкции и снижения опасности утечек хладагента через неплотности).

2. Удельная теплота парообразования холодильного агента должна быть как можно большей, а удельный объем – меньшим.

3. Агент должен обладать возможно более низкой температурой замерзания и высокой критической температурой.

4. Холодильный агент должен иметь низкую вязкость, высокую теплопроводность, не вступать во взаимодействие со смазочным маслом и хорошо растворять в себе воду.

Холодильного агента, полностью удовлетворяющего всем этим требованиям пока не создано, но больше других отвечают перечисленным требованиям аммиак и фреоны.

Ранее в качестве хладагентов применяли двуокись углерода, аммиак, сернистый ангидрид и углеводороды - хлористый этил и хлористый метил. В 30-х годах на смену сернистому ангидриду и углеводородам пришли фреоны - углеродные или углеводородные соединения, содержащие фтор, хлор и бром. Это повысило повысить надежность, энергетическую эффективность и безопасность холодильных машин.

Фреон - это торговая марка, принадлежащая американской фирме «Дюпон» (сейчас - «Дюпон де Немур»), которая в 1928 г. впервые синтезировала фреон - 12. В нашей стране вместо термина фреон ввели термин хладон. Между тем в специальной технической литературе продолжают применять термин фреон, а также название торговой марки «Сува».

По виду используемого хладагента различают холодильные машины аммиачные, фреоновые, пропановые, пароводяные, водоаммиачные и др.

В настоящее время на практике применяют до 30 хладагентов.