автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Термоэлектрические теплообменные аппараты рекуперативного типа с тепловыми мостиками

КАЗУМОВ Ревшан Шихович

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТИПА С ТЕПЛОВЫМИ МОСТИКАМИ

Специальность

05.04.03 - машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 С ОЕЗ 20:2

Махачкала - 2012

005010079

005010079

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дагестанский государственный технический унинерситег».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Исмаилов Тагир Абдурашкдович Научный консультант:

кандидат физико-математических наук, доцент Гаджиева Солтанат Магомедовна Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Магомедов Дауд Ахмеднабиевич, кандидат технических наук, доцент Адамова Арина Александровна

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» 4

Защита диссертации состоится % » февраля 2012 г. в 14°° часов на заседании диссертационного совета К212.052.01 в ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет», 367015, г. Махачкала, пр. Имама Шамиля 70, ауд.202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет»

Автореферат разослан «°^? » января 2012 ]

Ученый секретарь диссертационного совета,

К.Т.Н., доцент Евдулов О-В.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. На данном этапе развития науки и техники задачи исследования специальных средств для обеспечения интенсивной теплопередачи от источников с высокими тепловыми нагрузками, создание принципиально новых высокоэффективных систем охлаждения и термостабилизации, 01вечающих специфическим требованиям проектирования теплообменных аппаратов, обладающих улучшенными характеристиками, являются все более насущными и актуальными. Это связано с насыщением мирового рынка новыми техническими средствами, обладающими большими функциональными возможностями и высоким быстродействием, но характеризующимися повышенным значением удельных тепловых перегрузок и перегревов, что сказывается на надежности их работы.

Одним из перспективных направлений при создании систем охлаждения и термостабилизации аппаратуры является использование полупроводниковых термоэлектрических преобразователей, обеспечивающих построение экономичных, малогабаритных холодильников и стабилизаторов температуры с широкими функциональными возможностями но поддержанию заданного теплового режима. Теория и возможности практического применения приборов подобного типа достаточно подробно описаны в работах Иоффе А.Ф., Стильбанса Л.С., коленко АЛ:., Бурштейна А.И., Каганова М.А., Привина М.Р., Анатычука Л.И., Котырло Т.К., Вайнера АЛ., Иорданишвили Е.К., Зорина И.В., и др. В данных работах произведен расчет параметров устройств, работающих в различных режимах, определена энергетическая эффективность их применения. Основной упор здесь сделан на исследование тенлофизических процессов при неизменной температуре на спаях термоэлектрических преобразователей энергии.

Однако существует много областей применения термоэлектрических устройств, где имеет место изменение температуры теплоносителей вдоль поверхностей термоэлектрической батареи (ТЭБ), поглощающих и выделяющих тепло. В первую очередь сюда необходимо отнести различные типы теплообменных аппаратов: охладители и нагреватели потоков жидкости, воздухоохладители, кондиционеры и т.п., т.е. все приборы, в которых циркуляция теплоносителей происходит вдоль спаев ТЭБ. При значительном прогрессе в термоэлектрической технике работы по устройствам подобного типа практически отсутствуют, не разработаны в полной мере их теоретические основы, не указаны эффективные режимы работы, не определены области целесообразного применения и т.д.

Представляет интерес исследование термоэлектрических теплообменных аппаратов специальной конструкции с улучшенными энергетическими характеристиками, их оптимизация, определение основных параметров, а также рациональных областей применения. Указанный интерес обусловлен недостаточностью исследований в этой области наряду с острой необходимостью разработки действенных высокоэффективных теплообменных аппаратов с улучшенными свойствами. Отмеченные обстоятельства и определяют актуальность настоящего диссертационного исследования.

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка термоэлектрических теплообменных аппаратов рекуперативного типа с тепловыми мостиками с улучшенными энергетическими, массогабаритными и надежностными показателями.

Основными задачами диссертационной работы являются:

1. Разработка термоэлектрических теплообменных аппаратов рекуперативного типа, в которых совмещены возможности теплопередачи через высокотеплопроводный материал (тепловой мостик) и интенсификации теплообмена при использовании ТЭБ.

2. Разработка математической модели термоэлектрических теплообменных аппаратов рекуперативного типа, выполненных совместно с тепловыми мостиками различной конфигурации.

3. Проведение комплекса экспериментальных исследований с целью проверки адекватности математической модели теплообменных аппаратов практике.

4. На основе проведенных исследований разработка новых типов термоэлектрических теплообменных аппаратов рекуперативного типа для приборов и устройств холодильной техники.

5. Внедрение результатов исследований и разработок на предприятиях холо-

дильної! промышленности, в учебные процессы кафедр, в научно-исследовательскую деятельность лабораторий вузов Республики Дагестан и Российской Федерации. ' _

Методы исследования. В процессе решения поставленных задач использованы принципы системного подхода, теория теплопроводности твердых тел, теория конвективного теплообмена, математическая статистика, аналитические методы решения дифференциальных уравнений и систем дифференциальных уравнений, экспериментальные методы исследования.

Новые научные результаты. При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие основные новые научные результаты:

1. Принцип построения термоэлектрических теплообменных аппаратов рекуперативного типа, заключающийся в совмещении возможностей теплопередачи через высокотеплопроводный материал (тепловой мостик) и интенсификации теплообмена при использовании ТЭБ.

2. Методика расчета теплового режима термоэлектрических теплообменных аппаратов рекуперативного типа, выполненных совместно с тепловыми мостиками различной конфигурации.

^ 3. Совокупность результатов теоретических и экспериментальных исследований, отражающая зависимость изменения температуры жидкости на выходе из теплообменного аппарата от коэффициента заполнения, величины тока питания ТЭБ, длины теплообменного аппарата. ’

4. Конструкции термоэлектрических теплообменных аппаратов с тепловыми мостиками и устройств на их основе.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанная конструкция термоэлектрического теплообменного аппарата рекуперативного типа позволит повысить эффективность работы охлаждающей аппаратуры за счет оптимизации ее энергетических и надежностных характеристик.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные в диссертаци- ■ онной работе методы, расчетные модели и устройства использованы при выполнении госбюджетной научно-исследовательской работы в рамках тематического плана ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» по заданию Министерства образования и науки Российской Федерации «Исследование электро- и теплофизических процессов в термоэлектрических теплообменных аппаратах рекуперативного типа и создание математической модели на их основе». Основные результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования и производство ФГБУН Институт проблем геотермии ДНЦ РАН, ОАО «Кон-4

церн КЭМЗ», ООО «Геоэкопром», а также в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет».

Апробация результатов работы. Работа в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на Международной НТК «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» (Москва, МИ-РЭА 2008 г ), IV Международной НТК «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, СПбГУНиПТ, 2009 г.), V Международной НТК «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петероург, СПбГУНиПТ, 2011 г.), XXXI и XXXII итоговой НТК преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ (Махачкала, ДГТУ, 2010 и 2011 1.), научнотехнических семинарах кафедры теоретической и общей электротехники ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» с 2008 по 2011 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи, 9 докладов и тезисов докладов на научных конференциях, получен 1 патент Российской Федерации на изобретение.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 101 наименование и приложения. Основная часть работы изложена на 128 страницах машинописного (екста. Работа содержит 36 рисунков и 16 таблиц.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы и определена практическая направленность результатов и логическая связь глав.

В цервой главе дана характеристика существующих в настоящее время теплообменных аппаратов, методов интенсификации теплопередачи термоэлектрических приборов и устройств. Проведен их критический анализ на предмет возможности оптимизации энергетических характеристик термоэлектрических теплообменных систем, применяемых в холодильной технике.

Обзор публикаций, посвященный термоэлектрическим устройствам, показал, что область их применения затрагивает не только традиционные сферы охлаждения или нагрева объектов и потоков теплоносителей соответственно ниже или выше температуры окружающей среды. При использовании ТЭБ для интенсификации процесса теплопередачи в теплообменных аппаратах, в частности, обеспечивается принудительная передача теплоты от объектов с высоким температурным потенциалом к объектам с низким температурным потенциалом, при возможности многократного снижения массы и габаритов теплообменных устройств. Конструктивные решения термоэлектрических приборов в данном случае отвечают схеме: объект - ТЭБ - теплообменник. ^

На основе анализа литературных источников выявлено, что исследований термоэлектрических преобразователей, применяемых для интенсификации процесса теплопередачи в теплообменных аппаратах потоков жидкостей и газов на данный момент недостаточно: не проведена их конструктивная проработка, не осуществлен анализ эффективности, не изучены режимы работы. В большей степени, это касается исследования возможностей совмещенной теплопередачи между теплоносителями — посредством «естественной» кондукции за счет теплопроводности через тепловой мостик и «принудительной» - при использовании для интенсификации теплопередачи ТЭБ.

Все это обусловливает необходимость теоретического и экспериментального исследования термоэлектрических теплообменных аппаратов данного типа.

Основная особенность термоэлектрического устройства, работающего в ре-х<име интенсификации теплообмена — совпадение направлений естественной и принудительной теплопередачи, что позволяет использовать дополнительные возможности для совершенствования конструкций — и должна быть учтена при разработке расчетных методик. Оптимизация массогабаритных, энергетических и технико-экономических показателей приборов данного типа должна проводиться с учетом специфики объекта теплового воздействия, условий работы, температуры окружающей среды, что позволяет правильно оценить возможности термоэлектрического устройства в режиме интенсификации теплопередачи и проводить обоснованный и целенаправленный их выбор для теплообменных аппаратов рекуперативного типа.

С учетом проведенного обзора сформулирована цель диссертационной работы, поставлены задачи, которые необходимо решить для достижения указанной цели.

Во второй главе рассмотрена математическая модель термоэлектрического теплообменного аппарата рекуперативного типа с тепловыми мостиками.

Расчетная схема прибора приведена на рис.1. В ней на элементарном участке <1х длины ТЭБ обеспечивается теплопередача, как через термоэлементы (ТЭ), так и через высокотеплопроводные тепловые мостики с интенсивностью теплообмена, определяемой числами Био соответственно для ТЭБ — В^; для теплового мостика

- В1,2. Вводится понятие коэффициента заполнения который в данном случае ■характеризуется отношением площади ТЭБ на элементарном участке к площади элементарного участка. Тогда на элементарном участке длины с1х площадь спаев 1Э занимает поверхность ^Ьс1х, а площадь поверхности теплового мостика — (1-£)Ь(1х, где I - ширина ТЭБ.

Рис. I. Расчетная схема термоэлектрического теплообменного аппарата с тепловыми мостиками

Коэффициенты теплоотдачи, теплопроводности и толщину, соответственно, для ТЭБ и теплового мостика обозначим через а1>2, а'и , Х1>г, Х\а, сі, с!'. Примем’ что температуры охлаждаемых и нагреваемых теплоносителей на входе в ТЭБ соотносятся как Т]>Т2. Остальные допущения соответствуют общепринятым для проточных термоэлектрических тепловых насосов: потоки абсолютно перемешиваются б направлении, перпендикулярном направлению движения; свойства теплоносителей и материалов не зависят от температуры; теплопередача через неучтенные элементы конструкции отсутствует.

Уравнения теплового баланса по потокам теплоносителей для приведенной схемы в условиях прямотока выглядят следующим образом:

XV, = а,^ЦТІТЗБ -Т,) + а,(1 -£,)ЦТ1м -Т,), (1)

сіх

W,-І;=а^L(T2таБ-T2) + а2(l-^)L(T2м -Т2), (2)

сіх

где Т1ТЭБ2ТЭБ - температуры спаев термоэлементов, Т,м>2м - температуры поверхностей тепловых мостиков, Ті_2 - температуры охлаждаемых и нагреваемых теплоносителей.

Уравнения теплового баланса на поверхностях, омываемых потоками теплоносителей, имеют вид для спаев ТЭ:

«,(Т, -ТітаБ) = ё)Т11ЭБ -у/рсі-|(Т2гаБ -ТПЭЕ), (3)

1 А,

°Ч(Т2ізб -Т2)=^Т213Б+-І‘рс1--02ТзВ-ТГгзБ), (4)

где ё - коэффициент термо-э.д.с., ] - плотность электрического тока,

для тепловых мостиков:

а ,(Т, -Т1м) = К (Т, -Т2), (5)

а'*(Т2м-Тг) = К'(Т1-Т2), (6)

• Л 1 с1\_, „

ПРК =(—Г + -—г + тт) - коэффициент теплопередачи через тепловой мос-

л а, а2 А. п

тик.

После исключения температур поверхностей Т1ТЭб,2гэб и Т,м>2м и приведения

выражения к безразмерному виду, выражения для изменения температур потоков

теплоносителей вдоль теплообменной поверхности теплообменного аппарата принимают вид:

Г раничные условия записываются для случая прямотока в виде

0!|х=О =0!1;02|Х!гО =©”• (9)

Решение полученной системы дифференциальных уравнений (7)-(8) с граничными условиями (9) для условия прямотока записывается следующим образом:

Ч'Х

01 = с, (у, - ь2)~—+с2 (У2 - ь2)—-А-(^ _ ь2)--А_(*{/2 - ь2), (10)

р, р2

(П)

где

‘Р.Ь, ч^ь,

с, ф;1ь, -(^ -Ь2^ +{% -Ь^У-Ь^ -Ч»), с2 ф;'ь, -(^ -ь2У4< +(ч' -ь2)у-ь1§1/(^ -ч»),

Р,=(азЬ1-Ь3Ч'2+Ь3Ь2)/(Ч'-‘Р2),

Р2=(а3Ь1-Ьз^+Ь3Ь2)/('Р2-Т1),

Ь2+а,±Л/(Ь2-а1)2+4а,Ь,

';2 2 ’

а, = Ъф2шр - (1 + у)]- Ь’ (1 - а2 = Ы; + Ь’(1 - §),

у2

а3 = Ы; — [1+(2-у)тр],Ь| = цЬЕ, + Т]Ь'(1

Ь2 - цЬ^у’р - (1 - у)]- Ь’ Л(1 - Ь3 = ЛЫ;[1 + (2 + у)р].

В случае противотока, знак левой части второго уравнения исходной системы для описания полей температур теплоносителей вдоль теплообменника следует изменить на противоположный. Это равносильно тому, что во всех выражениях для определения 0, и 02 в случае прямотока вместо Ь,, Ь2, Ь3, необходимо взять -Ьь -О?, -Ь>.

Кроме того, постоянные С, и С2 должны быть определены из граничных ии:

В соответствии с изложенным для определения С, и С; в случае противотока

используются следующие соотношения:

г ~ь,(е,н-5УМе?-у)(ч'2-ь2)

(13)

-Ь,(0Г-5>Т|+(У-0”)(У,-Ьг)

2~ '

(14)

В данных выражениях также нужно заменить Ьь Ь2, Ь3, на -Ьь -Ь2, ~Ь3. Л температуры теплоносителей при этом определяются по тем же формулам, что и для прямотока.

Отличительной особенностью режима противотока являегся то, что в этом случае подкоренное выражение в 4*1 и Ч'2 может оказаться отрицательной величиной, т.е.

Если такой случай имеет место, то Ч'] и Ч'2 можно представить в комплексном виде:

В этом случае изменение температур 01 и 02 вдоль теплообменника будут носить характер гармонических колебаний.

В случае, когда Ч'] и Ч*2 действительны в режиме противотока, полные изменения температур в потоках охлаждаемых и нагреваемых теплоносителей при прохождении через теплообменник равны:

Результаты вычислительного эксперимента приведены на рис.2 - 4.

Как следует из рис.2, где представлены графики изменения темперагур на выходе из теплообменника в зависимости от его длины, для наилучшего использования термоэлектрического теплообмениого аппарата необходимо исходить из требований к нему. Например, если требуется получить более глубокое охлаждение при одной и той же величине тока, то необходимо использовать более длинную ТЭБ, а коэффициент заполнения более низкий. При этом выигрыш в экономии ТЭ по сравнению со случаем, когда ими покрыта вся поверхность (4=1), достаточно ощутима. Из графика следует, что при 4=1 максимальная длина ГЭБ в теплообменном аппарате для указанных выше условий равна 1,1 м, а жидкость охлаждает-

(Ь2 — а,)2 + 4а2Ь, <0.

Ч^ Ч/2 =Ф-0Ч',

где <р = (Ь2 + а,)/2, Ч> = ^|(Ь2-а,)2+4а2Ь,

ея при этом с 318 К до 312 К. Площадь поверхности ТЭ в этом случае 81=Ь-£=1,1 Ь м". Когда 5=0,2, длина ТЭБ в теплообменном аппарате, при котором достигается максимально возможное охлаждение жидкости, равна 3,6 м. В этом случае теплоноситель охлаждается с 318 К до 308 К, площадь поверхности ТЭ при этом 82 =0,38 м2.

Если теперь сравнить эти два случая, то охлаждение жидкости на выходе во втором случае более глубокое, нежели в первом. Кроме того, площадь поверхности во втором случае меньше площади в первом, т.е. 82 <8Ь что означает экономию материала ТЭ и расходуемой электрической энергии.

Рис.З.Зависимости предельных длин ТЭБ в режиме интенсификации от коэффициента заполнения при различных температурах (1 - Тн = 327К; 2 - Тн = 318К; 3 - Тн - 297К; 4 - Тн = 293К; Тн2 = 287К; 1 = 5А.

На рис.З представлены графики изменения предельных длин ТЭБ в зависимости от коэффициента заполнения, т.е. тех длин, при которых температуры жидкостей на выходе из теплообменника равны между собой. Как следует из представленных данных, чем больше разница температур теплоносителей на входе в теплообменник, тем больше длина ТЭБ, необходимая для удержания режима интенсификации. I рафики носят монотонно убывающий характер в зависимости от коэффициента заполнения. Чем больше разница температур теплоносителей на входе, тем резче убывают функции Ь=Ь(£) при постоянном токе питания 1=5А.

Рис.2.Изменения температур жидкостей на выходе из теплообменника в зависимости от длины при различных коэффициентах заполнения (1 - £, = 1; 2 - % = 0,8; 3-£ = 0,5; 4 -\ = 0,2; 1 = 10 А)

На рис.4 приведены : (рафики зависимости предельных длин ТЭБ в режиме интенсификации от коэффициента заполнения при различных токах питания и постоянной разности температур теплоносителей на входе в теплообменник. Функции Ь=Ц£) также носят монотонно убывающий характер. При этом, чем больше значение тока питания, тем меньше длина ТЭБ для удержания режима интенсификации.

Анализ результатов расчета показывает, что величина тока, при котором еще возможна работа теплообменника в режиме интенсификатора, существенно зависит от разности температур теплоносителей на входе в теплообменник. Чем выше эта разность, тем больше величина тока режима интенсификатора при прочих равных параметрах.

Приведены результаты расчета холодильного коэффициента е(у), коэффициента преобразования ц(у) и температур теплоносителей на выходе из теплообменников в 1 м и 0,5 м, Т]вх=45 °С, Т2вх~14 "С, где Т1вх, Т2вх - температуры охлаждаемого и нагреваемого теплоносителей на входе. Согласно этим данным, чем больше коэффициент заполнения, тем меньше область изменения тока для режима интенсификации. Более глубокого охлаждения можно добиться в режиме интенсификации меньшими токами, но при больших значениях коэффициента заполнения % . Но при меньших значениях § такого охлаждения может вовсе и не быть, так как сильное увеличение тока приводит к дальнейшему нагреванию охлаждаемого теплоносителя. Что касается нагреваемого теплоносителя, то при одном и том же значении тока более высокий нагрев происходит при малых значениях коэффициента Сравнение холодильных коэффициентов или коэффициентов преобразования показывает, что при прочих равных условиях эти коэффициенты выше у теплообменника с меньшей длиной. Если рассматривается один и тот же теплообменник с разными значениями 4 то они выше для меньших значений £,.

Приведены результаты расчетов е(у), ц(у) и температур теплоносителей на выходе из теплообменника при длине ТЭБ 0.24 м, Т1ВХ=30 °С, Т2вх=21 °С. В этом случае области значений токов, при которых соблюдается режим интенсификации, для различных значений коэффициента заполнения, близки друг другу. Причем убывание этих областей более медленное, чем для случая более высоких разниц температур теплоносителей на входе в теплообменник. А температуры на выходе из теплообменника для предельных значений токов в режиме интенсификации отличаются друг' от друга не более, чем на один градус.

Рис.4.Зависимости предельных длин ТЭБ в режиме интенсификации от коэффициента заполнения при различных токах питания (1 - I = 1А; 2 - I = 5А; 3 — I = 10А; 4 - I = 20А; т'\ = 318 К; Тн2 = 287К).

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований термоэлектрического теплообменного аппарата с тепловыми мостиками. Эксперимент проводился с целью подтверждения адекватности математических моделей физическому процессу и для проверки правильности сделанных на их основе выводов.

Для проведения исследований был разработан экспериментальный стенд, принципиальная схема которого приведена на рис.5.

Теплообменный аппарат 1 подключен к контурам циркуляции хладо- и теплоносителя, в качестве которых используется вода, а также к регулируемому источнику постоянного тока 2. Ультратермостаты 3 и 4 поддерживают заданные температуры хладо- и теплоносителей на входах теплообменного аппарата с точностью 0,1 Си обеспечивают их циркуляцию. Расходы по контурам хладо- и теплоносителей регулируются вентилями, расположенными на соответствующих ультратермостатах.

Регистрация текущих значений температур осуществляется измерительным комплексом ИР ГМ 2402/МЗ 5, который подключается к ПЭВМ 6 и предусматривает возможность одновременного подсоединения до 24 датчиков температуры.

Рис.5. Принципиальная схема экспериментального стенда

Объектом экспериментальных исследований являлся термоэлектрический теплообменный аппарат проточного типа, состоящий из двух стальных труб внутренним диаметром 7 мм и длиной 250 мм. Внешняя поверхность труб отшлифована в виде четырех!ранника 20x20 мм. В качестве термоэлектрических модулей (ТЭМ) использованы унифицированные ТЭМ.

Электрически последовательно подключенные между собой ТЭМ и тепловые мостики через теплопроводную пасту КПТ зажаты между двумя трубами.

Для исключения теплообмена с внешней средой, вся конструкция размещена в пенопластовый кожух. На боковых гранях по длине труб установлены медь-константановые термопары I] - 110, опорные спаи которых термостабилизированы при О °С в сосуде Дьюара.

Экспериментальные кривые распределения температуры по длине были получены путем измерения температур в различных точках теплообменного аппарата:

- при разных коэффициентах заполнения полупроводниковыми ТЭМ,

- при разных токах, протекающих через ТЭ,

- для разных материалов тепловых мостиков.

Все эксперименты проводились при заданных постоянных температурах и расходах хладо- и теплоносителей на входах конструкции. Для этого в теплообменный аппарат сначала устанавливались только полупроводниковые ТЭМ в количестве 10 шт. (100% заполнение ТЭМ, коэффициент заполнения 2рТ).

хладо- и теплоносителей на входах. После стабилизации режима ул С помощью ультратермостатов поддерживались заданные расходы и температуры ьтра-термостатов (через 15-20 минут) на измерительном комплексе запускалась программа циклического опроса термопар с последующим выводом значений температуры на ПЭВМ. Одновременно теплообменный аппарат подключался к источнику постоянного тока, по измерительному прибору которого устанавливалась необходимая величина тока питания.

Изменение коэффициента заполнения осуществлялось следующим образом: после сборки устройства отключалась часть ТЭМ, оставшиеся ТЭМ раздвигались и распределялись по длине трубы равномерно, мевду ТЭМ устанавливались тепловые мостики, изготовленные из соответствующего материала (медь, алюминий, сталь), суммарная площадь которых равнялась суммарной площади удаленных ТЭМ. Для этого были изготовлены разные типоразмеры тепловых мостиков. Гак, иапример, для получения 80% заполнения (4=0,8) из 10 ГЭМ удалялись два модуля, вместо которых устанавливали 2 тепловых мостика, каждый из которых был равен 1/4 части площади ТЭМ.

Перед проведением испытаний проверяли надежность электрических и тепловых контактов, задавали определенные значения температуры, которые сохранялись в течение всего эксперимента.

На основе экспериментального стенда был проведен ряд опытов, позволяющих судить о приемлемости разработанной математической модели термоэлектрического теплообменного аппарата с тепловыми мостиками на практике.

Основной задачей при проведении экспериментальных исследований опытного образца теплообменного аппарата являлось определение зависимости температуры в контрольных точках, указанных выше, от величины тока питания ТЭ, коэффициента заполнения, материала тепловых мостиков.

На рис.6 представлены результаты экспериментальных исследований теплообменного аппарата в стационарных режимах работы при различных коэффициентах заполнения ТЭМ и для сравнения результаты теоретических расчетов (сплошные линии). При расчетах использованы паспортные данные на теплофизические свойства полупроводникового вещества и характеристики ТЭМ, использованных в конструкции, геометрические параметры ветвей, величины контактных электрических и тепловых сопротивлений. Теплоемкости труб ь расчетах не учитывались.

Рис. 6. Экспериментальные и теоретические зависимости температур теплоносителей на выходе из теплообменного аппарата от длины при различных коэффициентах заполнения (1 -

§=1,0; 2 - 5“0,5; 3 - £,=0,2; ток питания ТЭМ 1,8 А)

Рис.7.Экспериментальные и теоретические зависимости температур теплоносителей на выходе из теплообменного аппарата ог длины для тепловых мостиков из различных материалов (1 - медь, 2 - алюминий, 3 - сталь; ток питания ТЭМ 1,8 А)

Из рис. 6 следует, что результаты расчетов и экспериментальные данные соответствуют друг другу. Максимальные количественные расхождения теоретических расчетов с экспериментальными результатами, не превышающие 12%, наблюдались в начальном участке трубопроводов, что можно считать удовлетворительным. Как видно из рисунка, с увеличением коэффициента заполнения кривые распределения температур изменяются более круто, т.е. теплообменный аппарат работает более эффективно.

На рис.7 приведены кривые распределения температуры по длине теплообменного аппарата при коэффициенте заполнения равном 4=0,2, для тепловых мостиков, изготовленных из разных материалов: меди, алюминия и стали. Из представленных данных следует, что эффективность работы теплообменного аппарата не существенно зависит от материала тепловых мостиков, что подтверждается и результатами численного эксперимента. Однако, все-таки более эффективным является использование медных тепловых мостиков, что связано с более высоким значением коэффициента теплопроводности этого материала. .

На рис.8 приведена зависимость длины ТЭБ при работе устройства в режиме интенсификации от тока питания при коэффициенте заполнения 4=0,5 для тепловых мостиков, изготовленных из меди. Как видно, увеличение тока питания уменьшает участок теплообменника, где ТЭБ работает в режиме интенсификации теплообмена. Например, при повышении тока на 0,5 А для данных условий указанная длина уменьшается на 1,8 см.

Рис.8.3ависимость предельной длины ТЭБ в теплообменном аппарате от тока питания (5=0,5, материал теплового мостика - медь)

На рис.9 приведены экспериментальные зависимости изменения температуры от времени в точке на расстоянии 1,5 см от начала входа в теплообменный аппарат. Как следует из представленных данных, стабилизация наступает примерно через 27 мин. после включения ТЭБ.

В целом результаты экспериментальных исследований подтверждают правомочность разработанной математической модели.

Рис.9.3ависимость температур теплоносителей от времени без ТЭБ (область I) и с включенной (область II) ТЭБ (5=0,8, 1,=0,015 м; 1=1,8 А, материал теплового мостика - медь)

В четвертой главе описаны разработанные конструкции термоэлектрических теплообменных аппаратов.

На рис. 10 приведен внешний вид теплообменного аппарата с тепловыми мостиками. Он представляет собой теплообменник, в котором происходит передача

теплоты между двумя потоками с температурами Т1 и Т2. На стенке, разделяющей потоки теплоносителей Т| и Тг, установлены мостики, имеющие тепловой контакт с потоком Т] и теплоизолированные от потока Т2. На участке выхода тепловых мостиков на поверхность внешней трубы с ними контактируют первые спаи ТЭБ, вторые спаи которой через теплообменник и стенку внешней трубы находятся в тепловом контакте с потоком Т2.

Процесс интенсификации теплопередачи в устройстве протекает следующим образом.

Если тепло передается от потока, протекающего по внутренней трубе, к потоку во внешней трубе, т.е. если от среды с температурой Г, к Т2, то для интенсификации теплопередачи включают ток питания ТЭБ такой полярности, чтобы тепло поглощалось первыми спаями ТЭБ, находящимися в тепловом контакте с мостиками. При этом понижается температура стенки, что увеличивает температурный капор от потока с температурой Т1 и, следовательно, интенсифицируется теплопередача. Тепло, выделяющееся на вторых спаях ТЭБ через теплообменник, передается стенке внешней трубы, увеличивая ее температуру относительно температуры Т2, что включает эту стенку в теплообмен, также интенсифицируя теплопередачу. Сила тока питания ТЭБ выбирается такой, чтобы температура стенки не становилась ниже температуры потока во внешней трубе Т2.

Рис.Ю.Внешний вид термоэлектрического теплообменного аппарата с тепловыми мостиками

Для повышения эффективности и экономичности разработан модифицированный вариант теплообменного аппарата, в котором каждая секция ТЭБ выполнена с возможностью подключения через блок управления к измерителю э.д.с. или к источнику питания. Блок управления при этом анализирует величину генерируемой каждой секцией ТЭБ э.д.с., которая пропорциональна разности температур потоков теплоносителей в районе расположения данной секции и, в зависимости от величины э.д.с. (а, следовательно, и разности температур) данная секция либо остается в режиме измерения, либо подключается к источнику питания.

Применение в указанном устройстве рассредоточенной ТЭБ повышает экономичность теплообменника за счет обеспечения рационального режима работы секций ТЭБ, при этом увеличивается также надежность работы ТЭ.

16

В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом.

В приложении к диссертации приведены акты внедрения результатов работы.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В процессе решения задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие основные результаты:

1. На основе результатов проведенного обзора методов интенсификации теплообмена, а также конструкций теплообменных аппаратов показано, что для интенсификации теплообмена между двумя потоками теплоносителей целесообразно применение термоэлектрических преобразователей энергии.

2. Предложен принцип построения термоэлетрических теплообменных аппаратов рекуперативного типа, заключающийся в совмещении возможностей теплопередачи через высокотеплопроводный материал (тепловой мостик) и интенсификации теплообмена при использовании ТЭБ.

3. Разработана математическая модель для расчета теплового режима термоэлектрических теплообменных аппаратов рекуперативного типа, выполненных совместно с тепловыми мостиками различной конфигурации.

4. Осуществлен расчет основных характеристик термоэлектрического теплообменного аппарата с тепловыми мостиками, в том числе изменение температуры теплоносителей в зависимости от коэффициента заполнения, величины тока питания ТЭБ, а также длины теплообменного аппарата.

5. Доказана адекватность разработанной математической модели экспериментальным путем; сопоставление экспериментальных и расчетных данных показало, что их расхождение не превысило допустимых значений.

6. На основе проведенных исследований разработаны новые типы теплообменных аппаратов рекуперативного типа.

7. Результаты диссертационной работы внедрены в производственный процесс и в учебный процесс вуза.

8. Результаты исследований защищены патентами Российской Федерации на изобретение.

Основные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в следующих работах:

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией

1. Исмаилов Т.А., Евдулов О. В., Юсуфов Ш.А., Казумов Р.Ш. Термоэлектрическая система кондиционирования воздуха для легкового автотранспорта // Холодильная техника. - 2009. №5. - С. 14-16;

2. Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Казумов Р.Ш. Экспериментальные исследования термоэлектрических теплообменных аппаратов проточного типа с тепловыми мостиками // Вестник МАХ. - 2010. Выпуск 4. - С. 5-7;

Статьи, опубликованные в других научных журналах и изданиях

3. Исмаилов Т.А., Казумов Р.Ш. Термоэлектрический модуль охлаждения для кондиционирования легковых автомобилей // XXVI итоговая научно- техническая конференция преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов: сборник тезисов докладов. - Махачкала: ДГТУ, 2006. - С. 9;

4. Исмаилов Т.А., Казумов Р.Ш. Термоэлектрические системы кондиционирования на транспорте // XXVII итоговая научно-техническая конференция преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов: сборник тезисов докладов. - Махачкала: ДГТУ, 2006. - С. 115;

5. Казумов Р.Ш. Термоэлектрическая система кондиционирования транспортного средства // Состояния и перспективы развития термоэлектрического приборостроения: материалы III Всероссийского научно - технической конференции. - Махачкала: ДГТУ, 2007. - С. 95-96;

6. Юсуфов Ш.А.,, Казумов Р. Ш. Конструкция термоэлектрического охладителя для системы кондиционирования // XXVIII итоговая научно-техническая конференция преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов: сборник тезисов докладов. - Махачкала: ДГТУ, 2007. - С.48-49;

7. Юсуфов Ш.А., Казумов Р.Ш. Проточный охладитель/нагреватель для системы кондиционирования на транспортных средствах // XXVIII итоговая научнотехническая конференция преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов: сборник тезисов докладов. - Махачкала: ДГТУ, 2007. - С.50-51;

8. Исмаилов Т.А., Казумов Р.Ш. К вопросу использования термоэлектриче-

ского кондиционера на транспорте // XXVIII итоговая научно-техническая конференция преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов: сборник тезисов докладов. - Махачкала: ДГТУ, 2007. - С.63-64; •

9. Исмаилов Т.А., Евдулов О. В., Казумов Р.Ш. Термоэлектрический теплооб- -менный аппарат рекуперативного типа с тепловыми мостиками // Молодые ученые

- науке, технологиям и профессиональному образованию: материалы V Международной научно-технической школы - конференции. - М.: Энергоатомиздат, 2008. -Ч.1.-С. 212-215;

10. Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Казумов Р.Ш. Результаты исследований термоэлектрического ингенсификатора теплопередачи с тепловыми мостками для теплообменных аппаратов рекуперативного типа // Известия Санкт-Петербургского университета низкотемпературных и пищевых технологий - 2009. - С. 84-86;

11. Исмаилов Т.А., Казумов Р. Ш. Экспериментальные исследования термоэлектрического теплообменного аппарата рекуперативного типа // Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке: материалы IV Международной научнотехнической конференции. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2009. - С. 42-44;

12. Термоэлектрическая батарея :пат. 2376685 Рос. Федерация: МПК7Н 01 1/35/28 / Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Хазамова М.А., Казумов Р.Ш.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет». - №2008150703/28; заявл. 22.12.08, опубл. 2.0.12.2009, Бюл. №28;

13. Исмаилов Т.А., Казумов Р. Ш. Модель термоэлектрического теплообменного аппарата с тепловыми мостиками для условий прямотока носителей // Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке: материалы IV Международной научно-технической конференции. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2011. - С. 171-173.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсет 1. Печать рюографная. Гарнитура Тайме. Усд.п.л. 1,15. Заказ № 020-12 Тир, 100 экз. Отпеч. в тип. ИП Тагиева Р.Х. г. Махачкала, ул. Батырая, 149. 8 928 048 10 45 “ФОРМАТ”

61 12-5/1975

«ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТИПА С ТЕПЛОВЫМИ МОСТИКАМИ

Специальность: 05.04.03 - Машины и аппараты, процессы холодильной и

криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель: д.т.н., профессор Исмаилов Т.А.

Махачкала 2012

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ММ - математическая модель

ТЭ - термоэлемент

ТЭМ - термоэлектрический модуль

ТЭБ - термоэлектрическая батарея

ТЭУ - термоэлектрическое устройство

ТЭИТ - термоэлектрический интенсификатор теплопередачи

ТЭГ - термоэлектрический генератор

ТЭС - термоэлектрическая система

ТЭТН - термоэлектрический тепловой насос

ТЭХМ - термоэлектрическая холодильная машина

ЭКПЭ - эксергетический коэффициент преобразования энергии

РЭА - радиоэлектронная аппаратура

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................4

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ........9

1.1. Состояние и перспективы развития термоэлектрической техники............9

1.2. Области применения термоэлектрических преобразователей энергии в различных отраслях производства......................................................................18

1.3. Классификация теплообменных аппаратов. Способы интенсификации теплопередачи в теплообменных аппаратах и перспективы использования для этих целей термоэлектрических преобразователей...................................34

1.4. Постановка задач исследования...................................................................41

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТИПА С ТЕПЛОВЫМИ МОСТИКАМИ..............................................................................44

2.1. Математическая модель термоэлектрического теплообменного аппарата с тепловыми мостиками для условий прямотока теплоносителей..................47

2.2. Математическая модель термоэлектрического теплообменного аппарата с тепловыми мостиками для условий противотока теплоносителей..............52

2.3. Результаты численного эксперимента.........................................................54

2.4. Эксергетическая оценка эффективности термоэлектрического теплообменного аппарата с тепловыми мостиками..........................................75

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТИПА С ТЕПЛОВЫМИ МОСТИКАМИ..............................................................................86

3.1. Описание стенда и методики проведения испытаний...............................86

3.2. Результаты экспериментальных исследований..........................................93

3.3. Оценка погрешностей измерений..............................................................100

4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТИПА С ТЕПЛОВЫМИ МОСТИКАМИ И УСТРОЙСТВА НА ИХ ОСНОВЕ........................................................................102

4.1. Термоэлектрический теплообменный аппарат рекуперативного типа с тепловыми мостиками........................................................................................102

4.2. Термоэлектрический теплообменный аппарат с рассредоточенной термоэлектрической батареей...........................................................................110

4.3. Термоэлектрическая система кондиционирования воздуха для легкового автотранспорта....................................................................................................113

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................117

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................119

ВВЕДЕНИЕ

На данном этапе развития науки и техники задачи исследования специальных средств для обеспечения интенсивной теплопередачи от источников с высокими тепловыми нагрузками, создание принципиально новых высокоэффективных систем охлаждения и термостабилизации, отвечающих специфическим требованиям проектирования теплообменных аппаратов, обладающих улучшенными характеристикми, являются все более насущными и актуальными. Это связано с насыщением мирового рынка новыми техническими средствами, обладающими большими функциональными возможностями и высоким быстродействием, но характеризующимися повышенным значением удельных тепловых перегрузок и перегревов, что сказывается на надежности их работы.

Одним из перспективных направлений при создании систем охлаждения и термостабилизации аппаратуры является использование полупроводниковых термоэлектрических преобразователей, обеспечивающих построение экономичных, малогабаритных холодильников и стабилизаторов температуры с широкими функциональными возможностями по поддержанию заданного теплового режима.

Термоэлектрическое приборостроение является одной из наиболее быстро развивающихся отраслей народного хозяйства как у нас в стране, так и за рубежом. Теория энергетического применения термоэлектрических явлений, созданная в результате известных работ академика А.Ф. Иоффе и его сотрудников [20], открыла широкие возможности для использования полупроводниковых термоэлектрических охлаждающих и нагревательных устройств. За последние десятилетия эта отрасль получила особенно значительное развитие, поскольку появилась реальная возможность создавать малогабаритные устройства для охлаждения и стабилизации аппаратуры. Поэтому разработка и всестороннее исследование термоэлектрических

аппаратов, а также их применение в различных областях науки и техники, позволяющие решить задачу температурной стабилизации и управления режимами приборов и устройств с высокими тепловыми нагрузками, являются наиболее актуальными.

Возможность использования полупроводниковых ТЭУ в различных отраслях народного хозяйства определяется тем, что полупроводниковые ТЭУ могут быть использованы не только как термоэлектрические холодильные машины или тепловые насосы, но и как интенсификаторы процесса теплопередачи, наиболее чаще применяемые для работы в теплообменных аппаратах. Особенности работы термоэлектрических приборов в последнем режиме характеризуются интенсификацией процесса теплопередачи между объектами за счет изменения температурного напора между ними.

Теория и возможности практического применения приборов подобного типа достаточно подробно описаны в работах Иоффе А.Ф., Стильбанса Л.С., Коленко А.Е., Бурштейна А.И., Каганова М.А., Привина М.Р., Анатычука Л.И., Котырло Г.К., Вайнера А.Л., Иорданишвили Е.К., Зорина И.В., и др. [22, 35, 51]. В данных работах произведен расчет параметров устройств, работающих в различных режимах, определена энергетическая эффективность их применения. Однако постоянство температур на спаях ТЭУ справедливо только для некоторых случаев практического применения. К ним в первую очередь могут быть отнесены термоэлектрические выпарные установки, так как изменение агрегатного состояния теплоносителя на спаях термоэлектрической батареи (ТЭБ) происходит при постоянной температуре. Кроме того, сюда относятся полупроводниковые охладители и нагреватели, находящиеся в непосредственном контакте с охлаждаемым и нагреваемым неподвижным объектом, а также термоэлектрические приборы, интенсифицирующие теплопередачу от жидкости или газа во внешнюю среду, при условии, что циркуляция последних происходит в направлении, перпендикулярном поверхности ТЭБ.

В то же время существует много областей применения ТЭУ, где имеет место изменение температуры теплоносителей вдоль поверхностей ТЭБ, поглощающих и выделяющих тепло. В первую очередь сюда необходимо отнести различные типы теплообменных аппаратов: охладители и нагреватели потоков жидкости, воздухоохладители, кондиционеры, и т. п., словом, все приборы, в которых циркуляция теплоносителей происходит вдоль спаев ТЭБ [34]. При значительном прогрессе в термоэлектрической технике работы по устройствам подобного типа практически отсутствуют, не разработаны в полной мере их теоретические основы, не указаны эффективные режимы работы, не определены области целесообразного применения и т.д.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование и разработка термоэлектрических теплообменных аппаратов рекуперативного типа с тепловыми мостиками с улучшенными энергетическими, массогабаритными, надежностными показателями.

Основными задачами диссертационной работы являются:

1. Разработка термоэлектрических теплообменных аппаратов рекуперативного типа, в которых совмещены возможности теплопередачи через высокотеплопроводный материал (тепловой мостик) и интенсификации теплообмена при использовании ТЭБ.

2. Разработка ММ термоэлектрических теплообменных аппаратов рекуперативного типа, выполненных совместно с тепловыми мостиками различной конфигурации.

3. Проведение комплекса экспериментальных исследований с целью проверки адекватности ММ теплообменных аппаратов практике.

4. На основе проведенных исследований разработка новых типов термоэлектрических теплообменных аппаратов рекуперативного типа для приборов и устройств холодильной техники.

5. Внедрение результатов исследований и разработок на предприятиях холодильной промышленности, в учебные процессы кафедр, в научно-

исследовательскую деятельность лабораторий вузов Республики Дагестан и Российской Федерации.

Практическую значимость выполненной работы составляют рассмотренный в работе новый тип термоэлектрического теплообменного аппарата, функционирующего при наличии градиента температуры вдоль спаев, его математическая модель, построенная на базе полученных в работе обобщенных уравнений, учитывающие характеристики ТЭБ, системы теплосъема, параметры сред, а также результаты экспериментальных исследований теплообменных аппаратов.

Разработана методика для анализа работы термоэлектрических теплообменных аппаратов и определения влияния характеристик объекта и других факторов на их энергетические и технико-экономические показатели.

Результаты исследования позволяют правильно оценить возможности теплообменного аппарата данного типа и устройств, построенных на его основе, производить целенаправленный и обоснованный их выбор для различных объектов.

В диссертационной работе защищаются следующие положения, представляющие научную новизну:

1. Принцип построения термоэлектрических теплообменных аппаратов рекуперативного типа, заключающийся в совмещении возможностей теплопередачи через высокотеплопроводный материал (тепловой мостик) и интенсификации теплообмена при использовании ТЭБ.

2. Методика расчета теплового режима термоэлектрических теплообменных аппаратов рекуперативного типа, выполненных совместно с тепловыми мостиками различной конфигурации.

3. Методика эксергетической оценки эффективности термоэлектрического теплообменного аппарата с тепловыми мостиками.

4. Конструкции термоэлектрических теплообменных аппаратов с тепловыми мостиками и устройств на их основе.

Полученные результаты исследований нашли практическое применение в различных организациях и предприятиях. Отдельные разработки при непосредственном участии автора испытаны, внедрены и переданы организациям различных министерств и ведомств. Реализация результатов работы на объектах улучшила тактико-технические данные, эффективность, точность и качество устройств и систем, в которых они применялись. Внедрение разработанных устройств и систем на предприятиях позволило достичь определенного экономического эффекта.

Диссертация подводит итог комплексу исследований, выполненных автором за последние 5 лет в Дагестанском государственном техническом университете (ДГТУ).

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Состояние и перспективы развития термоэлектрической техники

Термоэлектрическая техника на сегодняшний день является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей производства. Данное обстоятельство связано с такими преимуществами ТЭУ, как:

- абсолютная экологическая безопасность;

- возможность создания миниатюрных охлаждающих устройств в тех случаях, где применение иных способов охлаждения встречает существенные трудности или практически невозможно;

- бесшумность;

- неограниченный ресурс работы;

- отсутствие рабочих жидкостей и газов и, следовательно, отсутствие опасности загрязнения окружающего пространства;

- независимость параметров ТЭУ от ориентации в пространстве или влияния поля тяжести;

- возможность работы при больших механических нагрузках;

- возможность регулирования и статирования температуры путем регулирования тока питания;

- быстродействие и возможности получения заданной временной зависимости.

Открытие эффекта Пельтье и Зеебека заложило основу термоэлектрической трансформации тепловой и электрической энергии в твердотельных устройствах, не использующих жидких и газообразных рабочих тел и не имеющих движущихся частей. Практическое же использование полупроводниковых термоэлектрических охлаждающих и нагревающих ТЭУ в промышленности берет свое начало с разработки академиком А.Ф. Иоффе теории энергетических применений полупроводниковых термоэлементов (ТЭ) в начале 1950-х годов. Дальнейшее

развитие теория энергетического применения термоэлектричества получила в трудах J1.C. Стильбанса, Е.К. Иорданишвили, B.C. Мартыновского, В.А. Наера, А.И. Бурштейна, Н.С. Лидоренко, Л.И. Анатычука, Н.В. Коломойца, Е.С. Курылева, Е.А. Коленко, М.А. Каганова, Ю.Н. Цветкова, М.Р. Привина, А.Л. Вайнера, B.C. Семенюка и многих других, а также в работах зарубежных ученых Г. Голдсмита, Т. Хармана, П. Грея, Д. Макдональда, Е. Юсти и др.

Для наиболее рационального применения термоэлектрического преобразования энергии, при котором наиболее ярко проявлялись бы достоинства этого метода и выходили бы на второй план его недостатки, необходимо решение триединой проблемы, связанной:

- с применением термоэлектрических материалов, обладающих высокой эффективностью;

- качественным исполнением термоэлектрических модулей (ТЭМ);

- оптимальной конструкцией термоэлектрических охлаждающих (нагревающих) систем и генераторов электрической энергии.

Важнейшей энергетической характеристикой любой холодильной

машины является ее холодильный коэффициент. Можно показать, что холодильный коэффициент термоэлектрической холодильной машины определяется добротностью термоэлектрического материала:

к

где а - коэффициент электропроводности, а - коэффициент термо-ЭДС, к -коэффициент теплопроводности материала. Причем холодильный коэффициент стремится к своему максимальному значению при г да. Поэтому основная задача термоэлектрического материаловедения — это повышение добротности термоэлектрических материалов [66].

В настоящее время наибольшее распространение для термоэлектрического охлаждения и генерирования энергии получили материалы, исходными веществами для которых являются висмут, сурьма, селен, теллур. Максимальная добротность таких твердых растворов на основе теллурида висмута при комнатной температуре составляет 3-10"3 К"1 для

полупроводников п- и р-типа. Несмотря на активные исследования различных научных центров и лабораторий по созданию термоэлектриков с высокой добротностью, до настоящего времени не удалось добиться существенных успехов на этом пути. Начиная с 50-х годов XX века, добротность термоэлектриков удалось повысить не более, чем на 30 % [74]. Только за последние несколько лет произошел определенный сдвиг в этой области.

Исследования по созданию и поиску материалов с высокой добротностью ведутся в последнее время по трем основным направлениям [21];

1. создание функционально неоднородных термоэлектриков - материалов, у которых для увеличения их добротности целенаправленно формируется пространственная неоднородность;

2. исследование скуттерудитов - материалов со структурой минерала СоАяз, в частности, изучение таких веществ, как СоАбз, ЮзАбз, СоБЬз, ЯЬЭЬз и 1г8Ь3 показало перспективность их использования в качестве термоэлектриков;

3. исследование сверхрешеток с квантовыми ямами, структур с квантовыми нитями и квантовыми точками (понятие «квантовая яма» используется для обозначения области термоэлектрика, в которой средняя потенциальная энергия носителей заряда ниже, чем вне ее ).

Кроме указанных направлений имеются еще несколько, по которым ведется довольно активная работа, главным образом в США и Японии. Они, однако, пока кажутся менее обещающими. Если же оценивать новейшие исследования в целом, следует сказать, что в научном аспекте они представляют чрезвычайный интерес, так как предложены принципиально новые пути достижения цели - создания значительно более эффективных материалов, чем используемые на сегодняшний день. Тем не менее, состояние дел на сегодняшний день таково, что ожидать скорого практического результата (разработка реальных материалов) пока не приходится.

По-видимому, можно ожидать появления новых эффективных термоэлектрических материалов в промышленности не ра�