6.4 Разомкнутый регенеративный цикл с вихревой трубой.

Вихревая холодильная машина состоит из компрессора, переохладителя, вихревой трубы (принцип действия вихревой трубы описан ранее) и теплообменного аппарата или холодильной камеры (см.рисунок 6.4.).

Рисунок 6.4 - Разомкнутый регенеративный цикл с вихревой трубой

Атмосферный воздух при температуре окружающей среды Т_о.с всасывается компрессором и адиабатно сжимается в процессе 1-2 от атмосферного давления Р_атм до конечного давления Р₂. После сжатия горячий воздух попадает в переохладитель, и охлаждается в нем до температуры окружающей среды в процессе 2-3 за счет теплообмена с холодной внешней средой. Затем охлажденный воздух направляется в вихревую трубу, в которой происходит температурное разделение потоков на холодный поток в процессе 3-4 и горячий поток в процессе 3-5. Горячий поток выбрасывается в атмосферу, где, смешиваясь с наружным воздухом, охлаждается в процессе 5-1 до температуры окружающей среды. Холодный поток выходит из вихревой трубы и поступает в теплообменный аппарат или непосредственно в холодильную камеру. Там он нагревается в процессе 4-1, отнимая теплоту от охлаждаемой среды. Далее воздух вновь всасывается компрессором, сжимается и цикл повторяется снова.

Коэффициент расхода холодного воздуха:

Удельный тепловой поток в теплообменнике:

Удельный тепловой поток в переохладителе:

Холодильный коэффициент цикла:

7.Схемы и циклы термоэлектрических холодильных машин.

7.1.Теоретические основы термоэлектричекого охлаждения.

Принцип действия термоэлектрической холодильной машины (ТХМ) основан на использовании термоэлектрического эффекта (эффекта Пельтье).

Термоэлектрическая батарея состоит из ряда соединенных между собой термоэлементов. Термоэлементы выполнены из двух полупроводников, имеющих разную проводимость: электронную (n-типа) и дырочную (р-типа). В зависимости от назначения и конкретных условий работы соединение полупроводников может быть последовательным, каскадным или комбинированным. При последовательном соединении обеспечивается наибольшая площадь контакта с охлаждаемой средой и наибольшая холодопроизводительность. Каскадное соединение позволяет получить максимальную разность температур холодного и горячего спаев, но меньшую площадь контакта.

Термоэлементы по форме могут быть, прямоугольными, круглыми, кольцевыми или секторными. В качестве термоэлектрических материалов применяются полупроводниковые сплавы.

Основной показатель качества термоэлементов является коэффициент добротности Z, К^-1.

где α – коэффициент термоэлектродвижущей силы, Вт/К;

σ – удельная электропроводность, Ом^-1 ∙ м^-1;

λ – удельная теплопроводность материала, Вт /(м ∙ К)

Коэффициент добротности определяет максимальную разность температур горячих и холодных спаев

где Т_х – температура холодного спая, К.

Наибольшим коэффициентом добротности обладают многокомпонентные соединения на основе теллуридов висмута и сурьмы. Добротность ветвей термоэлементов, изготовленных из этих материалов составляет (3 - 3,3) 10^-3 К^-1. Это позволяет при температуре горячего спая Т_г = 30 ^оС получить температуру на холодном спае Т_х = (-45 ÷ -50)^оС, т.е. ∆Т_мах = (75 – 80)^оС.

Материалы для изготовления ветвей термоэлементов выбираются с учетом температурного диапазона работы, прочностных характеристик, совместимости с конструкционными материалами, стабильности термоэлектрических свойств, возможности реверсирования тепловых потоков, стоимости и т.д. Сплавы на основе Sb₂Te – Bi₂Te₃ и Bi₂Te₃ – Bi₂Se₃ достаточно хорошо отвечают необходимым требованиям.

Электрическое соединение ветвей термоэлементов осуществляется через коммутационный переход. Основными требованиями, предъявляемыми к коммутационному переходу, являются малое контактное электрическое сопротивление, исключение диффузии его компонентов в полупроводники и достаточная эластичность при тепловом реверсировании. Наиболее часто в качестве шин коммутационных переходов служат медь, алюминий и заливочный материал на основе висмута. Соединение электроведущих шин с ветвями термоэлементов осуществляется пайкой, напылением, прижимом, склеиванием и другими способами.

Для улучшения теплообмена горячих спаев с охлаждающей средой и холодных спаев с охлаждаемой средой на рабочих плоскостях термоэлектрических батарей, как правило, располагаются теплообменники.

По характеру соединения теплообменников с термоэлементами различаются безызоляционные соединения и с электроизоляционными соединениями. В безызоляцыонных конструкциях все термоэлементы имеют индивидуальные теплообменники, которые могут выполнять и функции коммутационных пластин. Такие соединения применяют только в случае использования диэлектрических теплоносителей. В конструкциях с электроизоляционными соединениями между теплообменником и токоведущими элементами батареи располагается слой электроизоляции.

По виду среды теплообменники бывают водяные и воздушные. В некоторых ТХМ используются промежуточные теплоносители с изменяющимся агрегатным состоянием. Водяной теплообменник представляет собой плиту или пластину с внутренними каналами, по которым циркулирует вода. Воздушные теплообменники имеют большую площадь теплообмена. Увеличение площади теплообменной поверхности осуществляется игольчатым или пластинчатым оребрением. В качестве конструкционных материалов для теплообменников обычно применяются медь или алюминий.