Термоелектричний тепловий насос
Термоелектричний тепловий насос, або Пельтьє-тип теплового насоса, досить відомий. Він знайшов одне або два застосування, де добре задовольняє пред'явленим вимогам.
Нагрівання й охолодження спаїв між різнорідними матеріалами викликають протікання електричного струму. Зворотний ефект полягає в тому, що проходження електричного струму через такі спаї викликає потік тепла. Елементарний термоелектричний тепловий насос виходить при з'єднанні напівпровідників р - і n-типу, як показано на рис. У цьому випадку протікання струму в зазначеному напрямку викликає потік тепла від спаю n/p до електродів, що підводять струм.
Тепловий потік пов'язаний з коефіцієнтом Зеєбека S. Цей показник залежить від температури, тому матеріали повинні бути обрані відповідно до робочого інтервалу температур.
Схема термоелектричного елемента. |
Тепловий баланс одного плеча теплового насоса
Чотири члени праворуч відображають відповідно термоелектричний теплонасосний ефект, джоулеве нагрівання напівпровідника, потік тепла за рахунок теплопровідності від гарячого спаю до холодного й джоулеве нагрівання спаю. Відзначимо, що якщо зневажити останнім членом, то для заданих I і L/A величина Q не залежить від розмірів пристрою. Це дозволяє реалізувати його мініатюризацію до розмірів у кілька міліметрів.
Реальні теплові насоси збираються з великої кількості елементів, з'єднаних послідовно, а в тепловому відношенні як послідовно, так і паралельно, звідки виникають проблеми одночасного одержання теплового контакту й електричної ізоляції з'єднання.
Незважаючи на проблеми пошуку недорогих і ефективних напівпровідникових матеріалів і їхнього ретельного складання, ці пристрої знайшли декілька застосувань, у яких значення КОП близькі до досягнутого в абсорбційному циклі.
Лекція №16
Основні термодинамічні циклі установок для спалювання газу, нафти та вугілля. Цикли з регенерацією та рекуперацією.
Цикли газотурбінних установок Принцип роботи газотурбінної установки
|
Рис. 1
Принципова схема газотурбінної установки показана на рис. 1. Зовнішнє повітря, засмоктуване турбокомпресором, стискається в ньому до тиску р2 і подається в камеру згоряння. У камеру згоряння впорскується рідке паливо, що, згоряючи, утворюєть газоподібні продукти згоряння високої температури. Потім продукти згоряння надходять у газову турбіну, де розширюються до атмосферного тиску. Випуск газів, що відпрацювали, з турбіни провадиться в зовнішнє середовище.
Конструктивне оформлення газотурбінної установки дозволяє здійснити повне розширення газів у турбіні, тобто довести тиск наприкінці розширення до зовнішнього тиску. Повне розширення, як це буде показано нижче, збільшує термічний ККД.
Газотурбінна установка працює по розімкнутому процесу: із
зовнішнього середовища засмоктується повітря й у зовнішнє середовище надходить газ, що відпрацював у турбіні.
Уведемо ряд спрощень:
■ процеси стиску й розширення будемо вважати оборотними адіабатами,
Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі
К. т.н., доц. Є. О. Баганов
■ згоряння палива замінимо оборотним підведенням теплоти,
■ випуск гарячих газів з турбіни - оборотним відводом теплоти,
■ робочим тілом є ідеальний газ.
Залежно від того, як організоване спалювання палива в камері згоряння, газотурбінні установки розділяють на установки з ізобарним і ізохорним підведенням теплоти.
Цикл газотурбінної установки з ізобарним підведенням теплоти
Рис. 2 |
На рис. 2, а, б показаний у координатах pv і Ts цикл газотурбінної установки з ізобарним підведенням теплоти. Процес стиску в компресорі зображується відрізком адіабати 1-2. По ізобарі 2-3 підводить теплота q1 а по ізобарі 4-1 приділяється теплота q2 Адіабатному розширенню в газовій турбіні відповідає ділянка 3-4 циклу.
Площа а21Ь дорівнює роботі Ік, затрачуваної на стиск в адіабатному компресорі. Работа, споживана адіабатним компресором, lk = i2 - i1.
Площа а34Ь виражає питому роботу, одержувану від турбіни, рівну lT = i3 - i4. Питома робота, одержувана від ідеальної газотурбінної
установки І = lT - |lk I
Питома теплота, підведена до робочого тіла, що здійснює цикл,
q1 = cp (T3 - T2 ) = i3 - i2
Питома теплота, відведена від циклу,
l4 h |
Ы = cp (T4 - T1 )
Термічний ККД газотурбінної установки з ізобарним підведенням теплоти визначається по формулі
(1) |
It =1 - Чі! q1 =1 -(t4 - T1)/(t3 - T2)
Для адіабатних процесів стиску й розширення можна написати
k
(2) |
= Є |
V v2 ) |
Р2 Р1 |
де є - ступінь стиску, рівна v1 / v2; відношення р2 / р1 = Л називають
k |
С V* |
ступенем підвищення тиску в компресорі
Р4 |
V v3)
У розглянутому циклі рі = р4 і р2 = р3. Отже, є = v1/ v2 = v4/ v3 або
v4 / v1 = v3 / v2.
У той же час для ізобарних процесів можна написати v4 / v1 = T4/ T1 й v3/v2 = T3/T2. Із установлених відношень витікає:
(3) |
T4=T3
Tx T2
Підставляючи (3) в (1) маємо
ґ Т і± -1 V T1 |
±3 -1 V T2 |
1 - T1 T2 |
/ |
T1 |
T |
(4) |
_ k-1
Тому що з (2) T / T2 = є_(-1) = Л k те
Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі
К. т.н., доц. Є. О. Баганов
двигуна внутрішнього згоряння з ізохорним підведенням теплоти при однаковому ступені стиску. Якщо ж прийняти однакові значення р3 і Т3, то найвигіднішим виявляється цикл газотурбінної.