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.