Использование эффекта Зеебека для увеличения интенсивности охлаждения конденсатора малой холодильной машины

В статье рассматривается вопрос целесообразности использования эффекта Зеебека для питания вентилятора, охлаждающего конденсатор в малых холодильных машинах. В малых холодильных машинах компрессионного типа относительно небольшой мощности не применяют эффект Зеебека для питания вентилятора и одновременно для обдува и охлаждения конденсатора холодильного агрегата. В работе показана целесообразность применения в малых холодильных машинах, в том числе, в бытовых холодильных приборах термоэлектрических преобразователей, реализующих эффект Зеебека. Используя тепло поверхности компрессора и холод холодильного отделения, вырабатывается напряжение достаточной мощности для питания вентилятора, охлаждающего конденсатор так, что вентилятор не потребляет электроэнергию из сети. Показано, что использование термоэлектрических преобразователей и современных вентиляторов, разработанных для охлаждения персональных компьютеров целесообразно применять в бытовых холодильниках, поскольку это обеспечит эффективный отвод тепла от конденсатора, без затрат электроэнергии из сети.

Предварительными расчетами установлено, что для отвода тепла от конденсатора холодильной машины с использованием современного вентилятора и термоэлектрического преобразователя целесообразно выполнять конструирование малых холодильных машин с уменьшенным конденсатором, но оснащенных термоэлектрическим преобразователем для питания вентилятора который охлаждает теплообменник.

Ключевые слова: малая холодильная машина, бытовой холодильный прибор, охлаждение конденсатора, вентилятор, термоэлектрический преобразователь

Введение

Объектом исследований являются эффект Зеебека в малых холодильных машинах. Нами исследуется возможность снижения удельного энергопотребления компрессионного холодильника путем применения термоэлектрических преобразователей и вентилятора с высоким КПД, что приводит к увеличению интенсивности охлаждения хладагента в конденсаторе.

Вопросу снижения энергопотребления холодильной техники постоянно уделялось и уделяется внимание, и в период её бурного развития, и в настоящее время.

Известно [1], что интенсифицировать процесс конденсации хладагента можно несколькими путями:

‒ увеличением площади поверхности теплообмена;

‒ увеличением коэффициента теплопередачи от поверхности конденсатора окружающему воздуху;

‒ увеличением разности температур теплоносителей (среднего температурного напора), использование испарительного охлаждения».

Наряду с указанными выше классическими методами увеличения теплоотвода от конденсатора холод ильной машины, известны исследования и других «нетрадиционных» методов.

Теплоотдачу от поверхности конденсатора может быть также увеличен за счет увеличения скорости движения воздуха около поверхности конденсатора, например, при использовании вентилятора и термоэлектрического преобразователя, или при использовании испарительного охлаждения поверхности конденсатора, [4,5], или с использованием подвижного конденсатора [6,7]. Интересным представляется вариант охлаждения конденсатора и компрессора холодильного агрегата одновременно [8].

При теплообмене поверхности твердого тела с газовой средой при естественном, конвективном теплообмене значение коэффициента теплоотдачи обычно не превышает 20–80 Вт/м²∙град. Одним из часто применяемых способов охлаждения поверхности конденсатора является принудительная вентиляция.

Для увеличения интенсивности процесса конденсации хладагента применяются и другие методы, например, изложенные в публикации [9]. Применение вентилятора для обдува поверхности конденсатора широко применяется в витринных охладителях, в которых используется компактный комперссорно-конденсаторный блок с одним или двумя вентиляторами, обычно емкость таких холодильников более 400 л.

Для малых холодильных машин с относительно не высокой холодопроизводительностью, традиционно применяется метод охлаждения конденсатора естественной конвекцией, и считается [1], не рациональным использование вентилятора для охлаждения конденсатора. Однако исследованиями [11], нам удалось дополнить эту традицию новым подходом. Предложено использовать термоэлектрический преобразователь для получения электроэнергии от работающего компрессора холодильного агрегата. Использование эффекта Зеебека позволит тепло, выделяемое на компрессоре холодильной машины преобразовать в электроэнергию и последнюю использовать для обдува поверхности конденсатора. Таким образом, на вентилятор не потребляется электроэнергия из сети, а его использование позволяет улучшить теплоотвод от поверхности конденсатора. Тепло отводимое от кожуха компрессора обычно рассеивается в окружающую среду, дополняя теплоотвод от конденсатора. Обычно мощность отводимого тепла от работающей холодильной машины больше чем мощность получаемого холода. Для большого холодильного парка компрессионных холодильных машин в совокупности это весьма большое тепловыделение в атмосферу.

Материалы иметоды

Рассмотрим схему охлаждения конденсатора малой холодильной машины вентилятором, который будет питаться от термоэлектрического преобразователя и решим задачу определения количества теплоты, отводимой от поверхности конденсатор при обдуве его поверхности вентилятором.

Производительность вентилятора характеризует объем воздуха, проходящий через вентилятор в единицу времени. Например, см³/мин, или в системе . Поставщики вентиляторов для персональных компьютеров измеряют производительность вентилятора в кубических футах в минуту (Cubic Feet per minute, CFM). Это характеристика вентилятора, которая всегда указывается производителем. (1 фут в кубе равен 28 320 см3 = 0,02832м3, 1 фут3 /мин = 28320 см3/ мин или 472 см3/с.)

Именно воздушный поток, создаваемый вентилятором, определяет, какое количество тепла можно отводить от конденсатора в единицу времени.

Теоретически величину этой тепловой нагрузки можно получить из калориметрического расчета холодильного цикла конкретной конструкции холодильника.

Обозначим разность температур на поверхности конденсатора и окружающего воздуха — .

Пусть воздух массой m, подаваемый на поверхность конденсатора, нагревается на за время t. Тогда за это время ему передается количество теплоты:

(1)

где — теплоемкость воздуха при неизменном давлении. При этом размерность параметров: , , c.

Объем подачи воздуха в единицу времени характеризует производительность вентилятора , которая должна обеспечивать скорость отвода тепла от конденсатора это Qt в единицу времени.

Выразим массу воздуха через его плотность и объем:

Тогда в единицу времени будет отводиться тепло:

,(2)

,

Где расход воздушного потока через вентилятор для отвода тепловой мощности .

Откуда

.(3)

Для размерностей, принятых в выражении (1):

Или , или

Для вентиляторов, с указанной производительностью в СFМ, необходимо учитывать, что 1 м³/мин = 30,48 СFМ (кубических фунтов в минуту), или:

.(4)

Результаты

Подставляя в формулу (3) тепловую нагрузку на конденсатор, перепад температур, плотность и удельную теплоемкость воздуха можно рассчитать производительность вентилятора.

Фактическая производительность вентилятора для отвода тепловой мощности от поверхности конденсатора Qt должна быть больше расчетной, ввиду частичного рассеивания воздушного потока при обдуве поверхности конденсатора. Это рассеивание может быть учтено конструктивным параметром — коэффициентом рассеивания потока К_р. В зависимости от формы воздушного потока и формы конденсатора величина этого коэффициента может изменяться в диапазоне от 0,5 до 0,9.

(5)

Рассмотрим пример.

Пусть мощность, отводимая от конденсатора 60 Вт, перепад температур между поверхностью конденсатора и окружающим воздухом 25 ⁰С.

Для приближенного расчета принимаем плотность воздуха при t=25 ⁰С и давлении, равном одной атмосфере: С=1100,0 Дж/ кг·град, тогда для приведенных данных по формулам (3) и (4), полагая К_р =0,6, получим:

(6)

Для относительно точных расчетов необходимо учитывать влажность воздуха и давление в области измерения производительности вентилятора. Для влажности воздуха 60 %, плотность воздуха равна примерно 0,95 кг/м³

Удельная теплоемкость воздуха также зависит от влажности воздуха. Для сухого воздуха она равна .

Полная теплоёмкость влажного воздуха складывается из теплоёмкостей сухого воздуха и пара:

.

Удельную теплоёмкость обычно относят к 1 кг сухого воздуха:

Тогда

.

где d — влагосодержание воздуха — в кг/кг с. в.

Используя выражение (6), выполним оценочные расчеты, связывающие тепловую нагрузку на конденсатор и производительность вентилятора. Результаты расчета приведены в таблице 1.

Для обозначения воздушного потока в размерности CFM, из выражения (6) получим:

.

Здесь = фут куб /мин.

Таблица 1

Пример расчета производительности вентилятора

Как видно, для того чтобы обеспечить теплоотвод от поверхности конденсатора потоком воздуха вентилятора, для заданных температур поверхности конденсатора и температуры окружающего воздуха, необходимо создать воздушный поток, прямо пропорциональный рассеиваемой тепловой мощности. Например, если тепловая нагрузка на конденсатор имеет мощность 30,0 Вт, температура окружающего воздуха 25 °С, температура поверхности конденсатора 45 °С, коэффициент рассеивания потока К_р = 0,8, то необходимый для этого воздушный поток вентилятора W должен быть равен 861 cм³ /мин. Или для кулера (вентилятор для охлаждения ПК) W = 0,030 СFM.

Казалось бы, воздушный поток в 861 см³ /мин. — это не слишком много, такой воздушный поток способен обеспечить даже относительно маломощный вентилятор. Однако нужно иметь в виду, что воздушный поток, создаваемый вентилятором, и воздушный поток, обдувающий поверхность конденсатора — это не одно и то же. Если вентилятор устанавливается в корпус холодильника или вентилятор входит в состав компрессорно-конденсаторного блока, то его производительность уже будет отличаться от заявленной в технической документации.

Известно, что указываемая в документации производительность вентилятора рассчитывается в идеальных условиях, при отсутствии сопротивления создаваемому им воздушному потоку. В реальных условиях на пути воздушного потока, формируемого вентилятором, всегда существуют препятствия, которые приводят к уменьшению объема воздуха, прокачиваемого через вентилятор в единицу времени, и увеличению разницы между давлением воздушного потока, формируемого вентилятором, и давлением в окружающей среде (атмосферным давлением).

В общем же случае можно считать, что статическое давление потока воздуха от вентилятора является функцией производительности вентилятора: . Эта функция носит название характеристической кривой или расходной характеристики вентилятора.

Приведем примеры вентиляторов, которые можно использовать для охлаждения конденсаторов в бытовых холодильниках.

Таким образом, как показывают расчеты, для отвода тепла от конденсатора холодильной машины с использованием современного вентилятора целесообразно выполнять конструирование малых холодильных машин с уменьшенным конденсатором, но оснащенных вентилятором для охлаждения конденсатора.

Использование тепла компрессора для получения дополнительного источника электроэнергии, решает две задачи: теплоотвод энергии от компрессора и преобразование этой энергии в электричество.

В таком случае становится целесообразным использовать вентиляторы для охлаждения конденсатора, а увеличение интенсивности его охлаждения обеспечит улучшение показателей холодильного цикла и, в конечном счете, приведет к снижению среднесуточного энергопотребления холодильной машины.

Нами также предложено для увеличения мощности вентилятора и рационального его применения снабдить холодильник аккумулятором. Это позволит при невысокой тепловой нагрузке на агрегат, накапливать электроэнергию, а при увеличенной нагрузке (например, при загрузке шкафа холодильника продуктами) — использовать более эффективно для интенсивного теплоотвода, тем самым, снижая общее энергопотребление холодильника.

Литература:

1. Вейнберг Б. С. Бытовые компрессионные холодильники / Б. С. Вейнберг, Л. Н. Вайн. — М.: Пищевая промышленность, 1974. — 272 с.
2. Лемешко М. А. Зависимость энергетической эффективности компрессионного холодильника от способа охлаждения его конденсатора / Лемешко М. А., Кожемяченко А. В., Урунов С. Р. // Технико-технологические проблемы сервиса — Санкт-Петербург: СПГЭУ — 2014 — № 4(30). С. — 58–60
3. Лемешко М. А. Увеличение интенсивности теплообменных процессов конденсатора компрессионного холодильника /Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты. 2014.№ 12. С. 65–69.
4. Лемешко М. А. Использование испарительного охлаждения для увеличения энергетической эффективности бытового холодильника / Лемешко М. А., Урунов С. Р., Головина Е. И. // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. Курск, 2015 — № 1(103). — С. 114–116.
5. Лемешко М. А., Дмитриенко Н. А., Урунов С. Р. Исследование эффективности испарительного конденсатора компрессионных холодильных машин/ Межотраслевой институт Наука и образование. 2014. № 6. С. 48–51
6. Патент на изобретение RUS 2570533 29.12.2014. Бытовой холодильник с подвижным конденсатором /Лемешко М. А., Кожемяченко А. В., Урунов С. Р.
7. Лемешко М. А., Алехин С. Н., Урунов С. Р., Серебряков А. В. Бытовой холодильник с подвижным конденсатором./Молодой ученый. 2016. № 6 (110). С. 122–127
8. Кожемяченко А. В., Лемешко М. А., Рукасевич В. В., Шерстюков В. В. Снижение энергопотребления бытового холодильного прибора путем интенсификации охлаждения конденсатора/ Инженерный вестник Дона — 2013. Т. 24.№ 1(24). С. 60–64
9. Лемешко М. А. Технологии повышения энергетической эффективности бытовых холодильных приборов./ Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты. 2014. № 13. С. 188–196.
10. Патент на изобретение RUS 2521424, 12.03.2013. Способ охлаждения конденсатора компрессионного холодильника. /Лемешко М. А., Кожемяченко А. В., Рукасевич В. В., Шерстюков В. В., Романова М. И., Дайнека И. Г.
11. Лемешко М. А., Алехин С. Н., Урунов С. Р., Серебряков А. В. Способ увеличения энергоэффективности бытовых холодильных приборов./ В сборнике: Научный поиск в современном мире сборник материалов XI международной научно-практической конференции. 2016. С. 33–36.