Библиографическое описание:

Лемешко М. А., Романов П. В. Использование эффекта Зеебека для увеличения интенсивности охлаждения конденсатора малой холодильной машины [Текст] // Современные тенденции технических наук: материалы V Междунар. науч. конф. (г. Казань, май 2017 г.). — Казань: Бук, 2017. — С. 76-80. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/230/12228/ (дата обращения: 16.12.2017).



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;

‒ снижением общего термического сопротивления теплопередачи за счет уменьшения его составляющих (частных термических сопротивлений);

‒ 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.

Обозначим суммарную мощность тепловой нагрузки на конденсатор .

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 Кр. В зависимости от формы воздушного потока и формы конденсатора величина этого коэффициента может изменяться в диапазоне от 0,5 до 0,9.

Фактическая производительность вентилятора:

(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 Кр =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

60

20

30

40

20

30

40

20

30

40

W,

957

643

487

1950

1267

975

2925

1950

1462

W, CFM

0,034

0,022

0,017

0,068

0,044

0,034

0,103

0,068

0,052

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 Кр = 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.

Обсуждение изаключение

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.

Наименование

Габариты мм

Мощность Вт

Скорость, об/мин

Производительность, СFM

Производительность См3/мин

Шум, дБ

Цена, руб.

KDE1204PFV2

40x40x10

1

5800

7

27

230

KDE1205PFV2

50x50x10

1,1

4300

11

26

370

KDE1209PTB1

92x92x25

1,8

2800

49

34

320

PMB1275PNB1.AY

75x75x30

3,6

3400

13,6

43,5

560

PMD1209PTB1.A(2)

92x92x25

5,5

4200

77

48

490

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.
Основные термины (генерируются автоматически): поверхности конденсатора, охлаждения конденсатора, малых холодильных, охлаждения поверхности конденсатора, холодильной машины, охлаждения конденсатора малой, конденсатора малой холодильной, конденсатора холодильной машины, конденсатора компрессионного холодильника, обдува поверхности конденсатора, воздушный поток, малых холодильных машинах, поверхность конденсатора, охлаждения конденсатора холодильного, интенсивности охлаждения конденсатора, производительность вентилятора, питания вентилятора, вариант охлаждения конденсатора, охлаждения конденсатора естественной, охлаждения конденсатора компрессионного.

Ключевые слова

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

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос