Studiul Teoretic AL Subracirii CU Element Peltier Intr O Instalatie Frigorifica CU Comprimare Mecanica DE Vapori

Politehnica

Studiul Teoretic AL Subracirii CU Element Peltier Intr O Instalatie Frigorifica CU Comprimare Mecanica DE Vapori

Byadmin ianuarie 1, 2024

STUDIUL TEORETIC AL SUBRĂCIRII CU ELEMENT PELTIER ÎNTR-O INSTALAȚIE FRIGORIFICĂ CU COMPRIMARE MECANICĂ DE VAPORI

CUPRINS

Lista figurilor

Lista tabelelor

INTRODUCERE

Obținerea temperaturilor scăzute a fost necesară încă din antichitate pentru păstrarea alimentelor și răcirea lor. La început se aduna gheață și zăpadă iarna și se depozitau în pivnițe izolate termic sau peșteri. Într-o instalație frigorifică modernă este aplicat principiul vaporizării unui lichid, procesul având drept efect preluarea căldurii din spațiul ce urmează a fi răcit.

În anul 1805 Oliver Evans a descris prima instalație frigorifcă cu vapori, însă nu o realizeză practic.

În anul 1835 Jacob Perkins, a pus ideea lui Evans în practică și a obținut astfel un brevet de invenție a unei instlații frigorifice cu comprimare mecanică de vapori. Această instalație frigorifică funcționa într-un circuit închis

Prima instalație de aer condiționat a fost proiectată de către John Gorrie în anul 1842. Aceasta era folosită pentru răcirea camerelor unui spital din Florida.

Carl von Linde și Ferdinand Carré au perfecționat în anul 1870 instalația frigorifică cu comprimare mecanică de vapori. În anul 1874 Charles Tellier a experimentat conservarea cărnii prin congelare. El a folosit o instalație cu comprimare mecanică de vapori de eter metilic.

Pentru prima dată, în anul 1876 are loc un transport frigorific cu carne congelată, din Franța în America de Sud.

Primele frigidere casnice au fost produse de către firma General Electric, în anul 1911, iar în anul 1926 s-au introdus pe piață primele frigidere cu compresoare ermetice.

Din anul 1930, s-a adoptat folosirea freonilor ca agenți de lucru în instlațiile frigorifice.

În lucrare se prezintă studiul teoretic al subrăcirii cu element Peltier într-o instalație frigorifică cu comprimare mecanică de vapori, validarea rezultatelor putând fi făcută prin încercări experimentale pe o instalație frigorifică reală.

1. INSTALAȚII FRIGORIFICE CU COMPRIMARE DE VAPORI

1.1. Agenți frigorifici

Într-o instalație frigorifică, fluidul de lucru este denumit agent frigorific.

Agentul frigorific are rolul de a prelua căldura din mediul care trebuie răcit și de a o preda la o temperatură ridicată în mediul ambiant. (Florea Chiriac, Maria Gabriela Țârlea, Robert Gavriliuc, Anica Ilie, Rodica Dumitrescu, 2006)

Agenții frigorifici se regăsesc sub formă de amestec de substanțe sau substanțe pure, cei din urmă putând fi naturali sau sintetici. Simbolul pentru agenți frigorifici este litera R urmată de un simbol numeric în funcție de tipul agentului.

Inițial s-au folosit agenți frigorifici naturali(apa, dioxidul de carbon, amoniacul etc), utilizarea freonilor începând cu anul 1930.

Principalele domenii de utilizare a agenților frigorifici sunt (Alexandru Serban, Florea Chiriac, 2010):

congelatoare și frigidere casnice

sisteme de aer condiționat

mijloace de transport frigorifice

Cerințele impuse unui fluid pentru a putea fi folosit ca agent frigorific sunt următoarele (Roșca Radu, 2011):

pentru valoarea temperaturii care trebuie realizată în vaporizator, valoarea presiunii de vaporizare trebuie să fie ușor superioară valorii presiunii atmosferice;

pentru ca procesul de comprimare să se realizeze cu un consum scăzut de energie, presiunea care corespunde temperaturii ce trebuie obținută în condensator, trebuie să aibă valoare scăzută;

valoare ridicată a căldurii latente de vaporizare, în vederea realizării unor debite reduse de fluid;

valoare scăzută a volumului specific de vapori, pentru ca dimensiunile instalației să fie reduse;

la compresoarele semiermetice și ermetice agentul trebuie șă fie compatibil cu izolația conductorilor folosiți la construcția motorului electric de acționare și cu uleiul folosit la ungerea compresorului;

să nu prezinte toxicitate și pericol de explozie (mai ales în cazul instalațiilor folosite în industria alimentară);

să fie nepoluant;

să nu fie miscibil cu uleiul de ungere, fapt ce ar putea duce la diminuarea puterii frigorifice;

să nu descompună din punct de vedere chimic apa;

să nu atace materialele care compun instalația;

să nu prezinte miros;

să nu fie cancerigen;

să nu aibă acțiune asupra stratului de ozon; (Liviu Drughean, Dragoș Hera, Alina Pîrvan, 2004).

După caracteristicile lor, agenții frigorifici se clasifică în 3 grupe:

Grupa 1: Este reprezentată de agenți frigorifici foarte puțin nocivi pentru oameni, neinflamabili. Principalii produși ce rezultă în urma descompunerii agenților frigorifici din prima grupa, exceptând bioxidul de carbon, sunt acidul fluorhidric și cel clorhidric, a căror prezență este ușor de detectat din cauza mirosului iritant, chiar și în concentrații foarte mici deoarece sunt toxici.(dioxidul de carbon și freonii).

Grupa a 2-a cuprinde agenți frigorifici toxici, care atunci când se amestecă cu aerul sunt inflamabili iar limita inferioară de explozie este de aproximativ 3,5% din volum. Singurul agent frigorific din această grupă folosit pe scară largă este amoniacul el fiind ușor detectabil din cauza mirosului specific chiar și în concentrații foarte mici. Acesta devine inflamabil doar în concentrație mare la temperaturi de inflamabilitate crescută.

Ceilalți agenți frigorifici din grupa a doua sunt folosiți rar și prezintă numai interes teoretic.

Grupa a 3-a cuprinde agenți frigorifici cu toxicitate scăzută, care atunci cănd se amestecă cu aerul prezintă inflamabilitate și putere de explozie cu limita inferioară de explozie la concentrație mai mică de 3,5% în volum. (Florea Chiriac, Maria Gabriela Țârlea, Robert Gavriliuc, Anica Ilie, Rodica Dumitrescu, 2006).

1.2. Schema de bază și principiul de funcționare al instalațiilor cu comprimare mecanică de vapori

Ciclul teoretic de funcționare al instalțiilor frigorifice reale

În figura 1.1 este prezentată schema instalației frigorifice reale iar în figura 1.2 diagramele ciclului teoretic de funcționare.

În procesul (1-2) este reprezentată comprimarea adiabatică a vaporilor supraîncălziți în compresor; presiunea lor crește de la p0 la pk și temperatura de la t0 la tref. Procesul (2-3) se realizează în condensator; în procesul ( 2-2’) vaporii supraîncălziți se răcesc de la temperatura la care ies din compresor tref până la cea de saturație tk, răcire care are loc la presiunea constantă pk din condensator.

Pe ramura (2’-3) se realizează schimbarea stării de agregare a vaporilor saturați, la temperatură și presiune constante. Titlul vaporilor în punctul (3) este 0, de unde rezultă că agentul frigorific este lichid la ieșirea din condensator.

Destinderea în ventilul de laminare are loc la entalpie constantă (procesul 3-4), iar presiunea agentului scade de la pk la p0; apoi urmează vaporizarea în vaporizator (procesul 4-1); care are loc la presiunea constantă p0 și temperatura constantă T0. (Roșca Radu, 2011)

Figura 1.1 – Instalația frigorifică reală (după Roșca Radu, 2011)

V- vaporizator; C- compressor; K- condensator; VL- ventil de laminare.

În figura 1.3 observăm că destinderea agentului frigorific în ventilul de laminare, care are loc în procesul( 3-4) duce la o diminuare a cantității de căldură extrasă de la sursa rece, spre deosebire de cazul destinderii adiabatice care are loc în procesul(3-4’):

Figura 1.2 – Ciclul teoretic de funcționare al instalației frigorifice reale (după Roșca Radu, 2011)

Tref – temperatura agentului la ieșirea din compresor.

Eficiența frigorifică a ciclului teoretic al instalației frigorifice reale se poate determina cu relația:

.

Figura 1.3 – Efectul destinderii în ventilul de laminare (după Roșca Radu, 2013)

3-4’- destindere adiabatică; 3-4- destindere izentalpică în ventilul de laminare

1.3. Comprimarea în două trepte

Dacă funcționarea instalației impune creșteri ale presiunii mai mari de 6-8, comprimarea se realizează în mai multe trepte, lucru necesar din mai multe motive:

în cazul creșterii presiunii de refulare, volumul de gaz aspirat scade; (figura 1.4)

consumul de energie al compresorului într-o singură treaptă este mai mare, lucrul

mecanic al acestuia fiind superior celui necesar comprimării în două trepte;

temperatura ridicată a agentului frigorific și a comprsorului în cazul comprimării într-o singură treaptă poate duce la deteriorarea uleiului folosit la ungerea compresorului.

Figura 1.4 – Influența presiunii de refulare asupra volumui aspirat (după Roșca Radu, 2011)

În concluzie comprimarea în două trepte este folosită în cazul în care temperatura de vaporizare trebuie să fie mai mică de -15…-270C, pentru amoniac și sub -20 …-350C pentru R22.

Pentru a evita creșterea excesivă a temperaturii în cazul comprimării în două trepte se realizează o răcire intermediară a agentului frigorific după ieșirea din prima treaptă înainte de intrarea în cea de a doua. Răcirea intermediară se realizează cu apă sau agent frigrific.

1.4. Elemente de calcul termic al ciclului frigorific fără subrăcire

Parametrii cunoscuți din spațiul ce trebuie răcit sunt:

temperatura din incintă;

temperatura exterioară;

puterea frigorifică Q0 [W], obținută prin calcularea necesarului de frig.

Temperaturile vaporizatorului și condensatorului(T0 și Tk) se determină în funcție de situația reală de funcționare a instalației frigorifice.

Presiunile de vaporizare și repectiv condensare (p0 și pk) se determină în funție de agentul frigorific folosit. Dacă raportul presiunilor pk/p0 este mai mare de 8 trebuie să se folosească o instalație frigorifică cu comprimare în trepte.

Puterea frigorifică specifică q0 = i1 – i4 [J/kg] se determină trasând ciclul de funcționare al instalației, iar cu ajutorul ei se poate determina debitul masic al agentului frigorific:

.

Figura 1.5 – Elemente pentru calculul termic al ciclului frigorific (după Roșca Radu ,2013)

Din tabelele parametrilor de saturație ai agentului frigorific respectiv se determină volumul specific v [m3/kg] la presiunea p0 (punctul 1); debitul volumic de agent frigorific aspirat de către compresor va fi:

. (Roșca Radu, 2013)

În final se poate alege din cataloagele producătorilor compresorul care corespunde din punct de vedere al presiunii necesare și al debitului volumic impus.

Cunoscându-se i- numărul de cilindri ai compresorului, d- diametrul cilindrului, s- cursa efectuată de piston și n- turația arborelui, debitul volumic al gazului aspirat de compresor se poate calcula folosind relatia:

,

unde r- coeficient de umplere.

Puterea absorbită de către compresor va fi:

.

Eficiența frigorifică (coeficientul de performanță, ) rezultă din relația:

. (Radu Roșca, 2011).

1.5. Instalații frigorifice cu absorbție (Roșca Radu, 2011)

Funcționarea unei astfel de instalații are la bază ciclul Carnot inversat. Compresia agentului frigorific se realizează pe cale termochimică, cu folosirea unui amestec binar și consum de energie termică.

Amestecurile binare folosite ca și agent de lucru, sunt alcătuite din două componente: absorbant și agent frigorific.

Absorbantul nu trebuie să reacționeze cu agentul frigorific, trebuie să aibă o temperatură de vaporizare superioară acestuia și să-l dizolve. Degajarea de căldură care însotește procesul de absorbție trebuie evacuată, pentru a nu stopa procesul.

Cel mai utilizat amestec în instalațiile frigorifice cu absorbție este de apă-amoniac, apa fiind absorbant iar amoniacul agentul frigorific.

Aceste instalații pot avea funcționare continuă sau periodică. În figura 1.6 se prezintă schema de principiu a unei astfel de instalații cu funcționare continuă.

Agentul frigorific absoarbe căldura Q0 din incinta răcită și se vaporizează în vaporizator (V).

Vaporii de amoniac formați intră în absorbitor (A), unde sunt dizolvați. Căldura Qa este evacuată cu apa de răcire, astfel formându-se o soluție concentrată în amoniac. Aceasta este vehiculată de o pompă (P) în generatorul de vapori (G), unde se realizează desorbția agentului frigorific pe baza căldurii Qg care este primită din exterior.

În partea supertea superioară a generatorului (G) se găsesc vapori de amoniac, iar la partea inferioară o soluție săracă de amoniac.

Vaporii de amoniac trec prin condensator (C) și se transformă în lichid, se destind în ventilul de laminare (VL2), iar apoi ajung în vaporizator.

Prin ventilul de laminare (VL1) soluția săracă în amoniac revine în absorbitor (A) din generatorul de vapori (G).

Economizorul (E) încălzește soluția concentrată de amoniac vehiculată de pompă (P) în generatorul de vapori (G), pe baza căldurii ce a fost preluată de la soluția slabă în amoniac și care trece spre absorbitor (A) prin ventilul de laminare (VL1).

Deflegmatorul (D) condensează vaporii de apă din masa de vapori de amoniac, astfel încât la ieșirea din deflegmator vor exista numai vapori de amoniac.

Apa condensată revine în generator (G), iar la ieșire vaporii trec printr-o zonă cu șicane (rectificator), cu rolul de a reține apa care este antrenată cu vaporii de amoniac.

Figura 1.6 – Instalație frigorifică cu absorbție (după Roșca Radu, 2011)

V-vaporizator,A-absorbitor;G-generator de vapori;C-condensator;VL1, VL2-ventile de laminare.

În figura 1.7 este prezentată schema îmbunătățită a unei instalații frigorifice cu absorbție.

Figura 1.7 – Instalație frigorifică cu absorbție, îmbunătățită (după Roșca Radu, 2013)

V-vaporizator; A-absorbitor; G-generator de vapori; C-condensator; VL1, VL2-ventile de laminare; D-deflegmator; E-schimbător intern de căldură (economizor).

1.6. Subrăcirea și supraîncălzirea în instalațiile frigorifice (Roșca, 2013)

Pentru a se asigura transferul de căldură de la condensator către mediul înconjurător este necesar ca temperatura de condensare să fie mai mare decât temperatura mediului; această diferență de temperatură permite și o răcire sub temperatura de condensare a agentului frigorific lichid saturat ieșit din condensator, proces care poartă numele de subrăcire.

Din figura 1.8 se observă că procesul de subrăcire 3-3’ are ca efect o creștere a cantității de căldură preluate de instalația frigorifică proporțională cu suprafața (b), suprafața (a) fiind proporțională cu cantitatea de căldură preluată de către instalația fără subrăcire.

Figura 1.8 – Efectul subrăcirii( după Roșca Radu, 2013)

1-2-2’-3-4-ciclul fără subrăcire; 1-2-2’-3’-4’-ciclul cu subrăcire; Tsub-subrăcirea.

Subrăcirea se poate realiza în condensator, dar în acest caz gradul de subrăcire Tsub este limitat de diferența existentă între temperatura de condensare și temperatura mediului care asigură răcirea condensatorului.

Această limitare poate fi înlăturată dacă subrăcirea are loc într-un aparat termic (schimbător de căldură) distinct.

Aplicând același raționament pentru vaporizator, constatăm că, pentru ca transferul de căldură de la mediul ce trebuie răcit la vaporizator să poată fi posibil, este necesar că temperatura de vaporizare a agentului frigorific să fie mai mică decât temperatura mediului răcit.

Ca urmare, există posibilitatea ca, în partea finală a vaporizatorului, vaporii de agent frigorific să fie încălziți peste temperatura de vaporizare, proces care poartă denumirea de supraîncălzire; evident, procesul de încălzire a vaporilor continuă și pe conducta de legătură dintre vaporizator și compresor, dar supraîncălzirea din vaporizator mărește cantitatea de căldură extrasă din spațiul de răcit și din acest motiv se numește supraîncălzire utilă.

Din figura 1.9 se observă că, dacă supraîncălzirea are loc în vaporizator, cantitatea de căldură extrasă de vaporizator crește proporțional cu suprafața (c), suprafața (a) fiind proporțională cu cantitatea de căldură preluată de către instalația fără supraîncălzire.

Figura 1.9– Efectul supraîncălzirii (după Roșca Radu, 2013)

Ts- supraîncălzirea.

Funcționarea instalației frigorifice cu un oarecare grad de supraîncălzire evită pătrunderea agentului frigorific lichid în compresor; pe de altă parte, din figura 1.10 se observă că existența supraîncălzirii are ca efect creșterea lucrului mecanic de comprimare al compresorului (izentropele fiind ușor divergente în zona vaporilor supraîncălziți) – l’ > l – și creșterea temperaturii agentului la refularea din compresor.

Efectul supraîncălzirii asupra eficienței frigorifice trebuie studiat pentru fiecare caz în parte, dar literatura de specialitate recomandă ca, în cazul instalațiilor frigorifice ce funcționează cu amoniac, supraîncălzirea vaporilor să fie redusă la minimum.

Ca urmare se consideră că, în cazul amoniacului, supraîncălzirea vaporilor cu mai mult de 5…10K are efecte negative asupra eficienței frigorifice a instalației, în timp ce în cazul freonilor se recomandă temperaturi de supraîncălzire cât mai mari; acesta este și motivul pentru care în instalațiile frigorifice ce funcționează pe bază de freoni se recomandă folosirea subrăcirii cu agent frigorific.

După cum s-a menționat mai sus, subrăcirea agentului frigorific lichid ieșit din condenstaor se poate realiza cu ajutorul unui schimbător de căldură special destinat acestui scop. Subrăcirea se poate realiza:

cu apă;

cu agent frigorific.

1.6.1. Subrăcirea cu apă

Schema de principiu a instalației frigorifice ce utilizează subrăcirea cu apă este prezentată în figura 1.11. Se observă că după condensatorul (K) s-a adăugat un schimbător de căldură suplimentar, numit subrăcitor (SR), răcit cu apă.

Figura 1.10 – Efectul supraîncălzirii asupra lucrului mecanic consumat de compresor și a temperaturii de refulare (după Roșca Radu, 2013)

Agentul frigorific în stare de lichid saturat care iese din condensator este răcit la presiune constant (procesul 3-3’, figura 1.12), în subrăcitor preluându-se de la agentul frigorific cantitatea de căldură qSR; urmează apoi destinderea izentalpică din ventilul de laminare (procesul 3’ – 4’).

Figura 1.11- Instalația frigorifică cu subrăcire cu apă (după Roșca Radu, 2011)

SR- subrăcitor.

Din figura 1.12 se observă că, față de ciclul fără subrăcire (1-2-3-4), ciclul cu subrăcire (1-2-3’-4’) conduce la creșterea cantității de căldură preluate de la sursa rece cu Δq0; rezultă deci că utilizarea subrăcirii cu apă conduce la creșterea eficienței frigorifice a ciclului, care se determină în acest caz cu relația:

Figura 1.12- Diagrama de funcționare a instalației frigorifice cu subrăcire cu apă (după Roșca Radu, 2011)

Mai trebuie remarcat faptul că diagrama reală a ciclului cu subrăcire este de fapt cea din figura 1.13, pe care se evidențiază procesul de subrăcire (3-3’), ce are loc la presiunea constantă din condensator pk; cum în domeniul lichid izobarele sunt foarte apropiate de curba de vaporizare, în practică se adimte ca, în diagrama entropică T – s, reprezentarea ciclului de subrăcire cu apă sa fie cea din figura 1.12 a si nu cea din figura 1.13.

Figura 1.13 Diagrama reală a ciclului de subrăcire cu apă (după Roșca Radu, 2013)

1.6.2 Subrăcirea cu agent frigorific (subrăcirea internă)

Schema de principiu a unei astfel de instalații frigorifice este prezentată în figura 1.14; în acest caz subrăcitorul (Sr) este un schimbător de căldură prin care circulă, pe un circuit, agent frigorific în stare lichidă, ieșit din condensator, iar pe cel de al doilea circuit vapori reci, proveniți din condensator. Vaporii răcesc agentul în stare lichidă și se incălzesc preluând căldură de la lichidul ieșit din condensator.

În diagramele T – s și lg p – i (fig. 1.15), procesul (3-3’) reprezintă răcirea lichidului saturat, iar procesul (1-1’) reprezintă supraîncălzirea vaporilor ieșiți din vaporizator. Ambele procese au loc la presiune constant: încălzirea vaporilor se realizează la presiunea p0 din vaporizator, iar răcirea lichidului la presiunea pk din condensator.

Figura 1.14 – Schema instalației frigorifice cu subrăcire internă (după Roșca Radu, 2011)

Sr – subrăcitor

Figura 1.15– Ciclul de funcționare al instalației cu subrăcire internă (după Radu Roșca, 2013)

Pentru analiza comparativă a ciclului fără subrăcire (1-2-3-4) și a celui cu subrăcire internă (1’-2’-3’-4’) este necesară determinarea parametrilor caracteristici în fiecare punct de pe ciclu; fată de cazul anterior (subrăcire cu apă), ciclul cu subrăcire internă nu asigură în mod automat creșterea eficienței frigorifice.

În principiu, ținând cont de căldurile specifice diferite ale lichidului și vaporilor1, se poate aprecia că scăderea de temperatură a lichidului este aproximativ jumătate din creșterea de temperatură a vaporilor de agent. Literatura de specialitate recomandă ca valoarea temperaturii t1’ să fie cuprinsă între t0 și tk –(10 – 20)0C. O creștere atât de importantă a temperaturii vaporilor și respectiv o subrăcire atât de avansată a lichidului saturat impun suprafețe mari de schimb de căldură ale subrăcitorului. În consecință, din considerente tehnico-economice, de cele mai multe ori în practică, subrăcirea maximă a lichidului este de numai 5…100C, iar supraîncălzirea vaporilor este, corespunzător de 10…200C.

Eficiența frigorifică a ciclului cu subrăcire internă se determină cu relația:

Cantitatea de căldură transferată de la lichidul saturat la vapori este:

Trebuie menționat faptul că, la unele instalații frigorifice, în zona terminală a condensatorului se realizează o subrăcirea a lichidului saturat.

2. RĂCIREA PRIN EFECT PELTIER

În anul 1834 Jean Peltier descoperă că la trecerea unui curent electric prin sudura a două metale diferite, este absorbită sau cedată o cantitate de căldură proporțională cu cea de electricitate care traversează joncțiunea, în funcție de sensul curentului, fenomenul fiind numit efectul Peltier. În figura 2.1, sudura 4 se răcește, iar sudura 3 se încălzește.

Figura 2.1 – Efectul Peltier (după Roșca Radu, 2013)

1, 2- conductori; 3, 4- suduri;

-căldura absorbită; -căldura absorbită; -căldura cedată.

Efectul Peltier este diminuat în cazul folosirii metalelor, el se poate amplifica prin folosirea semiconductorilor de tip p și n (figura 2.2, 2.3), obținuți prin adăugarea de impurități semiconductorilor.

În punctul de joncțiune a semiconductorilor căldura schimbată cu mediul înconjurător prin efect Peltier este:

,

12- coeficientul Peltier al cuplului format din cei doi semiconductori;

1 și 2- coeficienții Peltier ai celor două materiale (=S·T);

I- intensitatea curentului electric [A].

Figura 2.2 – Obținerea efectului Peltier cu ajutorul semiconductorilor (după Roșca Radu, 2013)

1-semiconductor de tip n; 2-joncțiune; 3-semiconductor de tip p.

Figura 2.3 – Element Peltier (după Roșca Radu, 2013)

1-substrat ceramic; 2-semiconductor de tip p; 3-semiconductor de tip n; 4-contact metallic.

Efectul Peltier este diminuat de două fenomene:

– încălzirea semiconductorilor prin efectul Joule-Lenz, la trecerea curentului electric;

– transferul de căldură de la sudura caldă la sudura rece prin conducție ;

Fluxul de căldură datorat efectului Joule-Lenz este:

.

Pentru a calcula puterea frigorifică se admite că această căldură se împarte în mod egal între sudura caldă și cea rece.

Transferul de căldură de la sudura caldă la sudura rece e dat de următoarea relație:

,

k- coeficient global de transfer de căldură de la sudura caldă la sudura rece [W/K];

T- temperatura sudurii calde;

T0- temperatura sudurii reci.

Coeficientul global de transfer de căldură poate fi determinat cu relația:

,

în care:

1 și 2- coeficienți de conductivitate termică ai celor două materiale [W/m·K];

s1 și s2- secțiunile celor două brațe ale elementului Peltier [m2];

l – înălțimea brațelor[m].

Astfel puterea frigorifică va fi:

.

Puterea frigorifică maximă se obține ținând cont de condiția , care ne duce la o valoare optimă a intensității curentului:

.

Puterea frigorifică maximă va fi:

.

Temperatura minimă a sudurii reci se realizează în cazul în care căldura transferată prin conducție și căldura produsă de efectul Joule-Lenz sunt compensate de fluxul de căldură produs de efectul Peltier:

.

Astfel, diferența de temperatură maximă care poate fi obținută prin efectul Peltier este:

,

relație ce permite determinarea temperaturii sudurii reci în funcție de cea a sudurii calde.

Eficiența frigorifică a elementului Peltier poate fi definită ca:

,

unde P- puterea consumată:

.

Ținând cont de datele de mai sus, eficiența frigorifică va fi:

.

Fluxul de căldură cedat de către sudura caldă este determinat cu relația:

.

Eficiența frigorifică maximă se obține ținând cont de condiția , de unde rezultă intensitatea curentului electric:

,

în care:

;

(eficacitatea termocuplului).

Dacă înlocuim intensitatea curentului în relația eficienței frigorifice, se obține eficiența frigorifică maximă:

,

adică o eficiență frigorifică inferioară celei a ciclului Carnot invers corespunzător temperaturilor T și T0.

Un sistem de răcire care utilizează un element Peltier se construiește, teoretic, conform schemei din figura 2.4. Observăm că elementul 3 este montat între radiatoarele 2 și 4, unul dintre ele aflându-se în spațiul ce trebuie răcit, iar al doilea în exterior. Ventilatoarele 1 și 5 asigură circulația aerului peste radiatoare, facilitând transferul de căldură. Ventilatorul din spațiul răcit asigură uniformizarea temperaturii prin circulația aerului.

Figura 2.4 – Sistem de răcire cu element Peltier (după Roșca Radu, 2013)

1, 5-ventilatoare; 2, 4-radiatoare; 3-element Peltier.

Un material folosit în mod curent la realizarea elementelor Peltier este Bi2Te3. Pentru semiconductorul de tip n, coeficientul Seebeck este , iar pentru semiconductorul de tip p coeficientul Seebeck este .

Figura 2.5 – Element Peltier (după Roșca Radu, 2013)

Un material folosit în mod curent la realizarea elementelor Peltier este Bi2Te3. Pentru semiconductorul de tip n, coeficientul Seebeck este , iar pentru semiconductorul de tip p coeficientul Seebeck este .

Temperatura minimă ce se poate realiza cu un singur element Peltier poate ajunge până la -300C, putându-se realiza temperaturi mai scăzute prin montarea mai multor elemente Peltier în serie.

Dezavantajele folosirii pentru răcire a elementelor Peltier sunt costul ridicat al acestora și fragilitatea elementelor.

3. DETERMINAREA PARAMETRILOR CARACTERISTICI AI ELEMENTULUI PELTIER

Pentru evaluarea parametrilor de funcționare ai instalației frigorifice cu comprimare de vapori la care subrăcirea se realizează prin atașarea unui element Peltier pe conducta de ieșire din condensator trebuie cunoscuți parametrii caracteristici ai elementului Peltier ce urmează a fi utilizat în acest scop.

Elementul Peltier avut în vedere este de tipul TEC1-12730, pentru care producătorul furnizează următoarele mărimi caracteristice:

– număr de termocupluri: n= 127;

– temperatura sudurii calde: ;

– diferența maximă de temperatură între suduri:

– intensitatea maximă a curentului electric:

– tensiunea maximă

– curbele de variație ale puterii frigorifice în funcție de diferența de temperatură între sudura caldă și cea rece: conform graficelor din figura 3.1 a și b;

Prin măsurători efectuate pe elementul Peltier avut la dispoziție s-au determinat dimensiunile unui termocuplu ( L/B/H): 2,5/2,5/1,5 mm

Pentru determinarea principalilor parametri constructivi ai elementului termoelectric s-a pornit de la datele de catalog și relațiile prezentate de Lineykin & Ben-Yaakov:

– coeficientul Seebeck al termoelementului:

;

– rezistența electrică:

;

– rezistența termică a elementului:

.

Cu datele din catalog și relațiile prezentate mai sus obținem următoarele valori ale parametrilor constructivi:

,

.

Pentru verificarea caracteristicilor utilizate în cadrul calculului s-au efectuat încercări ale elementului pe un stand special destinat acestui scop, a cărui schemă de principiu este prezentată în figura 3.2; în figura 3.3 se prezintă o vedere generală a echipamentelor utilizate în cadrul încercărilor, iar în figura 3.4 se prezintă o vedere a ansamblului elementului Peltier testat.

Temperaturile celor două suduri au fost măsurate cu ajutorul unor senzori de temperatură integrați, conectați la o placă de achiziție de date ( DAQ) conectată la un calculator, iar tensiunea și intesitatea curentului electric au fost măsurate cu ajutorul instrumentelor de măsură cu care este prevăzută sursa de alimentare utilizată (figura 3.4). Figura 3.5 prezintă o captură de imagine a interfeței grafice a programului utilizat pentru măsurarea temperaturii.

Pentru calculul puterii frigorifice dezvolate de către elementul Peltier în cadrul încercărilor s-a utilizat relația [Roșca]:

,

în care I este intensitatea curentului electric prin element [A], T este temperatura sudurilor calde [K], iar TO este temperatura sudurilor reci [K].

Rezultatele obținute sunt prezentate în tabelul 3.1.

Figura 3.2 – Schema de principiu a standului (originală)

Figura 3.3 – Vedere generală a echipamentelor utilizate (originală)

Figura 3.4 – Ansamblul elementului Peltier și sursa de alimentare (originală)

Figura 3.5 – Interfața grafică a programului utilizat pentru măsurarea temperaturilor sudurilor

Tabelul 3.1

Rezultate experimentale referitoare la caracteristicile elementului Peltier

Diferența relativ mică dintre rezultatele obținute prin calcul și datele de catalog ( în special la puteri de răcire mici) confirmă valabilitatea datelor inițiale utilizate pentru calcul, aspect cu atât mai important cu cât acestea nu sunt comunicate de către producătorul elementului de răcire.

4. EVALUAREA PERFORMANȚELOR INSTALAȚIEI FRIGORIFICE CU SUBRĂCIRE CU ELEMENT PELTIER

Scopul lucării îl constituie studiul posibilității de subrăcire cu element Peltier a unei instalații frigorifice cu comprimare mecanică de vapori comparabilă cu instalațiile utilizate pentru aplicațiile electrocasnice (frigider); la origine aceste instalații nu sunt prevăzute cu un subrăcitor ca element distinct.

4.1. Determinarea parametrilor de funcționare ai instalației frigorifice cu comprimare mecanică de vapori

Principalele caracteristici ale instalației frigorifice avute în vedere sunt:

agentul frigorific: R-600a (izobutan), puterea frigorifică dezvoltată: 500W

temperatura de vaporizare: -10C

temperatura de condensare: 45C, condensatorul fiind răcit cu aer,

randamentul izentropic al compresorului: 0,75.

Trebuie menționat că agentul frigorific menționat (R-600a) este în prezent utilizat pe scară largă în aplicații pentru puteri frigorifice mici. Fiind o hidrocarbură acest agent nu este de tip freon și deci nu pune probleme din punct de vedere al protecției mediului (distrugerea stratului de ozon și formarea efectului de seră). Fiind o hidrocarbură agentul ar putea prezenta pericol de incendiu, dar având în vedere cantitățile mici utilizate în aparatele cu destinație casnică acest pericol este nesemnificativ.

Pentru trasarea ciclului de funcționare al instalației frigorifice se folosește pachetul de programe CoolPack neglijându-se căderile de presiune pe conducte, condensator, vaporizator (figura 4.1).

În figura 4.2 este prezentat ciclul de funcționare al instalației, iar în tabelul 4.1 sunt prezentați parametrii punctelor caracteristice ale ciclului de funcționare.

Figura 4.1 Caracteristici ale instalației frigorifice avute în vedere

Tabelul 4.1

Coordonatele punctelor caracteristice ale ciclului

Debitul masic de agent frigorific prin instalație se calculează cu relația:

în care este puterea frigorifică [W].

Figura 4.2 – Ciclul de funcționare al instalației frigorifice

Rezultă:

Raportul de creștere a presiunii în compresor se determină cu relația:

== 5,6

în care pk este presiunea din condensator, iar p0 este presiunea din vaporizator.

Pentru instalația avută în vedere obținem:

=5,6,

valoare care ne arată că este posibilă utilizarea comprimării într-o singură treaptă.

Eficiența frigorifică a instalației reprezintă raportul dintre puterea frigorifică și puterea necesară comprimării agentului frigorific în compresor și se calculează cu relația:

Debitul volumic de agent frigorific

Puterea necesară comprimării agentului frigorific

Puterea termică disipată de condensator

Se observă că la un raport de creștere a presiunii este posibilă utilizarea comprimării într-o singură treaptă.

În cazul în care pentru subrăcirea agentului frigorific lichid s-ar utiliza un schimbător de căldură de tip regenerativ în care vaporii reci de agent frigorific realizează subrăcirea agentului frigorific sub temperatura de condensare (fig. 4.3) conform indicațiilor din literatura de specialitate gradul de subrăcire al lichidului este aproximativ jumătate din gradul de supraîncălzire a vaporilor.

În figura 4.4 sunt prezentate ciclurile de funcționare ale instalației frigorifice avute în vedere pentru care s-a luat în calcul o subrăcire cuprinsă între 1 și 15 K, rezultatele fiind centralizate în tabelul 4.2

Din datele din tabel se observă ca subrăcirea asigură creșterea puterii frigorifice ( de la 500 la 682 W), dar în același timp puterea necesară comprimării agentului frigorific crește de la 184 W la 208 W, iar temperatura agentului la refulare din compresor crește de la 510C până la 810C din cauza creșterii temperaturii vaporilor aspirați în compresor.

Sarcina termică a condensatorului crește de la 684 W la 890 W.

Tabel 4.2

Caracteristicile instalației frigorifice cu subrăcire cu regenerator intern

Figura 4.4 – Ciclul frigorific al instalației cu subrăcitor intern

4.2. Determinarea parametrilor de funcționare ai elementului Peltier la realizarea subrăcirii

Determinarea parametrilor de funcționare ai termoelementului pentru realizarea subrăcirii s-a efectuat prin calcule teoretice, presupunând că temperatura sudurii temperaturii calde este, iar temperatura sudurii reci este egală cu temperatura de subrăcire a agentului frigorific, elementul Peltier fiind montat pe conducta de legătură dintre condensator și ventilul de laminare.

Deoarece în acest caz nu se cunoaște intensitatea curentului electric ce trece prin elementul Peltier, pentru calculul intensității curentului electric prin termoelement s-a utilizat relația [Lineykin]:

,

în care:

= puterea necesară subrăcirii agentului frigorific

temperatura sudurii reci

intensitatea curentului electric .

În mod practic s-a utilizat programul MathCAD pentru determinarea intensității I prin rezolvarea ecuației de gradul al doilea; anexa 1 prezintă scriptul utilizat în cadrul programului.

Puterea necesară subrăcirii agentului frigorific se determină cu relația:

în care:

m este debitul masic de agent frigorific prin instalație;

este căldura specifică a agentului frigorific lichid .

este gradul de subrăcire .

Pentru intervalul de temperaturi cuprins între 300C și 450C s-a determinat din literatura de specialitate o valoare medie a căldurii specifice a agentului frigorific:

Deoarece efectuarea subrăcirii cu element Peltier nu presupune nici o modificare a traseului prin care circulă agentul frigorific, debitul masic de agent luat în calcul este cel determinat anterior pentru instalația frigorifică fără subrăcire:

Tensiunea electrică la bornele termoelementului se obține din relația:

Puterea electrică consumată de termoelement este:

Eficiența frigorifică a instalației cu subrăcire prin element Peltier s-a calculat ținând cont și de puterea electrică absorbită de termoelement.

în care:

– puterea frigorifică corespunzătoare gradului de subrăcire avut în vedere;

– puterea consumată pentru comprimarea agentului frigorific;

– puterea electrică absorbită de termoelement.

În tabelul 4.3. sunt prezentate rezultatele calculelor efectuate pentru subrăciri ale agentului frigorific cuprinse între 1 și 15 K (ca și în cazul anterior).

Tabel nr. 4.3

Subrăcirea cu element Peltier

Se observă că la utilizarea subrăcirii cu element Peltier puterea electrică necesară comprimării cu agent frigorific rămâne constantă (184 W) nefiind influențată de gradul de subrăcire fapt explicabil prin aceea că temperatura vaporilor reci de agent frigorific care sunt aspirați în compresor nu se modifică.

În cazul în care subrăcirea se realizează cu regenerator intern, pe măsură ce gradul de subrăcire crește, crește și temperatura vaporilor de agent frigorific aspirați în compresor, ceea ce face ca puterea necesară comprimării să crească, deoarece în diagrama presiune- entalpie curbele de entropie constantă sunt ușor divergente. Sub acest aspect, față de rezultatele prezentate în tabelul 4.2, în realitate este de așteptat ca puterea consumată de compresor să crească mai mult, deoarece pe măsură ce temperatura vaporilor aspirați de compresor crește, se intensifică schimbul de căldură dintre compresor și mediul înconjurător, ceea ce are ca efect scăderea randamentului izentropic al compresorului.

Fig. 4.5 – Eficiența frigorifică a instalației (originală)

În figura 4.5 este prezentată evoluția eficienței frigorifice a instalației (comparativ cu situația fără subrăcire, pentru care gradul de subrăcire este 0) pentru trei situații distincte;

– instalație frigorifică cu regenerator intern, eficiența frigorifică fiind egală cu raportul dintre puterea frigorifică și puterea absorbită de compresor;

– instalație frigorifică cu subrăcire cu element Peltier, eficiența frigorifică fiind egală cu raportul dintre puterea frigorifică și puterea absorbită de compresor;

– instalație frigorifică cu element Peltier, luându-se în calcul și puterea electrică absorbită de termoelement.

Fig. 4.6 Puterea firgorifică a instalației (originală)

În figura 4.6 este prezentată evoluția puterii frigorifice a instalației în funcție de gradul de subrăcire. Se observă că în ambele cazuri puterea frigorifică se mărește o dată cu creșterea gradului de subrăcire (acesta fiind și scopul subrăcirii), creșterea fiind mai accentută în cazul instalației frigofice cu regenerator intern decât în cazul instalației cu termoelement Peltier.

Totuși diferențele dintre cele două variante nu sunt foarte mari, astfel încât la o subrăcire de 15 K, puterea frigorifică a instalației cu termoelement este doar cu 15% mai mică decât cea a instalației cu regenerator intern.

Dacă însă se ține cont de faptul ca realizarea unui schimbător intern de căldură pentru instalațiile frigorifice cu puteri mici este dificilă (atât din cauza dimensiunilor cât și a puterii termice mici pentru un astfel de schimbător –maximum 80 W la o subrăcire de 15 K- considerăm că utilizarea variantei de subrăcire cu element Peltier ar putea fi mai convenabilă din punct de vedere economic.

Fig. 4.7 Puterea electrică absorbită (originală)

În figura 4.7 este reprezentată variația puterii electrice absorbită de instalație (doar de către compresor la instalația cu regenerator intern; de compresor și element Pelier pentru instalația cu subrăcire cu termoelement).

Se observă că atât timp cât gradul de subrăcire nu crește peste 8 K puterea electrică absorbită de către instalația cu subrăcire cu termoelement este egală sau chiar mai mică decât cea absorbită de instalația cu regenerator intern.

Din figura anterioară (figura 4.6) pentru o subrăcire de 8 K scăderea puterii frigorifice la instalația cu termoelement față de cea cu regenerator intern este doar de 8,9%.

Din tabelul 4.4 rezultă că în cazul instalației frigorifice cu subrăcire în generator intern temperatura agentului frigorific la refularea din compresor crește o data cu creșterea gradului de subrăcire ceea ce va avea ca efect creșterea puterii termice ce trebuie disipată de către condensator. Acest lucru este confirmat de datele prezentate în figura 4.8.

Se observă o creștere mai puțin accentuată a puterii termice disipate de condensator la subrăcirea cu termoelement față de cazul subrăcirii cu regenerator intern, astfel încât la un grad de subrăcire de 15 K puterea termică ce trebuie disipată de condensator este cu 15% mai mică în cazul subrăcirii cu termoelement.

În plus la o subrăcire de 8 K (limita de la care puterea electrică absorbită este mai mare) în cazul instalației cu termoelement puterea termică ce trebuie disipată de către condensator crește cu doar 6,2% față de situația fără subrăcire, în timp ce utilizare regeneratorului intern conduce la creșterea puterii termice disipate de condensator cu 16%.

Chiar și fără a fi efectuate calcule suplimentare considerăm că o creștere cu 6% a puterii termice disipate de condensator se poate obține fără mărirea dimensiunilor condensatorului (de exemplu prin asigurarea circulației forțate a aerului peste condensator cu ajutorul unui ventilator) o creștere de 16% însă probabil că nu va putea fi obținută fără mărirea dimensiunilor condensatorului.

Tabel nr 4.4

Evoluția temperaturii la aspirația și refularea condensatorului

Fig. 4.8 Puterea termică disipată de condensator (originală)

CONCLUZII

Din studiu graficelor se observă că:

– pentru instalația frigorifică cu regenerator intern, eficiența frigorifică crește o data cu creșterea gradului de subrăcire;

– folosirea elementului Peltier pentru subăcire conduce de asemenea la creșterea eficienței frigorifice a instalației, înregistrându-se doar diferențe mici față de cazul anterior (pentru subrăcire de 15 K eficiența frigorifică a instalației cu regenerator intern este 3,27, iar cea a instalației cu element Peltier de 3,15, ceea ce înseamnă o scădere de 3,7%);

Dacă se ține cont de puterea electrică absorbită de termoelement, eficiența frigorifică a instalației (calculată ca raport între puterea frigorifică și puterea electrică totală absorbită) scade o dată cu creșterea gradului de subrăcire, din cauza creșterii puterii consumate de termoelement pe măsură ce crește diferența de temperatură dintre cele două suduri (acesta fiind un efect un efect negativ cunoscut al termoelementelor).

Totuși, acest rezultat trebuie privit cu o anumită rezervă cel puțin din două motive:

– în calculul efctuat am considerat o temperatură constantă a sudurii calde de 500C; în realitate este foarte posibil ca pe măsura scăderii temperaturii sudurii reci, temperatura sudurii calde să scadă ceea ce ar avea ca efect reducerea puterii absorbite de termoelement

– în realitate este posibilă dezvoltarea unei soluții de automatizare astfel încât consumul de energie electrică al termoelementului să fie adaptat puterii frigorifice pe care trebuie să o dezvolte frigiderul sau altfel zis în funcție de gradul încărcare al acestuia.

În practică se poate concepe relativ simplu un astfel de sistem care să folosească drept mărime de intrare temperatura agentului frigorific la ieșsirea din vaporizator (pe măsură ce spațiul frigorific este umplut cu mai multe produse calde temperatura vaporilor ieșiți din vaporizator crește).

De altfel soluții cumva asemănătoare sunt deja aplicate în practică în cazul frigiderelor casnice, utilizându-se varianta modificării turației compresorului în funcție de puterea frigorifică necesară; în instalațiile frigorifice industriale utilizarea ventilului de laminare termostatic are același scop (adaptarea debitului de agent frigorific la gradul de încărcare).

Dacă se are în vedere consumul global de energie electrică al instalațiile calculele arată că atât timp cât gradul de subrăcire nu crește peste 8 K puterea electrică absorbită de către instalația cu subrăcire cu termoelement este egală sau chiar mai mică decât cea absorbită de instalația cu regenerator intern.

În cazul instalației frigorifice cu subrăcire în generator intern temperatura agentului frigorific la refularea din compresor crește o data cu creșterea gradului de subrăcire ceea ce are ca efect creșterea puterii termice ce trebuie disipată de către condensator. La subrăcirea cu termoelement se observă o creștere mai puțin accentuată a puterii termice disipate de condensator odată cu creșterea gradului de subrăcire, comparativ cu varianta subrăcirii cu regenerator intern; la o subrăcire de 8 K în cazul instalației cu termoelement puterea termică ce trebuie disipată de către condensator crește cu doar 6,2% față de situația fără subrăcire, în timp ce utilizare regeneratorului intern conduce la creșterea puterii termice disipate de condensator cu 16%.

Chiar si fără a fi efectuate calcule suplimentare considerăm că o creștere cu 6% a puterii termice disipate de condensator se poate obține fără mărirea dimensiunilor condensatorului (de exemplu prin asigurarea circulației forțate a aerului peste condensator cu ajutorul unui ventilator) o creștere de 16% însă probabil că nu va putea fi obținută fără mărirea dimensiunilor condensatorului.

Considerăm că rezultatele promițătoare referitoare la subrăcirea cu element Peltier, obținute în urma studiului teoretic realizat în cadrul lucrării, trebuie validate și experimental, prin încercări pe o instalație frigorifică reală.

BIBLIOGRAFIE

1) Ajaxon Ingrid, Lindabl J., Nyberg H., – Testing a Peltier Element, Uppsala Universitet, Solid state physics II (http://www.powershow.com/view1/163dd7-ZDc1Z/Testing_a_Peltier_Element_powerpoint_ppt_presentation).

2) Chiriac F., Țârlea Maria Gabriela, Gavriliuc R., Ilie Anica, Dumitrescu Rodica, 2006 – Masini și instalatii frigorifice seria “Inginerie termică” Editura AGIR, București.

3) Drughean L., Hera D., Pîrvan Alina, 2004 – Sisteme frigorifice nepoluante, Edit.MATRIX ROM, București.

4) Horbaniuc B, 2006 – Instalații frigorifice și de climatizare în industria alimentară (vol. 1). Edit. Cermi, Iași.

5) Hurmuzescu D., 2014 – Electricitatea. Edit. Univ. „Al. I. Cuza” Iași, pp. 141-142.

6) Irving B., Edward Miller, Thermoelectric Materials and Devices, 1960.

7) Lineykin S., Ben-Yaakov S., 2005, Modeling and Analysis of Thermoelectric Modules, E Transactions on Industry Applications, 43 (2), pp. 2019-2023.

8) Lineykin S., Ben-Yaakov S., 2007 – User-friendly and intuitive graphical approach to the design of thermoelectric cooling systems. International Journal of refrigeration, 30, pp. 798-804, Elsevier, Amsterdam.

9) Myers J., Mohammed M., 2004 – The Peltier Effect and the Seeback Effect.

10) Qureshi B.A., Zubair S.M., 2013 – Mechanical sub-cooling vapor compression systems: Current status and future directions. International Journal of refrigeration, 36, pp. 2097-2110, Elsevier, Amsterdam.

11) Rademarcher R., Yang B., Hwang Y., 2007 – Integrating alternative and conventional cooling technologies. ASHRAE Journal, oct. 2007.

12) Roșca R., 2011 – Instalații frigorifice și de climatizare (ed. a II-a). Editura Alfa, Iași.

13) Roșca R., 2013 – Bazele producerii frigului artificial, Editura Ion Ionescu de la Brad, Iași.

14) Serban A., Chiriac F., 2010 – Instalatii frigorifice, seria Cursuri universitare masterat, Editura AGIR, Bucuresti.

15) *** http://peltiermodules.com