Sistemul de Racire

DEPARTAMENTUL MECANICĂ ȘI TEHNOLOGII

Programul de studii INGINERIE MECANICĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ

PLANUL PROIECTULUI

1. STADIUL ACTUAL PRIVIND SISTEMELE DE RĂCIRE

1.1 Sisteme de răcire cu instalații de climatizare

1.2 Descrierea funcționării unei centrale termice murale

2. PROIECTAREA UNEI INSTALAȚII DE RĂCIRE CU ELEMENTE PELTIER INTEGRATE ÎNTR-O CENTRALĂ TERMICĂ MURALĂ

3. CALCULE DE DIMENSIONARE A MODULULUI PELTIER

4. SIMULAREA FUNCȚIONĂRII SISTEMULUI DE RĂCIRE CU CELULE PELTIER ÎN CyclePad

5. SOLUȚII CONSTRUCTIVE PROPUSE PENTRU SISTEMUL DE RĂCIRE

6. CONCLUZII

BIBLIOGRAFIE

ANEXE

DESCRIEREA PROIECTULUI.

Lucrarea experimentală ce urmează a fi făcută,pleacă de la ideea realizării confortului termic in spațiile de locuit(apartamente,case rezidențiale,birouri).

Confortul termic înseamnă realizarea temperaturilor ambientale confortabile,plăcuteatât pe timp de vară cât șipe timp de iarnă.Ne dorim sa experimentăm această lucrare pe timp de vară atunci când temperaturile ambientale, în unele spații de locuit cresc mult peste confortul termic,ajungând sa fie deranjabile creând disconfort organismului uman.

Pentru execuția proiectului(experimentului),am ales realizarea răcirii instalației cu o baterie de module termoelectrice Peltier pe care o vom adapta la centrala termică de apartament realizând astfel o instalație frigorifică de putere mică ,calculată să poată răci agentul termic din instalația cu calorifere sau ventilo-convectoare până la o temperatură scăzută de 5-7 grade Celsius .

Pentru a automatiza instalația de climatizare ce urmează a fi adaptată instalației termice de încălzire existente,vom folosi același termostat de ambianță(cu fir sau comandă prin radiofrecvență) pentru comanda modulului Peltier și componentelor acesteia cum ar fi pompa de circulație și vane de deviație servo-motorizate cu 3 cai conform schemei termomecanice care va fi prezentata in capitolul următor.

Instalația de răcire cu modul Peltier va fi adaptată pe centrala termică astfel încât nu ne mai trebuie suplimentar si alte grupuri de siguranță,accesorii pentru măsurarea si controlul temperaturii,manometre,termometre,supapa de siguranță, clapete (supape) de sens,eventual doi senzori de temperatură digitali montați pe turul si returul modulului Peltier. Scopul lucrării mai este și realizarea acestei adaptări tehnice intr-un mod economic ,astfel încât investiția realizării lucrării /adaptării să fie mică,convenabilăbeneficiarilor raportata la costul investiție și eficiența in exploatare.De aceea s-a ținut cont de la bun început de aspectul economic,foarte important chiar de la apariția ideii realizării acestui proiect..

1. STADIUL ACTUAL PRIVIND SISTEMELE DE RĂCIRE

1.1. SISTEME DE RĂCIRE CU INSTALAȚII DE CLIMATIZARE

AGENȚII FRIGORIFICI FOLOSIȚI IN INSTALAȚIILE FRIGOTEHNICE

Agenții termodinamici de lucru din instalațiile frigorifice preiau căldura prin vaporizare și cedează căldură prin condensare la temperaturi scăzute sau apropiate de ale mediului ambiant, deci trebuie să aibă unele proprietăți particulare, care îideosebesc de agenții termodinamici din alte tipuri de instalații. Din acest motiv poartă denumirea de agenți frigorifici. Proprietățile agenților frigorifici sunt impuse de schema și tipul instalației, precum și de nivelurile de temperatură ale celor două surse de căldură. Câteva dintre aceste proprietăți sunt următoarele:

-presiunea de vaporizare trebuie să fie apropiată de presiunea atmosferică și ușor superioară acesteia pentru a nu apare vidul în instalație;

-presiunea de condensare trebuie să fie cât mai redusă pentru a nu apare pierderi deagent frigorific și pentru a se realiza consumuri energetice mici în procesele de comprimareimpuse de funcționarea acestor instalații;

căldura preluată de un kilogram de agent prin vaporizare trebuie să fie cât mai mare pentru a se asigura debite masice reduse;

căldura specifică în stare lichidă trebuie să fie cât mai mică pentru a nu apare pierderimari prin ireversibilități interne în procesele de laminare adiabatică;

volumul specific al vaporilor trebuie să fie cât mai redus, pentru a se obține dimensiunide gabarit reduse, ale compresoarelor;

nu prezinte pericol de inflamabilitate, explozie și toxicitate;

să nu fie poluanți(este cunoscut faptul că unii agenți frigorifici clasici și anume câteva tipuri de freoni, contribuie la distrugerea stratului de ozon al stratosferei terestre).

Pentru a nu se utiliza denumirile chimice complicate ale acestor substanțe, agenții frigorifici au fost denumiți freoni, sunt simbolizați prin majuscula R (de la denumirea în limba engleză – Refrigerant) și li s-a asociat un număr care depinde de compoziția chimică.

PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE A INSTALAȚILOR FRIGORIFICE

DESEN DE PRINCIPIU A UNEI INSTALAȚII FRIGORIFICE.

CALDURA Qext. CEDATĂ

VENTIL

LAMINARE

Instalațiile frigorifice sunt mașini termice care au rolul de a prelua căldura de la un mediu având temperatura mai scăzută și de a o ceda unui mediu având temperatura mai ridicată. Acesta poate să fie considerat cel mai simplu model de instalație frigorifică, deoarece nu conține nici un element de natură constructivă. Din acest punct de vedere poate să fie asimilat cu o "cutie neagră", a cărei funcționare va fi analizată în continuare și care urmează să fie deschisă pentru a i se studia componența și a i se releva secretele de proiectare, exploatare și automatizare. Mediul cu temperatura mai scăzută de la care se preia căldură este denumit sursa rece, iar mediul cu temperatura mai ridicată, căruia i se cedează căldură, este denumit sursa caldă. Este cunoscut că având capacitate termică infinită, temperaturile surselor de căldură rămân constante chiar dacă acestea schimbă căldură. Fluxul de căldura absorbită de la sursa rece a fost notat cu Qₒ , iar fluxul de căldură cedată sursei calde a fost notat cu Qk . Conform principiului doi al termodinamicii,pentru transportul căldurii în condițiile prezentate, este necesar și un consum de energie . În cazul instalațiilor frigorifice, sursa rece se găsește sub temperatura mediului ambiant, iar procesul de coborâre a temperaturii sub această valoare, este denumit răcire artificială.Agentul de lucru care evoluează în aceste instalații, este denumit agent frigorific.Pentru a putea să preia căldură de la sursa rece, agentul frigorific trebuie să aibă temperatura mai mică decât aceasta. În timpul preluării de căldură de la sursa rece, agentul frigorific se poate comporta în două moduri diferite:

– se poate încălzi mărindu-și temperatura sau poate să-și mențină temperatura constantă.

Ca exemplu de „instalatie frigorifică” descris în cadrul acestui capitol , s-a folosit un răcitor de apa ,răcitor de mică putere, pentru a experimenta puterea de răcire a unei instalatii pe timp de vară,folosind centrala termică murală existentă pe post de comandă ,circulația forțată a agentului termic fiind făcută prin pompa centralei ,vanele de deviație adaptaptate tot în centrală și restul automatizarii făcută tot prin intermediul centralei.

DESCRIEREA COMPONENTELOR INSTALAȚIEI DE RĂCIRE A APEI

COMPRESORUL.Compresoare ermetice și semiermetice.

Aceste tipuri de mașini sunt specifice tehnicii frigului, deoarece freonii protejează înfășurările electrice, ceea ce permite introducerea motorului în fluxul de agent frigorific vehiculat decompresor.Principlul avantaj al acestor mașini este că pe același arbore se găsesc motorul electric și ambielajul compresorului. În plus ansamblul se introduce într-o singură carcasă etanșă pentru agentul frigorific, dispar problemele de aliniere a motorului cu compresorul și problema traversării carterului de către vibrochen, ca și problema garniturii. Compresoarele ermetice sunt complet incluse într-o carcasă metalică sudată și etanșă care face inaccesibile părțile mobile și nu permite intervențiile în interior.

Agenții frigorifici nu pot fi decât fluide neutre din punct de vedere al sistemului electric: de exemplu R134a, sau R22. Vaporii de agent frigorific aspirați sunt utilizați pentrurăcirea înfășurărilor electrice ale statorului și rotorului înainte de a ajunge în camera deaspirație. Pentru temperaturi de vaporizare coborâte (de exemplu -30°C), dacă debitul masicde vapori aspirați de compresor nu este suficient pentru răcirea motorului electric, trebuieprevăzute ventilatoare exterioare pentru răcirea carterului.Puterea maximă– cu rare excepții nu poate să depășească 45 kW pentru compresoarele semiermetice, respectiv 30 kW pentru compresoarele ermetice.

Parțile componente ale compresorului cu piston, închis ermetic sunt:carcasa(capsula etanșă),motorul electric format din rotor si stator,amortizorul de zgomot ,compresorul format din arbore cotit montat direct pe axul rotorului,piston,biela-manivela,cilindru,supape de admisie si refulare.

CONDENSATORUL.Condensatoarele cu circulație naturală a aerului sunt utilizate în aparatele frigorifice casnice, frigidere congelatoare si de aer conditionat.

Condensatoarele cu circulație forțată a aeruluisunt cele mai răspândite în instalații

comerciale și industriale, iar curgerea aerului este asigurată de ventilatoare. Cele mai

importante caracteristici ale acestor aparate sunt următoarele:

– agentul frigorific, curge în curenți încrucișați (își schimbă sensul de curgere princondensator);

– zona de desupraîncălzire a vaporilor, reprezintă 5…10 % din suprafațacondensatorului și se găsește la intrarea agentului frigorific în aparat;

– zona de subrăcire a vaporilor reprezintă tot 5…10 % din suprafața condensatoruluiși se găsește la ieșirea agentului frigorific din aparat;

– zona de condensare propriu-zisă, la temperatură constantă se găsește în partea

centrală a aparatului și reprezintă 80…90 % din suprafața condensatorului;

– temperatura de condensare nu este riguros constantă datorită căderilor de presiune,dar pentru calcule preliminare sau de alegere, această variație a temperaturii poatesă fie neglijată;

– debitul de aer este uzual între 300…600 m3/h pentru fiecare kW de sarcină termicăa condensatorului;

– aerul se încălzește în condensator cu cca. 5…10 °C;

– puterea motoarelor de antrenare a ventilatoarelor este de cca. 20…40 W pentrufiecare kW de sarcină termică a condensatorului;

-suprafata de schimb de caldura este de cca. 0.3-0.4mp/kw.

Condensatorul este unul dintre cele mai importante schimbătoare de căldură dintr-o instalație frigorifică. În acesta are loc transferul termic de la vaporii supraîncălziți de agent frigorific la agentul termic de răcire, care în cazul de față este aerul, având o circulație forțată peste serpentinele condensatorului. Vaporii de agent frigorific sunt refulați de către compresor în distribuitorul de vapori de unde sunt dinstribuiți în serpentinele plane nervurate ale condensatorului. În urma transferului termic se produce condensarea agentului frigorific în interiorul țevilor, iar condensul se scurge gravitațional colectându-se într-un colector inferior de lichid care unește toate secțiile la baza inferioară.

Condensatorul se asamblează din țevi drepte legate prin coturi și poate fi realizat din 2 până la 8 secții legate în paralel pe circuitul de agent frigorific și spălate în serie de către aer. Țevile sunt cel mai des confecționate din cupru cu lamele de aluminiu. Contactul lamelei cu țeava se poate realiza prin mărirea diametrului interior al țevii. Se poate utiliza un procedeu hidraulic, introducând ulei sub presiune, care determină creșterea diametrului interior al țevii cu realizarea unui bun contact între lamele și țeavă; sau un procedeu mecanic prin împingerea forțată prin țevi a unei bile sau a unui trunchi de con cu diametrul cu 0,5 mm mai mare decât al țevii. Viteza aerului în secțiunea îngustată este de (2…5) m/s. Densitatea de flux termic are valoarea qse= 180…350 W/m2. Serpentinele sunt încadrate într-o ramă care constituie canalul de curgere a aerului circulat de ventilator.

VAintroducând ulei sub presiune, care determină creșterea diametrului interior al țevii cu realizarea unui bun contact între lamele și țeavă; sau un procedeu mecanic prin împingerea forțată prin țevi a unei bile sau a unui trunchi de con cu diametrul cu 0,5 mm mai mare decât al țevii. Viteza aerului în secțiunea îngustată este de (2…5) m/s. Densitatea de flux termic are valoarea qse= 180…350 W/m2. Serpentinele sunt încadrate într-o ramă care constituie canalul de curgere a aerului circulat de ventilator.

VAPORIZATORUL.VAPORIZATOARE CU SERPENTINĂ INTERIOARĂ SAU EXTERIOARĂ.

Vaporizatorul este montat într-o carcasă izolată termic, care are rolul de a împiedica pierderile de căldură către exterior. Agentul frigorific utilizat în general în aceste vaporizatoare

este amoniacul. Vaporizator serpentină. Acest tip de vaporizator este constituit dintr-un bazin, care conține lichidul de răcit și dintr-o serpentină prin care circulă agent frigorific. Serpentina poate fi montată în interiorul bazinului, respectiv imersată în fluidul de răcit sau poate fi montată pe suprafața exterioară bazinului, caz în care se impune realizarea unui contact intim serpentină bazin pentru asigurarea transferului de căldură.

Vaporizatoarele cu plăci sunt alcătuite dintr-un număr par de plăci, încadrate de două plăci de capăt. O placă este construită dintr-o foaie dreptunghiulară de tablă subțire, cu grosimea cuprinsă între 0,5 și 1,2 mm, în care a fost realizată, prin ambutisare, o rețea de canale ondulate. Spațiul dintre două plăci alăturate formează un canal de curgere, cu dimensiuni nominale cuprinse între 2 și 5 mm, respectiv diametre hidraulice cuprinse între 4 și 10 mm. Construcția schimbătorului asigură circulația alternativă și în contracurent a celor două fluide, pe cele două fețe ale plăcii, astfel încât cele două fețe ale unei plăci sunt parcurse, de-a lungul laturii mai lungi, de fluide diferite. Materialul folosit pentru constructia lor este inoxul si cuprul.
Din aceste plăci se pot realiza condensatoare și vaporizatoare foarte compacte.

VENTILUL DE LAMINARE

În instalațiile frigorifice, laminarea este procesul care se realizează când agentul frigorific lichid trece printr-o secțiune îngustată, datorită căreia se modifică presiunea fluidului, de la valoarea presiunii de condensare pka lichidului obținut în condensator, până la valoarea

presiunii de vaporizare p0 a agentului care urmează să ajungă în vaporizator. Acest proces se realizează în ventilul de laminare, care din punct de vedere constructiv se aseamănă cu un robinet, sau o diafragmă având orificiul de curgere calibrat. Laminarea este considerată adiabatică, deoarece se desfășoară fără interacțiuni termice cu mediul ambiant. Având în vedere că în timpul realizării acestui proces termodinamic, nu se manifestă nici interacțiuni sub formă de lucru mecanic,se poate considera că entalpia rămâne constantă.

Ventilul de laminare furnizează agentul de lucru cu care urmează să fie alimentat vaporizatorul. Simplitatea constructivă și funcțională a acestui dispozitiv, permite modificarea ușoară a condițiilor de realizare a curgerii, cu toate implicațiile care decurg asupra modificării condițiilor de lucru din instalație. Din aceste motive, în practica instalațiilor frigorifice ventilul de laminare este folosit adesea și ca dispozitiv de automatizare, în vederea controlării procesului de alimentare cu lichid a vaporizatorului. Este evident, că în mod indirect, prin cantitatea de lichid din vaporizator, poate fi controlată puterea frigorifică realizată de instalație.

Schema constructivă și funcțională a ventilului de laminare termostatic

a – corp; b – diafragmă cu orificiul de curgere calibrat; c – organul de închidere al ventilului; d – resort; e – dispozitiv de reglare a tensiunii resortului; f – membrană elastică; g – capac; h – tub capilar; i – bulb.

Capacitatea ventilului de laminare de a furniza putere frigorifică, depinde așa cum s-a arătat, atât de condițiile de lucru, prin diferența dintre presiunile de condensare pk și de vaporizare p0, cât și de diametrul orificiului de curgere al duzei cu care este echipat ventilul de laminare termostatic respectiv. Bineînțeles, capacitatea ventilelor de laminare, depinde și de natura agentului frigorific. Unitatea de măsură pentru capacitatea ventilelor de laminare este Ton-ul,1 Ton = 3,5 Kw. Funcționarea ventilului de laminare termostatic, cu menținerea valorii gradului de supraîncălzire între limite bine determinate, este potrivită și din punct de vedere al puterii frigorifice asigurate de vaporizator.

Când din diverse motive crește necesarul de frig (de exemplu un depozit frigorific este alimentat cu o cantitate mare de produse alimentare proaspete și calde), excesul de căldură determină supraîncălzirea excesivă a vaporilor, ceea ce va avea ca efect deschiderea puternică a ventilului și alimentarea vaporizatorului cu un debit mare de agent frigorific lichid, care va putea prelua excesul de putere frigorifică. Atunci când din diverse motive scade necesarul de frig (de exemplu toate produsele dintr-un depozit frigorific au fost răcite până la temperatura de păstrare), scade și gradul de supraîncălzire a vaporilor la ieșirea din vaporizator, ceea ce determină închiderea cel puțin parțială a ventilului și alimentarea vaporizatorului cu un debit mult mai mic de agent frigorific, suficient însă pentru a prelua puterea frigorifică redusă a instalației în aceste situații.

Din cele prezentate anterior, se observă că ventilul de laminare termostatic alimentează vaporizatorul cu mult lichid când este nevoie de o putere frigorifică mare și cu puțin lichid când este nevoie de o putere frigorifică mică.

1.2 DESCRIEREA FUNCȚIONĂRII UNEI CENTRALE TERMICE MURALE

Intr-o centrală termică se găsesc urmatoarele module: un arzător cu functionare pe gaz metan sau lichefiat tip gpl si rampa de gaz incluse intr-o cameră de ardere, un sistem de evacuare a gazelor arse(natural sau forțat), un schimbător de căldura principal, o pompă de circulație, un sistem cuschimbator secundar de caldura de preparare a apei calde menajere, o vana cu trei căi servomotorizata, un vas de expansiune, armături (supapa de siguranta, robinete de umplere, golire ,supape de sens, aerisitoare), senzori de temperatura tur,retur si de siguranta sau supratemperatura,senzori de presiune apa,senzor de gaze arse,electrozii de aprindere, ionizare si placa electronică de comandă.La varianta de centrale in condensație , pe lănga toate elementele enumerate mai sus , mai au in plus si racordul de evacuare condens.Pentru prepararea apei calde de consum, ele pot fi cu prepararea instantanee a apei sau cu acumulare (cu boiler încorporat). Prepararea apei calde menajere se face cu ajutorul agentului termic produs de centrală.În cazul preparării instantanee , apa caldă este produsă în momentul apariției cererii de consum ,cerere sesizata de senzorul de debit al apei numit fluxostat (vezi figura). Prepararea se face comutând agentul termic de la schimbatorul primar de caldură la un schimbător secundar de căldură cu plăci sau la serpentina boilerului de acumulare.Comutarea se face din vana cu trei căi

servo-motorizata,comandarea vanei făcăndu-se de catre fluxostatul care sesizează cererea de apă caldă menajeră odată cu deschiderea robinetului de apă caldă de la lavoar,etc,și apoi prin intermediul releului comandat de placa electronică. Corelarea fluxului termic necesar producerii apei calde cu cel produs prin ardere

este dificilă. Există două soluții:

Se optează pentru un debit de apă fix (cât curge la un robinet) cu o diferență de temperatură fixă, caz în care automatizarea arzătorului este simplă, dar centrala nu este flexibilă la cererea de apă caldă: poate servi doar un robinet, care nu poate avea decat un debit mare,constant , nu se poate face o economie de apă

În acest caz sunt folosite schimbătoarele de căldură in plăci sau cele bi-termice (tub in tub),folosite pentru simplitatea in functionare,debite mari de producere in regim instant de apă caldă,timpi foarte mici pentru incalzirea imediata a apei calde,aproximativ 5-10 secunde pentru obtinerea apei la o temperatura de 30-43 grade Celsius. Soluția tehnica este ieftină.Se optează pentru flexibilitate, ceea ce necesită o automatizare suplimentară prin modularea flăcării (reglarea puterii flăcării prin cantitățile de gaz și aer introduse în camera de ardere), ceea ce conduce la o soluție tehnica mai scumpă.

În cazul preparării apei calde cu acumulare, aceasta se face într-un mic boiler incorporat in centrala încălzit de agentul termic. Soluția este flexibilă, simplă, dar mai voluminoasă și mai scumpă, datorită boilerului. În plus, din boiler căldura se pierde treptat în mediul ambiant, așa că centrala consumă combustibil și în absența solicitării de apă caldă.Din punct de vedere al tirajului, centralele de perete pot fi cu tiraj natural sau forțat. În cazul celor cu tiraj natural (numite și cu arzator cu aer autoinsuflat), aerul necesar arderii este preluat la fel ca la o sobă obișnuită, din incinta în care se află centrala, iar gazele de ardere sunt evacuate în exterior printr-un coș de fum, cu ajutorul tirajului realizat de acesta. Camera de ardere este deschisă, adică comunică cu incinta în care este amplasată centrala. Centralele cu tiraj natural sunt mai simple,sunt fiabile, mai silențioase ,mai putin automatizate și mai ieftine, însă pot fi amplasate doar în spații care îndeplinesc condiții foarte restrictive.La centralele cu tiraj forțat (numite cu arzator cu aer insuflat ), tirajul este realizat de un ventilator încorporat. În acest caz aerul necesar arderii este preluat din exteriorul incintei în care este montată centrala, iar gazele produse prin ardere sunt evacuate tot în exterior prin tubulatura coaxială tip tub in tub). Camera de ardere este închisă (etanșă), nu comunică cu spatiul în care este montată centrala. Ventilatorul este o componentă suplimentară care scumpește constructia. Condițiile de amplasare ale centralei sunt însă mult mai puțin restrictive.

1. ventilator tiraj forțat

2. camera de ardere inchisă

Camerele de ardere etanșe sunt inchise față de mediul ambiental pentru a preveni ieșirea gazelor arse în încăperea unde este amplasată centrala.Sunt izolate termic la interior cu o căptușeală de azbest avănd grosimea de aproximativ 15 mm, pentru a preveni pierderea temperaturii mari din camera de ardere prin schimbul termic cu exteriorul centralei dar mai ales protejarea componentelor centralei de temperaturiile mari care se formeaza in interiorul camerei etanșe(350-450 ºC).

Componența grupurilor de siguranță ,masură și control: Siguranța la supratemperatură este realizată de termistoare NTC cu coeficient negativ de temperatură, care-și măresc rezistivitatea electrică odată cu scăderea temperaturii și le scade rezistența electrică prin creșterea temperaturii de măsurat. rezistența electrică prin creșterea temperaturii de măsurat.

Siguranța la supratemperatura este realizată de termistoare NTC cu coeficient negativ de temperatură, care-și măresc rezistivitatea electrică odată cu scăderea temperaturii și le scade rezistența electrică prin creșterea temperaturii .

Senzorul de presiune gaze arse, realizează măsurarea presiunii gazelor arse evacuate astfel încăt presiunea gazelor evacuate nu trebuie să fie mai mare și/sau mai mică de 50 miliBari.Se realizează astfel un control al evacuării gazelor, preîntâmpinând blocarea/obstrucționarea căilor de evacuare gaze,respectiv aspirația de aer proaspăt din exterior.Împreuna cu sonda de fum care măsoară temperatura gazelor arse,se realizează un control ferm al arderii gazelor,deschiderea respectiv inchiderea electrovanei de gaz,preventilarea camerei de ardere înainte de aprinderea gazului și arderea eficientă a amestecului carburant gaz-aer făcându-se optim și cu randament maxim.

Senzorul de presiune minimă a apei (presostatul),are rolul de a sesiza presiunea minimă a apei in centrală astfel încât la o presiune a apei sub 0.7 Bari(lipsă apă),centrala să fie oprită din funcționare pentru a se evita arderea schimbătorului primar de caldură, respectiv avarii la ventilator și senzorii de temperatură tur respectiv retur,senzor gaze arse și presostat gaze.Funcționarea lui se bazează pe o diafragmă din cauciuc care menține un contact închis/deschis sub acțiunea presiunii apei.

Senzorul de ionizare si electrodul de aprindere realizeaza controlul aprinderii flăcării , respectiv realizarea scănteii. La aparitia cererii de apă caldă sanitară sau agent termic pentru încălzire,placa electronică primește comanda de la fluxostatul ce sesizeaza mișcarea apei pe circuitul sanitar sau primește comanda de la termostatul de ambianță pentru încălzirea agentului termic și comandă circuitul electric al electrodului de scănteie și al electrodului de ionizare.În lipsa flacării,senzorul de ionizare detecteaza lipsa temperaturii ridicate din flacară ,iar intr-un interval de 7 secunde,timp presetat din soft,dacă nu detectează temperatura ridicată din flacară(350 ºC),efectul acestei temperaturi fiind modificarea bruscă a rezistentei electrice a senzorului,respectiv a circuitului electric din care face parte senzorul),placa electronică comandă oprirea centralei termice.

Vasul de expansiune , preia excesul de presiune în cazul creșterii accidentale a presiunii apei din instralație.În momentul scăderii temperaturii apei din instalație, respectiv a presiunii,apa acumulată în vasul de expansiune va fi cedata înapoi instalației,reechilibrând presiunea în instalație.Este format din corpul vasului confecționat din tablă,prevăzut cu un ventil de umplere a vasului cu aer.În interiorul vasului din tablă se află o membrană de cauciuc care preia apa din instalație în momentul creșterii presiunii peste o valoare nominală.Presiunea aerului dintre vas si membrana de cauciuc nu trebuie să fie mai mică și/sau mai mare de presiunea „la rece” a apei .

electrod de aprindere+ senzor ionizare

vas expansiune

rampă de gaz

țeavă retur din instalație

țeavă tur către instalație

vană de deviație 3 căi

aerisitor automat

pompă de circulație electrovană de gaz

supapă de siguranță 3 bari

placă electronică

țeava care alimentează cu gaz rampa de aprindere a centralei

Termomanometrele sunt dispozitive de masura si control a temperaturilor si presiunilor agentilor termici din instalatiile termice.Sunt de trei feluri: cu bimetal care se contracta sau se dilata sub actiunea temperaturii apei;cu diafragma de cauciuc, care sub actiunea presiunii apei impinge un mecanism care face ca acul indicator sa se miste pe o scara gradata;varianta analogica folosesc sonde cu capilar sau teci ,cresterea sau scaderea temperaturii influentand rezistenta electrica a termistorului dispozitivului;varianta digitala ,folosesc senzori de temperatura pe baza de semiconductori de Si sau Ge.Exemplu de senzori digitali sunt LM35 care este un microprocesor avand incorporat un senzor de temperatura care functioneaza in plaja de temperaturi -50 si +150 grade Celsius avand o toleranta de maxim ±2 grade.

Placa electronica este componenta cheie a centralei ,ea realizeaza interconectarea,interdependenta si controlul general al tuturor dispozitivelor si componentelor de actionare pentru buna functionare a centralei.Toate semnalele analogice sau digitale primite de la senzori si grupul de masura si control,sunt evaluate de microprocesorul placi si in functie de valorile prestabilite si/sau setate de utilizator, actioneaza in timp util la buna functionare a componentelor acesteia.Realizeaza functiile de masura,control si actionare.

2. PROIECTAREA UNEI INSTALAȚII DE RĂCIRE CU ELEMENTE PELTIER INTEGRATE INTR-O CENTRALĂ MURALĂ

Proiectul se referă la un sistem de răcire cu celule Peltier integrat în centralele termice murale cu scopul principal de a asigura răcirea apei în calorifere pe timpul verii în vederea răcirii locuinței și suplimentar pentru răcirea apei menajere. În prezent răcirea locuințelor cu suprafețe de cel mult 150 m2 se asigură prin intermediul unor instalații de condiționare a aerului .

Dezavantajul soluției prezentate constă în: existența unei instalații special destinate climatizării fiecărei camere; instalația de condiționare este complexă; consumul de energie electrică este însemnat în raport cu alți consumatori; curenții de aer rece sunt dirijați cu precădere zonal; aerul rece sub forma unei vâne de curent poate afecta sănătatea; freonii chiar și cei moderni pot distruge ozonul; investiție mare și revizii periodice.

Problema tehnică pe care o rezolva proiectul constă în realizarea unei instalații de răcire integrată într-o centrală termică murală, care asigură răcirea apei pentru calorifere și a apei menajere cu ajutorul unor celule termoelectrice Peltier, pentru toate camerele dintr-o locuință.Sistemul de răcire cu celule Peltier integrat într-o centrală termică murală, elimină dezavantajeleprin aceea că elimină instalația de condiționare cu freon, nu mai prezintă pericol de distrugere a păturii de ozon, asigură o răcire uniformă a încăperilor locuinței prin scăderea artificială a temperaturii caloriferelor pe timp călduros.

Prin aplicarea proiectului se obțin avantajele:

beneficiarii dispun de un sistem de încălzire pe gaze naturale eficient pe timpul iernii dar suplimentar se integrează în centrala termică murală un sistem de răcire a caloriferelor pe timp călduros;

sistemul de răcire integrat în centralele termice murale conduce la eliminarea necesității achiziționării unei instalații pentru condiționare, deci apare o reducere a semnificativă a cheltuielilor;

nu se aduc modificări suplimentare instalației de încălzire deja existente;

simplitate constructivă;

se elimină crearea unor curenți de aer rece ce vehiculează prin încăperi ce afectează sănătatea (dureri de cap sau cervicale, răceli etc.) pentru marea majoritate a utilizatorilor;

se reduce semnificativ consumul de energie electrică deoarece celulele Peltier sunt alimentate în curent continuu, consumând per bucată un maxim

de câteva sute de wați , în timp ce instalațiile de condiționare cu freoni au un consum nominal de peste 1.2 kW;

celulele termoelectrice Peltier deși funcționează în regim intermitent au o garanție de 20 de ani mult mai mare ca durata de viață a unei instalații de climatizare.

În continuare se dăm un exemplu de realizare a proiectului, figura 1 reprezintă schema de principiua sistemului de răcirecu celule Peltier integrate într-o centrală termică murală.

Fig. 2.1 Schema de principiu a unui sistem de răcire cu celule Peltier integrat intr-o centrală termică murală

Sistemul de răcire cu celule Peltier integrat într-o centrală termică murală (fig.2.1), conform proiectului, este alcătuit dintr-un bloc de comenzi manual sau digital 1 care poate asigura mai multe funcții. Astfel se asigură funcția de reset dacă butonul 3 este în poziția 2, funcția de răcire calorifere cu celulele Peltier (sau furnizare apă răcită) poziția 4, funcția de încălzire cu gaz poziția 5, funcția de apă caldă 6 prin utilizarea centralei cu gaz. Poziția 0 corespunde închiderii centralei termice murale. Funcționarea centralei termice murale pentru asigurarea apei calde menajere, încălzirii pe timp de iarnă și conform proiectului de asigurare a răcirii caloriferelor pe timp de vara este coordonată de calculatorul 7 care este în conexiune cu toate elementele de automatizare.

Răcirea caloriferelor pe timp călduros, conform proiectului,conține una sau mai multe celule Peltier 8 (controlate de driverul 30), lipite prin intermediul unei paste termice bună conducătoare de căldură de radiatoarele 29 fiind în circuit închis. Pompa 11 asigură circulația apei răcite către blocul de clapete direcționale 26 prevăzute cu sistemul de acționare 25 preluând apa de pe returul 12 al caloriferelor 14. Sistemul de acționare comandat de calculator dirijează apa provenită de la pompă prin conducta 24 către arzătorul 19 al centralei termice (încălzire anotimp rece) sau către celulele Peltier 8 (răcire pe timp călduros). Partea rece a celulelor Peltier este în contact direct cu un schimbător de căldură 9, în care va pătrunde apă recirculată provenită de la calorifere (sau apă de la rețea). În schimbătorul de căldură va avea loc procesul de răcire a apei datorită temperaturii negative a celulelor Peltier (valori ce pot atinge – 18 °C). Temperatura la ieșire din schimbătorul 9 (circuitul I – calorifere) este estimat a fi cuprins între 2-7 °C suficient ca să asigure răcirea caloriferelor pe timp călduros. Apa rece va fi trimisă de către pompă prin conducta 10 către un al doilea bloc de clapete 15 prevăzute la rândul lor cu sistemul de acționare 16. Rolul clapetelor este de a permite sau nu accesul apei reci provenite de la conducta 10 sau a apei fierbinți provenite de la conducta 17.

Producerea apei reci, conform proiectului, are loc în sistem deschis prin preluarea apei de la rețea și trecerea acesteia prin schimbătorul 9 (circuitul II – apă

rece: admisie ARad respectiv evacuare ARev) atașat celulelor Peltier. Centralele termice actuale nu au prevăzut un sistem de răcire a apei.

Producerea căldurii pe timp friguros are loc clasic, neexistând modificări ale principiului funcțional, însă conform proiectului sau introdus suplimentar clapetele direcționale 15, 22 și 26.

Producerea apei calde menajere, are loc folosind apa din rețea (conducta 13) care este încălzită cu gaz în schimbătorul 20 al centralei termice murale și este furnizată către consumatori prin conducta 18. Gazele arse sunt aspirate de către ventilatorul 23, prin canalizația 21, și dirijate de blocul de clapete direcționale 22, atunci când se furnizează apă caldă menajeră sau încălzire. Deși ventilatorul lucrează prin aspirație s-au prevăzut conformproiectului, clapete direcționale automatizate pentru evitarea pătrunderii accidentale a gazelor arse în sistemul de celule Peltier.

Comanda și reglajul temperaturilor extreme se face prin intermediul cronocomandei 31 pentru încălzire și răcire.

Sistemul de răcire cu celule Peltier integrat în centralele termice murale conform proiectului,poate fi reprodus cu aceleași caracteristici și performanțe ori de câte ori este necesar, fapt care constituie un argument în vederea respectării criteriului de aplicabilitate industrială .

REVENDICĂRI

Sistemul de răcire cu celule Peltier integrat în centralele termice murale, figura 1, asigură răcirea caloriferelor pe timp călduros și are ca efect obținerea unui climat optim fiind alcătuit dintr-un schimbător de căldură (cu două circuite) 9, pus în legătură cu o serie de celule Peltier. Pompa de circulație 11 a centralei termice murale vehiculează apa în funcție de circuitul oferit de clapetele direcționale 26 grație sistemului de automatizare 25 în baza comenzilor primite de la calculatorul 7 al centralei murale către circuitul I al schimbătorului de căldură 9, aflat în contact cu fețele reci ale celulelor Peltier 8. Apa rece astfel obținută este trimisă spre caloriferele 14 unde este admisă prin comanda clapetelor 15 de sistemul de acționare 16, comandat la rândul său de calculatorul 7. Căldura generată de celulele Peltier este evacuată prin canalizația 28 și clapetele direcționale 22 de cătreventilatorul centralei termice murale 23. Dupa răcirea caloriferelor apa este recirculată în sistem închis prin conducta 12 de către pompa 11 și circuitul se reia.

Sistemul de răcire cu celule Peltier integrat în centralele termice murale conform revendicărilor 1 și 2 poate controla modificarea temperaturii în incinte în orice anotimp prin intermediul schimbătorului 9, a celulelor Peltier (conform proiectului) .

Sistemul de racire poate fi comparat cu o instalatie frigorifica clasica de racire cu freoni .

2.1 DESCRIEREA ȘI FUNCȚIONAREA MODULULUI PELTIER

– I + I

Efectele termoelectrice se manifestă, de regulă, la contactul dintre materiale conductoare sau semiconductoare de naturi diferite și constau în apariția unei tensiuni termoelectromotoare (efect Seebeck), când se stabilește un gradient de temperatură dintre materialele aflate în contact sau apariția unei diferențe de temperatură, efect Peltier, când prin aceste joncțiuni circulă un curent electric.

Aceste efecte au mare importanță din punct de vedere practic la construcția de senzori de temperatură sau sisteme de răcire termoelectrică. Aceste efecte sunt cu câteva ordine de mărime mai intense în semiconductori decât în metale.

Răcitorul termoelectric este un dispozitiv semiconductor ce utilizează efectul Peltier. Structura simplificată a unui astfel de dispozitiv arată ca în figura de mai sus.

Materialele semiconductoare, precum Si or Ge, pot prezenta două tipuri de purtători de sarcină, electroni și goluri. Electronii sunt sarcini negative și deci se vor deplasa de la – la + (adică în sens invers curentului convențional) iar golurile sunt sarcini pozitive și se vor deplasa conform figurii. Densitățile curenților de electroni și goluri depind de nivelul de dopare cu elemente pentavalente numite și donoare și de elemente trivalente numite accceptoare.

Functionarea unui element de răcire Peltier este asemănătoare cu cea a frigiderului Joule-Thomson cu deosebirea că in locul gazului comprimat ce suferă destindere adiabatică, aici „fluidul de lucru” este alcătuit din electroni și goluri care se comportă precum un gaz. Densitățile de dopare din elementele semiconductoare variază de la o valoare maximă în zona fețelor fierbinți, conform figurii, la o densitate mică în zona fețelor reci. Un curent electric este aplicat conexiunii serie de elemente semiconductoare de tip n și de tip p astfel încât purtătorii de sarcină (electonii în n și golurile în p) se vor mișca în același sens, așa cum se vede , din zonele cu densități mari de dopare spre cele cu densități mici de dopare. Aceasta face ca gazul de electroni ce ajunge în zona de dopare slabă să sufere un proces de destindere adiabatică similară celei unui gaz obișnuit ducând la scăderea temperaturii lui. Același proces il va suferi și gazul format din goluri. Pentru a mări eficiența unui asemenea proces, se leagă în serie mai multe elemente de tipul celui prezentat în figura de sus, astfel încât fețele calde și cele reci sa fie în contact termic, așa cum este prezentat în urmatoarea figura unde este ilustrată o baterie de elemente Peltier.

Deci,acest dispozitiv poate fi privit ca o placă, de grosime d ce transportă căldura de la fața rece de temperatură Tr,către fața caldă, de temperatură Tc.

3. CALCULE DE DIMENSIONARE A MODULULUI PELTIER

SE CALCULEAZA CARACTERISTICILE FIZICE ALE MODULULUI PELTIER S.m ,K.m , Z ,s , si k.

diferența de temperatură dintre fețe,informație oferită de producătorul modulelor Peltier

temperatura feței calde a modulului Peltier

temperatura feței reci a modulului Peltier

factorul de calitate ce depinde de natura si geometria materialelor,semiconductorilor

valoarea tensiunii Seebeck

conductanța termică modul Peltier

coeficientul lui Seebeck

rezistivitatea elementului Peltier

conductivitatea termică a elementului Peltier

APLICAȚII PRACTICE ALE CELULELOR PELTIER

Fig. 3.1 Modul Peltier – vedere de ansamblu și secțiune conectori

fig.3.2 Radiatorul modulului Peltier fig.3.3 Modulul Peltier pe schimbator

În figura 3.2. avem reprezentat un radiator din aluminiu și ventilatorul radiatorului Peltier, care asigură ventilarea ,respectiv răcirea modulului Peltier.

4. SIMULAREA FUNCȚIONĂRII SISTEMULUI DE RĂCIRE CU CELULE PELTIER ÎN CyclePad.

CyclePad este un soft de simulare a ciclurilor termodinamice care înbunătățește și reduce timpul de proiectare și de calcul în analize specifice fluidelor și gazelor,asigurând precizia în design și a rezultatelor urmărite prin simulare experimentală.Cu acest program se pot schimba orice parametrii din ciclurile termodinamice, pentru a se înțelege cât mai bine efectele acestora asupra performanțelor dispozitivelor experimentale și nu în ultimul rând de a se lua decizia optimă în alegerea finală a construcției dispozitivului.În cazul experimentului nostru vom proiecta și analiza performanțele dispozitivului de răcire cu celule Peltier și rezultatele obținute prin simulare.

Temperaturile de ieșire din modulul Peltier vor fi temperaturile de intrare in primul calorifer,unde va fi și primul schimb de căldura cu un ΔT=2.87ºC,constant pentru toată gama temperaturilor de ieșire din modulul Peltier.La fel va fi și schimbul de căldura în cel de-al doilea calorifer, cu un ΔT egal pentru toate temperaturile de intrare si ieșire din cel de-al doilea calorifer.Deducem că schimbul de caldura ΔT în fiecare calorifer(de la C1 la C5) este egal și constant pentru toată gama temperaturilor de ieșire din modulul Peltier.Observăm că temperatura de ieșire din ultimul calorifer este de 23ºC pentru orice temperatură de ieșire din modulul Peltier, cu mențiunea că la temperatura de 12ºC la ieșirea din modulul Peltier sistemul de răcire nu mai este eficient, programul CyclePad arătănd eroare. În concluzie , sistemul este eficient pentru temperaturi in calorifer de maxim 23ºC.

5. SOLUȚII CONSTRUCTIVE PROPUSE PENTRU SISTEMUL DE RĂCIRE

RADIATORUL MODULULUI PELTIER

SCHIMBĂTORUL DE RĂCIRE PELTIER

MODULUL PELTIER

SCHIMBĂTORUL DE RĂCIRE PELTIER.DESEN DE ANSAMBLU.

DESEN DE ANSAMBLU RACITOR PELTIER.VEDERE DIN FATA.

6. CONCLUZII

Proiectul se referă la un sistem de răcire cu celule Peltier care este integrat în centralele termice murale și asigură răcirea caloriferelor pe timp călduros cu apă răcită preluată de la un schimbător de căldură atașat la partea rece a unor celule Peltier. Celulele Peltier asigura circuitul de răcire, direcționarea căldurii furnizate de celulele Peltier se realizează cu ajutorul calculatorului centralei termice murale (modificat). Conform proiectului, pe lângă asigurarea unui climat confortabil și controlabil, se asigură și posibilitatea răcirii apei de consum în orice anotimp.

Sistemul de răcire cu celule Peltier care este integrat în centralele termice murale, este constituit dintr-un schimbător de căldură 9, care are două circuite, unul pentru răcirea caloriferelor iar celălalt pentru răcirea apei, o serie de celule Peltier 8 atașate radiatoarelor 29, un sistem de evacuare a căldurii celulelor prin conducta 28, clapetele direcționale 22 și ventilatorul 23. Pompa centralei termice murale 11 asigură circulația apei de încălzire sau răcire a caloriferelor 14 stabilirea circuitului de răcire sau încălzire făcându-se cu ajutorul calculatorului 7, și a clapetelor de direcționare 15 și 26 comandate de sistemele de acționare 16 respectiv 25.

Prin acest concept se asigură menținerea unui confort optim în orice anotimp întrucât nu se modifică decât în mică măsură componența centralei termice murale. Pe timp călduros se asigură suplimentar răcirea incintelor prin scăderea temperaturii caloriferelor, eliminându-se instalațiile de condiționare sau climatizare a aerului, evitându-se curenții de aer rece dăunători sănătății.

RANDAMENTUL INSTALAȚIILOR-COMPARAȚIE.

În cadrul acestui capitol vom face un studiu comparativ între performanțele de răcire realizate cu o baterie de module Peltier și un sistem de răcire clasic realizat cu un aparat de aer condiționat care folosește ca agent de răciere freonul.

În cazul răcitorului Peltier și din calculele făcute avem următoarele rezultate :

– COP=0.617 coeficientul de performanță a modulului Peltier(pe încălzire);

– EER=0.763 eficiența energetică pe răcire(energy efficiency refrigeration);

– Ɛmax=0.534 eficiența sistemului ca mașină frigorifică;

– Puterea electrică totală consumată =810.12W;

– Puterea totală răcire=618.48W.

Pv=1550W puterea necesară ventilo-convectorului pentru răcire

Puterea necesară pe încălzire a ventilo-convectorului pe timp de iarnă este de 3300W.

Deși coeficienții de randament pe răcire și incălzire sunt subunitari,asta insemnănd că din punct de vedere teoretic eficiența energetică este scăzuta prin faptul că ar consuma mai multă energie electrică pentru a produce energie sub formă de căldură și răcire,totuși în realitate sistemul se prezintă eficient datorită faptului că tensiunea de alimentare este mică si continuă de pănă la 16V,iar curentul continu de alimentare este de păna în 9 Amperi(dispare riscul de electrocutare).Un alt factor important în eficiența lui practică sunt dimensiunile de gabarit foarte reduse în comparație cu o instalație de climatizare cu freoni,care sunt mari,gălăgioase(zgomot peste 45Db),necesită o instalare complexă atăt în interiorul locației căt și în afara acestuia(montaj la inălțime care presupune anumite riscuri in instalare),folosirea agenților frigorifici(freonii) care necesită o anumită tehnică în încarcarea instalației de climatizare,plus problema toxicitații acestor freoni atăt pentru natură căt și pentru oameni. Efectul urmărit cu modulele Peltier este răcirea,climatizarea spațiilor,cu un efort minim,consum energetic redus si cel mai important costul echipamentului corelat cu durata de viată a echipamentului de răcire Peltier.Dacă pentru un spațiu cu un volum de 62.5 mc sunt necesari aproximativ 3200W pentru incălzirea cu calorifere sau ventilo-convectoare,pentru răcirea acestui volum cu un aparat de aer condiționat ne sunt necesari aproximativ 11000 BTU.Am aplicat la valoarea puterii de incălzire un coeficient de răcire de 3.412 pentru calculul puterii frigorifice.Acest lucru înseamnă că avem nevoie de un aparat de aer condiționat cu puterea de răcire de minim 11000BTU,care va avea un consum electric la 220V(curent alternativ) de cel putin 1.5KW si avănd un cost de achiziție ,montaj si service de cel putin trei ori mai mare față de valoarea investiției cu module Peltier.

BIBLIOGRAFIE

BANCEA O.„Instalații de ventilare și climatizare”,Curs litografiat Timișoara, 241 p., 1996;

F. IACOBESCU, „Tehnica frigului și climatizări”, Editura Universitaria, Craiova, 1998

http://www.z-max.jp/peltier_en/peltier/experience/index.html

http://forum.softpedia.com/topic/270414-consum-electric-aparate-aer-conditionat/

www.dralexandruserban.ro/cursuri/curs6/

http://kryotermtec.com/catalog.html

http://www.google.ro-urlurl=http—www.termo.utcluj.ro-ufa-ufap

http://www.termo.utcluj.ro/ufa/ufapdf/ufa10.pdf

http://grupa412c.3x.ro/fizica/12-Peltier.pdf

http://www.termo.utcluj.ro/termoluc/L13/lucr13.html

http://cadredidactice.ub.ro/gavrilalucian/files/2014/05/Curs-15-SCHIMBATOARE-DE-CALDURA-4.pdf

ANEXE

ANEXE