Ocena możliwości wykorzystania termoelektrycznych baterii

POLITECHNIKA GDAŃSKA
SEMINARIUM Z CHŁODNICTWA
TEMAT: Ocena moŜliwości wykorzystania termoelektrycznych
baterii chłodniczo-grzejnych w klimatyzatorach
indywidualnych, np. w samochodach.
Piotr Maruszewski,
Tomasz Makowski,
SiUCHiK, sem. VIII
Wydz. Mechaniczny
Rok akademicki 2005/06
1) CO TO JEST KLIMATYZATOR INDYWIDUALNY?
Pod pojęciem klimatyzatora indywidualnego kryje się wiele urządzeń, które w zaleŜności
od pełnionej funkcji moŜemy podzielić na trzy grupy:
• wentylacyjno – chłodzące
• wentylacyjne chłodząco – ogrzewające
• pełnej klimatyzacji
Większość urządzeń dostępnych na naszym rynku naleŜy do pierwszej i drugiej grupy. Są to
po prostu urządzenia wentylacyjne z moŜliwością regulacji temperatury w określonym
zakresie. Nie mają one nic wspólnego z klimatyzacją komfortu, gdyŜ nie jesteśmy w stanie
wpływać na wilgotność powietrza nawiewanego do pomieszczenia. Wilgotność ta zaleŜna jest
od temperatury i wilgotności powietrza zewnętrznego.
Będące przedmiotem tego opracowania klimatyzatory termoelektryczne nie są zbyt
powszechnie stosowane przez zwykłych zjadaczy chleba. Szereg właściwości, które opisane
zostaną w dalszej części referatu sprawia, Ŝe urządzenia te mają swoje zastosowanie głównie
w przemyśle wojskowym.
Klimatyzatory są to urządzenia niewielkich rozmiarów, skupiające wszelkie niezbędne
podzespoły w jak najmniejszej przestrzeni. Nie bez znaczenia jest równieŜ ich estetyka.
Urządzenia te umieszczane są bezpośrednio w pomieszczeniu klimatyzowanym. Nie
potrzebują one oddzielnych pomieszczeń jak centrale klimatyzacyjne i przewidziane są w
większości przypadków do obsługi jednego pomieszczenia.
2) KLIMATYZATORY SPRĘśARKOWE (chłodząco – ogrzewające)
Urządzenia te spełniają taką samą funkcje, jak instalacje termoelektryczne. Baterie
termoelektryczne, wykorzystując efekt Peltiera (szerzej omówione zostanie to w punkcie 3)
nadają się zarówno do ogrzewania jak i pochłaniania ciepła. JeŜeli do najzwyklejszej,
klasycznej instalacji chłodniczej, przed nawiewem powietrza do pomieszczenia umieścimy
nagrzewnicę, to otrzymujemy praktycznie ten sam efekt – chłodzimy lub podgrzewamy –
wedle naszych oczekiwań. Tym właśnie są klasyczne klimatyzatory. Producenci tych
zabawek dąŜą do tego, aby urządzenia te były jak najmniejsze (oczywiście przy zachowaniu
wydajności chłodniczej na odpowiednim poziomie) w pełni zautomatyzowane i jak
najbardziej estetyczne – komponujące się z otoczeniem. Klimatyzatory te są coraz bardziej
popularne. Stykamy się z nimi codziennie, w małych sklepach, w hotelach, biurach itp. Ich
wygląd, rozmiar zaleŜny jest od miejsca ich zainstalowania i tak moŜemy wyróŜnić np.:
• Ścienne
• Ścienno-przysufitowe
• Przypodłogowe
• Przysufitowe
• Kasetonowe
• Kanałowe
• Okienne
Przykłady klimatyzatorów (firma FUJITSU)
•
Klimatyzator ścienny
•
•
Klimatyzator przypodłogowy
Klimatyzator ścienno – przysufitowy
Jak widać urządzenia te róŜnią się wizualnie, ale praktycznie zawierają w sobie ten sam rdzeń
techniczny. Rozwiązania takie wykorzystywane są często w środkach transportu jako
klimatyzatory dachowe (samochody cięŜarowe, autobusy).
Przykładowe urządzenie tego typu oraz jego dane techniczne:
•
Safkar ES 70 SX
DANE TECHNICZNE PRODUKTU
TEMPERATURA ZEWNENTRZNA
35°C
WYDAJNOŚĆ CHŁODNICZA (Kcal / H)
6000
WYMIANA POWIETRZA m3 / h
2100
CZYNNIK CHŁODNICZY
R-134a
ILOŚĆ MIEJSC
9 - 18
WYSOKOŚĆ
310 mm
SZEROKOŚĆ
885 mm
DŁUGOŚĆ
1255 mm
WAGA
40 kg
NAPIĘCIE
12V / 24V
NATĘśENIE PRĄDU
40A / 80A
W samochodach osobowych cięŜko jest mimo wszystko zainstalować takie bądź co bądź duŜe
urządzenie. Dlatego jego podzespoły umieszczane są w róŜnych miejscach pod maską
samochodu. Ich rozłoŜenie determinowane jest przede wszystkim sylwetką auta oraz
rozwiązaniami technicznymi danej firmy.
Wcześniej wspomniane zostało, Ŝe ‘sercem’ klimatyzatora jest klasyczna, spręŜarkowa
instalacja chłodnicza, dlatego pokrótce scharakteryzujmy jej podstawowe podzespoły dla
przypadku instalacji samochodowej.
A) SpręŜarka – głównie jako dławnicowa tłokowa lub łopatkowa. Napędzana jest
momentem obrotowym przenoszonym od silnika samochodu za pomocą przekładni
pasowej. Na wale spręŜarki w większości przypadków znajduje się sprzęgło
elektromagnetyczne.
B) Skraplacz – węŜownicowy, lamelowy wymiennik ciepła z rurkami miedzianymi i
aluminiowymi Ŝebrami. Umiejscowiony najczęściej z przodu pojazdu – przed
chłodnicą, rzadziej pod podłogą. W samochodach cięŜarowych umieszczony on jest
na dachu pojazdu.
C) Zawór rozpręŜny – najczęściej jest to TZR – termostatyczny zawór rozpręŜny
D) Parownik – węŜownica miedziana, zaopatrzona w aluminiowe lamele. Najczęściej
umieszczony pod przednim pulpitem w jednym bloku z nagrzewnicą.
E) Filtr
F) Układ elektroniczny sterujący procesami klimatyzacji – sterowanie ręczne
przyciskiem włącz/wyłącz lub sterowane w pełni elektroniką w których uŜytkownik
ustawia tylko temperaturę w kabinie a szereg czujników oraz elektronika dobiera
sama czy klimatyzację naleŜy włączyć, jaki ma być stopień nadmuchu oraz gdzie
kierować nadmuch. Zasadniczo sam układ mechaniczny nie róŜni się niczym w
klimatyzacji sterowanej automatycznie czy sterowanej tylko przyciskiem.
G) Pozostałe elementy – mogą to być: zbiornik czynnika chłodniczego umieszczony za
skraplaczem, oddzielacz cieczy między parownikiem a spręŜarką, przewody
elastyczne, zawory regulacyjne np. regulator ciśnienia parowania.
Instalacja klimatyzacyjna musi gwarantować nie tylko odebranie całego obciąŜenia cieplnego,
ale równieŜ szybkie schłodzenie powietrza w kabinie pojazdu na przykład po jego
uruchomieniu. Musi cechować się ona wysoką odpornością na drgania i wstrząsy, małą masą i
niewielką budową. Wydajność chłodnicza tych urządzeń kształtuje się na poziomie 2 – 8 kW,
a obrabiany strumień powietrza wynosi 300 – 2000 m3/h.
Przykładowe rozmieszczenie elementów instalacji:
3) PODSTAWY CHŁODNICTWA TERMOELEKTRYCZNEGO
Prekursorem termoelektryczności był Niemiec o estońskim rodowodzie – Thomas Johann
Seebeck. W 1821 roku dokonał odkrycia, które wkrótce nazwano od jego nazwiska – efektem
Seebecka . JeŜeli mama do czynienia z otwartym obwodem złoŜonym z dwóch róŜnych
przewodników i spoiny będziemy utrzymywać w róŜnych temperaturach, to w obwodzie tym
powstaje siła termoelektromotoryczna, a przy jego zamknięciu popłynie prąd.
W przewodnikach mamy do czynienia z dwoma rodzajami przewodności: dziurowa i
elektronowa. JeŜeli układ składa się z elementów o jednakowym typie przewodności,
wówczas występujące w nich siły termoelektromotoryczne posiadają przeciwne zwroty, zaś
przy róŜnych typach przewodności siły te sumują się. Dlatego termoelementy budowane są
przy uŜyciu materiałów o róŜnej przewodności (p-n).
Schemat ideowy termoelementu:
Półelementy (p, n) połączone są mostkami łączącymi zwykle wykonanymi z miedzi.
Zjawiskiem odwrotnym do efektu Seebecka jest tzw. Efekt Peltiera. Polega on na tym, Ŝe
przy przepływie prądu stałego przez układ złoŜony z dwóch róŜnych przewodników na
spoinach wydziela się lub zostaje pochłaniane ciepło. To czy ciepło jest pochłaniane czy
oddawane zaleŜy od kierunku przepływu prądu zasilającego.
Ogólny bilans cieplny dla termoelementu:
Q0 + W = Q
gdzie: Q0 – strumień ciepła odebrany od otoczenia
Q – strumień ciepła oddany dotoczenia
W – zapotrzebowanie mocy termoelementu
Bilans cieplny spoiny zimnej:
Q0 = Qπ - Qj - Qt
gdzie: Qπ − ciepło Peltiera
Qj – ciepło Joule’a
Qt – ciepło związane z przewodzeniem przez
materiał gałęzi termoelementu
inaczej:
Q0 = αTzI – 0.5I2R – k(Tgor – Tz)
gdzie: α - róŜnicowy współczynnik
siły termoelektromotorycznej
k – współczynnik przenikania ciepła
zaś bilans dla spoiny gorącej:
Q = Qπ + Qj - Qt
lub
Q = αTgorI + 0.5I2R – k(Tgor – Tz)
Zatem zapotrzebowanie mocy przedstawia się następująco:
W = I2R + αI(Tgor – Tz)
współczynnik wydajności chłodniczej
współczynnik wydajności grzejnej
ε = Q0/W
ϕ = Q/W
Widać, Ŝe na wartość wydajności chłodniczej ma wpływ przede wszystkim ciepło Peltiera,
gdyŜ tylko ono ma znak dodatni. Pozostałe dwa składniki pomniejszają ilość odbieranego
ciepła. Widać równieŜ, Ŝe dla osiągnięcia jak największej wydajności, materiał powinien
cechować się niskim oporem elektrycznym, niską przewodnością ciepłą, oraz jak
największym współczynniku siły termoelektromotorycznej.
4) WŁASNOŚCI URZĄDZEŃ TERMOELEKTRYCZNYCH.
Tak jak kaŜde urządzenie tak i termobaterie posiadają wady i zalety:
Zalety:
brak płynu roboczego i oleju smarnego, brak niebezpieczeństwa zanieczyszczenia
powietrza czynnikiem chłodniczym
brak podzespołów pracujących pod ciśnieniem (przy podciśnieniu)
brak części ruchomych i cicha praca z wyjątkiem konstrukcji z wymuszonym
nadmuchem powietrza za pomocą wentylatora)
mniejsza masa i rozmiary przy tej samej wydajności chłodniczej
moŜliwość zasilania prądem stałym i zmiennym(za pośrednictwem przetwornika)
moŜliwość pracy rewersyjnej, czyli szybkiego przejścia z trybu chłodzenia w tryb
ogrzewania i odwrotnie (poprzez zmianę biegunowości prądu zasilającego)
wysoka dokładność utrzymywania i regulowania temperatury
płynna regulacja wydajności w zakresie od 0 do Q0max
brak bezwładności(proces chłodzenia lub grzania rozpoczyna się niezwłocznie po
włączeniu zasilania)
niska wraŜliwość na wstrząsy i drgania, moŜliwość pracy bez zmiany parametrów
przy dowolnej orientacji w przestrzeni, jak równieŜ w próŜni i pod wysokim
ciśnieniem
brak obsługi podczas pracy (wystarczy raz na kilka godzin sprawdzić napięcie
podłączone do urządzenia)
wysoka niezawodność (częstość występowania awarii modułu termoelektrycznego
wynosi średnio 0,5 do 1 x 10-6)
większość chłodziarek termoelektrycznych wytrzymuje przeciąŜenia prądowe (2 do 3
razy większe natęŜenie przy krótkotrwałym impulsie)
konstrukcyjna prostota i elastyczność, w tym moŜliwość dopasowania kształtu
agregatu elektrycznego do formy chłodzonego obiektu
moŜliwość miniaturyzacji i zabudowy chłodziarki bezpośrednio w podzespołach
aparatury elektronicznej (rozmiary modułów poniŜej 1mm
wysoka podatność remontowa większości urządzeń termoelektrycznych
Wady:
niska efektywność energetyczna w trybie chłodzenia
ograniczenie zastosowania w zakresie wydajności chłodniczych powyŜej 1kW, co jest
podyktowane w głównej mierze względami ekonomicznymi
konieczność wykorzystywania przetwornika prądu zmiennego w prąd stały oraz
wraŜliwość na pulsacje napięcia
5) PODZIAŁ TERMOELEKTRYCZNYCH UKŁADÓW KLIMATYZACJI
Ogólnie, termoelektryczne układy klimatyzacji moŜna podzielić na dwie grupy:
1. Układy, w skład których wchodzą tylko klimatyzatory termoelektryczne –
indywidualne, grupowe lub centralne. Inne rodzaje urządzeń chłodniczych w nich nie
występują.
2. Układy, w skład których wchodzą termoelektryczne urządzenia chłodnicze,
zaopatrujące w nośnik zimna klimatyzatory centralne, grupowe lub strefowe zwykłego
typu. Są to po prostu układy klimatyzacji, w których spręŜarkowe urządzenie
chłodnicze zastąpiono urządzeniami termoelektrycznymi.
Tabelka obrazująca wartości współczynnika wydajności chłodniczej róŜnych urządzeń
Rodzaj termoelektrycznego urządzenia chłodniczego i warunki jego
Średnie
pracy
wartości ε
o
Przenośny agregat chłodniczy: przy ∆T=22 C
0,36 – 0,40
przy ∆T=30oC
0,30 – 0,33
ZamraŜarka domowa (tk=-12 oC, δiz=70mm )
Wytwornica lodu z wodnym chłodzeniem gorących spoin (w trybie
zamraŜania)
0,25
0,3 – 0,4
Chłodziarka do napojów
0,4 – 0,45
Klimatyzator: w trybie chłodzenia
0,6 – 1,2
w trybie ogrzewania
1,1 – 2,0
6) PORÓWNANIE
URZĄDZEŃ
TERMOELEKTRYCZNYCH
KLASYCZNYMI ODPOWIEDNIKAMI
Z
Z reguły wszystkich interesuje porównanie termoelektrycznego urządzenia z jego
odpowiednikiem spręŜarkowym. W zaleŜności od warunków pracy współczynnik wydajności
chłodniczej urządzenia termoelektrycznego jest o 30 do 100% niŜszy, niŜ w przypadku
urządzenia spręŜarkowego. PoniŜsza tabela zawiera porównanie charakterystycznych
parametrów jednostkowych urządzeń chłodniczych wykorzystywanych w układach
klimatyzacji w okrętach podwodnych Marynarki Wojennej USA
Typ urządzenia
chłodniczego
Parametry jednostkowe, odniesione do wydajności chłodniczej
Masa [kg/W]
Objętość [m3/W]
Pobór mocy [W/W]
0,026
14,3 x 10-6
0,5
0,0084
5,7 x 10-6
0,5
0,0612
68,5 x 10-6
0,25
Układ
termoelektryczny dla
projektuAGSS555
Układ
termoelektryczny dla
projektu SS593
Układ złoŜony z
urządzenia
absorpcyjnego i
spręŜarkowego
Układy termoelektryczne posiadają objętość około 4 razy, a masę 3 razy mniejszą, niŜ
eksploatowane konwencjonalne urządzenia chłodnicze. Natomiast zapotrzebowanie mocy
tych układów jest dwukrotnie wyŜsze.
7) KIERUNKI ROZWOJU
Wraz z rozwojem produkcji seryjnych modułów termoelektrycznych coraz częściej
dochodzi do głosu idea seryjnego wytwarzania uniwersalnego klimatyzatora dla kajut
(autonomicznego lub w formie miejscowego), którego konstrukcja nie byłaby związana z
projektem konkretnej jednostki. Obecnie samarska firma „Progres” w Rosji przygotowuje się
do seryjnej produkcji takiego urządzenia.
Z niemniejszym powodzeniem klimatyzatory termoelektryczne przyjmują się w
transporcie kolejowym. W roku 1993 specjaliści z Ukraińskiej Akademii Nauk i z
Kołomieńskiego Zakładu Budowy Lokomotyw Spalinowych opracowali klimatyzator
przeznaczony dla kabiny spalinowozu, który osiągał wydajność chłodniczą na poziomie 1kW
przy masie nie przekraczającej 100kg.
Znacznie więcej trudności występuje przy konstruowaniu klimatyzatorów
termoelektrycznych dla samochodów. Liczne próby zbudowania doświadczalnych
egzemplarzy takich urządzeń kończyły się większym lub mniejszym niepowodzeniem. Na
przykład, do obniŜenia temperatury powietrza w samochodzie typu GAZ – Wołga o 10oC
względem otoczenia potrzebna wydajność chłodnicza 3 – 4kW, co z kolei wymaga
doprowadzenia mocy elektrycznej rzędu 2kW, ale na pokładzie samochodu osobowego
brakuje miejsca dla takiego źródła. TakŜe cena i gabaryty opracowanych modeli nie były
zadowalające. Obecnie termoelektryczny klimatyzator samochodowy jest o 30 do 60%
droŜszy od klimatyzatora spręŜarkowego.
W ZSRR w latach 80-tych i 90-tych podejmowano próby opracowania klimatyzatorów
termoelektrycznych dla maszyn rolniczych i autobusów.
Pierwszy klimatyzator zasilany był napięciem 24V i natęŜeniem 30A, waga 17kg, testowany
był w autobusach w okolicach Duszanbe przy temperaturach otoczenia 30 – 45oC. Drugi
zasilany był prądem o napięciu 12V, wyposaŜony był w wentylator, który oddzielał
zanieczyszczenia z zasysanego powietrza. Stopień oczyszczania wynosił od 92 do 98% w
zaleŜności od rodzaju zanieczyszczeń pyłowych. Lecz o ich seryjnym wytwarzaniu nie ma
informacji. W roku 2000 na zamówienie Ministerstwa Sytuacji Nadzwyczajnych Rosji,
Miasski Zakład budowy Maszyn wyposaŜył w klimatyzatory termoelektryczne własnej
produkcji doświadczalną partię samochodów „KamAZ”, a w roku 2001 otrzymał zamówienie
dotyczące jeszcze 40 samochodów.
Bibliografia:
•
•
•
•
•
‘Technika klimatyzacyjna dla praktyków’, pod red. dra inŜ. B. Gazińskiego
‘Technika klimatyzacyjna’, H. J. Ulrich
‘Termoelektryczne urządzenia chłodnicze’, S. Filin
‘Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna’, 9/1999, 2/2000
Źródła internetowe:
o www.fujitsu.com.pl
o www.klimatyzacja.kra.pl