1) CO TO JEST KLIMATYZATOR INDYWIDUALNY? 2) KLIMATYZATORY SPRĘśARKOWE (chłodząco ogrzewające)

Transkrypt

1 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

2 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

3 Przykłady klimatyzatorów (firma FUJITSU) Klimatyzator ścienny Klimatyzator ścienno przysufitowy Klimatyzator przypodłogowy

4 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 SZEROKOŚĆ DŁUGOŚĆ WAGA NAPIĘCIE NATĘśENIE PRĄDU 310 mm 885 mm 1255 mm 40 kg 12V / 24V 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

5 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.

6 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 m 3 /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).

7 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: Q 0 + W = Q gdzie: Q 0 strumień ciepła odebrany od otoczenia Q strumień ciepła oddany dotoczenia W zapotrzebowanie mocy termoelementu Bilans cieplny spoiny zimnej: Q 0 = Q π - Q j - Q t gdzie: Q π ciepło Peltiera Q j ciepło Joule a Q t ciepło związane z przewodzeniem przez materiał gałęzi termoelementu inaczej: Q 0 = αt z I 0.5I 2 R k(t gor T z ) gdzie: α - róŝnicowy współczynnik siły termoelektromotorycznej k współczynnik przenikania ciepła

8 zaś bilans dla spoiny gorącej: Q = Q π + Q j - Q t lub Q = αt gor I + 0.5I 2 R k(t gor T z ) Zatem zapotrzebowanie mocy przedstawia się następująco: W = I 2 R + αi(t gor T z ) współczynnik wydajności chłodniczej ε = Q 0 /W współczynnik wydajności grzejnej 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 Q 0max brak bezwładności(proces chłodzenia lub grzania rozpoczyna się niezwłocznie po włączeniu zasilania)

9 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.

10 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 Przenośny agregat chłodniczy: przy T=22 o C 0,36 0,40 przy T=30 o C 0,30 0,33 ZamraŜarka domowa (t k =-12 o C, δ iz =70mm ) 0,25 Wytwornica lodu z wodnym chłodzeniem gorących spoin (w trybie 0,3 0,4 zamraŝania) 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 Z KLASYCZNYMI ODPOWIEDNIKAMI 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

11 Typ urządzenia Parametry jednostkowe, odniesione do wydajności chłodniczej chłodniczego Masa [kg/w] Objętość [m 3 /W] Pobór mocy [W/W] Układ termoelektryczny dla 0,026 14,3 x ,5 projektuagss555 Układ termoelektryczny dla 0,0084 5,7 x ,5 projektu SS593 Układ złoŝony z urządzenia absorpcyjnego i spręŝarkowego 0, ,5 x ,25 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 10 o C względem otoczenia potrzebna wydajność chłodnicza 3 4kW, co z kolei wymaga

12 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 o C. 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 o