Научная статья на тему 'Энергосберегающая пастеризационно-охладительная установка на термоэлектрических модулях'

Энергосберегающая пастеризационно-охладительная установка на термоэлектрических модулях Текст научной статьи по специальности «Энергетика»

CC BY
83
24
Поделиться
Ключевые слова
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МОДУЛИ / ТЕРМОЭЛЕМЕНТЫ / ТЕПЛОПЕРЕДАЧА / ТЕМПЕРАТУРА

Аннотация научной статьи по энергетике, автор научной работы — Кирсанов Владимир Вячеславович, Кравченко Владимир Николаевич

Рассмотрена возможность применения термоэлектрических модулей в животноводческих хозяйствах, где используется пастеризация молока. Представлены возможности применения термоэлементов для нагрева и охлаждения потоков жидкостей.

Похожие темы научных работ по энергетике , автор научной работы — Кирсанов Владимир Вячеславович, Кравченко Владимир Николаевич,

Текст научной работы на тему «Энергосберегающая пастеризационно-охладительная установка на термоэлектрических модулях»

сорбционному барабану 1. Барабан вращается с частотой 0,01...0,2 м-1. Поток осушаемого воздуха проходит через нижнюю область адсорбционного барабана параллельно его оси. Силикагель поглощает влагу и вместе с ней перемещается в верхнюю область. Здесь происходит подсушка силика-геля озонированным воздушным потоком и удаленная влага через пароотвод 7 выводится за пределы объекта.

Вертикальное расположение адсорбционного барабана позволяет легко менять параметры осушителя за счет варьирования толщины слоя сили-кагеля ^

Эффект от воздействия озона обусловлен сокращением длительности сушки на 20.25 %. Это позволяет заявить о возможности сбережения энергии

или получения дополнительного эффекта за счет снижения температуры сушки силикагеля в рециркуляционном плече. Наиболее перспективной является технология низкотемпературной сушки силикагеля озоновоздушной смесью с концентрацией озона 3.5 мг/м3 с использованием озонаторов барьерного и коронного разрядов.

Список литературы

1. Беляев, П.С. АСУ влажностно-тепловыми параметрами / П.С. Беляев, И.Ф. Бородин, Б.И. Герасимов. — М.: Рос-агропромиздат, 1988. — 224 с.

2. Эффективность применения озоновоздушных смесей в процессах сушки зерна: сборник материалов Всероссийского семинара «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии» / А.В. Голубкович, Ю.Н. Вы-говский, Н.Ю. Выговская [и др.]. — М.: МГУ, 2003.

УДК 637.115.02

В.В. Кирсанов, доктор техн. наук, профессор В.Н. Кравченко, канд. техн. наук, доцент

ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ПАСТЕРИЗАЦИОННО-ОХЛАДИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА НА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЯХ

Ведущим направлением развития пастеризаци-онно-охладительных установок является совершенствование тонкослойных пластинчатых аппаратов с использованием новых методов энергетического воздействия на молоко.

Термоэлектрические устройства проточного типа представляют собой термоэлектрические батареи с конвективными теплообменниками на теплопоглощающей и тепловыделяющей сторонах и являются, по существу, теплообменником-рекуператором. Изменение температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена происходит по известным в теплопередаче зависимостям для прямо- и противоточного движения сред. Наличие тока питания в термоэлектрической батарее меняет характер переноса теплоты в термомодулях, который определяется теперь еще и эффектами Пельтье, Томсона и Джоуля. При этом характер изменения температур сред вдоль поверхностей батарей описываются иначе, чем для обычного рекуператора.

Принципиальные схемы таких элементарных аппаратов, состоящих из теплохолодильных секций, с учетом характера движения жидкостей представлены на рисунке.

Схемы можно использовать в пластинчатых теплообменных аппаратах, пастеризационно-охла-дительных установках или в пластинчатых охладителях. В этих секциях значительно интенсифи-

цируется процесс теплообмена за счет охлаждения горячей стороны модулей потоком жидкости. Значительно полнее используется тепловая энергия, вырабатываемая термомодулем ^х + Qг). В статье подробнее будет рассмотрен расчет именно этих схем.

В соответствии с теорией теплопередачи общий тепловой поток через поверхность теплообмена определяется интегралом

F

Q = | KШF, (1)

O

где F — поверхность теплообмена, м2 ; K — коэффициент теплопередачи, Вт/м2-°С; At — разность температур, °С; dF — элементарная площадка теплообмена.

В нашем случае для упрощения расчетных формул примем следующие допущения: поверхность одной теплообменной пластины р приблизительно равна суммарной поверхности расположенных на ней термоэлектрических модулей:

■frn

■I f

i=1

ТЭМ'

где _/пл — площадь одной теплообменной пластины, м2; /рЭМ — площадь, занимаемая одним термомодулем, м2; п — число термомодулей, расположенных на одной пластине.

Электротехнологии, электрификация и автоматизация сельского хозяйства

В общем случае для плоской многослойной стенки коэффициент теплопередачи находится

из уравнения

* = - 1

1 8: 1

-+ + -

«1 £ ^ 1 а 2

а

где а1 — коэффициент теплоотдачи от более нагретой жидкости к стенке; §1 — толщина теплообменных пластин, мм; Х{ — теплопроводность материала, Вт/кг-°С; а2 — коэффициент теплоотдачи от стенки к менее нагретой жидкости.

Если за время т по обеим сторонам стенки протекают в одном и том же направлении с одной стороны более нагретая, а с другой — менее нагретая жидкость и со всех других сторон обе жидкости ограничены теплонепроницаемой средой, то теплообмен будет происходить только через стенку.

Температура обеих жидкостей будет изменяться по мере протекания их вдоль поверхности нагрева вследствие теплообмена, но для каждой отдельной точки стенки температура должна быть установившейся.

В термоэлектрическом модуле при прохождении тока через термоэлемент в спае происходит поглощение или выделение теплоты Пельтье (в зависимости от направления тока), определяемое по формуле

вп = Ш,

где а — суммарный коэффициент термоэдс; I — сила тока, А; Т — абсолютная температура спая, °С.

Прохождение тока вызывает выделение теплоты Джоуля во всем объеме вещества термомодуля:

%

вх вх

&

Принципиальные схемы пластинчатых теплохолодильных секций с термоэлектрическими модулями:

а — прямоток; б — противоток; %х, %г — соответственно охлаждаемый и нагреваемый потоки жидкости, л/мин; О , &г — соответственно теплота, отбираемая от охлаждаемой среды, и теплота, передаваемая нагреваемой среде; 1 — охлаждающая пластина; 2 — термоэлектрический модуль; 3 — греющая пластина

Кроме этих эффектов возникает еще эффект Томсона. Он заключается в поглощении теплоты во всем объеме ветви термомодуля при прохождении по ней тока в направлении, противоположном температурному градиенту. Количество теплоты Томсона

где т1 и т2 -

От = (Т1 - Т2) / ДТ,

коэффициенты Томсона.

вДж=12 л=12 [/ /(о р 5 р)+1 /(ог

5П)],

где Я — электрическое сопротивление термоэлемента, Ом; I—длина ветви термоэлемента, мм; ор, оп — соответственно удельные электропроводности ветвей р- и и-типа; 5р, 5п — площади сечения ветвейр- и п-типа, мм2.

Количество теплоты, перетекающее от горячего спая к холодному за счет теплопроводности материала термомодуля

& = ЛДТ = р 5р/I + п/1 )AT,

где ^ 4

соответственно коэффициенты теплопроводности ветвей р- и и-типа; ДТ — разность температур между спаями, °С.

Коэффициент Томсона, соответственно и теплота Томсона, имеют положительный знак, если градиент da/dТ > 0, и отрицательный — если da/dТ < 0. Обычно величина эффекта Томсона очень мала и ею можно пренебречь.

Рассмотрим работу термомодуля в режиме охлаждения:

Оо = ви - (Одж/2) - в*

где во — количество теплоты, поглощаемое спаем (холо-допроизводительность), Вт; &и — поглощение или выделение (в зависимости от направления тока) теплоты Пельтье; вдж/2 — теплота, выделяемая в термомодуле, отнесенная к одной пластине, Вт.

Для равных сечений термоэлемента и средних значений о и 4

Оо = а!Тх -121 / (о5) - ^ДТ25 /1,

где Тх — абсолютная температура холодного спая, °С.

а

Теплота, снимаемая с горячих спаев:

Qг = Qп + Шдж/2) - Qт = = Шт +12l / (о5) - 2S^ДT /l = Qo + W,

где Тг — абсолютная температура горячего спая, °С; Ж — электрическая энергия, потребляемая термоэлементом, Вт-ч.

Экономичность работы термоэлектрического холодильника оценивается холодильным коэффициентом е:

_ &_ ШТх -12Я/2-2S^AT/1

Ж о1ДТ +12 Я '

Поверхность теплообмена по горячей стороне выразится

F _ Qз _ о1Тг +121 / (oS) - 2S^АТ /1 г "«г АТГ " аг (Тг - Тв) .

Поверхность теплообмена по холодной стороне Qx _ а1Тх +121 / (о5) - 2S^ДT /1

Fx =

«хАТх ах (Тх - Тв)

при этом

Ят = ■

ШТт +121 /(oS)- 2S ^ДТ /I

С (£ - £)

Ях =

а1Тх -121 / ^)-^ДТ2S /1

а

- tкx )

Соотношение расходов для любого теплообменника я /я

Шх -121 / ^) - ^ДТ2S / 1СТ - £)

Яг Сх (£ - £ )(а1Тг +121 / ) - 2S^ДТ /1)

/ = Ях =

Для практических расчетов целесообразнее использовать схему с противотоком при однокаскад-ном расположении модулей.

Расчет многокаскадных систем не имеет существенного отличия от приведенных расчетов, так как «холодная» сторона каскада будет охлаждать горячую сторону первого и т. д. Отличия только могут быть в подсчете коэффициента теплопередачи, когда у средних каскадов теплота передается только вследствие теплопередачи, а конвекция с охлаждаемыми и нагреваемыми средами отсутствует.

Список литературы

1. Бредихин, С.А. Технология и техника переработки молока / С.А. Бредихин, Ю.В. Космодемьянский, В.Н. Юрин. — М.: Колос, 2001. — 400 с.

2. Исмаилов, Т.А. Модель термоэлектрического полупроводникового интенсификатора теплопередачи контактного типа / Т.А. Исмаилов // Изв. вузов. Приборостроение. — 1995. — № 5-6. — С. 66-69.

3. Кравченко, В.Н. Обоснование параметров работы пастеризационно-охладительных установок на термоэлектрических модулях / В.Н. Кравченко, В.В. Кирсанов // Междунар. конф. ГНУ ВНИИМЖ: сб. ст., том 12, ч. 2. — Подольск, 2003. — С. 48-57.

УДК 621.316.1.003.12

Т.Б. Лещинская, доктор техн. наук, профессор В.В. Князев, канд. техн. наук

ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

Системы электроснабжения (СЭС) сельских районов напряжением 0,38.110 кВ отличаются от городских, системообразующих (220.750 кВ), цеховых и других систем тем, что сооружаются они исходя из минимума капиталовложений. Такой подход в какой-то степени обоснован большим объемом строительства; так, суммарная протяженность сельских линий электропередачи (ЛЭП) составляет 2,3 млн км; протяженность ЛЭП напряжением 220.750 кВ — около 300 тыс. км.

В сельских районах приходится передавать небольшие мощности рассредоточенным по большой территории потребителям, в результате распреде-

лительные линии 10 кВ являются разветвленными, протяженными (до 50 км), и это порождает проблемы обеспечения качества электроэнергии у потребителей и низкий уровень надежности электроснабжения. Распределительные воздушные линии (ВЛ) напряжением 10 и 0,38 кВ сельских районов являются самыми проблемными в электроэнергетике страны и требуют серьезных преобразований и инвестиций.

Вот ряд особенностей этих сетей: • малая плотность электрических нагрузок равная 3, 7, 15, 25.35 кВт/км2, в городах — 20.40, 120 МВт/км2;