Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Моделирование и исследование теплофизических параметров материалов и структур на основе теллурида висмута и разработка термоэлектрических насосов для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии Миронов, Ростислав Евгеньевич

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Миронов, Ростислав Евгеньевич. Моделирование и исследование теплофизических параметров материалов и структур на основе теллурида висмута и разработка термоэлектрических насосов для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии : диссертация ... кандидата технических наук : 05.27.06 / Миронов Ростислав Евгеньевич; [Место защиты: Нац. исслед. ун-т МИЭТ].- Москва, 2013.- 200 с.: ил. РГБ ОД, 61 14-5/422

Введение к работе

Актуальность темы

Поддержание комфортных температурных условий в зданиях требует затрат огромного количества энергии. Для этого, по данным Международного Энергетического Агентства, используется до половины всего мирового производства энергии. Перспективный способ решения этой проблемы - использование альтернативных возобновляемых источников тепловой энергии. Среди различных видов таких источников необходимо вьщелить низкопотенциальную тепловую энергию (НТЭ), которая может эффективно использоваться для отопления и кондиционирования помещений, а так же обеспечения потребностей в горячем водоснабжении. Для использования НТЭ применяют тепловой насос (ТН) - устройство, которое преобразовывает НТЭ и передает её конечному потребителю.

Естественными возобновляемыми источниками НТЭ являются земля и грунтовые воды (геотермальная энергия), воздух, открытые водоемы и т.д. Грунт в качестве источника НТЭ является наиболее распространенным в настоящее время, так как 46 % солнечной энергии усваивается землей. Поэтому грунтовые тепловые насосы (ГТН) являются самыми востребованными ТН, которые принято различать по типу используемого внешнего теплообменного контура, с вертикальным или горизонтальным контуром. В настоящей работе рассматриваются горизонтальные тепловые контуры, так как они менее изучены, к тому же, вертикальные контуры требуют значительных затрат при монтаже и для обеспечения циркуляции теплоносителя.

Необходимо отметить, что замена традиционных систем кондиционирования и отопления на ТН позволит существенно снизить потребление электрической энергии. Снижение потребления энергии от 30 до 70% в режиме отопления, и от 20 до 50% в режиме кондиционирования.

В настоящее время в мире установлено около 1 млн. ТН. Последние 10 лет в 30 ведущих странах наблюдается ежегодный 10% рост рынка ТН. В скандинавских странах в 2011г доля тепла, полученного от ТН, составила более 45% от общего. Российский рынок ТН обладает огромным потенциалом. В настоящее время утверждена (распоряжением правительства РФ от 13 ноября 2009 г № 1715-р) Энергетическая стратегия России на период до 2030 г, предусматривающая масштабное внедрение систем отопления, использующих ТН. Таким образом, исследования в данном направлении являются весьма актуальными.

Самый распространенный тип ТН, это парокомпрессионные ТН, однако они имеют ряд технических недостатков по сравнению с термоэлектрическими. Меньший ресурс работы, более сложная схема преобразования энергии и переключения режимов обогрев - кондиционирование, повышенные требования к внешнему контуру и, наконец, использование теплоносителей, вызывающих разрушение озонового слоя.

В связи с этим, в данной диссертационной работе предложено новое конструкционно-технологическое решение ТН, работающего на эффекте Пельтье. Изучение публикаций в ведущих научных журналах показало, что в настоящее время нет данных о проведении, как в России, так и за рубежом, исследований систем отопления на основе термоэлектрических тепловых насосов (ТТН). Целесообразность создания ТТН можно обосновать несколькими причинами. Термоэлектрические устройства (ТЭУ) обладают рядом достоинств по сравнению с другими системами регулирования температуры: высокой надежностью, отсутствием движущихся частей, практически неограниченным ресурсом работы, небольшими габаритами и весом, малой инерционностью, бесшумностью, независимостью от ориентации в пространстве, возможностью плавного и точного регулирования температуры. При использовании ТТН возможно оперативно переходить от режима отопления к режиму кондиционирования, изменяя полярность питания ТЭУ, причем делать это в автоматическом режиме по заданной программе. Кроме того, высокая экологичность несомненно, увеличивают конкурентоспособность ТТН по сравнению с другими типами ТН.

Отметим основные проблемы создания ТТН. Работа ТЭУ осуществляется в условиях многократного термоциклирования в широком диапазоне температур (150 - 450 К) при наличии больших температурных градиентов, превышающих 70 К/мм. Жесткие условия эксплуатации ТЭУ предъявляют повышенные требования к механической прочности этих устройств. Механическая прочность материалов термоэлементов значительно ниже прочности материалов других элементов конструкции ТЭУ. Поэтому прочность конструкции ТЭУ лимитируется прочностью термоэлектрических материалов. Наличие достоверных данных, в первую очередь, по термическим коэффициентам линейного расширения (ТКЛР) термоэлектрических (ТЭ) материалов, а также их температурной зависимости, является необходимым условием при конструировании ТЭУ. В связи с этим, необходим критический анализ имеющихся в литературе экспериментальных данных по тепловому расширению эффективных ТЭ материалов, на основе соединений Bi2Te3.

Анализ источников информации показал, что тепловое расширение низкотемпературных ТЭ материалов изучено весьма ограниченно, а полученные данные по ТКЛР нуждаются в дополнительной проверке. Поэтому исследования теплового расширения этих материалов представляются актуальной задачей. Используя полученные данные, необходимо проведение моделирования и разработка методов расчета ТЭУ с учетом теплового расширения конструкционных элементов.

В ТН эффективность определяется соотношением, называемым коэффициентом преобразования (КОП), равным отношению тепловой энергии, затраченной на обогрев, к электрической энергии, используемой для функционирования ТН. Один и тот же ТН может иметь разные значения КОП, в зависимости от условий работы. Поэтому, одной из задач исследований являлась разработка методики определения КОП ТТН в зависимости, от свойств ТЭ материалов, эффективности ТЭУ и от условий работы ТН.

Одним из основных узлов, определяющих эффективность ТН, является внешний контур. Проведенный анализ методов расчета внешних контуров ГТН показал, что проектированию горизонтальных геотермальных контуров в литературе уделено незначительное внимание, а методы и подходы, предложенные для их расчёта, не в полной мере учитывают условия их эксплуатации.

Эффективная эксплуатация ТН, требует оперативного контроля параметров основных узлов ТТН. Для этих целей целесообразно применение интеллектуальных датчиков и микропроцессорных систем управления режимами работы ТЭУ, а также разработка соответствующего программного обеспечения.

Таким образом, анализ состояния научных исследований и проблем в области современного развития термоэлектрического приборостроения и использования альтернативных источников энергии позволил сделать вывод о том, что моделирование и исследование теплофизиче-ских параметров материалов и структур на основе теллурида висмута и разработка ТТН являются актуальными научно-техническими задачами, решение которых имеет существенное значение для развития термоэлектрического приборостроения и позволяет значительно расширить области и эффективность применения термоэлектрического оборудования, в том числе в качестве ТН для преобразования НТЭ.

Цель диссертационной работы - разработка методов моделирования и исследование теплофизических свойств термоэлектрических ма-

териалов и структур, создание на основе полученных данных эффективных термоэлектрических тепловых насосов для преобразования НТЭ.

Реализация поставленной цели, требует комплексного подхода к процессу исследований. Проведенный системно-структурный анализ современных проблем создания эффективных ТЭУ и на их основе ТТН для преобразования НТЭ позволил определить следующие основные задачи диссертационных исследований:

провести критический анализ и систематизировать имеющиеся в литературе экспериментальные данные, полученные различными методами, по тепловому расширению термоэлектрических материалов;

разработать методы расчета ТКЛР анизотропных кристаллов и провести термодинамическое моделирование теплового расширения низкотемпературных ТЭ материалов различного состава;

разработать методику и изготовить измерительный аппаратно-программный комплекс для исследования теплового расширения материалов;

провести исследования ТКЛР термоэлектрических материалов на основе теллурида висмута в интервале температур от минус 60 до 60 С;

разработать метод расчета и оптимизации конструкции ТЭУ, эксплуатируемых в режиме многократного термоциклирования;

провести моделирование термоэлектрических блоков и разработать метод определения коэффициента преобразования ТТН для различных режимов их эксплуатации;

провести моделирование внешнего контура ТН, разработать метод расчета его конструкции для различных теплофизических условий эксплуатации;

разработать методику и изготовить измерительный аппаратно-программный комплекс для исследования параметров основных узлов и функциональных характеристик ТН;

разработать аппаратно-программные средства для: расчета параметров ТЭ материалов и устройств; функционирования электронных приборов и исполнительных устройств интеллектуальной системы контроля параметров ТН; автоматизации процессов исследований, проводимых на измерительных комплексах; управления режимами ТЭУ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в использовании комплексного, научно-обоснованного подхода к разработке методов моделирования и исследования теплофизических свойств термоэлектрических материалов и структур и создание на основе полученных

данных эффективных ТТН для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии, и состоит в следующем:

  1. Разработаны методы термодинамического моделирования теплового расширения анизотропных кристаллов по аддитивной схеме и на основе соотношений, полученных из термодинамического выражения Грюнайзена, устанавливающего взаимосвязь между коэффициентом термического расширения кристалла и теплоемкостью. С помощью указанных методов проведен расчет ТКЛР термоэлектрических материалов на основе Ві2Тез вдоль направлений кристаллографических осей «а» и «с».

  2. В результате исследования температурной зависимости ТКЛР твердых растворов на основе Ві2Тез п - и р - типа, экспериментально установлено, что критерий анизотропии ТКЛР (отношение аса) составляет 1,6 для материала Ві2Те3 - Bi2Se3, а для материала Bi2Te3 -Sb2Te3 , ac/aa изменяется от 1,0 при низких температурах, до 1,6 при 60 С. Значения ТКЛР в исследованной области температур положительные, а на температурных зависимостях этого параметра не наблюдается аномалий, что определяет отсутствие фазовых переходов в рассматриваемых материалах. Данные по температурным зависимостям теплового расширения твердых растворов Bi2Te3 - Bi2Se3 и Bi2Te3 -Sb2Te3 вдоль оси «с» получены впервые.

  3. Разработан метод определения линейных размеров ТЭУ при изменении температуры, позволяющий оптимизировать конструкцию и технологию сборки термоэлектрических блоков, работающих в условиях многократного термоциклирования.

  4. В процессе моделирования внешнего контура ТН разработан метод расчета конструкции этого контура для различных теплофизических условий эксплуатации ТН, позволяющий учитывать взаимодействие источников (стоков) тепла контура.

  5. В результате проведенных исследований разработаны метод определения коэффициентов преобразования термоэлектрических ТН для различных режимов их эксплуатации. Предложены математические модели, позволяющие рассчитывать КОП, основываясь на тепло- и электрофизических свойствах ТЭ материалов, используемых при изготовлении ТН или на характеристиках термоэлектрических модулей.

Практическая значимость

1. Для проведения экспериментальных исследований линейного теплового расширения материалов в интервале температур от минус 60 до 400 С разработана методика и измерительный аппаратно-программный

комплекс. Относительная погрешность измерений данной методики не превышает 2%, что коррелирует с расчетными данными этого параметра. При создании методики и измерительного комплекса применены оригинальные схемотехнические, конструкторские и программные решения, которые защищены свидетельствами о регистрации программного обеспечения.

  1. Данные по ТКЛР термоэлектрических материалов, а также их температурной зависимости, полученные в диссертационной работе, являются необходимым условием при конструировании ТЭУ.

  2. Предложенные методы расчета ТКЛР могут быть использованы исследователями для определения теплового расширения материалов и установления механизмов теплофизических процессов.

  3. Метод расчета и оптимизации конструкции термоэлектрических устройств, эксплуатируемых в условиях многократного термоциклиро-вания, использован при разработке термоэлектрических блоков.

  4. Метод определения коэффициента преобразования термоэлектрических тепловых насосов для различных режимов их эксплуатации может быть использован при проектировании тепловых насосов.

  5. Метод расчета конструкции внешнего контура для различных теплофизических условий эксплуатации может быть использован при разработке и установке любых типов грунтовых тепловых насосов.

  6. Изготовленные эффективные термоэлектрические модули выпускаются серийно, термоэлектрические блоки использованы для создания термоэлектрического теплового насоса.

  7. Методика и измерительный аппаратно-программный комплекс для исследования параметров основных узлов и функциональных характеристик ТН используются в процессе их разработки, а также в учебном процессе для проведения лабораторных работ.

  8. Результаты диссертационной работы использованы при подготовке учебного пособия "Термометрия", авторы Штерн Ю.И., Шерченков А.А., Миронов Р.Е., М.: МИЭТ, 2013г.-256 с.

10. Результаты диссертационных исследований использованы при
подготовке Учебно-методических комплексов в МИЭТ для образова
тельных программ по профилям "Интеллектуальные энергосберегаю
щие системы", "Полупроводниковые преобразователи энергии."

Разработанные в диссертации: приборы, методики, измерительные комплексы, аппаратно-программные средства, внедрены и используются на ряде предприятий. Акты внедрения прилагаются в диссертации.

Новизна и практическая значимость аппаратно-программных решений, используемых в диссертационной работе, подтверждена 20 свидетельствами о государственной регистрации программного продукта в РОСПАТЕНТЕ.

Методологическими основами проведенных исследований являются: комплексный, научно-обоснованный подход к исследованию и моделированию теплофизических свойств материалов и статистической обработки данных, а так же использование принципов объектно-ориентированного программирования и построения беспроводных измерительных систем. Предлагаемые методы исследования базируются на общепринятых методиках проведения и моделирования экспериментов с использованием информационных технологий, научно обоснованы и не противоречат основным научно-практическим представлениям в данной области.

На защиту выносятся:

  1. Результаты моделирования и исследования теплофизических параметров ТЭ материалов. Методы расчета теплового расширения ТЭ материалов. Теоретически и экспериментально установленные критерии анизотропии ТКЛР ТЭ материалов Bi2Te3 - Bi2Se3 и Bi2Te3 - Sb2Te3 вдоль кристаллографических осей «а» и «с», что связано с особенностями химической связи в слоистой структуре этих материалов.

  2. Комплексный подход к разработке и оптимизации конструкции ТТН, основывающийся на результатах моделирования и исследования, как свойств термоэлектрических материалов, так и параметров ТЭУ и других элементов конструкции тепловых насосов.

  3. Методы теплофизических расчетов элементов конструкции ТН: термоэлектрического устройства; термоэлектрического блока; внешнего теплового контура, позволяющие определить: изменения геометрических параметров термоэлектрических устройств при изменении температуры; коэффициент преобразования ТН для различных режимов его эксплуатации; оптимальные кострукторские решения для внешнего контура ТН.

  4. Методики, измерительные комплексы, аппаратно-программные средства, предназначенные для исследования теплофизических параметров материалов и структур, функциональных и эксплуатационных характеристик ТЭУ и ТН.

Апробация работы

Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на 10 Международных и 5 Всероссийских НТ кон-

ференциях: Всерос. НТ конф. «Новые материалы и технологии», М: МАТИ, 2008; Межд. форум по термоэлектричеству, Киев, 2009; Межд. НТ конф. по термоэлектричеству, Фрайбург, Германия, 2009; Межд. НТ конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века», Воронеж, 2009-2013; Всерос. НТ конф. «Микроэлектроника и информатика», М., 2010-2012; Межд. НТ конф. «Энергосбережение в системе теплоснабжения. Повышение энергетической эффективности», СПб, 2010; Межд. НТ конф. «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности», СПб, 2011; Всерос. НТ конф. «Энергосбережение и энергоэффективность технологий передачи, распределения и потребления электрической энергии», М.: МЭИ, 2012; Межд. НТ конф. «Энергосбережение в системах тепло- и газоснабжения. Повышение энергетической эффективности», СПб, 2013.

Публикации

Основное содержание диссертации изложено в 53 научных трудах, в том числе: 8 статей в ведущих отечественных и зарубежных журналах из перечня ВАК, 1 учебное пособие и 20 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ в РОСПАТЕНТЕ.

Личный вклад

Личный вклад автора являлся основополагающим на всех стадиях проведения исследований и состоял в определении целей и постановке задач исследований, обосновании способов их осуществления, непосредственном выполнении значительной части экспериментов, отработке технологических операций, проектировании устройств и оборудования, систематизации и анализе полученных результатов и внедрении результатов диссертации, в том числе, в серийное производство.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 200 страниц машинописного текста, включая 10 таблиц, 73 рисунка, список использованных источников составляет 150 наименований.

Похожие диссертации на Моделирование и исследование теплофизических параметров материалов и структур на основе теллурида висмута и разработка термоэлектрических насосов для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии