5) Вихревой и термоэлектрический эффекты охлаждения.
Вихревой эффект (эффект Ранка-Хильша).В 1932 году французский ученый Жорж Ранк при испытании циклонного пылеуловителя обратил внимание на то, что температуры воздуха в центре и на периферии канала различны. В центральной части воздух был значительно холодней, чем около внутренней поверхности циклона. В то время на это открытие не обратили особого внимания и даже опровергали его. В 1946 немецкий ученый Р. Хильш опубликовал статью с подробным доказательством процесса температурного расширения в вихревой трубе, после чего эффект стал называться эффектом Ранка-Хильша. Вихревой эффект заключается в том что при прохождении любого газа по любому каналу происходит разделение потоков: более горячий поток движется по периферии, а холодный поток сосредотачивается в центре, на оси канала. Чем больше турбулизация потока, тем эффективнее процесс температурного разделения.
В холодильной технике наиболее широко используется вихревая труба. Конструкция вихревой трубы чрезвычайно проста . а имеет цилиндрический корпус , сопло с тангенциальным вводом , дроссель и диафрагму или трубу малого диаметра.
Сжатый воздух с температурой окружающей среды через сопло подается в трубу по касательной к внутренней поверхности корпуса. Поступивший воздух вращается, одновременно перемещаясь по длине трубы от сопла к дросселю. При вихревом движении воздуха в трубе происходит его температурное разделение. Более теплый поток перемещается к внутренней стенке корпуса, более холодный поток сосредотачивается у оси трубы. Теплый поток выводится за пределы вихревой трубы через дроссель, как правило, в атмосферу, а холодный поток направляется через диафрагму или трубу малого диаметра для охлаждения. Количество воздуха в теплом и холодном потоках можно регулировать, изменяя площадь проходного сечения дросселя.
Термоэлектрический эффект(эффект Пельтье). Сущность термоэлектрического эффекта заключается в следующем: при протекании постоянного токаIчерез цепь, состоящую из двух разнородных материалов в местах контакта материалов (места спаев), поглощается либо выделяется (в зависимости от направления тока) некоторое количество теплотыQП (теплота Пельтье), пропорциональное силе токаQП= П ∙I, где П - коэффициент Пельтье, зависящий от физических свойств материалов и температуры контакта. Наибольший эффект наблюдается при применении полупроводниковых материалов с разным характером проводимости.
На рис. 1.5 показана схема термоэлемента.
Рис. 1.5. Схема термоэлектрического элемента
Два полупроводника PиNобразуют цепь, по которой проходит постоянный ток от источника Е. В результате поглощения теплоты на одних спаях (А) и выделения на других (В) устанавливается разность между температурами спаев.
Если температура на охлажденном спае Тхниже температуры холодного источника, а температура на горячих спаях Тгвыше температуры окружающей среды, то термоэлемент будет выполнять функцию холодильной машины, перенося теплоту от холодного источника к окружающей среде. При этом роль рабочего тела будет выполнять непосредственно электрический ток.
Полезную холодопроизводительность термоэлемента определяют по формуле:
(1.7)
где R- электрическое сопротивление элемента;k- теплопроходимость элемента; ∆Т = Тг - Тх..
Энергетическая эффективность термоэлектрических холодильных машин значительно ниже эффективности других типов машин, однако простота, надежность и отсутствие шума делают использование термоэлектрического охлаждения весьма перспективным.