Термоэлектрическая холодильная установка
Изобретение относится к области холодильной техники и может быть использовано в установках для производства холода в независимых стационарных и перемещаемых устройствах, например домашних холодильниках. Термоэлектрическая холодильная установка содержит охлаждаемую камеру и промежуточный циркуляционный контур теплоносителя, включающий насос, внешний теплообменник с вентилятором и размещенный в охлаждаемой камере термоэлектрический холодильный агрегат с термоэлектрическими модулями охлаждения, включающими теплопоглощающие и тепловыделяющие спаи. В стенке охлаждаемой камеры установлена теплоотводная труба, выполненная в виде стакана, внутри которой установлена с зазором относительно дна теплоотводной трубы и с образованием кольцевого теплоотводного канала выходная труба. Термоэлектрические модули охлаждения тепловыделяющими спаями установлены на наружную поверхность теплоотводной трубы равномерно вдоль длины последней, а теплопоглощающие спаи размещены в охлаждаемой камере. Выходная труба подключена к входу в насос, последний выходом подключен к входу теплообменника, который выходом подключен к теплоотводной трубе. Наружная поверхность теплоотводной трубы выполнена цилиндрической или многогранной. Площадь поперечного сечения кольцевого теплоотводного канала не меньше площади поперечного сечения выходной трубы, величина зазора между входным сечением выходной трубы и дном теплоотводной трубы не меньше 0,25 от внутреннего диаметра выходной трубы. В стенке выходной трубы в зоне расположения термоэлектрических модулей охлаждения выполнены отверстия с наклоном в сторону потока в выходной трубе. В результате достигается повышение эффективности за счет уменьшения тепловых потерь и снижения потребления электроэнергии, увеличение области применения за счет расширения температурного диапазона работы и упрощение эксплуатации. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к области холодильной техники и может быть использовано в установках для производства холода в независимых стационарных и перемещаемых устройствах, например домашних холодильниках.
Известна термоэлектрическая установка, содержащая термоэлектрические батареи, подсоединенные к источнику постоянного тока, устройство отвода тепла и пульт управления, при этом установка снабжена радиационно-конвективными панелями с внутренними воздушными каналами (см. авторское свидетельство SU №688351, Кл. В 60 Н 3/00, 30.09.1979).
Однако данная установка имеет относительно низкую эффективность, что связано с достаточно высоким теплопритоком, в частности, по термоэлектрическим модулям.
Известны более совершенные термоэлектрические холодильные установки, в частности модель ТЭХ-40 ("Чайка") [Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Киев. Изд. Наукова думка. 1979, с.470-472]. В установке применяют термоэлектрические холодильные агрегаты панельной, плоской конструкции типа "сэндвич", содержащие однокаскадные термоэлектрические батареи охлаждения, снабженные пластинчато-ребристыми радиаторами по теплопоглощающим (холодным) и тепловыделяющим (горячим) спаям. Для обдува радиаторов тепловыделяющих спаев используется вентилятор.
Однако их эффективность также невысока из-за значительных теплопритоков по конструкции, в том числе по термоэлектрическим модулям охлаждения. Кроме того, они не могут быть использованы при повышенной температуре окружающей среды.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для охлаждения и нагрева воздуха в замкнутом объеме, содержащее охлаждаемую камеру и промежуточный циркуляционный контур теплоносителя, включающий насос, внешний теплообменник с вентилятором и размещенный в охлаждаемом камере термоэлектрический холодильный агрегат с термоэлектрическими модулями охлаждения, имеющими теплопоглощающие и тепловыделяющие спаи (см. патент RU 2140365, Кл. F 25 B 29/00, 27.10.1999).
Однако значительное натекание теплоты из окружающей среды в охлаждаемый объем по конструкционным элементам термоэлектрического модуля охлаждения плоской конструкции в период, когда не подается электропитание, снижает эффективность охлаждения и повышает потребление электроэнергии.
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение эффективности за счет уменьшения тепловых потерь и снижения потребления электроэнергии, увеличение области применения за счет расширения температурного диапазона работы и упрощение эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что термоэлектрическая холодильная установка содержит охлаждаемую камеру и промежуточный циркуляционный контур теплоносителя, включающий насос, внешний теплообменник с вентилятором и размещенный в охлаждаемом камере термоэлектрический холодильный агрегат с термоэлектрическими модулями охлаждения, имеющими теплопоглощающие и тепловыделяющие спаи, при этом в стенке охлаждаемой камеры установлена теплоотводная труба, выполненная в виде стакана, внутри которой установлена с зазором относительно дна теплоотводной трубы и с образованием кольцевого теплоотводного канала выходная труба, термоэлектрические модули охлаждения тепловыделяющими спаями установлены на наружную поверхность теплоотводной трубы равномерно вдоль длины последней, а теплопоглощающие спаи размещены в охлаждаемой камере, при этом выходная труба подключена к входу в насос, последний выходом подключен к входу теплообменника, который выходом подключен к теплоотводной трубе, наружная поверхность теплоотводной трубы выполнена цилиндрической или многогранной, площадь поперечного сечения кольцевого теплоотводного канала не меньше площади поперечного сечения выходной трубы, величина зазора между входньм сечением выходной трубы и дном теплоотводной трубы не меньше 0,25 от внутреннего диаметра выходной трубы, причем в стенке выходной трубы в зоне расположения термоэлектрических модулей охлаждения выполнены отверстия с наклоном в сторону потока в выходной трубе.
Термоэлектрические модули охлаждения могут быть выполнены двухкаскадными.
На теплопоглощающие спаи термоэлектрических модулей охлаждения могут быть установлены игольчато-штыревые или пластинчатые радиаторы.
В ходе анализа работы установки было установлено, что снижения тепловых потерь можно добиться в период изготовления охлаждаемой камеры, когда в ее охлаждаемом объеме размещают термоэлектрический холодильный агрегат с термоэлектрическими модулями охлаждения, который выполнен в виде трубчатой конструкции с теплоотводной трубой, наружная поверхность которой выполнена цилиндрической или многогранной, при этом тепловыделяющие (горячие) спаи термоэлектрических модулей охлаждения установлены на наружную поверхность теплоотводной трубы, а их теплопоглощающие (холодные) спаи размещены в охлаждаемом объеме камеры. Это позволяет свести к минимуму потери тепла от теплоотводной трубы в охлаждаемый объем, а также улучшить эффективность теплообмена теплопоглощающими спаями в охлаждаемом объеме. Такая схема отвода тепла от охлаждаемого объема позволяет, в отличие от существующих холодильных систем, свести к минимуму натекания от сбрасываемого тепла в охлаждаемый объем. Это позволяет также сократить время выхода на режим, а следовательно, и уменьшить потребление электроэнергии. Энергосберегающим фактором является и трубчатая конструкция термоэлектрического холодильного агрегата, так как в период отключения, при достижении заданной температуры в охлаждаемом объеме перетекание тепла от теплоотводной трубы через термоэлектрические модули охлаждения в охлаждаемый объем камеры сводится к минимуму. Выполнение термоэлектрических модулей в виде двухкаскадной схемы позволяет увеличить холодильный коэффициент, что расширяет температурный диапазон использования, в частности, в субтропических и тропических условиях. Термоэлектрические модули охлаждения могут быть выполнены в кольцевом варианте, что позволяет снизить теплопритоки от теплоотводной трубы к теплопоглощающим спаям. Снижению потерь способствует правильная организация циркуляции теплоносителя в теплоотводной трубе. Было установлено, что наиболее рационально, чтобы площадь поперечного сечения кольцевого теплоотводного канала была не меньше площади поперечного сечения выходной трубы, а зазор между входным сечением выходной трубы и дном теплоотводной трубы был не меньше 0,25 от внутреннего диаметра выходной трубы. Это позволяет свести к минимуму гидродиниамические потери энергии теплоносителя (снизить гидродинамическое сопротивление) и создать эффект эжекции нагретого теплоносителя из зон его нагрева в кольцевом теплоотводном канале.
Таким образом, предложенное устройство позволяет повысить эффективность работы за счет снижения тепловых потерь и уменьшения теплопритоков от самой системы, а следовательно, уменьшить электропотребление, расширить рабочий диапазон температурных условий окружающей среды, в которых может работать устройство, и улучшить эксплуатационные характеристики.
На фиг.1 представлена схематически термоэлектрическая холодильная установка, на фиг.2 представлен разрез А-А на фиг.1 для варианта выполнения термоэлектрических модулей кольцевыми, на фиг.3 представлен разрез А-А на фиг.1 для варианта выполнения термоэлектрических модулей в виде отдельных плоских модулей, на фиг.4 представлен разрез Б-Б на фиг.3, на фиг.5 представлен вариант выполнения термоэлектрических модулей с пластинчатым радиатором и на фиг.6 представлен вариант выполнения термоэлектрических модулей со штыревым радиатором.
Термоэлектрическая холодильная установка содержит охлаждаемую камеру 1 и промежуточный циркуляционный контур теплоносителя, включающий насос 2, внешний теплообменник 3 с вентилятором 4, размещенный в охлаждаемом камере 1 термоэлектрический холодильный агрегат с термоэлектрическими модулями охлаждения 5, включающими теплопоглощающие 6 и тепловыделяющие 7 спаи, при этом термоэлектрический холодильный агрегат состоит из установленной в стенке охлаждаемой камеры 1 и выполненной в виде стакана теплоотводной трубы 8, внутри которой установлена с зазором относительно дна теплоотводной трубы 8 и с образованием кольцевого теплоотводного канала 9 выходная труба 10. Термоэлектрические модули охлаждения 5 тепловыделяющими спаями 7 установлены на наружную поверхность теплоотводной трубы 8 равномерно вдоль длины последней, а теплопоглощающие спаи 6 размещены в охлаждаемом объеме охлаждаемой камеры 1. Выходная труба 10 подключена к входу в насос 2. Последний выходом подключен к входу теплообменника 3, который выходом подключен к теплоотводной трубе 8. Наружная поверхность теплоотводной трубы 8 может быть выполнена цилиндрической или многогранной. Площадь поперечного сечения кольцевого теплоотводного канала 9 не меньше площади поперечного сечения выходной трубы 10. Величина зазора S между входньм сечением выходной трубы 10 и дном теплоотводной трубы 8 составляет не меньше 0,25 от внутреннего диаметра D выходной трубы 10. В стенке выходной трубы 10 в зоне расположения термоэлектрических модулей охлаждения 5 выполнены отверстия 11 с наклоном в сторону направления течения потока в выходной трубе 10.
Термоэлектрические модули охлаждения 5 могут быть выполнены однокаскадными или двухкаскадными (первый каскад 15 и второй каскад 16 на фиг.4).
На теплопоглощающие спаи 6 термоэлектрических модулей охлаждения 5 могут быть установлены игольчато-штыревые 12 или пластинчатые радиаторы 13.
Термоэлектрические модули охлаждения 5 могут быть выполнены в виде отдельных плоских модулей или в виде отдельных кольцевых модулей. Электропитание термоэлектрических модулей охлаждения 5 обеспечивается источником питания 14.
Термоэлектрическая холодильная установка работает следующим образом.
На термоэлектрические модули охлаждения 5 подается напряжение от электрической сети, например, 220 В через внешний источник питания 14. В результате в соответствии с эффектом Пельтье электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию. Посредством теплопоглощающих спаев производится охлаждение пространства охлаждаемой камеры 1, а тепло тепловыделяющих спаев передается теплоотводной трубке 8. Отвод тепла можно интенсифицировать путем установки на теплопоглощающих спаях 6 радиатора пластинчатого 13 или игольчато-штыревого 12. Тепло, которое было передано тепловыделяющими спаями 7 теплоотводной трубе 8, отводится от последней посредством контура промежуточного циркуляционного контура теплоносителя. Насос 2 подает теплоноситель во внешний теплообменник 3, который охлаждается потоком воздуха, создаваемым вентилятором 4. Охлажденный теплоноситель из внешнего теплообменника 3 поступает в кольцевой теплоотводной канал 9, где теплоноситель отбирает тепло от нагретой тепловыделяющими спаями 7 теплоотводной трубы 8. Нагретый теплоноситель из кольцевого теплоотводного канала 9 поступает в выходную трубу 10. При этом часть нагретого теплоносителя поступает в выходную трубу через отверстия 11 в выходной трубе 10, а другая оставшаяся часть теплоносителя поступает в выходную трубу 10 через зазор S между торцом выходной трубы 10 и дном теплоотводной трубы 8 теплоносителя. В результате выполнения отверстий 11 с наклоном в сторону направления потока в выходной трубе 10, поток теплоносителя в выходной трубе 10 через отверстия 11 откачивает (эжектирует) из кольцевого теплоотводного канала 9 часть потока нагретого теплоносителя, что позволяет снизить температуру теплоносителя, который поступает к следующему термоэлектрическому модулю охлаждения 5 по ходу потока в кольцевом теплоотводном канале 9. Из выходной трубы 10 нагретый теплоноситель поступает на вход насоса 2, который подает нагретый теплоноситель для охлаждения во внешний теплообменник 3.
Настоящее изобретение может быть использовано для создания надежных и экономичных термоэлектрических холодильных установок.
1. Термоэлектрическая холодильная установка, содержащая охлаждаемую камеру и промежуточный циркуляционный контур теплоносителя, включающий насос, внешний теплообменник с вентилятором и размещенный в охлаждаемой камере термоэлектрический холодильный агрегат с термоэлектрическими модулями охлаждения, имеющим теплопоглощающие и тепловыделяющие спаи, отличающаяся тем, что в стенке охлаждаемой камеры установлена теплоотводная труба, выполненная в виде стакана, внутри которой установлена с зазором относительно дна теплоотводной трубы и с образованием кольцевого теплоотводного канала выходная труба, термоэлектрические модули охлаждения тепловыделяющими спаями установлены на наружную поверхность теплоотводной трубы равномерно вдоль длины последней, а теплопоглощающие спаи размещены в охлаждаемой камере, при этом выходная труба подключена к входу в насос, последний выходом подключен к входу теплообменника, который выходом подключен к теплоотводной трубе, наружная поверхность теплоотводной трубы выполнена цилиндрической или многогранной, площадь поперечного сечения кольцевого теплоотводного канала не меньше площади поперечного сечения выходной трубы, величина зазора между входным сечением выходной трубы и дном теплоотводной трубы не меньше 0,25 внутреннего диаметра выходной трубы, причем в стенке выходной трубы в зоне расположения термоэлектрических модулей охлаждения выполнены отверстия с наклоном в сторону потока в выходной трубе.
2. Термоэлектрическая холодильная установка по п.1, отличающаяся тем, что термоэлектрические модули охлаждения выполнены двухкаскадными.
3. Термоэлектрическая холодильная установка по п.1, отличающаяся тем, что на теплопоглощающие спаи термоэлектрических модулей охлаждения установлены игольчато-штыревые или пластинчатые радиаторы.
