ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ХОЛОДИЛЬНИК Российский патент 1997 года по МПК F25B21/02 

Изобретение относится к холодильной технике, а именно, к холодильникам, работающим при потреблении электроэнергии.

Наибольшее распространение получили холодильники с компрессорными машинами (Д.А.Лепаев. Ремонт бытовых холодильников. Справочник. М. Легпромбытиздат, 1989. Раздел компрессорных бытовых холодильников). Однако они обладают такими недостатками как использование фреона 12 (хладона 12), разрушающего озоновый слой атмосферы, значительный шум, малая надежность работы из-за наличия пар трения и высокого давления рабочего вещества.

Известны сорбционные теплоиспользующие холодильные машины (А. С. N 543813, кл. F 25 B 5/00, БИ 3 от 25.01.77), работающие от теплоты с температурой на 10-20 ^oC выше температуры охлаждающей среды. Их недостатками является малый КПД (5-10)% исключающий использование электроэнергии, и указанное выше температурное ограничения использования теплоты для выработки холода, то есть теплоты с температурой от равной температуре окружающей среды до температуры на 10-20^oC выше температуры окружающей среды.

Аналогом является термоэлектрический холодильник (Холодильник ХАТЭ-12М. Д. А. Лепаев. Ремонт бытовых холодильников. Справочник. М. Легпромбытиздат, 1989, с 250, рис. 98), содержащий батарею термоэлементов, соединенную холодными спаями с теплоизолированной камерой, а горячими спаями с охлаждающим устройством. Батарея термоэлементов подключается к блоку электропитания. Он обладает энергетической эффективностью ниже эффективности компрессорных холодильников, но выше эффективности холодильников с сорбционными холодильными машинами. Однако выделяемая на его горячих спаях теплота не может быть использована для выработки холода даже в сорбционной холодильной машине, которая может работать от теплоты с наименьшей разностью температур по отношению к окружающей среде (из-за ограничений по максимальной разности температур между горячими и холодными спаями).

Прототипом или наиболее близким аналогом изобретения является термоэлектрическая камера-холодильник ПТК-1 (Котырло Г.К. и Лобунец Ю.Н. Расчет и конструирование термоэлектрических генераторов и тепловых насосов. Справочник. Киев, Наукова думка, 1980, с. 31, рис. 1.1.17). Она содержит два каскада термоэлементов, позволяющих увеличить разность температур между наиболее холодными и наиболее горячими спаями двух каскадов термоэлементов.

Холодильник ПТК-1 содержит блок термоэлектрических батарей, наиболее холодные спаи которых соединены с теплоизолированной камерой, а наиболее горячие с охлаждающим устройством. Но при этом энергетическая эффективность остается низкой.

Целью изобретения является повышение энергетической эффективности термоэлектрических холодильников.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном термоэлектрическом холодильнике, содержащем блок термоэлектрических батарей, соединенных холодными спаями с теплоизолированной камерой, а горячими с охлаждающим устройством, блок термоэлектрических батарей выполнен из нескольких групп секций термоэлектрических батарей, горячие и холодные спаи которых снабжены соединенными последовательно теплообменными устройствами с каналами для циркуляции смеси жидкостей, холодильник дополнительно снабжен отделителем жидкости, дефлегматором, конденсатором, двухпоточным теплообменником конденсата, трехпоточным теплообменником, смесителем и вторым двухпоточным теплообменником с образованием двух взаимосвязанных контуров циркуляции, один из которых состоит из соединенных каналов горячих спаев, отделителя жидкости, дефлегматора, конденсатора, канала холодных спаев первой группы, двухпоточного теплообменника конденсата, трехпоточного теплообменника, смесителя, второго канала трехпоточного теплообменника, второго канала теплообменника, второго канала теплообменника конденсата, канала второго двухпоточного теплообменника и соединенных каналов горячих спаев, самостоятельный участок второго контура состоит из последовательно соединенных трубопроводами нижней части полости отделителя жидкости, канала холодных спаев второй группы, второго канала второго двухпоточного теплообменника, третьего канала трехпоточного теплообменника, который соединен с теплоизолированной камерой, полости контуров циркуляции частично заполнены смесью неэлектропроводных жидкостей, при взаимном растворении которых поглощается теплота, смесь жидкостей состоит из пропана и ацетона в интервале массовых долей ацетона от 20 до 80% а секции разных групп установлены последовательно по ходу жидкостей через одну.

На чертеже изображен предлагаемый термоэлектрический холодильник.

Термоэлектрический холодильник состоит из секции 1 термоэлектрических батарей, дефлегматора с отделителем жидкости 2, конденсатора 3, секции 4 термоэлектрических батарей, секции 5 термоэлектрических батарей, второго двухпоточного теплообменника 6, двухпоточного теплообменника 7 конденсата, трехпоточного теплообменника 8, смесителя 9 и теплоизолированной камеры 10. Цепи блока питания электроэнергией секций 4, 5 и 1 термоэлектрических батарей на чертеже не показаны. Полость контуров циркуляции частично (на уровне выше секции 1 термоэлектрических батарей и ниже отделителя жидкости 2) заполнена жидкой смесью 50/50% пропана и ацетона.

Чертеж дает представление и о размещении элементов холодильника в вертикальной плоскости. Это размещение обеспечивает циркуляцию жидкости под действием гравитационных сил.

Термоэлектрический холодильник работает следующим образом.

При подводе электроэнергии к секциям 1, 4 и 5 термоэлектрических батарей жидкость в каналах горячих спаев нагревается, а в холодных охлаждается. Рассмотрим режим холодильника при теплопритоках в камеру 10 в размере 30 Вт при температуре воздуха в камере 10 в пределах -18 -20^oC, а температура наружного воздуха равна +30^oC. Тогда для передачи теплоты в окружающую среду через конденсатор 3 температура горячих спаев должна быть равна, например, +65^oC. Принимаем максимальный перепад температур между горячими и холодными спаями равным 15^oC.

Расчеты проводим по методикам и формулам, рекомендованным в справочнике: Г. К.Костырло и Ю.Н.Лобунец. Расчет и конструирование термоэлектрических генераторов и тепловых насосов. Справочник. Киев, Наукова думка, 1980. Главы 11.1 и 11.3 (см. табл. 1).

Термобатареи "Глухов": Z=0,0019 1/K, a=0,00041 B/K, R=0,0223 Ом (пара),
где Z термоэлектрическая добротность, a коэффициент термоЭДС, R - электрическое сопротивление ветви.

Следует учесть, что при смещении потоков двух жидкостей будет вырабатываться дополнительно холод в количестве 3,1 Вт (5% от теплоты, отводимой от горячих спаев).

Холод в количестве 33,2 Вт с помощью контуров циркуляции (термосифон - тепловая труба) будет передан теплоизолированной камере 10 (см. чертеж). Тогда общий холодильный коэффициент составит 33,2/32,47=1,02.

Сравним полученные результаты с показателями прототипа, приведенными на с. 32 справочника Г.К.Котырло и Ю.Н.Лобунца. Холодильный коэффициент равен e 11 Вт/453 Вт 0,024, что значительно ниже e 1,02 предложенного термоэлектрического холодильника.

Оценим двухкаскадный вариант термоэлектрического холодильника (см. табл. 2).

Принимаем Tх1 -33^oC 240 K, Tг2 310 K.

Таким образом, холодильный коэффициент предложенного холодильника в 17 раз выше и при этом экономится 46-12 34 батареи.

Термоэлектрический модуль может создать T 65^oC при C₀ 0 Вт. На предложенном холодильнике обеспечивается разность температур +65^oC (-20^oC) 85 ^oC при холодопроизводительности 33,2 Вт за счет отличительных признаков.

Таким образом, предложенный термоэлектрический холодильник обладает большей энергетической эффективностью, чем прототип.

Холодильный коэффициент предложенного холодильника равен 1,02, в том числе контуры циркуляции смеси жидкостей обеспечивают его увеличение на 0,09%
Таким образом, предложенный холодильник за счет отличительных признаков обеспечивает наивысшую энергетическую эффективность работы каждой секции и всего блока термоэлектрических батарей, а также контуров циркуляции.

Были проанализированы схемы установки термобатарей на других различных участках контуров циркуляции, однако все они уступали предложенному холодильнику по энергетической эффективности работы.

Использование: в холодильной технике. Сущность изобретения: холодильник содержит блок термоэлектрических батарей, соединенный с блоком электропитания, холодные спаи термоэлектрических батарей соединены с теплоизолированной камерой и с устройством интенсификации теплообмена, а горячие спаи - с устройством интенсификации теплообмена. Холодильник отличается от известных тем, что блок термоэлектрических батарей выполнен из нескольких групп секций термоэлектрических батарей, горячие и холодные спаи которых снабжены соединенными последовательно теплообменными устройствами с каналами для циркуляции смеси жидкостей по двум взаимносвязанным контурам циркуляции, обеспечивающим дополнительную выработку холода в смесителе, размещенном в охлаждаемой камере, смещением двух потоков жидкостей и последующим разделением смеси частичным выпариванием теплотой от горячих спаев, а также тем, что смесь состоит из компонентов, поглощающих теплоту при смешении, например из жидкого пропана и жидкого ацетона. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Термоэлектрический холодильник, содержащий блок термоэлектрических батарей, соединенных холодными спаями с теплоизолированной камерой, а горячими с охлаждающим устройством, отличающийся тем, что блок термоэлектрических батарей холодильника выполнен из нескольких групп секций термоэлектрических батарей, холодные и горячие спаи которых снабжены соединенными последовательно теплообменными устройствами с каналами для циркуляции смеси жидкостей, холодильник дополнительно снабжен отделителем жидкости, дефлегматором, конденсатором, двухпоточным теплообменником конденсата, трехпоточным теплообменником, смесителем и вторым двухпоточным теплообменником с образованием двух взаимосвязанных контуров циркуляции, один из которых состоит из соединенных каналов горячих спаев, отделителя жидкости, дефлегматора, конденсатора, канала холодных спаев первой группы, двухпоточного теплообменника конденсата, трехпоточного теплообменника, смесителя, второго канала трехпоточного теплообменника, второго канала теплообменника конденсата, канала второго двухпоточного теплообменника и соединенных каналов горячих спаев, а самостоятельный участок второго контура состоит из последовательно соединенных трубопроводами нижней части полости отделителя жидкости, канала холодных спаев второй группы, второго канала второго двухпоточного теплообменника, третьего канала трехпоточного теплообменника и смесителя, который соединен с теплоизолированной камерой, а полости контуров циркуляции частично заполнены смесью неэлектропроводных жидкостей, при взаимном растворении которых поглощается теплота. 2. Холодильник по п.1, отличающийся тем, что смесь жидкостей состоит из пропана и ацетона в интервале массовых долей ацетона 20 80%
3. Холодильник по п.1, отличающийся тем, что секции разных групп установлены последовательно по ходу жидкостей через одну.