ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ЗАХОЛАЖИВАНИЯ ГАЗА Российский патент 2000 года по МПК F25B21/02 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для охлаждения газов с использованием генераторов холода, основанных на эффекте Пельтье, и может быть использовано в холодильных камерах большой мощности, значительного перепада температур и величины захолаживания, например, при очистке газообразных продуктов на атомных электростанциях (АЭС) и в производствах, газовые выбросы которых содержат радиоактивные или иные экологически вредные компоненты.

Термоэлектрические холодильники нашли широкое применение в различных областях техники: радиоэлектроника, бытовая техника, автомобилестроение, медицина [1, 2, 3, 4]. Однако дальнейшее расширение областей их использования сдерживается из-за ограниченности их хладопроизводительности и затрат на потребляемую электроэнергию [1]. Одним из направлений по устранению этих недостатков является разработка многокаскадных термоэлектрических холодильников [5, 6]. Следует иметь в виду, что при прохождении охлаждаемого газа через термобатареи между каскадами возникает разность температур и за счет теплопроводности деталей теплообменных камер происходит выравнивание температур охлаждаемого воздуха в этих камерах. Различного рода усовершенствования термоэлектрических установок представлены в патентах США [7, 8, 9, 10].

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является холодильник [11], содержащий герметичную термоизолированную проточную холодильную камеру с теплообменными пластинами, сопряженными с микротермопреобразователями, объединенными в электрическую цепь с возможностью регулирования напряжения на спаях, и блок охлаждения горячего спая.

Недостатками ближайшего аналога являются: низкая хладопроизводительность и значительные потери тепла за счет теплопроводности элементов конструкции.

Задача, решаемая изобретением, заключается в увеличении хладопроизводительности установки и глубины захолаживания при минимальных габаритах установки, применительно к решению проблемы захолаживания большого объема газа, например, на АЭС перед очисткой радиоактивных продуктов на сорбентах.

Сущность изобретения состоит в том, что в термоэлектрической установке захолаживания газа, включающей герметичную термоизолированную проточную камеру с теплообменными пластинами, сопряженными с микротермопреобразователями, объединенными в электрическую цепь с возможностью регулирования напряжения на спаях, и блок охлаждения горячих спаев микротермопреобразователей, предложено выполнить установку из разнесенных по ее объему теплообменных камер, сопряженных между собой посредством гофрированных патрубков, и снабдить их общими входными и выходными коллекторами для охлаждаемого газа, а блоки охлаждения горячих спаев выполнить в виде съемных модулей, закрепленных на боковых поверхностях проточных камер посредством внешних стяжек и образованных каскадом переточных камер. Кроме того, по п. 2 предложено теплообменные пластины расположить параллельно потоку охлаждаемого газа и заполнить ими весь свободный объем камер.

Наличие распределенных по объему установки теплообменных камер, соединенных гофрированными патрубками, позволяет уменьшить объем, занимаемый установкой, при значительной глубине и объеме захолаживания газа. При этом, в пределах каждой проточной камеры обеспечивается оптимальный режим работы без потерь тепла из-за перепада температур и теплопроводности камер, так как гофрированные патрубки имеют более высокое тепловое сопротивление на переходе от камеры к камере. Это объясняется тем, что гофры изготовлены из тонкого стального листа, имеющего малое эффективное сечение как проводника тепла и длину в 2-3 раза больше длины негофрированного патрубка в пределах той же базы. Таким образом, при заданных исходных конструктивных размерах патрубка гофрированный патрубок оказывает большее тепловое сопротивление. Наличие параллельно и последовательно установленных проточных камер, объединенных общими входными и выходными коллекторами, позволяет оперативно управлять хладопроизводительностью и величиной захолаживания путем простого переключения направления движения охлаждаемого газа.

Один из возможных вариантов выполнения термоэлектрической установки захолаживания газа (ТЭУЗГ) представлен на фиг. 1 - 7, где на фиг. 1 представлен общий вид сборки, состоящей из проточных камер (в оксанометрии). На фиг. 2 представлен общий вид проточной камеры в оксанометрии с частично снятым фрагментом кожуха и сечениями. На фиг. 3 схематично проиллюстрирован принцип компоновки ТЭУЗГ. На фиг. 4 дан поперечный разрез проточной камеры по входному патрубку, на фиг. 5 - поперечный разрез теплоизолированной проточной камеры (ТПК). На фиг. 6 изображено несколько последовательно расположенных проточных камер (линейка) с арматурой подвода и отвода охлаждающей горячий спай жидкости. На фиг. 7 дан вариант соединения двух ТЭУЗГ с целью увеличения суммарной производительности.

Термоэлектрическая установка захолаживания газа (фиг. 1-7) состоит из набора последовательно установленных ТПК 1, образованных наружным кожухом 2 с входным и выходным конусами 3, 4 (фиг. 2, 3, 4, 6). Внутри кожуха 2 параллельно друг другу размещены теплосъемные пластины 5 (фиг. 2, 5), выполненные из теплоемкого, теплопроводного материала, например меди. Боковые торцы пластин 5 имеют тепловой контакт с одним из спаев термоэлектрического преобразователя 6, к которому с помощью стяжек 7 прижаты блоки охлаждения 8 горячих спаев, выполненные в виде переточных камер 9 (фиг. 2, 3, 5). Каждый блок охлаждения горячего спая снабжен входным 10 и выходным 11 патрубками. Микротермопреобразователи объединены в электрическую цепь 12 (фиг. 3, 4, 5), снабженную регулятором напряжения на спаях микротермопреобразователя 6 (на фигурах не показана). В ТПК 1, соединенных последовательно (фиг. 6), обеспечивается ступенчатое захолаживание при переходе от одной проточной камеры к другой. Камеры соединены между собой посредством гофрированных теплоизолированных патрубков 13 (фиг. 2, 3, 6). В одном из вариантов выполнения (фиг. 7) установка образована несколькими параллельными линейками ТПК 1, снабженными общими входными 14 и выходными 15 коллекторами. Несколько параллельно установленных линеек образуют секцию (фиг. 7). Входы и выходы охлаждаемого газа подсоединены к общим подводящим 16 и отводящим 17 коллекторам.

Работа термоэлектрической установки заключается в следующем (фиг. 1, 2, 3, 4, 6, 7). Захолаживаемый газ через коллекторы 14, 16 и входные патрубки 2 поступает внутрь проточной камеры 1, дросселируется между теплосъемными пластинами 5 и поступает через входной патрубок 4 на вход 3 следующей камеры. В процессе прохождения охлаждаемого газа через камеры 1 он отдает тепло пластинам 5, с торца которых производится отвод тепла на один из контактов спаев микропреобразователей 6, а с другого контакта спая термоэлектрического преобразователя 6 отводится охлаждающей средой (водой), циркулирующей в блоке охлаждения 8, подводимой через патрубки 10 и отводимой через патрубки 11. Охлажденный газ выводится через патрубки 15, 17.

Список использованной литературы
1. Соколов Е. Я. и Бродянский В.Н. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. - М.: Энергоатомиздат, 1981.

2. Авторское свидетельство СССР N 794311.

3. Авторское свидетельство СССР N 861869.

4. Авторское свидетельство СССР N 1763841.

5. Авторское свидетельство СССР N 225285.

6. Авторское свидетельство СССР N 561854.

7. Патент США N 4375157.

8. Патент США N 4634803.

9. Патент США N 443650.

10. Патент США N 444991.

11. Патент США N 465895.

Установка выполнена из разнесенных по ее объему теплообменных теплоизолированных проточных камер с теплообменными пластинами, которые могут быть расположены параллельно потоку охлаждаемого газа и заполнять весь объем камер. Пластины сопряжены с микротермопреобразователями, объединенными в электрическую цепь с возможностью регулирования напряжения на спаях. Камеры соединены между собой посредством гофрированных патрубков и снабжены входными и выходными коллекторами. Блоки охлаждения горячих спаев выполнены в виде съемных модулей, закрепленных на боковых поверхностях проточных камер посредством внешних стяжек. Использование изобретения позволит увеличить холодопроизводительность установки при ее минимальных габаритах и больших объемах охлаждаемого газа. 1 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. Термоэлектрическая установка захолаживания газа, включающая последовательно соединенные между собой посредством теплоизолированных гофрированных патрубков герметичные теплоизолированные проточные камеры с теплообменными пластинами внутри, сопряженными со спаями микротермопреобразователей, объединенных в электрическую цепь, и блоки охлаждения горячих спаев микротермопреобразователей, отличающаяся тем, что установка снабжена дополнительными последовательно соединенными между собой посредством теплоизолированных гофрированных патрубков герметичными теплоизолированными проточными камерами, установленными параллельно с образованием каскада, с общими входными и выходными коллекторами охлаждаемого газа и внешними стяжками, при этом блоки охлаждения горячих спаев выполнены в виде съемных модулей, закрепленных на боковых поверхностях проточных камер посредством внешних стяжек, а электрическая цепь выполнена с возможностью регулирования электрического напряжения на спаях. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена несколькими дополнительными каскадами, установленными параллельно, и общим входным коллектором, при этом теплообменные пластины расположены по всему объему каждой камеры параллельно потоку охлаждаемого газа.