ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ХОЛОДИЛЬНИК Российский патент 2000 года по МПК F25B21/02 

Изобретение относится к области холодильной техники, в частности к устройству каскадных термоэлектрических охлаждающих систем, и может быть использовано для термостатирования объектов с нестационарным теплопоглощением, например пресс-форм для прессования нагретых до пластического состояния деталей путем подачи в пресс-формы охлажденного теплоносителя.

Известна конструкция термоэлектрической реверсивной холодильно-нагревательной установки по авторскому свидетельству СССР N 1688075, кл. F 25 В 21/02, 1991, содержащая реверсивную термоэлектрическую батарею, имеющую тепловой контакт с двух сторон с двумя тепловыми трубами в виде бесфитильных, заполненных теплоносителем замкнутых оребренных снаружи контуров, нижние части которых имеют наклон в сторону термобатареи.

Недостатком этой установки являются неэффективность ее использования при нестационарном тепловыделении охлаждаемого объекта, невозможность подачи охлажденного теплоносителя в отдельно расположенные объекты в связи с оговоренной формой тепловой трубы, невозможность применения для получения больших мощностей, а также низкий КПД, т.к. принцип действия основан на естественных процессах испарения-конденсации теплоносителя.

Известен термоэлектрический холодильник по авт. свид. СССР N 1712745, кл. F 25 В 21/02, 1992, представляющий собой малогабаритный охладитель, содержащий корпус со сборником охлаждающей жидкости, термобатареи, холодные спаи которых контактируют со стенками сборника, а на горячих закреплены радиаторы с ребрами.

Недостатком данного устройства является его низкий КПД вследствие малой эффективности охлаждения находящейся в сборнике жидкости из-за низкой скорости и ламинарного характера течения жидкости, а также вследствие недостаточной эффективности воздушного охлаждения горячих спаев термоэлектрической батареи при больших мощностях.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является термоэлектрическая холодильная установка (а.с. СССР N 1300273, кл. F 25 В 21/02, 1987), содержащая теплообменные агрегаты с каналами для циркуляции теплоносителей и заключенные между агрегатами термомодули.

Термобатареи периодически переключаются для обеспечения последовательной осушки газа сначала в первом холодном теплообменнике, а затем во втором.

Недостатком указанной установки является низкий КПД, т.е. малая доля холодопроизводительности термобатарей, идущая непосредственно на охлаждение осушаемого газа вследствие низкого коэффициента теплопередачи от стенок к газу и малой площади передачи холода. Холодопроизводительность используется, в основном, на охлаждение корпусов теплообменников.

Увеличение мощности и объема осушаемого газа приводит к увеличению диаметра канала, что также вызывает снижение КПД вследствие малого коэффициента теплопроводности газа от стенки канала к центру.

При постоянной потребляемой мощности холодопроизводительность термоэлектрических батарей падает по мере увеличения разности температур на его горячих и холодных спаях. Следовательно, требуются эффективное охлаждение горячих спаев и эффективный отвод холода от холодных спаев.

Интенсивность теплопередачи характеризуется выражением
Q = α•F•Δt,
где α - коэффициент теплопередачи от стенки к теплоносителю;
F - площадь стенки, участвующая в теплопередаче;
Δt - разность температур между стенкой и теплоносителем.

Разность температур между стенкой и теплоносителем не может быть принята достаточно большой (более 5^oC), т.к. при этом увеличивается разность температур между горячими и холодными спаями термоэлектрических батарей и, следовательно, падает КПД батарей.

Таким образом, полезный результат может быть достигнут только за счет увеличения коэффициента теплопередачи α и площади теплообмена F.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение КПД и быстродействия охлаждения отдельно расположенных технологических объектов с нестационарным теплопоглощением, имеющих большую массу (до 10 т) и площадь наружной поверхности (до 10 м²).

Для достижения этого технического результата в термоэлектрическом холодильнике, содержащем теплообменные агрегаты с каналами для циркуляции теплоносителей и заключенные между корпусами термомодули, теплообменные агрегаты выполнены в виде двух корпусов, корпуса теплообменных агрегатов снабжены постаментами для термомодулей, выполненными в виде усеченных пирамид, основания которых обращены в сторону каналов. Свободное пространство между корпусами заполнено теплоизолятором, а каналы в теплообменных агрегатах выполнены зигзагообразными.

Рассредоточенность термоэлектрических батарей на модули, установленные на усеченные пирамиды, позволяет создать развитую систему каналов с резким изменением направления потока теплоносителя при кратчайшем расстоянии от термоэлектрических модулей до системы каналов и одновременно создает возможность надежно термоизолировать горячий и холодный корпуса друг от друга.

В сочетании с выбранным жидким теплоносителем, имеющим значительную теплоемкость, конструкция по заявляемому изобретению обеспечивает эффективное удаление тепла-холода из зоны теплообмена и термоаккумуляцию холода, увеличивающую быстродействие системы при нестационарном теплопоглощении охлаждаемого объекта.

Сущность предлагаемого термоэлектрического холодильника поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена структурная схема варианта холодильника с двумя теплообменными агрегатами и дан поперечный разрез теплообменных агрегатов, на фиг. 2 - продольный разрез теплообменной секции, на фиг. 3 - элемент теплообменного агрегата.

Термоэлектрический холодильник содержит 2 теплообменных агрегата 1 и 2, каждый из которых имеет охлаждающую 3 и охлаждаемую 4 секции. Охлаждающие секции производят охлаждение теплоносителя путем его взаимодействия через корпус с холодной стороной термоэлектрических батарей. Охлаждаемые секции производят охлаждение горячей стороны термобатарей.

Модульная конструкция холодильника позволяет компоновать его в зависимости от требований заказчика. Количество агрегатов определяется требуемой холодопроизводительностью.

Охлаждающие секции могут быть соединены последовательно или параллельно-последовательно в зависимости от требуемой температуры теплоносителя на выходе холодильника.

Электропитание каждого из теплообменных агрегатов осуществляется от отдельного источника питания (на чертеже не показаны). Источники питания также имеют модульную конструкцию.

Циркуляция теплоносителя через охлаждающие секции и охлаждаемые объекты выполняется центробежным насосом 5. Термоэлектрические модули 6 термобатарей размещены между секциями.

Охлаждаемые и охлаждающие секции скреплены между собой вне зоны интенсивного теплообмена.

Каждая секция выполнена в виде корпуса с развитой системой зигзагообразных каналов 7, обеспечивающих последовательное прохождение теплоносителя вдоль всех термоэлектрических модулей секции (см. фиг. 2) и турбулентное движение теплоносителя, благодаря которому повышается интенсивность теплообмена в широком диапазоне скорости движения теплоносителя.

Корпуса-радиаторы снабжены постаментами для термоэлектрических модулей в виде усеченных пирамидальных выступов 8 с расположенным между ними теплоизолятором 9. Модули установлены на вершинах усеченных пирамидальных выступов. Основание выступов обращено к системе каналов, обеспечивая кратчайший путь для тепловых потоков q (см. фиг. 3). Тем самым достигаются интенсивный теплообмен между термобатареями и теплоносителем и надежная теплоизоляция горячей и холодной секций друг от друга.

Подключение холодильника к объекту осуществляется с помощью вентилей 10 и 11. Вентиль 12 является перепускным и служит для реализации режима накопления холода при закрытых вентилях 10 и 11.

Вентили 13 и 14 служат соответственно для подачи и слива охлаждающего горячие секции теплоносителя.

Термостатированный бачок 15 с теплоносителем 16 служит одновременно для заполнения теплоносителем подключаемых объектов и является дополнительным аккумулятором холода.

Термоэлектрический холодильник работает следующим образом.

Включается движение теплоносителя через охлаждаемые секции 4, например они подключаются к системе подачи технической воды с помощью вентилей 13 и 14. Система циркуляции теплоносителя через охлаждающие секции с помощью вентилей 10, 11 и 12 отключается от охлаждаемого объекта с обеспечением циркуляции теплоносителя по замкнутому контуру внутри холодильника. Включается центробежный насос 5. Включается питание термоэлектрических батарей. Происходит отвод тепла от горячих сторон термобатарей и постепенное охлаждение термоаккумулятора (корпусов, термостатированного бачка, трубопроводов и теплоносителя). По достижении температуры термоаккумулятора требуемой величины с помощью вентилей 10, 11 и 12 производится подключение холодильника к охлаждаемому объекту и перекрытие потока внутренней циркуляции теплоносителя.

После охлаждения объектов до требуемой температуры начинается технологический процесс, например прессование нагретых заготовок. Нестационарность поглощения объектом тепла от нагретых заготовок сглаживается аккумулированным "холодом" при постоянной подпитке термоаккумулятора "холодом" от холодной стороны термоэлектрических батарей.

Теплообменные агрегаты термоэлектрического холодильника выполнены в виде двух корпусов. Корпуса снабжены постаментами для термомодулей, выполненными в виде усеченных пирамид. Основания пирамид обращены в сторону каналов, а свободное пространство между корпусами заполнено теплоизолятором. Каналы в теплообменных агрегатах выполнены зигзагообразными. Использование изобретения позволит повысить КПД и быстроту охлаждения отдельно расположенных технологических объектов с нестационарным теплопоглощением, имеющих большую массу и площадь наружной поверхности. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Термоэлектрический холодильник, содержащий теплообменные агрегаты с каналами для циркуляции теплоносителей и заключенные между агрегатами термомодули, отличающийся тем, что теплообменные агрегаты выполнены в виде двух корпусов, корпуса теплообменных агрегатов снабжены постаментами для термомодулей, выполненными в виде усеченных пирамид, основания которых обращены в сторону каналов, а свободное пространство между корпусами заполнено теплоизолятором. 2. Термоэлектрический холодильник по п.1, отличающийся тем, что каналы в теплообменных агрегатах выполнены зигзагообразными.