ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЖИДКОСТНОЙ ГЕНЕРАТОР ХОЛОДА ИЛИ ТЕПЛА Российский патент 2001 года по МПК B61D27/00 B60H3/00 H01L35/28 

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к кондиционирующему и холодильно-морозильному термоэлектрическому оборудованию, применяемому, например, в пассажирском железнодорожном транспорте и в сельскохозяйственном производстве.

Известны термоэлектрические генераторы холода или тепла, применяемые в устройствах для кондиционирования воздуха в транспортных средствах, содержащие теплообменник (водяной, испарительный и др.), радиационно-конвективные панели разных видов, форм и назначений, включающие источник постоянного тока, замкнутые контуры циркулирующего теплоносителя в виде фильтровентиляционных и теплоотводящих жидкостных систем, системы диагностики и контроля, ряд других вспомогательных устройств, например вентилей, насосов и др., рассмотренные и проанализированные в качестве аналогов и прототипа по отечественным авторским свидетельствам (А.С.), зарубежным патентам и публикациям.

Термоэлектрические генераторы холода или тепла, смонтированные в установке для кондиционирования воздуха кабины транспортного средства (А.С. СССР N 688351), имеют фильтровентиляционную и теплоотводящую жидкостную системы, соединены с радиационно-конвективными панелями, направленными радиационными поверхностями в зону нахождения водителя транспортного средства, подключены к источнику постоянного тока. В А.С. СССР 1572839 описаны термоэлектрические блочно-модульные генераторы холода или тепла установки для кондиционирования воздуха, содержащие радиационную и конвективную системы теплообмена, теплообменник горячих спаев, воздуховоды и кондуктивные теплообменники термоэлектрических генераторов холода или тепла, причем генераторы выполнены из радиационной и конвективной частей. Термоэлектрические батареи радиационной части выполнены с водяным съемом тепла с их горячих спаев, а термобатареи конвективной - с воздушным, и связаны с кондуктивными теплообменниками. В термоэлектрическом устройстве по А.С. СССР N 1010413 для создания микроклимата в транспортном средстве экономичность устройства повышается за счет содержания замкнутого водяного контура, расположенного между холодными и горячими спаями термоэлектрического генератора, а также регулятора с поворотным валом. В установке для кондиционирования воздуха (А.С. СССР N 1034931) для повышения энергетической и гигиенической эффективности, а также надежности работы путем выравнивания температурного поля радиационно-конвективных панелей в направлении от входного коллектора к выходному, в каналах панелей установлены трубки разного конструктивного выполнения - сужающиеся, увеличивающиеся по длине коллектора, что позволяет обеспечить выравнивание тепловой нагрузки термоэлектрического генератора, снизить градиент температурного поля панелей. Имеется ряд устройств термоэлектрических генераторов в установках для кондиционирования, в которых для повышения эффективности создания микроклимата используются в одних случаях сложные испарительные блоки, включающие емкость для жидкости с пористой перегородкой с контурной циркуляцией охлаждающей жидкости, в других - вакуум-насосы, конвективные теплообменники, состоящие из двух плоскостей, одна из которых сообщена с воздушно-жидкостным радиатором, а другая через бак с всасывающей полостью вакуум-насоса (А.С. СССР N 1250483). В А.С. СССР N 1438972 термоэлектрический генератор холода или тепла установки для кондиционирования воздуха транспортного средства содержит систему отвода тепла от горячих спаев генератора, включающую конвективный теплообменник и радиационную панель, служащую для повышения эффективности работы установки; последняя выполнена из отдельных подвижных элементов, раздельно подключенных к насосу через электромагнитные клапаны.

Все вышеперечисленные устройства термоэлектрических генераторов холода или тепла установок для кондиционирования воздуха, созданные в СССР в 70-80-е годы, имеют ряд существенных недостатков, главные из которых: низкая энергетическая эффективность; большие холодопотери, приводящие к повышенным затратам на кондиционирование воздуха, и тем самым приводящие к увеличению габаритов кондиционера; отсутствие равномерности температурного поля и возникновение на радиационной поверхности переохлажденных или перегретых участков, ухудшающих работу термоэлектрического генератора, снижая его холодильный коэффициент; выход из строя термогенератора из-за перегрева горячих спаев термобатарей в условиях жаркого климата или на производстве с повышенными температурными режимами; вынужденное отключение термогенераторов от источника электроэнергии, что приводит к повышенным тепловым потерям между холодными и горячими спаями, и ряд других.

В последние годы в РФ созданы устройства термоэлектрических генераторов холода или тепла в установках для кондиционирования воздуха, в частности в заявках на изобретения N 96113822/11 от 09.07.96 г., N 97110998/28 от 27.06.97 г., по которым получены положительные решения, приводятся схемно-конструктивные решения некоторых термоэлектрических генераторов холода или тепла.

За рубежом также разработан ряд конструкций термоэлектрических генераторов холода или тепла, отопительно-охладительных агрегатов, а также отдельных устройств для осушения воздуха (пат. США NN 4499736, 4506510). Интересно использование термоэлектрических тепловых насосов, устанавливаемых на стенке или потолке для обогрева или создания микроклимата в комнатах, в которых нет движущихся частей, и теплообмен осуществляется путем естественной конвекции (пат. США N 4492086). Аналогичное нагревающее и охлаждающее устройство разработано для автомобилей (пат. США N 4280330), которое работает от отдельной аккумуляторной батареи и может функционировать без включенного двигателя. Применяются и другие традиционные противоточные системы (пат. США N 4463569). Известно устройство, в котором между двумя цилиндрическими роторами, подобными центробежному вентилятору, помещены термобатареи, вращаемые с роторами как единый полый агрегат, заполненный жидкостью; таким образом, достигается создание охлажденного и нагретого потоков воздуха (пат. США N 3599437). В мощных отопительно-охладительных устройствах типа "жидкость-воздух" основное внимание уделяется совершенствованию системы теплообмена, конструкциям теплообменников и способам их изготовления. Используются экструдированные теплообменники сложной конфигурации (пат. США N 4472945); игольчатые или пластинчатые теплообменники, изготовленные из одной цельной заготовки (пат. США N 4297849); развитые теплообменники из пористого материала, в которых имеются каналы для транспортировки сконденсировавшейся жидкости, и изотермичность системы достигается при использовании испарения и конденсации вещества, заполняющего теплообменники. Такие системы можно использовать для естественно-конвективного теплообмена (пат. США N 4448028). В патенте США N 4350016 описывается устройство и способ охлаждения при помощи термоэлектрического элемента, работающего от постоянного тока, в котором тепло, перенесенное на горячую сторону, рассеивается на внешнем теплообменнике, охлаждаемого водой, а также взаимодействием с внешней средой.

Из рассмотренных отечественных и зарубежных аналогов наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению относится разработка термоэлектрической системы средней (мощность от 1 до 10 кВт) и большой мощности (10 кВт и более), состоящей из нескольких подблоков, используемых для охлаждения и нагрева воздуха в вагоне по схеме "жидкость-жидкость" (вода-вода) путем охлаждения воды, циркулирующей в термоэлектрических генераторах, доложенная J.G. Stocholm, P.M. Schlicklin на Первой европейской конференции по термоэлектричеству в Кардиффе в 1987 г., в их докладе "Промышленное термоэлектрическое охлаждение и вырабатывание электричества между 200 К и 500 К (См. материалы IEE materials 1st European Conference on Thermoelectrics, Cardiff, p.p. 235-263/ Printed in England by short Run Press Ltd. , Exeter. "Industrial thermoelectric cooling and electricity generation between 200 K and 500 K").

Термоэлектрический генератор, названный авторами доклада как "подблок", может быть скомпонован для специальных применений с использованием стандартных компонентов и специальных теплообменников. Стандартный подблок PE 925, работающий по схеме "вода - вода", имеет систему труб с внутренним диаметром 17 мм, весом 50 кг. Средние системы имеют несколько подблоков, а большие системы состоят из большого количества подблоков (10 и более), сгруппированы в секции, которые соединены с замкнутым потоком жидкости в параллельную цепь. Их электрические цепи позволяют получать рабочее напряжение в несколько сот вольт. Подблоки, изготовленные по схеме "вода - вода", вставляются в секции, похожие на выдвигающиеся ящики. Компоновка схемы движения жидкости между подблоками зависит от скорости потока воды и необходимой разницы температур между входным и выходным отверстиями каждой схемы. Цепь холодной воды состоит из двух цепей, соединенных параллельно, может иметь пять подблоков, соединенных последовательно. Наряду с известными преимуществами термоэлектрической системы, работающей по схеме "жидкость - жидкость", такие как надежность в работе, высокая средняя наработка на отказ, малая термическая энергия, бесшумность и безопасность, не имеющей движущихся частей, кроме насосов, отсутствие компрессионных жидкостей, типа фреонов, позволяющих при значительных превышениях рабочего напряжения - вдвое от номинального увеличивать охлаждающую способность на 30-50%, или увеличивать КПД при уменьшении охлаждающей способности ниже 50% от номинала по сравнению с компрессионными системами, в которых КПД, наоборот, уменьшается, предлагаемая авторами в докладе термоэлектрическая система имеет и недостатки: большие массогабаритные параметры как каждого подблока, так и системы в целом, сложность конструктивного выполнения, нетехнологичность соединений и ряд других, что ограничивает применение этих мощных и очень громоздких термоэлектрических генераторов холода в холодильной технике и кондиционирующих системах.

Предложенное изобретение направлено на устранение перечисленных выше недостатков известных термоэлектрических генераторов холода или тепла, а именно на получение высокой энергетической, гигиенической и экологической эффективности, а также надежности работы генераторов за счет использования термоэлектрической системы, работающей по схеме "жидкость - жидкость" при компоновке любого количества теплообменников в блоки; термобатарей, позволяющих эффективно охлаждать термобатареи в том числе непосредственно протекающей вдоль наружных поверхностей водой с обеспечением надежной герметизации всей системы в целом.

Сущность решения поставленной задачи согласно изобретению заключается в том, что в термоэлектрическом жидкостном генераторе холода и тепла, содержащем корпус, чередующиеся "горячие" и "холодные" теплообменники с каналами для прохода жидкости с размещенными между ними термоэлектрическим батареями, подключенными к источнику постоянного тока, теплообменники выполнены в виде:
- профиля с каналами для прохода жидкости, по краям которых для подвода и отвода жидкости установлены втулки, обеспечивающие герметизацию жидкостного тракта за счет уплотняющего, преимущественно резинового, кольца, а корпус генератора выполнен герметичным и заполнен сухим воздухом;
- профиля с отверстиями для прямого соприкосновения жидкости с наружными поверхностями термобатарей и перемычками, являющимися стенками каналов профиля, на которые для герметизации тракта прохождения жидкости нанесен клей-герметик.

Существенными отличиями предлагаемого термоэлектрического жидкостного генератора холода или тепла являются:
- выполнение его теплообменников из профиля с каналами для прохождения жидкости с втулками, обеспечивающими герметизацию всего жидкостного тракта генератора;
- выполнение профиля теплообменников с отверстиями для прямого соприкосновения жидкости с наружными поверхностями термобатарей, позволяющий осуществить более эффективный отвод тепла;
- исключение выпадания конденсата внутри термоэлектрического блока, благодаря заключению его в герметичный корпус, заполненный сухим воздухом.

Все основные признаки предложенного термоэлектрического жидкостного генератора холода или тепла отсутствуют в устройствах аналогов и прототипе, взаимосвязаны друг с другом и с признаками констатирующей части. Их связь носит устойчивый характер.

Предложенный термоэлектрический жидкостной генератор холода или тепла показан на прилагаемых чертежах. На фиг. 1 показан в аксонометрии термоэлектрический генератор, на фиг. 2 - теплообменник с отверстиями, на фиг. 3 - сечение генератора холода, где: 1, 2, 3, 4, 5 - теплообменники, 6, 7 - втулки герметизирующие, 8 - кольцо резиновое герметизирующее, 9 - каналы для прохождения жидкости, 10 - термоэлектрические батареи, 11 - отверстия для контакта термобатарей с жидкостью, 12 - боковые стенки каналов, 13 - наружный корпус генератора холода. При этом теплообменники 1, 3, 5 образуют "горячий" тракт генератора. Теплообменники 2, 4 образуют "холодный" тракт генератора. Теплообменники собираются в общий пакет в последовательности 1, 2, 3, 4, 5, в промежутках между которыми устанавливаются термобатареи 10, и весь пакет генератора холода стягивается, например, шпильками (на фигурах не показаны). Через втулки 6, 7 крайних теплообменников производится подвод и отвод жидкости.

Генератор холода работает следующим образом. При подаче питания на термобатареи 10 и включении насосов (на фиг. не показаны) прокачки жидкости по "горячему" и "холодному" трактам, холодные стороны термоэлектрических батарей начинают охлаждать поверхности "холодных" теплообменников 2, 4 и соответственно охлаждать проходящую через них жидкость, которая подается на объект охлаждения, а горячие стороны термобатарей нагревают поверхности "горячих" теплообменников 1, 3, 5, при этом проходящая по этому тракту жидкость уносит выделяемое термоэлектрическими батареями тепло.

Использование предлагаемого изобретения позволит обеспечить эффективное охлаждение или нагрев воздуха на различных транспортных средствах, в частности в купе пассажирских железнодорожных вагонов, в кабинах электротепловозов, на автомобилях и их закрытых кузовах, танках, бронетранспортерах, вертолетах, в морском, воздушном, космическим и ряде других видов транспорта, а также в стационарных условиях, например в оборудовании для сохранения и производства сельскохозяйственной продукции. Компактность, надежность в работе, малая шумность, небольшие массогабаритные параметры герметичного корпуса, позволяющего исключить выпадание конденсата в замкнутом объеме, дали возможность создать уникальный по своим параметрам опытно-промышленный термоэлектрический генератор холода или тепла.

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к термоэлектрическому холодильному оборудованию. Термоэлектрический жидкостной генератор холода или тепла содержит корпус, чередующиеся "горячие" и "холодные" теплообменники 1, 2, 3, 4, 5 с размещенными между ними термоэлектрическими батареями 10, подключенными к источнику постоянного тока. Теплообменники выполнены из профиля с каналами для прохода жидкости, по краям которых для подвода и отвода жидкости установлены втулки 6, 7, обеспечивающие герметизацию жидкостного тракта за счет уплотняющего преимущественно резинового кольца 8. Для прямого соприкосновения жидкости с поверхностями термобатарей в теплообменниках, в местах расположения термобатарей, выполнены отверстия с перемычками, преимущественно являющимися стенками каналов профиля. на которые для герметизации термочувствительных элементов батарей от жидкости нанесен клей-герметик. Корпус выполнен герметичным и заполнен сухим воздухом. Изобретение повышает эффективность и надежность. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Термоэлектрический жидкостной генератор холода или тепла, содержащий корпус, чередующиеся "горячие" и "холодные" теплообменники с размещенными между ними термоэлектрическими батареями, подключенными к источнику постоянного тока, отличающийся тем, что теплообменники выполнены из профиля с каналами для прохода жидкости, по краям которых для подвода и отвода жидкости установлены втулки, обеспечивающие герметизацию жидкостного тракта за счет уплотняющего, преимущественно резинового кольца. 2. Термоэлектрический жидкостной генератор холода или тепла по п.1, отличающийся тем, что для прямого соприкосновения жидкости с наружными поверхностями термобатарей в теплообменниках, в местах расположения термобатарей, выполнены отверстия с перемычками, преимущественно являющимися стенками каналов профиля, на которые для герметизации термочувствительных элементов батарей от жидкости нанесен клей-герметик. 3. Термоэлектрический жидкостной генератор холода или тепла по п.1, отличающийся тем, что его корпус выполнен герметичным и заполнен сухим воздухом.