Термоэлектрический льдогенератор Советский патент 1992 года по МПК F25C1/12 F25B21/02 

(Л

С

Использование: в области холодильной техники. Сущность изобретения: термоэлектрический льдогенератор содержит термобатарею, ванну, поддон , примыкающую к холокн&м ЪПая м батареи, поддон для воды, теплообменник, включающий ребристый радиатор., и пластины из пористого материала, размещенные между ребрами радиатора с образованием воздушных каналов, имеющие участки, расположенные в поддоне. Льдогенератор снабжен воздухоохладителем, образованным свободными концами выступов пластин и размещенными между ними с воздушными зазорами пористыми элементами. Также льдогенератор имеет смесительнуюкамеру,датчик эле ктросопроти вл ёШя и регулятор смещения задвижки, к которой прикреплены пластины. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится холодильной технике, а именно к термоэлектрическим льдогенераторам, использующим эффект Пельтье.

Известен термоэлектрический льдогенератор, содержащий термобатарею с гйря- чими и холодными спаями, ванну для , замораживания воды, примыкающую (Гхб- лодным спаям, теплообменник, включающий вентилятор, ребристый радиатор, примыкающий к горячим спаям.

Недостатком данного льдогенератора является низкая производительность , обусловленная длительностью процесса приготовления льда из-за недостатйчнб эффективного охлаждения горячих спаев потоком воздуха, вентилирующего радиатор, особенно в условиях жаркого климата. Этот недостаток устранен в наиболее близком к предлагаемому, по технической сущности и достигаемому результату,

термоэлектрическом ль до генер ат ор е использующем эффект испарительного охлаж- дения, содержащем термобатарею с горячими и холодными спаями, ванну для замораживаемой воды, примыкающую к холодным спаям, поддон для воды теплообменник, включающий вентилятор, ребристый радиатор, примыкающий к горячим спаям, пластины из пористого матерйа- ла, размещенное МТе&Дуребрами радиатора с образованием воз душных каналов, имею- щие участки, распол ож ен й ыё в подмене (2) Однако данный льдогенератор не обеспечивает высокой производительности в силу недостаточного Эффекта охлаждения горячих спаев, что обусловлено большими значениями термичес когру и аэроДйнйм иче- ского сопротив лёний пл астин из пористого материала, размещенных между ребрами радиатора, соответственно - недостаточно интенсивным охлаждением горячих спаев

vj со

а

(Л

VI

Так, например, размещение пластин между ребрами приводит к загромождению проходного сечения воздушных каналов, образованных ребрами радиатора, соответственно - к уменьшению расхода вентилирующего воздуха, его перегреву и в результате - к ухудшению эффекта охлаждения ребер и горячих спаев. Вместе с тем собственное термическое сопротивление пластин, также как и сопротивление в местах их касанЖс рёбратШГухуДШаёт интенсивность охлаждения ..горючих спаев при высыхании пластинГс другой стороны - ин- тенсйвно т% охлаждения и соответственно производительность снижаются при повышении влажности вентилирующего воздуха, из-за ослабления испарительного эффекта.

Цель изобретения - повышение производительности льдогенератора, а именно - у скорей иё п роцёсса п ри готШл ёнйя л ьда, путем интенсификации процесса охлаждения горячих спаев термобатарей.

Указанная цель достигается тем, что льдогенератор снабжен воздухоохладителем и смесительной камерой, при этом пластины имеют выступы, расположенные вне теплообменника (& зоне входа в него вентилирующего потока воздуха, и воздухоохладитель образован свободными концами выступов пластин и размещенными между ними с воздушными зазорами пористыми элементами, имеющими участки, сообщенные с поддоном, а смесительная камера расположена между теплообменником и воздухоохладителем и содержит участки выступов пластин, перфорированные крышку и расположенную под ней задвижку, установленную с возможностью перемещения относительно крышки, причем пластины прикреплены ,к задвижке для поперечного смещения их в каналах между ребрами радиатора теплообменника. Кроме того, указанная цель достигаемся тем, что перфорация в крышке и задвижке выполнена в виде щелей, расположенных вдоль оси кЗмёры, при этом длина щелей не превосходит глубин/смеситШьйоТй ШйеЭы; а ширина - величину максимального поперечного смещения пластин в каналах между ребрами радиатора; а также тем, что льдогенератор снабжендатчиком электросопротивления пластин и регулятором смещения задвижки, связанным с задвижкой и с указанным датчиком.

На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый; льдогенератор, общий вид; на фиг. 2 - элементы в разрезе; на фиг. 3 - расчетная схема (где тн - температура полного насыщения воздуха содержащимися в нем водяными парами; хж -- эффективная

температура среды, охлаждающей горячие спаи. 1 - Температура окружающего воздуха 50°С, влажность 28% (на входе в радиатор). 2 - Температура 31,7°С, влажность

100% - использование предложенного устройства).

Термоэлектрический льдогенератор содержит: термобатарею 1 с горячим 2 и холодным 3 спаями; ванну 4 для

0 замораживаемой воды, примыкающую к холодным спаям 3, снабженную крышкой 5. заключенную в теплоизоляцию 6, содержащую льдоформу 7 с ячейками 8 с замораживаемой .водой; поддон 9 для воды;

5 теплообменник 10, включающий вентилятор 11с электродвигателем 12 и ребристый радиатор 13, примыкающий к горячим спаям 2 через теплопереход 14 и установленный над поддоном 9; пластины 15 из

0 пористого материала, размещенные между ребрами 16 радиатора с образованием воздушных каналов 17, имеющие: участки 18, расположённые в поддоне, находящиеся в контакте с водой в поддоне с потоком 19

5 воздуха, вентилирующего каналы 17, и выступы 20, расположенные вне теплообменника 10 в зоне 21 входа в него вентилирующего потока 19 воздуха; воздухоохладитель 22, образованный свободны0 ми концами 23 выступов 20 пластин 15 и пористыми элементами 24, размещенными с воздушными зазорами 25 между свободными концами 23 выступов пластин и имеющими участки 26, сообщенные с поддоном

5 9; смесительную камеру 27, расположенную между теплообменником 10 и воздухоохладителем 22 и содержащую: участки 28 высту- пов 20 пластин 15. перфорированную крышку 29, с перфорацией 30, и перфориро0 ванную задвижку 31, с перфорацией 32, расположенную под крышкой и установленную с возможностью перемещения относительно крышки; замки 33, при помощи которых пластины -15 на участках 28 их выступов 20

5 прикреплены к задвижке для поперечного, . по отношению к направлению потока 19 воздухаТсмещения пластин 15 в каналах 17 между ребрами 16 радиатора 13 теплообменника 10; щели 34, в виде которых выпол0 нена перфорация 30 и 32 в крышке и задвижке, расположенные вдоль оси 35 смесительной камеры 27, имеющие длину а, не превышающую глубину I смесительной камеры, и ширину о, не превышающую вели5 чину с максимального поперечного смещения пластин 15 в каналах 17 между ребрами 16 радиатора 13; льдогенератор также содержит: датчик электросопротивления пластин 15, состоящий из источника 36 переменного тока, проводника 37, соединяющего задвижку 31 с поддоном 9, и из дросселя 38; регулятор поперечного смещения задвижки 31, состоящий из пружины 39, закрепленной на опоре 40 и на одной стороне задвижки, и из штанги 41, закрепленной на противоположной стороне задвижки 31 и размещенной внутри дросселя 38.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

Поддон 9 заполняется водой для обеспечения эффекта испарительного охлаждения горячих спаев 2 термобатареи 1. Льдоформа 7 устанавливается внутри ванны 4; ячейки 8 льдсформы 7 заполняются водой для ее замораживания и получения пищевого льда. Ванна 4 закрывается крышкой 5. Включается электропитание термобатареи 1. Электропитание осуществляется от источника постоянного тока. Одновременно включается электропитание электродвигателя 12 вентилятора 11. В зависимости от конструкции двигателя, последний подключен к источнику питания постоянного или переменного тока. При прохождении постоянного электрического тока через термобатарею 1 согласно эффекту Пельтье на ее холодных спаях 3 поглощается количество тепла QX, равное холодопроизводительно- сти термобатареи. На горячих спаях 2 термобатареи 1 выделяется количество тепла Qr, равное сумме холодопроизводительно- сти и электрической мощности потребляемой, термобатареей. Тепловой поток Qx, направленный от массы замораживаемой воды в ячейках 8 к холодным спаям 3, проходит через систему термических

сопротивлений, каковыми являются: массы замораживаемой воды, металлических конструкций льдоформы 7, ванны 4; места их контакта, а также контакта ванны, примыкающей к холодным спаям, с самими спаями 3. Данная сумма термических сопротивлений определяет температуру холодных спаев. Объектом охлаждения является замораживаемая вода. Объектом сброса тепла является поток 19 воздуха, вентилирующего ребристый радиатор 13, примыкающий к горячим спаям 2 через теп- лопереход 14 и установленный над поддоном 9.

Термическое сопротивление системы теплопереход - радиатор - вентилирующий воздух определяет температурный на- пор этой системы и соответственно температуру горячих спаев. Разница температур горячих спаев определяет значение холодопроизЕодительности Qx термобатареи и, следовательно, производительности 6л льдогенератора, равной интенсивности замораживания. Производительность льдогенератора повышается путем интенсификации охлаждения горячих спаев. Последняя достигается при использовании дополнительного источника холода, а имен- 5 но - водоиспарительного охлаждения потока вентилирующего воздуха и ребер 16 радиатора 13.

В режиме А (фиг. 2), при заполнении поддона 9 водой, пластины 15 из пористого 0 материала, например, сепараторный пласт для автоаккумуляторов, размещены между ребрами 16 радиатора 13 таким образом, что своей гладкой поверхностью касаются боковой поверхности ребра 16, а поверх- 5 ность с выступами направлена к смежному ребру с образованием канала для прохода вентилирующего воздуха. При размещении одной пластины в межреберном промежутке, последний состоит из пластины и канала. 0 Каждое ребро 16 по своим боковым поверхностям соответственно ограничено пластиной 15 и каналом 17. Пластины 15 из пористого материала, размещенные между ребрами 16 радиатора 13 с образованием 5 каналов 17, находятся в контакте с водой через участки 18, расположенные в поддоне 9 и в контакте с потоком 19 вентилирующего воздуха. Благодаря контакту с водой в поддоне и действию капиллярных сил в пори- 0 стом материале, пластины смачиваются водой, заполняющей капилляры. Через капилляры внутри пластин 15 воды транспортируется к их боковым поверхностям, одна из которых прилегает к поверхности ребер 5 16, а другая - контактирует с потоком вентилирующего воздуха.

Прилегание одной из поверхностей пластины к ребру обеспечивает капиллярный эффект на этой поверхности, способствует 0 заполнению водой воздушной зоны контакта и соответственно уменьшает термическое-сопротивление этой зоны. При движении потока 19 воздуха в каналах 17 происходит охлаждение и увлажнение этого 5 потока за счет разницы конвективной теплоотдачи к мокрой поверхности пластины 15 и конвективного теплопритока от сухой поверхности ребра 16. Увлажнение потока - за счет испарения воды с мокрой поверхности 0 пластины 15 в поток 19 воздуха с меньшим паросодержанием. Благодаря испарительному эффекту тепловой noTOKQr, поступающий от горячих спаев 2 к поверхностям ребер 16, не в полной мере идет на подогрев 5 вентилирующего воздуха, а частично затрачивается на испарение воды. При этом температура ребра tp снижается практически до уровня температуры tM мокрой поверхности пластины, которая значительно (до 10°С) ниже температуры t вентилирующего воздуха. Дополнительный эффект испарительного охлаждения обеспечивает сброс тепла с горячих спаев в условнуюсреду - паровоздушную смесь - со средней температурой t, значительно пониженной по сравнению с температурой tox воздуха на входе в радиатор. Так, при температуре окружающего воздуха и его относительной влажности 28% значение т# достигает 36.5°С; при этом, а также при дополнительном эффекте интенсификации теплопередачи за счет контакта мокрых пластин 15 с ребрами 16, холодопроизводительность Qx повышается от 3,3 до 12 Вт, соответственно пропорционально возрастает производительность льдогенератора.

С целью повышения производительности путём дальнейшей интенсификации охлаждения горячих спаев используется эффект предварительного охлаждения потока воздуха в воздухоохладителе 22 перед входом в радиатор; при этом пластины 15 из пористого материала имеют выступы 20, расположенные вне теплообменника 10 (включающего вентилятор и радиатор), в зоне 21 входа в него вентилирующего потока 19 воздуха, и воздухоохладитель 22 образован свободными концами 23 выступов 20 пластин 15 и размещенными между концами 23, с воздушными зазорами 25, пористыми элементами 24, имеющими участки 26, сообщенные с поддоном. Воздух, поступающий в воздухоохладитель, происходит через зазоры 25, охлаждается в нем и насыщается за счет контакта с поверхностями свободных концов 23 выступов 20 пластин и с поверхностями пористых элементов 24; указанные поверхности увлажнены за счет капиллярного эффекта поступления влаги из поддона 9 через участки 18 пластин, расположенные в поддоне, и через сообщенные с поддоном участки 26 пористых элементов. Размещение пористых элементов между свободными концами пластин обеспечивает значительное развитие конвективной поверхности воздухоохладителя и интенсификацию тепло - массообмена за счет уменьшения эквивалентного диаметра воздушных каналов (зазоров). Соответственно более интенсивно охлаждается поток воздуха, поступающего в радиатор и повышается производительность льдогенератора за счет интенсификации процесса охлаждения горячих спаев термобатареи. В указанном воздухоохладителе 22 воздух, при прохождении в зазорах 25, охлаждается от 50 до 31,7°С. а его относительная влажность повышается от 28% практически до 100%. При этом в радиатор поступает воздух с пониженной на 18,3°С

температурой. Это способствует интенсификации охлаждения горячих спаев и приводит к снижению условной температуры t охлаждающего теплоносителя 33,5 от

32,2°С, соответственно к повышению на 4- 5% производительности льдогенератора.

Производительность льдогенератора уменьшается в случаях, когда произошло высыхание пластин 15 и отсутствует воз0 можность подпитки поддона 9, новой порциейводы.Недостаточная производительность льдогенератора объясняется резким увеличением термического сопротивления высохшей пластины 15 из

5 пористого материала, прилегающей также к сухой поверхности ребра 16. Эта область практически является тепловой изоляцией. Предлагаемое устройство позволяет устранить этот недостаток путем освобождения

0 поверхности ребра 16 от слоя упомянутой теплоизоляции, т.е. за счет интенсификации теплообмена путем поперечного перемещения пластин в среднюю зону межреберного промежутка, а также за счет снижения пере5 грева потока 19 воздуха в каналах 17 путем увеличения его расхода благодаря добавке потока 19 атмосферного вентилирующего воздуха. Это осуществляется благодаря тому, что льдогенератор наряду с воздухоох0 ладителем, снабжен смесительной камерой 27. расположенной между теплообменником 10 и воздухоохладителем 22, содержащей участки 28 выступов 20 пластин 15. перфорированную крышку 29. с перфора5 цией 30. и перфорированную задвижку 31, с перфорацией32, расположенную под крышкой и установленную с возможностью перемещения относительно крышки; причем пластины 15 прикреплены к задвижке на

0 участках 28 и выступов 30, при помощи замков 33 - для поперечного смещения их в каналах 17 между ребрами 16 радиатора 13 теплообменника 10. Так, согласно положению Б фиг. 2, при высыхании пластин 15,

5 прикрепленных к задвижке 31 на участках 28 и выступов 20 через замки 33. перфорированная задвижке 31, расположенная под перфорированной крышкой 29, перемещается относительно крышки вправо на вели0 чину с максимального смещения - до положения пластин 15 в середине каналов 17; соответственно перфорация 30, 32 крышки и задвижки совпадают между собой, образуются каналы для подсоса допол5 нительного потока атмосферного воздуха через крышку 29 и задвижку - в смесительную камеру 27. В камере 27 смешиваются два потока и объединяются в поток с повышенным расходом всГздуха. Указанный поток, сформированный в смесительной

камере, расположенной между теплообменником 10 и воздухоохладителем 22, движется вдоль участков 28 выступов 20 пластин и поступает в теплообменник, проходя через зону 21 входа в него вентилирующего потока. Таким образом, производимая манипуляция поперечного смещения крышки с прикрепленными к ней пластинами обеспечивает интенсификацию охлаждения в наиболее неблагоприятных условиях отсутствия влаги, что приводит к повышению холодопроизводительности льдогенератора от 3,3 до 4.6 Вт.

Недостаток предложенного устройства, значительное аэродинамическое сопротивление перфорации 30, 32 крышки и задвижки, приводит к уменьшению интенсивности подсоса воздуха в режиме Б сухой работы. Этот недостаток может быть устранен путем максимально возможного развития проходного сечения в пределах габаритов смесительной камеры и в пределах максимального смещения задвижки, а также путем увеличения длины смесительного участка и приближения конфигурации перфорации к конфигурации плоскощелевых каналов 17. Это приводит к увеличению производительности льдогенератора за счет интенсификации вентиляции радиатора. Достигается это тем, что перфорация 30, 32 в крышке и задвижке выполнена в виде щелей 34, расположенных вдоль оси 35 смесительной камеры 27. При этом длина а щелей не превосходит глубину I смесительной камеры, а ширина b - величину с максимального смещения пластин в каналах 17 между ребрами 16 радиатора 13 (межреберных промежутках). Указанное ограничение обеспечивает эффективную работу устройства в режиме А испарительного охлаждения благодаря герметичному соединению крышки с задвижкой, соответственно - исключение нежелательного подсоса воздуха в режиме А через перфорацию.

:фоизводительность льдогенератора дополнительно повышается путем своевременной интенсификации охлаждения горячих спаев за счет автоматизации процесса слежения за режимами работы.

С этой целью льдогенератор снабжен датчиком электросопротивления пластин, состоящим из источника 36 переменного тока, проводника 37, соединяющего задвижку 31 с поддоном 9, и из дросселя 38, а также снабжен регулятором поперечного смещения задвижки 31, состоящим из пружины 39, закрепленной на опоре 40 и на одной стороне задвижки, и из штанги 41. закрепленной на противоположной стороне задвижки и размещенной внутри дросселя 38.

В режиме А испарительного охлаждения пластины 15 насыщены влагой и обладают значительной электропроводностью. Датчик электросопротивления пластин 5 представляет собою электрическое соединение задвижки - через мокрые пластины 15, прикрепленные к ней в замках 33, с поддоном 9, с которым контактируют мокрые пластины 15 при его заполнении водой че0 рез проводник 37; датчик также включает в себя источник 36 переменного тока и дроссель 38, которые замыкаются через мокрые пластины пониженного электросопротивления, а также через поддон и задвижку, вы5 полненные из электропроводящих материалов. Через дроссель 38 проходит переменный ток и штанга 41, закрепленная на одной из сторон задвижки, размещенная внутри дросселя, выполненная в виде сталь0 ного сердечника, втягивается в дроссель, при этом преодолевая сопротивление пружины (растягивая ее) 39, закрепленной на опоре 40 к противоположной стороне задвижки. Перемещение сердечника осущест5 вляется до упора, образованного ребрами 16 - до осуществления контакта ребер с пластинами 15.

При высыхании пластин, соответственно при опорожнении поддона 9 с водой,

0 осуществляется автоматический возврат в режим Б работы: упомянутая электрическая цепь размыкается, так как пластины в этом случае представляют собой электроизолирующий материал, электропитание

5 дросселя прерывается и задвижка 31 вместе со штангой 41, под действием пружины 39, возвращается вправо до крайнего положения, обусловленного пружиной. Формула изобретения

0 1. Термоэлектрический льдогенератор, содержащий термобатарею с горячими и холодными спаями, ванну для замораживаемой воды, примыкающую к холодным спаям, поддон для воды, теплообменник,

5 включающий вентилятор, ребристый радиатор, примыкающий к горячим спаям, и пла- стины из пористого материала, - размещенные между ребрами радиатора с образованием воздушных каналов, имею0 щие участки, расположенные в поддоне, о т- личающийся тем, что, с целью повышения производительности путем интенсификации процесса охлаждения горячих спаев термобатареи, льдогенератор снабжен воз5 духоохладителем и смесительной камерой, при этом пластины имеют выступы, расположенные вне теплообменника в зоне входа в него вентилирующего потока воздуха, и воздухоохладитель образован свободными концами выступов пластин и размещенными между ними с воздушными зазорами пористыми элементами, имеющими участки, сообщенные с поддоном, а смесительная камера расположена между теплообменником и воздухоохладителем и содержит участки выступов пластин, перфорированную крышку и расположенную под ней задвижку, установленную с возможностью перемещения относительно крышки, причем пластины прикреплены к задвижке для поперечного смещения их в каналах между ребрами радиатора теплообменника.

фнг.1

2,Льдогенератор по п. 1, о т л и ч а ю - щ и и с я тем, что перфорация в крышке и задвижке выполнена в виде щелей, расположенных вдоль оси камеры, при этом длина щелей не превышает глубину смесительной камеры, а ширина - величину максимального поперечного смещения пластин в каналах между ребрами радиатора.

13 15 15 f7 34 27 24с jt/it. / /

fS ff17

1S 23

J5

30

125 10 2050

fftyfxnttqwt/ рост Воздуха

ZZ7ZZZZZ 5

iff

111

F- t 19

/.

#

и

H

36

1S

16

25

,18

30M