DE69903657T2 - Den peltiereffekt verwendender haushaltkühlschrank mit wärmespeichern und thermosiphons mit verdampfung - Google Patents
Den peltiereffekt verwendender haushaltkühlschrank mit wärmespeichern und thermosiphons mit verdampfungInfo
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Description
- Kühlung für den Heimgebrauch und für industrielle Kühlung.
- Systeme zur Erzeugung von Kühlung wurden je nach Anwendungserfordernissen entwickelt. Es gibt drei Grundtypen: Absorption, Kompression und Thermoelektrizität. Deren Grundprinzipien sind bekannt: Abzug von Hitze von einem Ort und deren Übertragung an einen anderen mit einer höheren Temperatur, und wobei hierzu eine Zufuhr von Energie erforderlich ist. Wenn diese letztere thermisch ist, handelt es sich um Absorptionssysteme, wenn sie mechanisch ist, um Kompressions- und, wenn sie elektrisch ist, handelt es sich um thermoelektrische oder Peltiersysteme (siehe z. B. Druckschriften US-A-2947150 und EP-A- 0021307). Es gibt andere direktere, die Hitze abziehen und diese von einem wärmeren Ort unter Verwendung von Wärme- oder Masseleitungssystemen oder Nutzung der Verdunstung einer Flüssigkeit oder Überdampfung eines festen Körpers an einen kälteren übertragen.
- Die meisten dieser Systeme verwenden Phasenaustauschwärme insbesondere die von Flüssigkeit - Dampf. Die am häufigsten als Kühlungserzeugungsfluide Verwendeten Substanzen oder Kühlmittel sind Amoniakanhydrid, aus Methan und Ethan mit Kohlenstoffatomen gebildete CFC und CHCF, deren Verwendung aufgrund von Problemen der Umweltverschmutzung insbesondere, da sie die Ozonschicht der Atmosphäre angreifen, verboten oder vermindert wird.
- Das Kühlgerät, das zur Erzeugung von Wärme und zum Pumpen derselben von niedrigen zu hohen Temperaturen eingesetzt wird, ist ebenfalls sehr bekannt. Es wird 'Wärmepumpe' genannt und ist in vollständiger Entwicklung.
- Zum Abziehen von Wärme sind auch 'Wärmeröhren' bekannt, deren Verwendung jedoch nicht sehr verbreitet ist. Sie bestehen aus verschlossenen, normalerweise rohrförmigen Behältnissen, in denen sich eine Flüssigkeit und deren Dampf sowie manchmal ein Docht oder Mull, über den die flüssige Phase aufgrund der Kapillarkräfte aufsteigt, befinden. Diese können bei vertikaler oder leicht geneigter Aufstellung als Kälteerzeuger verwendet werden.
- Im Patent 'Kühlanlagen mit Wärmeröhren und Peltiereffekt für Heim- und Industriegebrauch', das dem Consejo Superior de Investigaciones Cientificas d. h. dessen Anmelder gehört, dessen Urheber drei der Urheber des vorliegenden Patents sind, waren Wärmeröhren und die Verwendung von Platten mit Peltiereffekt kombiniert. Darin war gleichfalls Wasser als Fluid im Warm- und Kaltbereich genannt.
- Bei der Umsetzung der Erfindung in die Praxis wurde beobachtet, daß der Kreislauf Verdampfen-Kondensieren wegen Flüssigkeitsrückschlags oder -staus nicht derselbe sein sollte wie der Rückführungskreislauf für das Kondensat, und daß ein thermosiphonartiger Kreislauf einem beregnungsähnlichen Mechanismus, vorzuziehen war.
- Die Verwendung von Platten mit Peltiereffekt für die Kühlung von Campingkühlgeräten ist weit verbreitet und bekannt. Die Wärme auf der Warmseite wird durch einen Wärmeaustauscher, der üblicherweise aus geripptem - Aluminium besteht, über Zwangsumwälzung unter Verwendung eines Ventilators verflüchtigt; die an der anderen Seite des Peltier erzeugte Kälte wird über ein Metall, üblicherweise Aluminium, zu einem Tank überführt, der ebenfalls aus Metall und aus demselben Material besteht. In grösseren Anlagen wie Hotelkühlgeräten, sind Rippen üblicherweise auf dem Aluminium der Kaltseite angebracht, und in manchen Fällen wird die Verflüchtigung mit Unterstützung durch Zwangsumwälzung verstärkt. Eine statische Kühlung für die Eiserzeugungswanne wurde in einigen Prototypen vorgenommen und in einem anderen mit zwangsumgewälzter Luft.
- Zur Erhöhung des Temperaturgefälles ist gleichfalls das Doppelgefälle oder die Kupplung von zwei Platten mit Peltiereffekt weithin bekannt. Bei guter Leistung kann eine jede Platte ein Gefälle von ungefähr 30ºC erzeugen. Da zum Aufbewahren von Gefriergut Temperaturen von -18ºC erreicht werden müssen, ist ein Einzelgefälle nicht zu empfehlen.
- In Heimkühlgeräten oder Kühlschränken der allgemein bekannten Art bestehen zwei differenzierte Bereiche, der Aufbewahrungsbereich mit Temperaturen über Null und der Gefrierbereich mit Temperaturen nahe -18ºC. Einige Modelle mit höherer Leistung sind mit Behältern von ein oder zwei Kilogramm eines kältespeichernden Produkts (Akkumulator) ausgestattet, entweder zur Verlängerung der Konservierung von Lebensmitteln bei niedrigen Temperaturen oder, um die Temperatur über einen längeren Zeitraum konstant zu halten und so das Kühlgerät zu unterstützen.
- Es gibt viele Patente, die sich auf Kühlgeräte beziehen, in denen die Kältequelle unterschiedlich ist, so daß Luft aufgrund natürlicher Konvektion fließt, Wannen oder Deflektoren eingefügt sind, und es könnte sonstige bezüglich der Isoliereigenschaften geben, die von der Form und Verteilung der Kühlelemente abhängig sind, damit eine natürliche Konvektion geeignet ist und Feuchtigkeitsmikroklimata günstig sind.
- Weitere Patente beziehen sich auf Steuersysteme mit Antifrostsystemen und mit Lamellenelemente darstellenden Kapillarröhren.
- Die vorliegende Erfindung besteht in der Kombination der mittels der Kühlung aufgrund des Peltiereffekts gegebenen Vorteile mit denen von Thermosiphons mit Phasenwechseln von Flüssigkeit zu Dampf, wobei sich die Phasenwechsel an den gewünschten Orten und bei den Temperaturen ergeben, wobei Schwerkraft, damit die flüssige Phase in den Warmbereich zurückkehrt, um gekühlt zu werden, und Wärmespeicherung mit einem Phasenwechsel bei der gewünschten Temperatur, um das System zu stabilisieren, verwendet werden. Dies erleichtert die Temperaturregulierung und ermöglicht die Verfügbarkeit von Energie bei normalem Abschalten oder abnormalen Abschalten aufgrund von Stromausfall oder, wenn die Steuersysteme arbeiten, usw.
- Zu berücksichtigen ist, daß die Leistung eines Wärmeaustauschers vom Übertragungsbereich und den Oberflächenkoeffizienten abhängt. Im Falle von siedenden Fluiden sind diese sehr hoch, im Falle von Luft mit niedriger Geschwindigkeit und überdies sehr niedriger Temperatur jedoch sehr niedrig, und die Austauscheroberflächen müssen vergrößert werden.
- Störend wirkeb bei vielen Anwendungen dieser Art in den Installationen Geräusche und Vibrationen der Kompressoren und Ventilatoren und allfälligen Beschleunigerpumpen zur Übertragung der Kälte von einem Bereich zum anderen, und jegliches bewegliches Element hat eine begrenzte Lebensdauer.
- Überdies muß berücksichtigt werden, daß in jeglicher Kühlanlage die Wärmelast zeitbedingt schwankt, was es erforderlich macht, geeignete Systeme zur Leistungsregulierung oder zum Abschalten einzusetzen. Eine Anlage wie die hier vorgeschlagene mit mehreren Platten mit Peltiereffekt und der Möglichkeit, diese mit veränderbaren, mittels Thermostaten über Relais gesteuerten elektrischen Strömen zu speisen, reduziert diese Probleme in außerordentlicher Weise auf ein Minimum. Es können äußerst beschränkte Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen erreicht werden, was die Qualität von aufbewahrten verderblichen Produkten verlängert.
- Dieses Patent weist im Vergleich zu dem vorhergehenden Stand der Technik folgende Vorteile auf:
- Unterdrückung von Geräuschen und Vibrationen, längere Lebenszeit, nicht- verschmutzend, bessere Temperatur- und Feuchtigkeitssteuerung, einfacher zu bauen und Instand zu halten und bezüglich einiger Typen billiger.
- Hoher Druck wird in denen vermieden, die keine Pumpen verwenden (was das Auftreten von Lecks verhindert), größere Nivellierungsprobleme werden beseitigt, Bauweisen werden vereinfacht, komplexe Werkzeuge, deren Amortisierung große Stückzahlen erfordert, sind nicht erforderlich, und Kosten und Leistungsanforderungen sind niedriger.
- Höhere Leistungen, Beseitigung beweglicher Teile, Verbesserung der relativen Feuchtigkeit und Temperatur, Reduzierung der über die Peltierplatten in zu kühlende Räume eintretenden Wärme während Abschaltzeiten.
- Fig. 1 liefert ein schematisches Diagramm.
- Der zu kühlende Raum kann aus einem oder zwei thermisch isolierten Fächern bestehen, in denen Luft aufgrund natürlicher Konvektion strömt (als Option kann diese erzwungen sein). Zwei Ziffern (1) und (9) sind in der Figur gezeigt. Die in ein jedes dieser beiden Fächer eintretende Wärme und die, die von den aufbewahrten Produkten, durch das Öffnen der Tür usw. erzeugt wird, wird mittels Verdunstung einer Flüssigkeit abgezogen, die Wasser sein kann, und deren Dampf im Oberteil des geschlossenen Raums kondensiert wird, wo die Kaltseiten der Peltierplatten installiert sind. Thermosiphons (5) und (8). Die Peltierplatten pumpen diese Wärme zu den Warmseiten, und in Wärme umzuwandelnde elektrische Energie muß verwendet werden. Diese letztere Wärme muß über die Warmseiten über die beiden Thermosiphons (3) und (6) abgezogen werden. Die gesamte, aus den Räumen abzuziehende Wärme zuzüglich der, die aufgrund des Joule-Effekts erzeugt wird, muß über den Tauscher oder Verflüchtiger (2) beseitigt werden. Dies ist der Grund dafür, daß die Phasenwechseltemperatur des Thermosiphons (3) einige wenige Grad über der maximalen Umgebungstemperatur liegen muß. Diese wurde in der Figur mit 32ºC veranschlagt. Der Verflüchtiger kann gerippt sein oder andersartige zusätzliche Oberflächen haben.
- Im Fall des Wärmeverflüchtigers und Thermosiphons (3) wird dieser, wenn die Flüssigkeit Wasser ist, im Bereich nahe der Warmseiten der Platten sieden und auf den gerippten Oberflächen kondensieren, die durch Luft in natürlicher (als Option erzwungener) Konvektion abkühlen.
- Die einzusetzenden Platten mit Peltiereffekt sowie deren Anzahl hängt von den Merkmalen des Heimkühlgeräts, der gewünschten Leistung sowie der Art und Stärke des Isoliermaterials ab. Es muß mit Gleichstrom mit einem für das gewünschte Temperaturgefälle (Erhöhung zwischen 30 und 40ºC) am geeignetsten Strom versorgt werden. Abgesehen davon, daß sie als Transportmittel wirkt, wirkt die in einen jeden der Thermosiphons eingeführte Flüssigkeit als Wärmespeicher. Als Option können sämtliche oder einige der Thermosiphons durch ein sehr gut wärmeleitendes Element ersetzt werden, welches aus Metall oder einem Kunststoff mit Kohlenstofffaser und Wärmespeicher mit eutektischen Mischungen sein können.
- Als Beispiel einer Ausführungsform der Erfindung wurde ein Heimkühlschrank mit Kapazitäten im Kühlbereich von 167,5 Litern (Temperatur zwischen 0 und 6ºC) und im Gefrierbereich 105 Litern (Temperatur zwischen -18ºC und -20ºC), der pro Tag 21 kg 85% Wasser enthaltende Nahrungsmittel einfrieren kann, gewählt. Mittlere Umgebungstemperatur:
- 23ºC. Die Isolierung wäre geschäumtes Polyurethan mit einer Dichte von 40 kg/m³, einem Wärmeleitungskoeffizienten von 0,023 w/m.K., Stärke beider Räume 6 cm.
- Kapazität des ersten Speichers, kg 0,3
- Kapazität des ersten Speichers, Kwh 11,97
- Temperatur des ersten Speichers, ºC 35
- Maximale Umgebungstemperatur 32
- Verflüchtigungsoberfläche des ersten Kreislaufs, m² 6
- Gesamtkoeffizient des ersten Kreislaufs, W/m² K 12
- Taxierung der aus dem ersten Kreislauf abzuführenden Wärme, W 449
- Kapazität der Zwischenthermosiphons, kg 0,15
- Kühlkapazität der Zwischenthermosiphon, Kw/h 0,84
- Taxierung der Kühlkapazität des ersten Kühlkreislaufs, W 6,3
- Taxierung Kühlkapazität des ersten Kühlkreislaufs für die zweite Etappe, W 129,7
- Oberfläche des Kühlfachkühlers, m² 0,53
- Kapazität des Thermosiphons für das Gefrierfach, kg 0,15
- Kältekapazität des Thermosiphons für das Gefrierfach, Kwh 0,84
- Taxierung der Kühlkapazität des Gefrierfachs, W2 6,4
- Oberfläche des Gefrierkühlers, m² 0,33
- Gefrierkapazität, kg/Tag 21,4
- Taxierung der Kühlung, W 21
- Taxierung der Heizung, W 64,7
- Stromverbrauch, W 43,7
- Platteanzahl, erstes Gefälle 8
- Plattenanzahl, zweites Gefälle 2
- Anteil des Kühlbetriebs, % 86,7
- Anteil des Gefrierbetriebs, % 62,9
- Stromverbrauch, W 358,2
- Gesamtstromverbrauch, Jahr, Kwh 3138
- Die Drücke in den vier Kreisläufen können theoretisch oder experimentell ermittelt werden. Bezüglich dieses letzteren auf folgende Art: Die Anlage wird in eine Umgebung gestellt, deren Temperatur die Höchstvorgabe plus drei Grad aufweist (35ºC). Wenn die erstere 32ºC ist, braucht es einige Stunden, bis sich ihre Temperatur stabilisiert, und sie wird mittels einer Rotationspumpe in ein Vakuum verwandelt. Sie wird an einen Wasserbehälter mit Raumtemperatur angeschlossen und stehengelassen, bis sie die gewünschte Menge an Wasser aufgesaugt hat, und ein Vakuum wird wieder hergestellt, bis das Wasser siedet. Die Temperatur wird vermindert, oder sie wird auf Raumtemperatur heruntergefahren, und, nachdem die letzere erreicht worden ist, wird der Druck gemessen, der den Fülldruck des Kreislaufs zukünftiger Fertigungsserien darstellen wird.
- Diese Operation würde auf ähnliche Weise mit den anderen, in den weiteren drei Kreisläufen gewünschten Temperaturen durchgeführt, Temperaturen von -5ºC und -3ºC für eine Umgebung von 4ºC und -24ºC für -20ºC, und die entsprechenden Temperaturen können gemessen werden.
- Die Platten würden elektrisch mit Gleichstrom mit einer geeigneten Spannung versorgt, damit der Strom unter den entworfenen Nennbedingungenen optimal ist. Es ist empfehlenswert, diese experimentell in einem jeden Prototypmodell zu ermitteln. Es wird empfohlen, daß die Versorgung der Platten in zwei getrennte Stromkreise unterteilt wird. Wenn beispielsweise zehn eingesetzt werden (acht für das erste Gefälle und zwei für das zweite), sind fünf in Serienschaltung (4+1) zu versorgen; wenn die optimale Spannung 11,5 V per Platte ist, würde die Spannung 57,5 V für einen jeden der beiden Kreise betragen.
- Eine weitere Spannung von 30%, z. B. 17,25 V könnte zur Umschaltung im Falle, daß das Thermostat die gewünschte Temperatur erreicht hat, verfügbar gemacht werden.
- Thermostate könnten in beiden Räumen oder in den diese kühlenden Thermosiphons angeordnet werden.
- - Heim- und Industriekühlgeräte
- - Nahrungsmittelauslageeinheiten
- - Klimatisierte Räume
- - Büro- oder Hotelkühlgeräte
- - Heimkühlgeräte mit zwei isolierten Fächern zum Aufbewahren von gekühlten Produkten im Oberteil (1) und gefrorenen im Unterteil (2)
- - Wärmeverflüchtiger mit zusätzlichen Oberflächen (2)
- - Peltierplatten, erstes Gefälle (4), zweites Gefälle oder Schritt (7)
- - Verdampferthermosiphon mit unterschiedlichen Temperaturen (3), (5), (6) und (8)
- - Kühlfachkühlaggregat (5)
- - Gefrierfachkühlaggregat (8)
Claims (3)
1. Mittels Peltiereffekt gekühltes Heimkühlgerät mit einem zu kühlenden Raum, der aus
einem oder zwei temperaturisolierten Räumen (1, 9) besteht, wo Luft aufgrund natürlicher
Konvektion strömt, in denen in die Räume eintretende Wärme mittels Verdampfung einer
Flüssigkeit abgezogen wird, wobei zumindest ein zu kühlender Raum (9) von zwei in Kaskade
gekuppelten Einheiten (3, 4, 5, 6, 7, 8) gekühlt werden, wobei eine jede Einheit zwei von
Peltierplatten getrennte Thermosiphons (3, 5, 6, 8) umfaßt, wobei einer der Thermosiphons (5, 8)
jeder Einheit für die Kondensation einer darin enthaltenen Flüssigkeit an der Kaltseite der
Platten mit Peltiereffekt angeordnet ist, und der andere Thermosiphon (3, 6) zum Verdampfen
einer darin enthaltenen Flüssigkeit Flüssigkeit an der Warmseite der Platten mit Peltiereffekt
angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Thermosiphon einen Kreislauf zum
Strömen der verdampften Flüssigkeit zu einem Bereich, in dem die Flüssigkeit kondensiert
wird, und einen zweiten Kreislauf zur Rückführung der kondensierten Flüssigkeit in einen
Bereich, wo sie verdampft wird, enthält, wobei dieser zweite Kreislauf nicht derselbe ist wie der
erste Kreislauf.
2. Mittels Peltiereffekt gekühltes Heimkühlgerät gemäss Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß in einer der in Kaskade gekuppelten Einheiten (3, 4, 5) die Wärme von den
Warmseiten der Platten (4) zum Abziehen mittels Verdampfen einer Flüssigkeit angeordnet
wird, welche derart angeordnet wird, daß sie in einem Umgebungsluftaustauscher in einer
gegenüber den Platten höheren Position kondensiert, wobei die kondensierte Flüssigkeit derart
angeordnet wird, daß sie schwerkraftbedingt zurückzufliesst.
3. Mittels Peltiereffekt gekühltes Heimkühlgerät gemäss einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermosiphons Wasser bei einem geeigneten
Vakuumgrad als Kühlflüssigkeit enthalten, wobei das Verdampfen in einem jeden
Thermosiphon bei einer gewünschten Temperatur stattfindet.
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