PL209274B1

PL209274B1 - Thermoelectric refrigeration system, particularly for use in the refrigerated vehicles

Info

Publication number: PL209274B1
Application number: PL379011A
Authority: PL
Inventors: Sergiy Filin; Bogusław Zakrzewski
Original assignee: Univ West Pomeranian Szczecin Tech
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2011-08-31
Also published as: PL379011A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie chłodnicze, zwłaszcza dla samochodów-chłodni, stosowane głównie do przewozów ładunków chłodzonych w temperaturze od 0 do + 15°C na stosunkowo krótkie odległości, w tym w dystrybucji miejskiej.The subject of the invention is a refrigeration device, especially for refrigerated trucks, used mainly for the transport of refrigerated goods at a temperature of 0 to + 15 ° C over relatively short distances, including urban distribution.

Akumulatory zimna z wykorzystaniem zamarzających w niskich temperaturach płynów są szeroko stosowane w technice chłodniczej do pokrycia szczytowych obciążeń cieplnych oraz oszczędzania zużycia energii elektrycznej przez urządzenie chłodnicze (Recknagel H. Sprenger E. Honmann W., Schramek E.R. Ogrzewanie i klimatyzacja, Poradnik, Gdańsk, 1994, str. 1814).Cold accumulators with the use of fluids freezing at low temperatures are widely used in refrigeration technology to cover peak heat loads and save electricity consumption by a cooling device (Recknagel H. Sprenger E. Honmann W., Schramek ER Heating and air conditioning, Poradnik, Gdańsk, 1994 , p. 1814).

Znane są małe samochody-chłodnie dostawcze z izolowaną cieplnie komorą i termoelektrycznym agregatem chłodniczym (S.Filin, Jutrzejszy dzień termoelektryczności, Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna, nr 11, 2004, oraz XoΛoguΛbHbι^1 δu3Hec, nr 7. 2002, str. 13-14). Ich niedostatkiem jest mała wydajność chłodnicza, która zwykle jest ograniczona możliwościami źródła zasilania elektrycznego (alternator), co z kolei wiąże się z brakiem miejsca na zainstalowanie w samochodzie alternatora o większej mocy.There are small refrigerated vans with a heat-insulated chamber and a thermoelectric chiller (S. Filin, Tomorrow's Thermoelectric Day, Refrigeration and Air Conditioning Technology, No. 11, 2004, and XoΛoguΛbHbι ^ 1 δu3Hec, No. 7. 2002, pp. 13-14) ). Their deficiency is the low cooling capacity, which is usually limited by the capabilities of the electric power source (alternator), which in turn is related to the lack of space for installing a higher-power alternator in the car.

Znane są samochody-lodownie z chłodzeniem komory za pomocą płyt eutektycznych, wypełnionych płynem o niskiej temperaturze zamarzania (S. Kwaśniowski, J. Grajnert, Dynamika wymiany ciepła w nadwoziu samochodu lodowni, Chłodnictwo nr 7, 1998, str. 29-30). Płyty zamraża się w nocy poprzez podłączenie systemu chłodzenia do zewnętrznego agregatu chłodniczego. Ich niedostatkiem jest konieczność stosowania zewnętrznego agregatu i straty czynnika do atmosfery podczas podłączeń i odłączeń.There are ice-cream trucks with chamber cooling by means of eutectic plates, filled with a liquid with a low freezing point (S. Kwaśniowski, J. Grajnert, Dynamics of heat exchange in the body of an ice-house car, Chłodnictwo No 7, 1998, pp. 29-30). The plates are frozen at night by connecting the cooling system to an external chiller. Their disadvantage is the necessity to use an external aggregate and the loss of the medium to the atmosphere during connections and disconnections.

W znanych termoelektrycznych agregatach chłodniczych z akumulatorem typu lód-woda [1]- Sergiy Filin, Termoelektryczne urządzenia chłodnicze, Masta, Gdańsk, 2002, rys. 9.11c i 9.15) akumulację wykorzystuje się w celu stabilizacji temperatury gorących spoin modułów. Niska efektywność pracy tych akumulatorów zarówno w trybie ładowania, jak i w trybie rozładowania wiąże się z koniecznością pokonania oporów cieplnych, stawianych przez grubą warstwę lodu, gdyż namrażanie warstwy odbywa się z jednej strony akumulatora, zaś topnienie lodu - z innej strony. Biorąc pod uwagę brak zapasu wydajności chłodniczej u większości termoelektrycznych agregatów, akumulacja zimna po zimnej stronie agregatu zwykle nie jest stosowana.In known thermoelectric chillers with an ice-water battery [1] - Sergiy Filin, Thermoelectric cooling devices, Masta, Gdańsk, 2002, Figs. 9.11c and 9.15), the accumulation is used to stabilize the temperature of the hot joints of the modules. The low efficiency of these batteries, both in the charging and discharging mode, is associated with the need to overcome the thermal resistance caused by a thick layer of ice, because the layer freezes on one side of the battery, and the ice melts on the other side. Given the lack of reserve cooling capacity in most thermoelectric chillers, the accumulation of cold on the cold side of the chiller is usually not used.

Najbardziej zbliżonym do zgłaszanego wynalazku rozwiązaniem technicznym jest samochodowa chłodziarka termoelektryczna „Gio Style ([1], str. 197. rys. 10.16). Zawiera ona izolowaną cieplnie komorę chłodniczą, umieszczony w jej pokrywie termoelektryczny agregat, zasilany od sieci elektrycznej pojazdu, oraz tzw, wkłady, tzn. wkładane do komory zasobniki zimna w postaci płaskich pojemników, wypełnionych płynem, zamarzającym przy niskiej temperaturze. Chłodzenie wnętrza komory może odbywać się za pomocą tylko agregatu, za pomocą tylko wkładów lub wspólnie. Wkłady przed użyciem muszą być zamrożone w zamrażarce domowej lub za pomocą innego urządzenia zamrażalniczego.The technical solution closest to the proposed invention is the car thermoelectric cooler "Gio Style ([1], p. 197. Fig. 10.16). It contains a thermally insulated cooling chamber, a thermoelectric unit located in its cover, powered from the vehicle's electrical network, and the so-called cartridges, i.e. cold reservoirs inserted into the chamber in the form of flat containers filled with a liquid that freezes at low temperature. The inside of the chamber can be cooled by means of an aggregate only, by means of only inserts or jointly. The cartridges must be frozen in a domestic freezer or other freezing device before use.

Konieczność korzystania z zewnętrznego źródła zimna dla zamrażania wkładów jest głównym niedostatkiem tego rozwiązania.The need to use an external cold source to freeze cartridges is a major drawback of this solution.

Termoelektryczne urządzenie chłodnicze według wynalazku zawierające izolowaną cieplnie komorę chłodniczą, instalowany w jej ścianie agregat z wymiennikiem ciepła i wentylatorem po stronie zimnej, charakteryzuje się tym, że ma akumulator zimna usytuowany w płaszczyźnie wzdłużnej wymiennika strony zimnej. Akumulator zimna jest połączony z wymiennikiem w płaszczyźnie czołowej i osadzony jest na wspólnej osi, co umożliwia jego obrót o 180° i styk powierzchniowy akumulatora zimna z wymiennikiem w fazie ładowania. Akumulator zimna i wymiennik mają postać ożebrowanej płyty (radiatora). W fazie ładowania akumulator zimna usytuowany w płaszczyźnie wzdłużnej wymiennika strony zimnej, przestawia się o 180° tak, że wydrążone żebra akumulatora wchodzą do kanałów między żebrami wymiennika. Korzystnie żebra wymiennika i akumulatora mają kształt trapezów, przy czym przestrzenny kształt żeber akumulatora odwzorowuje kształt kanałów wymiennika. Żebra akumulatora zimna są wydrążone i wypełnione płynem o temperaturze zamarzania od 0°C do -20°C. Aby zapewnić jak najdłuższą pracę akumulatora żebra akumulatora są od 5 do 10 razy grubsze od żeber wymiennika. Akumulator zimna wyposażony jest w uchwyt przy pomocy którego akumulator przestawia się o 180° z pozycji, w której jest usytuowany w płaszczyźnie wzdłużnej wymiennika strony zimnej (faza rozładowania) do pozycji, w której wydrążone żebra akumulatora wchodzą do kanałów między żebrami wymiennika (faza załadowania). Akumulator zimna w fazie rozładowania przymocowany jestA thermoelectric refrigeration device according to the invention, comprising a heat-insulated refrigeration chamber, an aggregate with a heat exchanger and a fan on the cold side installed in its wall, is characterized in that it has a cold accumulator located in the longitudinal plane of the heat exchanger on the cold side. The cold accumulator is connected to the exchanger in the frontal plane and is mounted on a common axis, which enables its rotation by 180 ° and surface contact of the cold accumulator with the exchanger during the charging phase. The cold accumulator and the exchanger are in the form of a finned plate (heat sink). In the charging phase, the cold accumulator, located in the longitudinal plane of the cold side exchanger, shifts by 180 ° so that the hollow ribs of the accumulator enter the channels between the ribs of the exchanger. Preferably, the ribs of the exchanger and the accumulator have a trapezoidal shape, and the spatial shape of the accumulator ribs corresponds to the shape of the exchanger channels. The cold accumulator's ribs are hollow and filled with a liquid with a freezing point of 0 ° C to -20 ° C. To ensure the longest battery life, the ribs of the battery are 5 to 10 times thicker than the ribs of the exchanger. The cold accumulator is equipped with a handle by means of which the accumulator shifts by 180 ° from the position in which it is situated in the longitudinal plane of the cold side exchanger (discharge phase) to the position where the hollow ribs of the accumulator enter the channels between the ribs of the exchanger (loading phase) . The discharge cool battery is attached

PL 209 274 B1 do ściany komory chłodniczej rozłącznie, korzystnie za pomocą elementów mocujących, korzystnie zatrzasków mechanicznych lub zamków magnetycznych.To the wall of the refrigeration chamber detachably, preferably by means of fastening elements, preferably mechanical latches or magnetic locks.

Zaletą proponowanego wynalazku jest uniezależnienie ładowania akumulatora od zewnętrznego źródła zimna, co pozwala ładować akumulator nie tylko w nocy, ale w dowolnym czasie, w tym podczas ruchu pojazdu. Urządzenie według wynalazku ma dwa razy większą powierzchnię wymiany ciepła, a sumaryczna wydajność chłodnicza zespołu wymiennik-akumulator jest około 2 razy większa w porównaniu z wydajnoś cią agregatu bez akumulatora.The advantage of the proposed invention is the independence of charging the battery from an external source of cold, which allows the battery to be charged not only at night, but at any time, including while the vehicle is in motion. The device according to the invention has a heat exchange surface that is twice as large, and the total cooling capacity of the heat exchanger-battery unit is about 2 times higher than that of the unit without the battery.

Wynalazek jest bliżej objaśniony w przykładach realizacji i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia we wzdłużnym przekroju pionowym fragment sufitu komory samochodu-chłodni z agregatem termoelektrycznym, z pokazaniem dwóch roboczych położeń akumulatora zimna i kierunków przepływu powietrza, natomiast fig. 2 przedstawia przekrój agregatu w płaszczyźnie A-A w położeniu Ł ładowanie akumulatora.The invention is explained in more detail in the examples of implementation and in the drawing, in which Fig. 1 shows a longitudinal vertical section of a fragment of the ceiling of a refrigerated truck with a thermoelectric unit, showing two working positions of the cold accumulator and air flow directions, while Fig. 2 shows a section of the unit in plane AA in position Ł battery charging.

P r z y k ł a d IP r z k ł a d I

Termoelektryczne urządzenie chłodnicze zawiera komorę 1 izolowaną warstwą izolacji zimnochronnej 2. W jej suficie zamontowano na stałe agregat termoelektryczny, składający się z modułów 3. elementów przejściowych 4, wymiennika ciepła strony gorącej w postaci ożebrowanej płyty - radiatora 5 z pokrywą 6, i wentylatorem 7, radiatora 8 strony zimnej bez pokrywy z wentylatorem 9. Żebra 10 radiatora 8 mają kształt trapezów. Akumulator zimna 11 wykonano jako ożebrowaną płytę z wydrążonymi żebrami 12. Hermetycznie zamknięte wewnętrzne przestrzeni żeber wypełnia woda 13. Woda wypełnia około 92% każdej przestrzeni, aby umożliwić rozszerzenie wody podczas jej krzepnięcia bez wzrostu ciśnienia. Od strony podstawy akumulator jest izolowany cieplnie warstwą izolacji 14. Przestrzenny kształt żeber akumulatora 11 odwzorowuje kształt kanałów radiatora 8. Dzięki możliwości obrotu wokół osi wału 15 akumulator 11 może znajdować się w dwóch położeniach roboczych: Ł ładowanie, oraz R - rozładowanie. Obudowa ochronna 16 wentylatora 9 zawiera otwory do przepływu powietrza oraz wyłącznik krańcowy 17. Dla wygody przestawienia akumulator jest wyposażony w uchwyt 18. Mocowanie akumulatora w położeniu R odbywa się za pomocą uchwytów - zatrzasków mechanicznych 19.The thermoelectric cooling device contains a chamber 1 insulated with a layer of cold insulation 2. A thermoelectric unit is permanently installed in its ceiling, consisting of modules of 3 transition elements 4, a hot side heat exchanger in the form of a ribbed plate - heat sink 5 with a cover 6, and a fan 7, cold side heat sink 8 without cover with fan 9. The fins 10 of the heat sink 8 are trapezoidal. The cold accumulator 11 was made as a ribbed plate with hollow ribs 12. The hermetically sealed inner rib spaces are filled with water 13. Water fills about 92% of each space to allow the water to expand as it solidifies without increasing pressure. From the base side, the accumulator is thermally insulated with an insulation layer 14. The spatial shape of the accumulator 11 ribs imitates the shape of the radiator channels 8. Due to the possibility of rotation around the shaft 15 axis, the accumulator 11 can be in two operating positions: L charging and R - discharging. The protective casing 16 of the fan 9 includes openings for air flow and a limit switch 17. For the convenience of switching, the battery is equipped with a handle 18. The battery is fastened in position R by means of mechanical latches 19.

Praca urządzenia składa się z dwóch etapów.The operation of the device consists of two stages.

Faza załadowania. Ta faza przebiega w nocy podczas garażowania samochodu-chłodni. Agregat termoelektryczny jest zasilany z zewnętrznego źródła energii elektrycznej prądem o natężeniu wyższym, niż podczas chłodzenia komory. Dzieje się to w okresie niższej (nocnej) taryfy, przy czym ładowanie akumulatora w nocy jest typowe dla urządzeń chłodniczych z akumulacją zimna. Przed rozpoczęciem załadowania akumulator 11 przestawia się z położenia R w położenie Ł, jak jest to pokazane na rys. 1. Wydrążone żebra 12 akumulatora wchodzą na wcisk do przestrzeni między żebrami 10 radiatora 8 (rys. 2), a uchwyt 18 oddziałuje na wyłącznik 17, odłączając w ten sposób zasilanie wentylatora 9.Loading phase. This phase takes place at night when the refrigerated truck is parked in the garage. The thermoelectric unit is powered from an external source of electric energy with a current higher than during the cooling of the chamber. This happens during the period of lower (night) tariffs, while charging the battery at night is typical for refrigerating appliances with accumulation of cold. Before loading, the battery 11 is moved from position R to position Ł, as shown in Fig. 1. The hollow ribs 12 of the battery press into the space between the ribs 10 of the heat sink 8 (Fig. 2), and the handle 18 acts on the switch 17 thus disconnecting the power to the fan 9.

Ładowanie polega na zamrożeniu płynu 13 dzięki stałemu odprowadzeniu ciepła od niego przez moduły 3 agregatu. Temperatura radiatora 8 w trybie ładowania akumulatora wynosi -5...-10°C. Przyśpieszeniu procesu zamrażania sprzyja dobry kontakt żeber 10 radiatora 5 ze ściankami akumulatora 12 oraz warstwa izolacji 14, która ogranicza wymianę ciepła z komorą 1. Zakłada się, iż komora w nocy jest pusta (brak ładunku). Natomiast nawet przy jego obecności wydajność agregatu w nocnym trybie pracy jest wystarczająco duża, aby zapewnić jednoczesne ładowanie akumulatora oraz utrzymanie w komorze odpowiednio niskiej temperatury (w zakresie 0...+ 10°C). W zależności od pojemności akumulatora, temperatury krzepnięcia płynu oraz wydajności agregatu czas załadowania wynosi od 6 do 12 godzin.The charging consists in freezing the fluid 13 thanks to the constant heat dissipation therefrom by the aggregate modules 3. The temperature of the heat sink 8 in the battery charging mode is -5 ...- 10 ° C. The acceleration of the freezing process is favored by good contact of the fins 10 of the heat sink 5 with the walls of the battery 12 and the insulation layer 14, which limits heat exchange with the chamber 1. It is assumed that the chamber is empty at night (no charge). On the other hand, even with its presence, the efficiency of the generator in the night mode is high enough to ensure simultaneous charging of the battery and maintaining a sufficiently low temperature in the chamber (in the range of 0 ... + 10 ° C). Depending on the capacity of the battery, the freezing point of the fluid and the performance of the unit, the charging time is 6 to 12 hours.

Faza rozładowania. Przed wyjazdem samochodu z garażu przełącza się zasilanie agregatu ze źródła zewnętrznego na źródło pokładowe (od silnika, alternatora lub akumulatora). Jest to bardzo energooszczędny tryb zasilania z mniejszym prądem, któremu odpowiada wyższa temperatura radiatora 8, a mianowicie -1...+2°C. Tuż przed załadowaniem ładunku do komory ręcznie przestawia się akumulator z położenia Ł w położenie R, obracając go o 180° za uchwyt 18. Przy tym zaczyna działać wentylator 9, zapewniając przepływ powietrza najpierw przez radiator 8, później - przez akumulator 11, który w położeniu R faktycznie stanowi przedłużenie radiatora 8. W tej fazie pracy urządzenia ładunek jest chłodzony jednocześnie przez dwa źródła zimna: agregat chłodniczy oraz akumulator. Rozłożony w ten sposób zespół radiator-akumulator ma dwa razy większą powierzchnię wymiany ciepła, a sumaryczna wydajność chłodnicza zespołu jest około 2 razy większa w porównaniu z wydajnością agregatu. Temperatury powierzchni obu wymienników (radiatora i akumulatora) są zbliżone doDischarge phase. Before the car leaves the garage, the generator is switched from an external source to an on-board source (engine, alternator or battery). This is a very energy-saving power supply mode with a lower current, which corresponds to a higher heat sink temperature 8, namely -1 ... + 2 ° C. Just before the load is loaded into the chamber, the battery is manually shifted from position Ł to position R by turning it 180 ° on the handle 18. The fan 9 starts to operate, providing air first through the heat sink 8, then through the battery 11, which in position R is in fact an extension of the heat sink 8. In this phase of the device operation, the load is cooled simultaneously by two sources of cold: a refrigeration unit and a battery. The heat sink-battery unit distributed in this way has twice the heat transfer surface, and the total cooling capacity of the unit is about 2 times greater than that of the generator. The surface temperatures of both exchangers (heat sink and battery) are close to

PL 209 274 B1 siebie i wynoszą lekko powyżej 0°C, więc nie zachodzi na nich proces szronienia. Oznacza to, iż agregat pracuje bez cykli odszraniania. Póki nie stopnieje cała objętość płynu w akumulatorze, temperatura jego powierzchni będzie utrzymywana na stałym poziomie. Aby zapewnić jak najdłuższą pracę akumulatora (maksymalnie do 12-16 godzin) objętość akumulatora jest dobrana tak, że żebra 12 akumulatora 11 są od 5 do 10 grubsze od żeber 10 radiatora 8.And are slightly above 0 ° C, so there is no frosting process on them. This means that the chiller runs without defrost cycles. Until all of the fluid in the battery has melted, the surface temperature will be kept constant. In order to ensure the longest possible operation of the battery (up to a maximum of 12-16 hours), the volume of the battery is selected so that the ribs 12 of the battery 11 are 5 to 10 thicker than the ribs 10 of the heat sink 8.

W przypadku obecności wilgoci na powierzchniach akumulatora i radiatora w momencie przestawienia urządzenia w położenie ładowania później w trakcie ładowania nastąpi przymarzanie do siebie dwóch powierzchni, co w efekcie może uniemożliwić ręczne oderwanie akumulatora od powierzchni radiatora. Wtedy należy na krótko (30...40 sekund) przełączyć agregat w tryb podgrzania poprzez zmianę kierunku przepływu prądu stałego przez moduły [1]. Po nagrzaniu powierzchni radiatora do +2°C łatwo jest oddzielić akumulator od radiatora.If there is moisture on the surfaces of the battery and the heat sink, when the device is moved to the charging position, two surfaces will freeze together during the charging process, which may prevent the battery from being torn off the heat sink surface manually. Then it is necessary to briefly (30 ... 40 seconds) switch the genset into the heating mode by changing the direction of direct current flow through the modules [1]. After heating the heat sink surface to + 2 ° C, it is easy to separate the battery from the heat sink.

P r z y k ł a d IIP r z x l a d II

Urządzenie opisane w przykładzie I może być wykorzystane do utrzymywania ujemnej temperatury w komorze samochodu (np. klasa FRA według umowy ATP). Wtedy w charakterze płynu roboczego zamiast wody należy użyć płynu o odpowiednio niższej temperaturze zamarzania (glikol, solanka), a agregat zasilać większym prądem, aby wyrównać temperatury powierzchni radiatora 8 i akumulatora 11 i utrzymywać je na poziomie -6...-12°C. Przed przestawieniem urządzenia w tryb ładowania akumulatora 11 należy przełączyć agregat w tryb odszraniania (podgrzania) i utrzymywać go w tym trybie aż do całkowitego usunięcia szronu nie tylko z powierzchni radiatora 8, ale również z powierzchni akumulatora 11. Odszranianie akumulatora odbywa się ciepłym powietrzem nagrzanym odThe device described in example 1 can be used to maintain a negative temperature in the car compartment (e.g. FRA class according to the ATP contract). Then, instead of water, use a fluid with a correspondingly lower freezing point (glycol, brine) as a working fluid, and supply the aggregate with higher current in order to equalize the surface temperatures of the heat sink 8 and the battery 11 and keep them at -6 ...- 12 ° C . Before switching the device to the battery charging mode 11, put the unit into defrosting (heating) mode and keep it in this mode until the frost is completely removed not only from the heat sink surface 8, but also from the battery surface 11. The battery is defrosted with warm air heated from

Claims

1. Thermoelectric refrigeration device, especially for refrigerated vehicles, containing a thermally insulated refrigeration chamber, an aggregate with a heat exchanger and a fan on the cold side installed in its wall, characterized in that it has a cold accumulator (11) located in the longitudinal plane of the heat exchanger (8) on the side the cold accumulator (11) is connected to the exchanger (8) in the frontal plane and mounted on a common axis (15), which enables its rotation by 180 ° and surface contact of the cold accumulator (11) with the exchanger (8) in phase charging.

2. Thermoelectric cooling device according to claim 1, The battery according to claim 1, characterized in that the cold accumulator (11) and the exchanger (8) are in the form of a ribbed plate (heat sink), wherein the hollow ribs (12) of the accumulator (11) during the charging phase enter the channels between the ribs (10) of the exchanger (8) .

3. Thermoelectric cooling device according to claim 1, 2. The ribs as claimed in claim 2, characterized in that the ribs are trapezoidal.

4. Thermoelectric cooling device according to claim 1, 2. A method as claimed in claim 2, characterized in that the ribs (12) of the cold accumulator (11) are hollow and filled with a liquid with a freezing point of 0 ° C to -20 ° C.

5. Thermoelectric cooling device according to claim 1, 2. A method according to claim 2, characterized in that the spatial shape of the accumulator's ribs (11) follows the shape of the exchanger's channels (8).

6. Thermoelectric refrigeration device according to claim 1, A device according to claim 2, characterized in that the ribs (12) of the accumulator (11) are 5 to 10 times thicker than the ribs (10) of the exchanger (8).

7. Thermoelectric cooling device according to claim 1, A device according to claim 1, characterized in that the cold accumulator (11) is provided with a handle (18).

8. Thermoelectric refrigeration device according to claim 1, The method of claim 1, characterized in that the discharge cold accumulator (11) is detachably attached to the wall of the refrigerating chamber, preferably by means of fastening elements (19), preferably mechanical latches or magnetic locks.