PL224189B1 - Sposób redukcji zużycia energii przez chłodziarkę termoelektryczną i chłodziarka termoelektryczna - Google Patents

Abstract

Sposób redukcji zużycia energii przez chłodziarkę termoelektryczną, wyposażoną w komorę (1) chłodniczą, agregat chłodniczy z parzystą liczbą modułów termoelektrycznych, wymiennikami ciepła (5, 7) i wentylator (6) po zewnętrznej stronie komory (1), regulator temperatury (10) i przekaźnik elektromagnetyczny (13) i zasilaną z sieci prądu stałego, polegający na zmianie układu zasilania modułów (5, 7) termoelektrycznych z równoległego na szeregowy i odwrotnie, przy czym zasilanie równoległe modułów (5, 7) termoelektrycznych stosuje się przy uruchomieniu chłodziarki oraz przy przekroczeniu przez temperaturę w komorze chłodziarki górnego progu nastawy regulatora (10), a zasilanie szeregowe modułów (5, 7) termoelektrycznych stosuje się przy osiągnięciu przez temperaturę w komorze (1) chłodziarki dolnego progu nastawy regulatora (10) temperatury, charakteryzuje się tym, że podczas zasilania szeregowego zasila się wentylator (8) po wewnętrznej stronie komory (1) takim samym napięciem co synchronizowany z nim pierwszy moduł termoelektryczny, a podczas zasilania równoległego zasila się każdy z wentylatorów po wewnętrznej (8) i zewnętrznej (6) stronie komory (1) takim samym napięciem co synchronizowany z nim odpowiedni moduł termoelektryczny pierwszy i drugi. Chłodziarka termoelektryczna, zawierająca zasilany z sieci prądu stałego agregat chłodniczy z parzystą liczbą modułów (5, 7) termoelektrycznych oraz zasilany z tej samej sieci wentylator (6) po zewnętrznej stronie komory (1) chłodniczej, połączone szeregowo regulator temperatury (10) i przekaźnik elektromagnetyczny (13), charakteryzuje się tym, że ma po wewnętrznej stronie komory (1) wentylator (8), połączony równolegle z pierwszym modułem termoelektrycznym, zaś wentylator (6) po zewnętrznej stronie komory (1) połączony jest z siecią lub równolegle z drugim modułem termoelektrycznym.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób redukcji zużycia energii przez chłodziarkę termoelektryczną i chłodziarka termoelektryczna. Wynalazek dotyczy dziedziny chłodzenia termoelektrycznego, przeważnie w środkach transportu posiadających sieć pokładową na prąd stały, a zwłaszcza - trybów pracy chłodziarki termoelektrycznej zasilanej ze źródła prądu stałego o stałym napięciu, w tym od paneli fotowoltaicznych. Również może być wykorzystany w termoelektrycznych klimatyzatorach oraz urządzeniach grzewczych, zasilanych ze wspomnianych źródeł.

Znany jest z publikacji Domowe i handlowe urządzenie chłodnicze. Poradnik pod red. T. Fodemskiego. WNT, Warszawa, 2000, s. 221 sposób dwupołożeniowej regulacji temperatury (typu ON-OFF) w chłodziarkach o różnym przeznaczeniu, polegający na wykorzystaniu manometrycznego regulatora temperatury (nazywany potocznie termostatem serwisowym), który jest włączony w obwód zasilania agregatu chłodniczego chłodziarki. W przypadku chłodziarki sprężarkowej jest to obwód zasilania sprężarki, a w przypadku chłodziarki absorpcyjnej - obwód zasilania grzejnika. Po osiągnięciu przez temperaturę w komorze chłodziarki (w miejscu zainstalowania czujnika) dolnej nastawy termostatu następuje wyłączenie agregatu z pracy, a po wzroście temperatury do poziomu górnej nastawy, termostat ponownie załącza agregat. Zastosowanie takiego sposobu regulacji temperatury w chłodziarkach termoelektrycznych jest możliwe, w tym przy umieszczeniu termostatu w obwodzie prądu stałego, ale wykazuje ono niską efektywność ze względu na straty energetyczne jak ujawniono w publikacji Filin S., Owsicki A., Zakrzewski B.: Badania eksperymentalne chłodziarek termoelektrycznych. Astroprint, Odessa, 2010. Znany jest z publikacji S.Filin, A.Owsicki: Rola prądu zaporowego w dwupołożeniowej regulacji temperatury chłodziarek termoelektrycznych. Chłodnictwo, n 3, 2001, s. 22 sposób regulacji temperatury w chłodziarkach termoelektrycznych przy wykorzystaniu tzw. „prądu postoju”. Jest to regulacja dwupoziomowa, kiedy regulator temperatury przełącza zasilania agregatu z wyższego napięcia (tryb roboczy) na niższe napięcie (tryb energooszczędny) i z powrotem. Ten sposób regulacji najczęściej jest realizowany poprzez przełączenie agregatu chłodniczego do innego wtórnego uzwojenia transformatora obniżającego napięcie w obwodzie prądu zmiennego. Jest to o wiele bardziej efektywna regulacja w porównaniu do regulacji ON-OFF, jednakże nie może ona być zastosowana przy zasilaniu chłodziarki z sieci prądu stałego. Znana jest proporcjonalna regulacja temperatury, przy której napięcie zasilania agregatu termoelektrycznego chłodziarki jest zmieniane proporcjonalnie do zmiany temperatury w jej komorze. (Filin S., Owsicki A.: Zasady projektowania i eksploatacji chłodziarek termoelektrycznych. ZAPOL, Szczecin, 2010, s. 92). Taki sposób regulacji wymaga skomplikowanego, kosztownego i zawodnego układu elektronicznego, w związku z czym rzadko jest stosowany w chłodziarkach domowych i transportowych. Z publikacji Filin S., Owsicki A., Zakrzewski B.: Badania eksperymentalne chłodziarek termoelektrycznych. Astroprint, Odessa, 2010., s. 65 znany jest sposób pracy transportowej chłodziarki termoelektrycznej, przykładowo od sieci 12 DC, zawierający termostat serwisowy podłączony do sieci równolegle z agregatem chłodniczym i szeregowo z przekaźnikiem elektromagnetycznym. Sposób pracy polega na tym, że zespół termostat-przekaźnik przełącza zasilanie modułów termoelektrycznych z układu równoległego na szeregowy, w skutek czego napięcie zasilania każdego modułu spada z 12 V do 6 V, a moc pobierana spada około 4-krotnie. Zasilanie wentylatora przy tym pozostaje bez zmian. Przy wzroście temperatury w komorze do poziomu górnej nastawy termostatu następuje przywrócenie dotychczasowego układu zasilania, czyli równoległego. W publikacji Filin S., Owsicki A., Zakrzewski B.: Badania eksperymentalne chłodziarek termoelektrycznych. Astroprint, Odessa, 2010., s. 65 ujawniona jest chłodziarka termoelektryczna, zasilana z sieci prądu stałego i zawierająca izolowaną cieplnie komorę, agregat chłodniczy w składzie przynajmniej dwóch modułów termoelektrycznych, wymienników ciepła (radiatorów) po obu stronach modułów i wentylator po „gorącej” stronie agregatu, oraz regulator temperatury włączony w obwód zasilania równolegle z przekaźnikiem elektromagnetycznym. Niezależnie od układu zasilania modułów wentylator tej chłodziarki cały czas jest zasilany napięciem nominalnym, w tym przypadku 12 V DC. W danej chłodziarce jest realizowana dwupołożeniowa regulacja temperatury w komorze, jednak brak jest synchronizacji trybu pracy wentylatora z trybem pracy modułów.

Istotnym czynnikiem w energooszczędnym trybie pracy chłodziarki jest pobór mocy przez wentylatory, gdyż udział wentylatorów w ogólnym poborze mocy przez chłodziarkę w tym trybie pracy jest znaczący. Współczesne wentylatory osiowe zachowują zdolność do pracy w szerokim zakresie zmiany napięcia; od 5-6 V do 15 V DC (Filin S., Owsicki A., Zakrzewski B.: Badania eksperymentalne

PL 224 189 B1 chłodziarek termoelektrycznych. Astroprint, Odessa, 2010). Stąd celowym jest wraz z energooszczędnym trybem pracy modułów również zapewnić energooszczędny tryb pracy wentylatorów.

Celem wynalazku jest redukcja mocy pobieranej oraz zużycia energii przy pracy chłodziarki termoelektrycznej w trybie dwupoziomowej regulacji temperatury przy jej zasilaniu od sieci prądu stałego.

Sposób redukcji zużycia energii przez chłodziarkę termoelektryczną, według wynalazku, wyposażoną w komorę chłodniczą, agregat chłodniczy z parzystą liczbą modułów termoelektrycznych, wymienniki ciepła, wentylator po zewnętrznej stronie komory, komorę chłodniczą, regulator temperatury i przekaźnik elektromagnetyczny i zasilaną z sieci prądu stałego, polegający na zmianie układu zasilania modułów termoelektrycznych z równoległego na szeregowy i odwrotnie, przy czym zasilanie równoległe modułów termoelektrycznych stosuje się przy uruchomieniu chłodziarki oraz przy przekroczeniu przez temperaturę w komorze chłodziarki górnego progu nastawy regulatora, a zasilanie szeregowe modułów termoelektrycznych stosuje się przy osiągnięciu przez temperaturę w komorze chłodziarki dolnego progu nastawy regulatora temperatury, charakteryzuje się tym, że podczas zasilania szeregowego zasila się wentylator po wewnętrznej stronie komory chłodniczej takim samym napięciem co synchronizowany (połączony równolegle) z nim pierwszy moduł termoelektryczny, a podczas zasilania równoległego zasila się każdy z wentylatorów (po wewnętrznej stronie i po zewnętrznej stronie komory chłodniczej) takim samym napięciem co synchronizowane z nimi odpowiednio moduły termoelektryczne (pierwszy i drugi). W innym wariancie pracy chłodziarki podczas zasilania szeregowego zasila się wentylator po zewnętrznej stronie komory chłodniczej takim samym napięciem co synchronizowany z nim drugi moduł termoelektryczny.

Chłodziarka termoelektryczna, według wynalazku, zawierająca zasilany z sieci prądu stałego agregat chłodniczy z parzystą liczbą modułów termoelektrycznych oraz zasilane z tej samej sieci wentylator po zewnętrznej stronie komory chłodniczej, połączone szeregowo regulator temperatury i przekaźnik elektromagnetyczny, charakteryzuje się tym, że ma po wewnętrznej stronie komory chłodniczej wentylator połączony równolegle z pierwszym modułem termoelektrycznym. Zaś wentylator po zewnętrznej stronie komory połączony jest z siecią (źródłem zasilania) lub równolegle z drugim modułem termoelektrycznym.

Korzystnie chłodziarka termoelektryczna ma po wewnętrznej stronie komory chłodniczej wentylator połączony równolegle z pierwszym modułem termoelektrycznym, które to połączone są z jednej strony z plusowym zaciskiem sieci oraz drugim kontaktem roboczym przekaźnika elektromagnetycznego z drugiej strony. Drugi kontakt roboczy ma dwa położenia - pierwsze i drugie. Pierwsze położenie drugiego kontaktu roboczego przekaźnika elektromagnetycznego to połączenie z minusowym zaciskiem wentylatorem po zewnętrznej stronie komory i minusowym zaciskiem drugiego modułu termoelektrycznego. Drugie położenie drugiego kontaktu roboczego przekaźnika elektromagnetycznego to połączenie z plusowym zaciskiem drugiego modułu termoelektrycznego i przez pierwszy kontakt roboczy przekaźnika elektromagnetycznego z plusowym zaciskiem sieci. Podczas zasilania równoległego chłodziarki drugi kontakt roboczy ma pierwszą pozycję, a pierwszy kontakt roboczy jest zamknięty, natomiast podczas zasilania szeregowego (energooszczędnego) drugi kontakt roboczy ma drugą pozycję, a pierwszy kontakt roboczy pozostaje otwarty. Wentylator po zewnętrznej stronie komory połączony jest z siecią lub równolegle z drugim modułem termoelektrycznym.

Przy większej niż dwa parzystej liczbie modułów termoelektrycznych wentylator podłącza się równolegle do grupy modułów. Np. wentylator 12-voltowy - do dwóch szeregowo włączonych modułów 6-voltowych, natomiast wentylator 24-voltowy - do dwóch szeregowo włączonych modułów 12-voltowych, lub czterech 6-voltowych itp. Nie zaleca się podłączenie obydwóch wentylatorów (po zewnętrznej i wewnętrznej stronie komory) równolegle z jednym modułem termoelektrycznym, gdyż skutkuje to większym zróżnicowaniem prądów, przepływających przez moduły termoelektryczne, co z kolei będzie wywierało nierównomierność pola temperatur na wymiennikach, a więc niepotrzebne straty. Zaletą rozwiązania według wynalazku jest to, że w porównaniu do trybu pracy ON-OFF pobór mocy chłodziarki pracującej w trybie energooszczędnym jest 3-4-krotnie mniejszy, a odpowiednio dobowe zużycie energii przez chłodziarkę jest 2-3-krotnie mniejsze. Konkretne wartości oszczędności zależą m.in. od poziomu nastawy termostatu oraz częstotliwości korzystania z chłodziarki.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładach wykonania i na rysunku, na których fig. 1 przedstawia chłodziarkę termoelektryczną w przekroju wzdłużnym, fig. 2a przedstawia ideowy schemat elektryczny chłodziarki z jednym (zewnętrznym) wentylatorem zsynchronizowanym w trybie roboczym, fig. 2b przedstawia ideowy schemat elektryczny chłodziarki w trybie energooszczędnym, fig. 3a przedstawia ideowy schemat elektryczny chłodziarki z dwoma wentylatorami zsynchronizowanymi

PL 224 189 B1 z modułami w trybie roboczym, fig. 3b przedstawia ideowy schemat elektryczny chłodziarki z dwoma wentylatorami zsynchronizowanymi z modułami w trybie energooszczędnym. W tabeli przedstawiono wartości napięcia modułów termoelektrycznych i wentylatorów w trybie roboczym i energooszczędnym dla dwóch wariantów połączenia wentylatorów z modułami termoelektrycznymi.

P r z y k ł a d I

Chłodziarka termoelektryczna podłączona jest do sieci prądu stałego - pokładowej sieci pojazdu 12V DC i zawiera izolowaną cieplnie komorę chłodniczą 1, drzwi 2 z uchwytem 3, agregat chłodniczy, który składa się z dwóch modułów termoelektrycznych, pierwszego 41 i drugiego 42, wspólnego dla obu modułów wymiennika ciepła 5 po zewnętrznej stronie komory radiator gorący z wentylatorem 6 po zewnętrznej stronie, wspólnego dla obu modułów wymiennika ciepła 7 po wewnętrznej stronie (radiator zimny) z wentylatorem 8 po wewnętrznej stronie. Każdy moduł termoelektryczny 41 i 42 jest połączony cieplnie z wymiennikiem ciepła 7 poprzez dystanser 9. Chłodziarka jest wyposażona również w regulator temperatury 10 oraz w przekaźnik elektromagnetyczny 13. Czujnik regulatora temperatury 10 jest zainstalowany w komorze chłodniczej 1 i jest w kontakcie z wymiennikiem ciepła 7. Zewnętrzny wentylator 6 podłączony jest do zasilania 12 V DC niezależnie od konfiguracji modułów termoelektrycznych 41 i 42. Natomiast wewnętrzny wentylator 8 podłączony jest do zasilania równolegle z pierwszym modułem termoelektrycznym 41. Sposób redukcji zużycia energii przez chłodziarkę termoelektryczną polega na następujących czynnościach. Po podłączeniu chłodziarki do sieci prądu stałego (do zasilania 12 V DC), chłodziarka pracuje w trybie roboczym, tzn. z pełną wydajnością chłodniczą. Moduły termoelektryczne 41, 42 są podłączone do zasilania przez robocze kontakty pierwszy 11 i drugi 12 przekaźnika elektromagnetycznego 13. Ten przekaźnik 13 ma trzy pary kontaktów roboczych, co umożliwia przełączenie układu zasilania modułów termoelektrycznych 41, 42 z równoległego w szeregowy i z powrotem. W trybie roboczym na przekaźnik 13 przez zwarte kontakty regulatora temperatury 10 podaje się napięcie, przy tym robocze kontakty 11 i 12 przekaźnika 13 zajmują położenie (jak na fig. 2a) 11 zamknięty, 12 w pozycji a, co zapewnia równoległe zasilanie modułów termoelektrycznych 41 i 42 obydwu wentylatorów 8 i 6 prądem napięciu 12 V.

Temperatura w komorze chłodniczej spada i w momencie, kiedy osiągnie ona poziom dolnego progu nastawy regulatora temperatury 10, ten ostatni odcina zasilanie przekaźnika 13, co powoduje zmianę położenia roboczych kontaktów 11 (otwarty) i 12 (w pozycji b) przekaźnika 13 i przełączenie zasilania modułów termoelektrycznych 41, 42 z układu równoległego w układ szeregowy. Jest to energooszczędny tryb pracy chłodziarki, w którym napięcie na każdym module termoelektrycznym 41 i 42 stanowi około 6 V, odpowiednio około 4-krotnie spada pobór mocy, natomiast wydajność chłodnicza spada mniej, niż 2 razy. Razem z tym zmniejsza się obciążenie cieplne wymiennika ciepła 5. Ten fakt wiąże się z możliwością zmniejszenia wydajności zewnętrznego wentylatora 6 bez istotnego pogorszenia warunków wymiany ciepła na wymienniku ciepła 5.

Przełączenie wentylatora 8 w energooszczędny tryb pracy jest realizowane poprzez równoległe jego podłączenie do pierwszego modułu termoelektrycznego 41.

Po przejściu agregatu w energooszczędny tryb pracy temperatura w komorze chłodziarki może nieznacznie wzrosnąć (średnio o 1-3°C). Jeśli nie nastąpi wzrost obciążenia cieplnego chłodziarki energooszczędny tryb pracy może trwać nieskończenie długo. Aby agregat ponownie (tymczasowo) przełączył się w tryb roboczy temperatura w komorze powinna wzrosnąć do poziomu górnej nastawy regulatora temperatury 10, co nastąpi w przypadku włożenia do komory chłodniczej ciepłych produktów, długiego czasu otwarcia drzwi lub istotnego wzrostu temperatury otoczenia.

P r z y k ł a d II

Chłodziarka wykonana analogicznie jak w Przykładzie I, przy czym zewnętrzny wentylator 6 połączony jest równolegle z drugim modułem termoelektrycznym 42 do źródła zasilania. Po przełączeniu chłodziarki w tryb energooszczędny wentylator 6 zasilany jest połową napięcia, czyli 6 V tak jak wentylator 8 . W tym trybie zmniejsza się obciążenie cieplne wymiennika ciepła 5. Ten fakt wiąże się z możliwością zmniejszenia wydajności zewnętrznego wentylatora 6 bez istotnego pogorszenia warunków wymiany ciepła na wymienniku ciepła 5.

PL 224 189 B1

T a b e l a

Tryb pracy	Połączenie modułów 41 i 42 oraz wartość napięcia na każdym z nich	Napięcie na zewnętrznym wentylatorze 6	Napięcie na wewnętrzny wentylatorze 8	Figura na rysunku
roboczy	równoległe (12 V)	12 V	12 V	fig. 2a
12 V	12 V	fig. 3a
energooszczędny	szeregowe (6 V)	12 V	6 V	fig. 2b
6 V	6 V	fig. 3b

Zastrzeżenia patentowe

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób redukcji zużycia energii przez chłodziarkę termoelektryczną, wyposażoną w komorę chłodniczą, agregat chłodniczy z parzystą liczbą modułów termoelektrycznych, wymiennikami ciepła i wentylator po zewnętrznej stronie komory, regulator temperatury i przekaźnik elektromagnetyczny i zasilaną z sieci prądu stałego, polegający na zmianie układu zasilania modułów termoelektrycznych z równoległego na szeregowy i odwrotnie, przy czym zasilanie równoległe modułów termoelektrycznych stosuje się przy uruchomieniu chłodziarki oraz przy przekroczeniu przez temperaturę w komorze chłodziarki górnego progu nastawy regulatora, a zasilanie szeregowe modułów termoelektrycznych stosuje się przy osiągnięciu przez temperaturę w komorze chłodziarki dolnego progu nastawy regulatora temperatury, znamienny tym, że podczas zasilania szeregowego zasila się wentylator (8) po wewnętrznej stronie komory (1) takim samym napięciem co synchronizowany z nim pierwszy moduł termoelektryczny (41), a podczas zasilania równoległego zasila się każdy z wentylatorów po wewnętrznej (8) i zewnętrznej (6) stronie komory (1) takim samym napięciem co synchronizowany z nim odpowiedni moduł termoelektryczny pierwszy (41) i drugi (42).
2. 2. Sposób redukcji zużycia energii według zastrz. 1, znamienny tym, że podczas zasilania szeregowego zasila się wentylator (6) po zewnętrznej stronie komory (1) takim samym napięciem co synchronizowany z nim drugi moduł termoelektryczny (42).
3. 3. Chłodziarka termoelektryczna, zawierająca zasilany z sieci prądu stałego agregat chłodniczy z parzystą liczbą modułów termoelektrycznych oraz zasilany z tej samej sieci wentylator po zewnętrznej stronie komory, połączone szeregowo regulator temperatury i przekaźnik elektromagnetyczny, znamienna tym, że ma po wewnętrznej stronie komory (1) wentylator (8) połączony równolegle z pierwszym modułem termoelektrycznym (41), zaś wentylator (6) po zewnętrznej stronie komory (1) połączony jest z siecią lub równolegle z drugim modułem termoelektrycznym (42).
4. 4. Chłodziarka według zastrz. 3, znamienna tym, że ma po wewnętrznej stronie komory (1) wentylator (8) połączony równolegle z pierwszym modułem termoelektrycznym (41), które to połączone są z jednej strony z plusowym zaciskiem sieci oraz drugim kontaktem roboczym (12) przekaźnika elektromagnetycznego (13) z drugiej strony, przy czym drugi kontakt roboczy (12) ma dwa położenia, pierwsze (a) to połączenie z minusowym zaciskiem wentylatora zewnętrznego (6) i minusowym zaciskiem drugiego modułu termoelektrycznego (42), a drugie (b) to połączenie z plusowym zaciskiem drugiego modułu termoelektrycznego (42) i przez pierwszy kontakt roboczy (11) przekaźnika elektromagnetycznego (13) z plusowym zaciskiem sieci, zaś zewnętrzny wentylator (6) połączony jest z siecią lub równolegle z drugim modułem termoelektrycznym (42).