RU2154781C1

RU2154781C1 - Thermoelectric refrigerator

Info

Publication number: RU2154781C1
Application number: RU99106059A
Authority: RU
Inventors: Ю.П. Рогов; Ю.А. Ермаков; Н.Н. Зайцев; С.А. Катышев; В.Н. Маслов
Original assignee: Открытое акционерное общество "ГАЗ"
Priority date: 1999-03-22
Filing date: 1999-03-22
Publication date: 2000-08-20

Abstract

FIELD: refrigerating engineering. SUBSTANCE: heat exchange sets of thermoelectric refrigerator are made in form of two housings provided with bases for thermoelectric modules made in form of truncated pyramids. Bases of pyramids are pointed to channels. Free space between housings is filled up with heat insulator. Zigzag channels are made in heat exchange sets. EFFECT: increased efficiency and accelerated cooling of free standing machinery with nonstationary heat absorption featuring large outer surface and mass. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области холодильной техники, в частности к устройству каскадных термоэлектрических охлаждающих систем, и может быть использовано для термостатирования объектов с нестационарным теплопоглощением, например пресс-форм для прессования нагретых до пластического состояния деталей путем подачи в пресс-формы охлажденного теплоносителя. The invention relates to the field of refrigeration technology, in particular to a device for cascade thermoelectric cooling systems, and can be used for temperature control of objects with non-stationary heat absorption, for example, molds for pressing parts heated to a plastic state by supplying cooled coolant to the molds.

Известна конструкция термоэлектрической реверсивной холодильно-нагревательной установки по авторскому свидетельству СССР N 1688075, кл. F 25 В 21/02, 1991, содержащая реверсивную термоэлектрическую батарею, имеющую тепловой контакт с двух сторон с двумя тепловыми трубами в виде бесфитильных, заполненных теплоносителем замкнутых оребренных снаружи контуров, нижние части которых имеют наклон в сторону термобатареи. The known design of a thermoelectric reversible refrigeration-heating installation according to the copyright certificate of the USSR N 1688075, class. F 25 B 21/02, 1991, containing a reversible thermoelectric battery having thermal contact on both sides with two heat pipes in the form of non-filament closed, finned outside circuits filled with a coolant, the lower parts of which have an inclination towards the thermopile.

Недостатком этой установки являются неэффективность ее использования при нестационарном тепловыделении охлаждаемого объекта, невозможность подачи охлажденного теплоносителя в отдельно расположенные объекты в связи с оговоренной формой тепловой трубы, невозможность применения для получения больших мощностей, а также низкий КПД, т.к. принцип действия основан на естественных процессах испарения-конденсации теплоносителя. The disadvantage of this installation is the inefficiency of its use in unsteady heat dissipation of a cooled object, the impossibility of supplying a cooled coolant to separately located objects due to the agreed form of a heat pipe, the inability to use it to obtain large capacities, and also low efficiency, because The principle of operation is based on the natural processes of evaporation-condensation of the coolant.

Известен термоэлектрический холодильник по авт. свид. СССР N 1712745, кл. F 25 В 21/02, 1992, представляющий собой малогабаритный охладитель, содержащий корпус со сборником охлаждающей жидкости, термобатареи, холодные спаи которых контактируют со стенками сборника, а на горячих закреплены радиаторы с ребрами. Known thermoelectric refrigerator by ed. testimonial. USSR N 1712745, class F 25 B 21/02, 1992, which is a small-sized cooler containing a housing with a coolant reservoir, thermopiles, cold junctions of which are in contact with the walls of the collector, and radiators with fins are fixed on the hot ones.

Недостатком данного устройства является его низкий КПД вследствие малой эффективности охлаждения находящейся в сборнике жидкости из-за низкой скорости и ламинарного характера течения жидкости, а также вследствие недостаточной эффективности воздушного охлаждения горячих спаев термоэлектрической батареи при больших мощностях. The disadvantage of this device is its low efficiency due to the low cooling efficiency of the liquid in the collector due to the low speed and laminar nature of the fluid flow, and also due to the insufficient efficiency of air cooling of the hot junctions of the thermoelectric battery at high capacities.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является термоэлектрическая холодильная установка (а.с. СССР N 1300273, кл. F 25 В 21/02, 1987), содержащая теплообменные агрегаты с каналами для циркуляции теплоносителей и заключенные между агрегатами термомодули. The closest analogue of the claimed invention is a thermoelectric refrigeration unit (AS USSR N 1300273, class F 25 B 21/02, 1987), containing heat exchange units with channels for circulation of coolants and thermal modules enclosed between the units.

Термобатареи периодически переключаются для обеспечения последовательной осушки газа сначала в первом холодном теплообменнике, а затем во втором. Thermal batteries are periodically switched to ensure sequential drying of the gas, first in the first cold heat exchanger, and then in the second.

Недостатком указанной установки является низкий КПД, т.е. малая доля холодопроизводительности термобатарей, идущая непосредственно на охлаждение осушаемого газа вследствие низкого коэффициента теплопередачи от стенок к газу и малой площади передачи холода. Холодопроизводительность используется, в основном, на охлаждение корпусов теплообменников. The disadvantage of this installation is the low efficiency, i.e. a small fraction of the cooling capacity of thermal batteries that goes directly to the cooling of the drained gas due to the low heat transfer coefficient from the walls to the gas and a small area of cold transfer. Cooling capacity is mainly used for cooling the shells of heat exchangers.

Увеличение мощности и объема осушаемого газа приводит к увеличению диаметра канала, что также вызывает снижение КПД вследствие малого коэффициента теплопроводности газа от стенки канала к центру. An increase in the power and volume of drained gas leads to an increase in the diameter of the channel, which also causes a decrease in efficiency due to the low coefficient of thermal conductivity of the gas from the channel wall to the center.

При постоянной потребляемой мощности холодопроизводительность термоэлектрических батарей падает по мере увеличения разности температур на его горячих и холодных спаях. Следовательно, требуются эффективное охлаждение горячих спаев и эффективный отвод холода от холодных спаев. With constant power consumption, the cooling capacity of thermoelectric batteries decreases as the temperature difference increases on its hot and cold junctions. Therefore, effective cooling of the hot junctions and effective removal of the cold from the cold junctions are required.

Интенсивность теплопередачи характеризуется выражением
Q = α•F•Δt,
где α - коэффициент теплопередачи от стенки к теплоносителю;
F - площадь стенки, участвующая в теплопередаче;
Δt - разность температур между стенкой и теплоносителем.The heat transfer rate is characterized by the expression
Q = α • F • Δt,
where α is the heat transfer coefficient from the wall to the coolant;
F is the wall area involved in heat transfer;
Δt is the temperature difference between the wall and the coolant.

Разность температур между стенкой и теплоносителем не может быть принята достаточно большой (более 5^oC), т.к. при этом увеличивается разность температур между горячими и холодными спаями термоэлектрических батарей и, следовательно, падает КПД батарей.The temperature difference between the wall and the coolant cannot be accepted large enough (more than 5 ^o C), because this increases the temperature difference between hot and cold junctions of thermoelectric batteries and, consequently, decreases the efficiency of the batteries.

Таким образом, полезный результат может быть достигнут только за счет увеличения коэффициента теплопередачи α и площади теплообмена F. Thus, a useful result can only be achieved by increasing the heat transfer coefficient α and the heat transfer area F.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение КПД и быстродействия охлаждения отдельно расположенных технологических объектов с нестационарным теплопоглощением, имеющих большую массу (до 10 т) и площадь наружной поверхности (до 10 м²).The technical result of the claimed invention is to increase the efficiency and cooling performance of separately located technological objects with non-stationary heat absorption, having a large mass (up to 10 tons) and an external surface area (up to 10 m ² ).

Для достижения этого технического результата в термоэлектрическом холодильнике, содержащем теплообменные агрегаты с каналами для циркуляции теплоносителей и заключенные между корпусами термомодули, теплообменные агрегаты выполнены в виде двух корпусов, корпуса теплообменных агрегатов снабжены постаментами для термомодулей, выполненными в виде усеченных пирамид, основания которых обращены в сторону каналов. Свободное пространство между корпусами заполнено теплоизолятором, а каналы в теплообменных агрегатах выполнены зигзагообразными. To achieve this technical result, in a thermoelectric refrigerator containing heat exchange units with channels for circulating coolants and thermal modules enclosed between the cases, the heat exchange units are made in the form of two cases, the cases of heat exchange units are equipped with pedestals for thermal modules made in the form of truncated pyramids, the bases of which are turned to the side channels. The free space between the cases is filled with a heat insulator, and the channels in the heat exchange units are zigzag-shaped.

Рассредоточенность термоэлектрических батарей на модули, установленные на усеченные пирамиды, позволяет создать развитую систему каналов с резким изменением направления потока теплоносителя при кратчайшем расстоянии от термоэлектрических модулей до системы каналов и одновременно создает возможность надежно термоизолировать горячий и холодный корпуса друг от друга. The dispersion of thermoelectric batteries on modules mounted on truncated pyramids allows you to create a developed system of channels with a sharp change in the direction of flow of the coolant at the shortest distance from thermoelectric modules to the channel system and at the same time makes it possible to reliably insulate hot and cold cases from each other.

В сочетании с выбранным жидким теплоносителем, имеющим значительную теплоемкость, конструкция по заявляемому изобретению обеспечивает эффективное удаление тепла-холода из зоны теплообмена и термоаккумуляцию холода, увеличивающую быстродействие системы при нестационарном теплопоглощении охлаждаемого объекта. In combination with the selected liquid coolant having significant heat capacity, the design according to the claimed invention provides effective removal of heat-cold from the heat exchange zone and thermal storage of cold, which increases the speed of the system during unsteady heat absorption of a cooled object.

Сущность предлагаемого термоэлектрического холодильника поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена структурная схема варианта холодильника с двумя теплообменными агрегатами и дан поперечный разрез теплообменных агрегатов, на фиг. 2 - продольный разрез теплообменной секции, на фиг. 3 - элемент теплообменного агрегата. The essence of the proposed thermoelectric refrigerator is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a structural diagram of a variant of a refrigerator with two heat exchange units and a cross section is given of heat exchange units, FIG. 2 is a longitudinal section through a heat exchange section; FIG. 3 - element of the heat exchange unit.

Термоэлектрический холодильник содержит 2 теплообменных агрегата 1 и 2, каждый из которых имеет охлаждающую 3 и охлаждаемую 4 секции. Охлаждающие секции производят охлаждение теплоносителя путем его взаимодействия через корпус с холодной стороной термоэлектрических батарей. Охлаждаемые секции производят охлаждение горячей стороны термобатарей. The thermoelectric refrigerator contains 2 heat exchange units 1 and 2, each of which has a cooling 3 and a cooling 4 sections. The cooling sections cool the coolant by interacting through the housing with the cold side of thermoelectric batteries. Cooled sections cool the hot side of the thermal batteries.

Модульная конструкция холодильника позволяет компоновать его в зависимости от требований заказчика. Количество агрегатов определяется требуемой холодопроизводительностью. The modular design of the refrigerator allows you to assemble it depending on customer requirements. The number of units is determined by the required cooling capacity.

Охлаждающие секции могут быть соединены последовательно или параллельно-последовательно в зависимости от требуемой температуры теплоносителя на выходе холодильника. The cooling sections can be connected in series or in parallel-in series depending on the required temperature of the coolant at the outlet of the refrigerator.

Электропитание каждого из теплообменных агрегатов осуществляется от отдельного источника питания (на чертеже не показаны). Источники питания также имеют модульную конструкцию. The power supply of each of the heat exchange units is carried out from a separate power source (not shown in the drawing). Power supplies are also modular in design.

Циркуляция теплоносителя через охлаждающие секции и охлаждаемые объекты выполняется центробежным насосом 5. Термоэлектрические модули 6 термобатарей размещены между секциями. The heat carrier is circulated through the cooling sections and objects to be cooled by a centrifugal pump 5. Thermoelectric modules 6 of the thermopile are placed between the sections.

Охлаждаемые и охлаждающие секции скреплены между собой вне зоны интенсивного теплообмена. Cooled and cooling sections are fastened together outside the zone of intense heat transfer.

Каждая секция выполнена в виде корпуса с развитой системой зигзагообразных каналов 7, обеспечивающих последовательное прохождение теплоносителя вдоль всех термоэлектрических модулей секции (см. фиг. 2) и турбулентное движение теплоносителя, благодаря которому повышается интенсивность теплообмена в широком диапазоне скорости движения теплоносителя. Each section is made in the form of a housing with a developed system of zigzag channels 7, providing a sequential passage of the coolant along all thermoelectric modules of the section (see Fig. 2) and turbulent movement of the coolant, which increases the heat transfer intensity in a wide range of the speed of the coolant.

Корпуса-радиаторы снабжены постаментами для термоэлектрических модулей в виде усеченных пирамидальных выступов 8 с расположенным между ними теплоизолятором 9. Модули установлены на вершинах усеченных пирамидальных выступов. Основание выступов обращено к системе каналов, обеспечивая кратчайший путь для тепловых потоков q (см. фиг. 3). Тем самым достигаются интенсивный теплообмен между термобатареями и теплоносителем и надежная теплоизоляция горячей и холодной секций друг от друга. The radiator cases are equipped with pedestals for thermoelectric modules in the form of truncated pyramidal protrusions 8 with a heat insulator 9 located between them. The modules are mounted on the tops of truncated pyramidal protrusions. The base of the protrusions faces the channel system, providing the shortest path for the heat flux q (see Fig. 3). Thus, intensive heat exchange between the thermal batteries and the coolant and reliable thermal insulation of the hot and cold sections from each other are achieved.

Подключение холодильника к объекту осуществляется с помощью вентилей 10 и 11. Вентиль 12 является перепускным и служит для реализации режима накопления холода при закрытых вентилях 10 и 11. The refrigerator is connected to the object using the valves 10 and 11. The valve 12 is a bypass valve and is used to implement the mode of accumulation of cold when the valves 10 and 11 are closed.

Вентили 13 и 14 служат соответственно для подачи и слива охлаждающего горячие секции теплоносителя. Valves 13 and 14 are respectively used for supplying and discharging cooling coolant sections.

Термостатированный бачок 15 с теплоносителем 16 служит одновременно для заполнения теплоносителем подключаемых объектов и является дополнительным аккумулятором холода. The temperature-controlled tank 15 with a coolant 16 serves simultaneously to fill the connected objects with a coolant and is an additional cold accumulator.

Термоэлектрический холодильник работает следующим образом. Thermoelectric refrigerator operates as follows.

Включается движение теплоносителя через охлаждаемые секции 4, например они подключаются к системе подачи технической воды с помощью вентилей 13 и 14. Система циркуляции теплоносителя через охлаждающие секции с помощью вентилей 10, 11 и 12 отключается от охлаждаемого объекта с обеспечением циркуляции теплоносителя по замкнутому контуру внутри холодильника. Включается центробежный насос 5. Включается питание термоэлектрических батарей. Происходит отвод тепла от горячих сторон термобатарей и постепенное охлаждение термоаккумулятора (корпусов, термостатированного бачка, трубопроводов и теплоносителя). По достижении температуры термоаккумулятора требуемой величины с помощью вентилей 10, 11 и 12 производится подключение холодильника к охлаждаемому объекту и перекрытие потока внутренней циркуляции теплоносителя. The movement of the coolant through the cooled sections 4 is turned on, for example, they are connected to the process water supply system using valves 13 and 14. The circulation system of the coolant through the cooling sections with the help of valves 10, 11 and 12 is disconnected from the object being cooled, ensuring the coolant circulates in a closed circuit inside the refrigerator . The centrifugal pump 5 is turned on. The power of thermoelectric batteries is turned on. Heat is removed from the hot sides of the thermal batteries and the thermal accumulator is gradually cooled (cases, thermostatically controlled tank, pipelines and coolant). Upon reaching the temperature of the thermal accumulator of the required value using valves 10, 11 and 12, the refrigerator is connected to the cooled object and the flow of the internal coolant is shut off.

После охлаждения объектов до требуемой температуры начинается технологический процесс, например прессование нагретых заготовок. Нестационарность поглощения объектом тепла от нагретых заготовок сглаживается аккумулированным "холодом" при постоянной подпитке термоаккумулятора "холодом" от холодной стороны термоэлектрических батарей. After cooling the objects to the required temperature, a technological process begins, for example, pressing heated preforms. The non-stationary nature of the absorption of heat from heated preforms by the object is smoothed out by the accumulated “cold” with constant recharge of the thermal accumulator “cold” from the cold side of thermoelectric batteries.

Claims

1. Thermoelectric refrigerator containing heat exchange units with channels for circulating coolants and thermal modules enclosed between the units, characterized in that the heat exchange units are made in the form of two cases, the cases of heat exchange units are equipped with pedestals for the thermal modules, made in the form of truncated pyramids, the bases of which are turned to the side channels, and the free space between the cases is filled with a heat insulator.

2. The thermoelectric refrigerator according to claim 1, characterized in that the channels in the heat exchange units are zigzag.