RU2267720C1

RU2267720C1 - Thermoelectric refrigerating plant

Info

Publication number: RU2267720C1
Application number: RU2004138336/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Александрович Кичкайло (RU); Анатолий Александрович Кичкайло; Юрий Петрович Прилепо (RU); Юрий Петрович Прилепо
Original assignee: Закрытое акционерное общество "МЭТР"
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2006-01-10

Abstract

FIELD: cooling equipment, particularly to produce cold in autonomous fixed and movable devices, for instance in domestic refrigerators.

SUBSTANCE: refrigerating plant comprises cooled chamber and intermediate coolant circulation loop. The loop includes pump, outer heat-exchanger with fan and thermoelectric cooling unit arranged in cooled chamber and having thermoelectric modules. The thermoelectric modules comprise heat-absorbing and heat-generating junctions. Heat-removing tube is installed in cooled chamber wall. The heat-removing tube is made as a cup in which outlet tube is arranged so that the outlet tube is spaced from heat-removing tube bottom to create annular heat-dissipating channel. Heat-generating junctions of thermoelectric modules are installed on outer surface of heat-removing tube so that the heat-generating junctions are uniformly distributed along heat-removing tube length. Heat-generating junctions are arranged in cooled chamber. Outlet tube is connected to pump inlet. Pump outlet is attached to heat-exchanger inlet. Heat-exchanger outlet is linked with heat-removing tube. Outer surface of heat-removing tube is cylindrical or polyhedral. Cross-sectional area of annular heat-dissipating channel is not less than that of outlet tube. Width of gap between inlet section of outlet tube and heat-removing tube bottom is not less than 0.25 from inner diameter of outlet tube. Outlet tube has orifices inclined towards fluid flow in outlet tube and formed in area of thermoelectric cooling module arrangement.

EFFECT: increased efficiency due to reduced heat losses and reduced power inputs, extended range of application due to extended temperature range of plant operation and simplified usage.

3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области холодильной техники и может быть использовано в установках для производства холода в независимых стационарных и перемещаемых устройствах, например домашних холодильниках.The invention relates to the field of refrigeration and can be used in installations for the production of cold in independent stationary and movable devices, such as home refrigerators.

Известна термоэлектрическая установка, содержащая термоэлектрические батареи, подсоединенные к источнику постоянного тока, устройство отвода тепла и пульт управления, при этом установка снабжена радиационно-конвективными панелями с внутренними воздушными каналами (см. авторское свидетельство SU №688351, Кл. В 60 Н 3/00, 30.09.1979).Known thermoelectric installation containing thermoelectric batteries connected to a constant current source, a heat removal device and a control panel, while the installation is equipped with radiation-convective panels with internal air channels (see copyright certificate SU No. 688351, CL. 60 N 3/00 09/30/1979).

Однако данная установка имеет относительно низкую эффективность, что связано с достаточно высоким теплопритоком, в частности, по термоэлектрическим модулям.However, this installation has a relatively low efficiency, which is associated with a fairly high heat gain, in particular, in thermoelectric modules.

Известны более совершенные термоэлектрические холодильные установки, в частности модель ТЭХ-40 ("Чайка") [Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Киев. Изд. Наукова думка. 1979, с.470-472]. В установке применяют термоэлектрические холодильные агрегаты панельной, плоской конструкции типа "сэндвич", содержащие однокаскадные термоэлектрические батареи охлаждения, снабженные пластинчато-ребристыми радиаторами по теплопоглощающим (холодным) и тепловыделяющим (горячим) спаям. Для обдува радиаторов тепловыделяющих спаев используется вентилятор.Known more advanced thermoelectric refrigeration units, in particular the model TEH-40 ("The Seagull") [Anatychuk LI Thermocouples and thermoelectric devices. Kiev. Ed. Naukova Dumka. 1979, p. 470-472]. The installation uses thermoelectric refrigeration units of a panel, flat design of the "sandwich" type, containing single-stage thermoelectric cooling batteries equipped with plate-fin radiators for heat-absorbing (cold) and heat-generating (hot) junctions. A fan is used to blow heat sink radiators.

Однако их эффективность также невысока из-за значительных теплопритоков по конструкции, в том числе по термоэлектрическим модулям охлаждения. Кроме того, они не могут быть использованы при повышенной температуре окружающей среды.However, their efficiency is also low due to significant heat inflows in design, including thermoelectric cooling modules. In addition, they cannot be used at elevated ambient temperatures.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для охлаждения и нагрева воздуха в замкнутом объеме, содержащее охлаждаемую камеру и промежуточный циркуляционный контур теплоносителя, включающий насос, внешний теплообменник с вентилятором и размещенный в охлаждаемом камере термоэлектрический холодильный агрегат с термоэлектрическими модулями охлаждения, имеющими теплопоглощающие и тепловыделяющие спаи (см. патент RU 2140365, Кл. F 25 B 29/00, 27.10.1999).The closest to the invention in technical essence and the achieved result is a device for cooling and heating air in a closed volume, containing a cooled chamber and an intermediate circulation circuit of a heat carrier, including a pump, an external heat exchanger with a fan and a thermoelectric cooling unit with thermoelectric cooling modules located in the cooled chamber, having heat-absorbing and heat-generating junctions (see patent RU 2140365, Cl. F 25 B 29/00, 10.27.1999).

Однако значительное натекание теплоты из окружающей среды в охлаждаемый объем по конструкционным элементам термоэлектрического модуля охлаждения плоской конструкции в период, когда не подается электропитание, снижает эффективность охлаждения и повышает потребление электроэнергии.However, a significant leakage of heat from the environment into the cooled volume by the structural elements of the thermoelectric cooling module of a flat design during the period when power is not supplied reduces the cooling efficiency and increases the energy consumption.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение эффективности за счет уменьшения тепловых потерь и снижения потребления электроэнергии, увеличение области применения за счет расширения температурного диапазона работы и упрощение эксплуатации.The technical result achieved by using the invention is to increase efficiency by reducing heat loss and reducing power consumption, increasing the scope by expanding the temperature range of operation and simplifying operation.

Указанный технический результат достигается тем, что термоэлектрическая холодильная установка содержит охлаждаемую камеру и промежуточный циркуляционный контур теплоносителя, включающий насос, внешний теплообменник с вентилятором и размещенный в охлаждаемом камере термоэлектрический холодильный агрегат с термоэлектрическими модулями охлаждения, имеющими теплопоглощающие и тепловыделяющие спаи, при этом в стенке охлаждаемой камеры установлена теплоотводная труба, выполненная в виде стакана, внутри которой установлена с зазором относительно дна теплоотводной трубы и с образованием кольцевого теплоотводного канала выходная труба, термоэлектрические модули охлаждения тепловыделяющими спаями установлены на наружную поверхность теплоотводной трубы равномерно вдоль длины последней, а теплопоглощающие спаи размещены в охлаждаемой камере, при этом выходная труба подключена к входу в насос, последний выходом подключен к входу теплообменника, который выходом подключен к теплоотводной трубе, наружная поверхность теплоотводной трубы выполнена цилиндрической или многогранной, площадь поперечного сечения кольцевого теплоотводного канала не меньше площади поперечного сечения выходной трубы, величина зазора между входньм сечением выходной трубы и дном теплоотводной трубы не меньше 0,25 от внутреннего диаметра выходной трубы, причем в стенке выходной трубы в зоне расположения термоэлектрических модулей охлаждения выполнены отверстия с наклоном в сторону потока в выходной трубе.The specified technical result is achieved in that the thermoelectric refrigeration unit comprises a cooled chamber and an intermediate circulation coolant circuit including a pump, an external heat exchanger with a fan and a thermoelectric cooling unit located in the cooled chamber with thermoelectric cooling modules having heat-absorbing and heat-generating junctions, while in the wall of the cooled a heat sink pipe is installed in the camera, made in the form of a glass, inside of which it is installed with a gap relative to the bottom of the heat sink pipe and with the formation of an annular heat sink channel, the exhaust pipe, thermoelectric cooling modules with heat-sealing junctions are installed on the outer surface of the heat sink pipe uniformly along the length of the latter, and heat-absorbing junctions are placed in the cooled chamber, while the exhaust pipe is connected to the pump inlet, the last connected to the output to the inlet of the heat exchanger, which is connected to the heat sink pipe by the output, the outer surface of the heat sink pipe is cylindrical or m faceted, the cross-sectional area of the annular heat sink channel is not less than the cross-sectional area of the outlet pipe, the gap between the inlet section of the outlet pipe and the bottom of the heat sink pipe is not less than 0.25 of the inner diameter of the outlet pipe, and in the wall of the outlet pipe in the zone of thermoelectric cooling modules openings with an inclination towards the flow in the outlet pipe.

Термоэлектрические модули охлаждения могут быть выполнены двухкаскадными.Thermoelectric cooling modules can be performed in two stages.

На теплопоглощающие спаи термоэлектрических модулей охлаждения могут быть установлены игольчато-штыревые или пластинчатые радиаторы.Needle-pin or plate radiators can be installed on heat-absorbing junctions of thermoelectric cooling modules.

В ходе анализа работы установки было установлено, что снижения тепловых потерь можно добиться в период изготовления охлаждаемой камеры, когда в ее охлаждаемом объеме размещают термоэлектрический холодильный агрегат с термоэлектрическими модулями охлаждения, который выполнен в виде трубчатой конструкции с теплоотводной трубой, наружная поверхность которой выполнена цилиндрической или многогранной, при этом тепловыделяющие (горячие) спаи термоэлектрических модулей охлаждения установлены на наружную поверхность теплоотводной трубы, а их теплопоглощающие (холодные) спаи размещены в охлаждаемом объеме камеры. Это позволяет свести к минимуму потери тепла от теплоотводной трубы в охлаждаемый объем, а также улучшить эффективность теплообмена теплопоглощающими спаями в охлаждаемом объеме. Такая схема отвода тепла от охлаждаемого объема позволяет, в отличие от существующих холодильных систем, свести к минимуму натекания от сбрасываемого тепла в охлаждаемый объем. Это позволяет также сократить время выхода на режим, а следовательно, и уменьшить потребление электроэнергии. Энергосберегающим фактором является и трубчатая конструкция термоэлектрического холодильного агрегата, так как в период отключения, при достижении заданной температуры в охлаждаемом объеме перетекание тепла от теплоотводной трубы через термоэлектрические модули охлаждения в охлаждаемый объем камеры сводится к минимуму. Выполнение термоэлектрических модулей в виде двухкаскадной схемы позволяет увеличить холодильный коэффициент, что расширяет температурный диапазон использования, в частности, в субтропических и тропических условиях. Термоэлектрические модули охлаждения могут быть выполнены в кольцевом варианте, что позволяет снизить теплопритоки от теплоотводной трубы к теплопоглощающим спаям. Снижению потерь способствует правильная организация циркуляции теплоносителя в теплоотводной трубе. Было установлено, что наиболее рационально, чтобы площадь поперечного сечения кольцевого теплоотводного канала была не меньше площади поперечного сечения выходной трубы, а зазор между входным сечением выходной трубы и дном теплоотводной трубы был не меньше 0,25 от внутреннего диаметра выходной трубы. Это позволяет свести к минимуму гидродиниамические потери энергии теплоносителя (снизить гидродинамическое сопротивление) и создать эффект эжекции нагретого теплоносителя из зон его нагрева в кольцевом теплоотводном канале.During the analysis of the installation, it was found that the reduction of heat loss can be achieved during the manufacturing of the cooled chamber, when a thermoelectric cooling unit with thermoelectric cooling modules is placed in its cooled volume, which is made in the form of a tubular structure with a heat sink pipe, the outer surface of which is cylindrical or multifaceted, while the heat-generating (hot) junctions of thermoelectric cooling modules are installed on the outer surface of the heat sink pipe, and their heat-absorbing (cold) junctions are placed in the cooled volume of the chamber. This allows to minimize heat loss from the heat sink pipe into the cooled volume, and also to improve the efficiency of heat transfer by heat-absorbing junctions in the cooled volume. This scheme of heat removal from the cooled volume allows, in contrast to existing refrigeration systems, to minimize leakage from the discharged heat into the cooled volume. This also allows you to reduce the time to enter the mode, and consequently, to reduce energy consumption. The tubular design of the thermoelectric refrigeration unit is also an energy-saving factor, since during the shutdown period, when the set temperature in the cooled volume is reached, heat from the heat sink pipe through thermoelectric cooling modules to the cooled chamber volume is minimized. The implementation of thermoelectric modules in the form of a two-stage scheme allows to increase the refrigeration coefficient, which extends the temperature range of use, in particular, in subtropical and tropical conditions. Thermoelectric cooling modules can be made in the ring version, which allows to reduce heat influx from the heat pipe to the heat-absorbing junctions. Correct organization of the coolant circulation in the heat sink pipe helps to reduce losses. It was found that it is most rational that the cross-sectional area of the annular heat sink channel is not less than the cross-sectional area of the outlet pipe, and the gap between the inlet section of the outlet pipe and the bottom of the heat sink pipe is not less than 0.25 of the inner diameter of the outlet pipe. This makes it possible to minimize the hydrodynamic loss of energy of the coolant (to reduce the hydrodynamic resistance) and to create the effect of ejection of the heated coolant from its heating zones in the annular heat sink channel.

Таким образом, предложенное устройство позволяет повысить эффективность работы за счет снижения тепловых потерь и уменьшения теплопритоков от самой системы, а следовательно, уменьшить электропотребление, расширить рабочий диапазон температурных условий окружающей среды, в которых может работать устройство, и улучшить эксплуатационные характеристики.Thus, the proposed device can improve operating efficiency by reducing heat loss and reducing heat gain from the system itself, and therefore, reduce power consumption, expand the operating range of ambient temperature conditions in which the device can operate, and improve performance.

На фиг.1 представлена схематически термоэлектрическая холодильная установка, на фиг.2 представлен разрез А-А на фиг.1 для варианта выполнения термоэлектрических модулей кольцевыми, на фиг.3 представлен разрез А-А на фиг.1 для варианта выполнения термоэлектрических модулей в виде отдельных плоских модулей, на фиг.4 представлен разрез Б-Б на фиг.3, на фиг.5 представлен вариант выполнения термоэлектрических модулей с пластинчатым радиатором и на фиг.6 представлен вариант выполнения термоэлектрических модулей со штыревым радиатором.Figure 1 shows schematically a thermoelectric refrigeration unit, figure 2 shows a section aa in figure 1 for an embodiment of thermoelectric modules ring, figure 3 shows a section aa in figure 1 for an embodiment of thermoelectric modules in the form individual flat modules, FIG. 4 shows a section B-B in FIG. 3, FIG. 5 shows an embodiment of thermoelectric modules with a plate radiator, and FIG. 6 shows an embodiment of thermoelectric modules with a pin radiator.

Термоэлектрическая холодильная установка содержит охлаждаемую камеру 1 и промежуточный циркуляционный контур теплоносителя, включающий насос 2, внешний теплообменник 3 с вентилятором 4, размещенный в охлаждаемом камере 1 термоэлектрический холодильный агрегат с термоэлектрическими модулями охлаждения 5, включающими теплопоглощающие 6 и тепловыделяющие 7 спаи, при этом термоэлектрический холодильный агрегат состоит из установленной в стенке охлаждаемой камеры 1 и выполненной в виде стакана теплоотводной трубы 8, внутри которой установлена с зазором относительно дна теплоотводной трубы 8 и с образованием кольцевого теплоотводного канала 9 выходная труба 10. Термоэлектрические модули охлаждения 5 тепловыделяющими спаями 7 установлены на наружную поверхность теплоотводной трубы 8 равномерно вдоль длины последней, а теплопоглощающие спаи 6 размещены в охлаждаемом объеме охлаждаемой камеры 1. Выходная труба 10 подключена к входу в насос 2. Последний выходом подключен к входу теплообменника 3, который выходом подключен к теплоотводной трубе 8. Наружная поверхность теплоотводной трубы 8 может быть выполнена цилиндрической или многогранной. Площадь поперечного сечения кольцевого теплоотводного канала 9 не меньше площади поперечного сечения выходной трубы 10. Величина зазора S между входньм сечением выходной трубы 10 и дном теплоотводной трубы 8 составляет не меньше 0,25 от внутреннего диаметра D выходной трубы 10. В стенке выходной трубы 10 в зоне расположения термоэлектрических модулей охлаждения 5 выполнены отверстия 11 с наклоном в сторону направления течения потока в выходной трубе 10.A thermoelectric refrigeration unit contains a cooled chamber 1 and an intermediate coolant circulation circuit, including a pump 2, an external heat exchanger 3 with a fan 4, a thermoelectric cooling unit with thermoelectric cooling modules 5, including heat-absorbing 6 and heat-generating 7 junctions, located in the cooled chamber 1, while thermoelectric refrigerating the unit consists of a chilled chamber 1 installed in the wall and made in the form of a heat sink pipe 8, inside of which it is installed An outlet pipe 10 with a gap relative to the bottom of the heat sink pipe 8 and with the formation of an annular heat sink channel 9. Thermoelectric cooling modules 5 with heat-generating junctions 7 are installed on the outer surface of the heat sink pipe 8 uniformly along the length of the latter, and heat-absorbing junctions 6 are placed in the cooled volume of the cooled chamber 1. The output pipe 10 is connected to the inlet to the pump 2. The latter is connected to the input of the heat exchanger 3 by the output, which is connected by the output to the heat sink pipe 8. The outer surface of the heat sink th pipe 8 can be made cylindrical or multifaceted. The cross-sectional area of the annular heat sink channel 9 is not less than the cross-sectional area of the outlet pipe 10. The gap S between the inlet section of the outlet pipe 10 and the bottom of the heat sink pipe 8 is at least 0.25 of the inner diameter D of the outlet pipe 10. In the wall of the outlet pipe 10 the location of thermoelectric cooling modules 5 made holes 11 with an inclination in the direction of the direction of flow in the outlet pipe 10.

Термоэлектрические модули охлаждения 5 могут быть выполнены однокаскадными или двухкаскадными (первый каскад 15 и второй каскад 16 на фиг.4).Thermoelectric cooling modules 5 can be made single-stage or two-stage (the first stage 15 and the second stage 16 in figure 4).

На теплопоглощающие спаи 6 термоэлектрических модулей охлаждения 5 могут быть установлены игольчато-штыревые 12 или пластинчатые радиаторы 13.On heat-absorbing junctions 6 of thermoelectric cooling modules 5 can be installed needle-pin 12 or plate radiators 13.

Термоэлектрические модули охлаждения 5 могут быть выполнены в виде отдельных плоских модулей или в виде отдельных кольцевых модулей. Электропитание термоэлектрических модулей охлаждения 5 обеспечивается источником питания 14.Thermoelectric cooling modules 5 can be made in the form of separate flat modules or in the form of separate ring modules. The power supply of thermoelectric cooling modules 5 is provided by a power source 14.

Термоэлектрическая холодильная установка работает следующим образом.Thermoelectric refrigeration unit operates as follows.

На термоэлектрические модули охлаждения 5 подается напряжение от электрической сети, например, 220 В через внешний источник питания 14. В результате в соответствии с эффектом Пельтье электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию. Посредством теплопоглощающих спаев производится охлаждение пространства охлаждаемой камеры 1, а тепло тепловыделяющих спаев передается теплоотводной трубке 8. Отвод тепла можно интенсифицировать путем установки на теплопоглощающих спаях 6 радиатора пластинчатого 13 или игольчато-штыревого 12. Тепло, которое было передано тепловыделяющими спаями 7 теплоотводной трубе 8, отводится от последней посредством контура промежуточного циркуляционного контура теплоносителя. Насос 2 подает теплоноситель во внешний теплообменник 3, который охлаждается потоком воздуха, создаваемым вентилятором 4. Охлажденный теплоноситель из внешнего теплообменника 3 поступает в кольцевой теплоотводной канал 9, где теплоноситель отбирает тепло от нагретой тепловыделяющими спаями 7 теплоотводной трубы 8. Нагретый теплоноситель из кольцевого теплоотводного канала 9 поступает в выходную трубу 10. При этом часть нагретого теплоносителя поступает в выходную трубу через отверстия 11 в выходной трубе 10, а другая оставшаяся часть теплоносителя поступает в выходную трубу 10 через зазор S между торцом выходной трубы 10 и дном теплоотводной трубы 8 теплоносителя. В результате выполнения отверстий 11 с наклоном в сторону направления потока в выходной трубе 10, поток теплоносителя в выходной трубе 10 через отверстия 11 откачивает (эжектирует) из кольцевого теплоотводного канала 9 часть потока нагретого теплоносителя, что позволяет снизить температуру теплоносителя, который поступает к следующему термоэлектрическому модулю охлаждения 5 по ходу потока в кольцевом теплоотводном канале 9. Из выходной трубы 10 нагретый теплоноситель поступает на вход насоса 2, который подает нагретый теплоноситель для охлаждения во внешний теплообменник 3.The thermoelectric cooling modules 5 are supplied with voltage from the electric network, for example, 220 V through an external power source 14. As a result, in accordance with the Peltier effect, electric energy is converted into thermal energy. By means of heat-absorbing junctions, the space of the cooled chamber 1 is cooled, and the heat of the heat-generating junctions is transferred to the heat sink tube 8. The heat removal can be intensified by installing a plate 13 radiator or pin-type radiator 12 on the heat-absorbing junctions 12. The heat that was transferred by the heat-generating junctions 7 to the heat pipe 8 is diverted from the latter by means of an intermediate circulation circuit of the coolant. The pump 2 delivers the heat carrier to the external heat exchanger 3, which is cooled by the air flow created by the fan 4. The cooled heat carrier from the external heat exchanger 3 enters the annular heat sink channel 9, where the heat carrier takes heat from the heat-dissipated joints 7 of the heat sink pipe 8. The heated heat carrier from the ring heat sink channel 9 enters the outlet pipe 10. At the same time, part of the heated coolant enters the outlet pipe through the holes 11 in the outlet pipe 10, and the other remaining part is heat the carrier enters the outlet pipe 10 through the gap S between the end of the outlet pipe 10 and the bottom of the heat sink pipe 8 of the coolant. As a result of the holes 11 with an inclination in the direction of the flow direction in the outlet pipe 10, the heat carrier flow in the outlet pipe 10 through the holes 11 pumps out (ejects) from the annular heat sink channel 9 a part of the heated heat carrier flow, which makes it possible to reduce the temperature of the heat carrier that goes to the next thermoelectric cooling module 5 along the flow in the annular heat removal channel 9. From the outlet pipe 10, the heated coolant is supplied to the inlet of the pump 2, which supplies the heated coolant for cooling Denia the external heat exchanger 3.

Настоящее изобретение может быть использовано для создания надежных и экономичных термоэлектрических холодильных установок.The present invention can be used to create reliable and economical thermoelectric refrigeration units.

Claims

1. Thermoelectric refrigeration unit containing a cooled chamber and an intermediate circulation coolant circuit, comprising a pump, an external heat exchanger with a fan, and a thermoelectric cooling unit with thermoelectric cooling modules having heat-absorbing and heat-generating junctions located in the cooled chamber, characterized in that a wall of the cooled chamber is installed heat sink pipe, made in the form of a glass, inside of which is installed with a gap relative to the bottom of the heat sink pipe and with the formation of an annular heat sink channel, the outlet pipe, thermoelectric cooling modules with heat-releasing junctions are installed on the outer surface of the heat-sink tube uniformly along the length of the latter, and heat-absorbing junctions are placed in the cooled chamber, while the outlet pipe is connected to the inlet to the pump, the latter being connected to the inlet of the heat exchanger, which is connected by an output to a heat sink pipe, the outer surface of the heat sink pipe is cylindrical or multifaceted, cross-sectional area the ring heat sink channel is not less than the cross-sectional area of the outlet pipe, the gap between the inlet section of the outlet pipe and the bottom of the heat sink pipe is not less than 0.25 of the inner diameter of the outlet pipe, and holes are made in the wall of the outlet pipe in the area of the thermoelectric cooling modules with an inclination to the side flow in the outlet pipe.

2. Thermoelectric refrigeration unit according to claim 1, characterized in that the thermoelectric cooling modules are made in two stages.

3. Thermoelectric refrigeration unit according to claim 1, characterized in that needle-pin or plate radiators are installed on heat-absorbing junctions of thermoelectric cooling modules.