WO1999058906A1 - Refrigerador domestico con efecto peltier, acumuladores termicos y termosifones evaporativos - Google Patents

Refrigerador domestico con efecto peltier, acumuladores termicos y termosifones evaporativos Download PDF

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peltier
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Manuel Dominguez-Alonso
Juan Manuel Pinillos Perez
Carmen Garcia Rodriguez
Pedro Gutierrez Guardiola
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Consejo Superior De Investigaciones Cientificas
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Definitions

  • the cold production systems have been developed according to the application needs. There are basically three fundamental types: absorption, compression and thermoelectricity. Its basic principles are well known: the elimination of heat from one place, taking it to a higher temperature, requiring energy input. If it is thermal, it is the absorption systems; If it is mechanical, it is compression and if it is electric, it is the Thermoelectric or Peltier systems. There are other more direct ones that eliminate heat, taking it from a hotter place to a colder one, taking advantage of the mechanisms of heat and mass transmission, or taking advantage of the evaporation of a liquid or the sublimation of a solid.
  • the heat of phase change is used, in particular that of liquid-vapor.
  • the most commonly used substances such as cold-producing fluids or refrigerators are: anhydrous ammonia, CFCs and CHCF composed of methane and ethane with chlorine and fluorine atoms, whose consumption is being banned or reduced, due to environmental pollution problems, in particular , for the attack on the ozone layer of the atmosphere.
  • the refrigerating machine used to produce heat or pump it from low to high temperatures, is also well known are the so-called "heat pumps", which are in full development.
  • heat pipes which consist of closed enclosures, usually tubular, where there is a liquid and its vapor and sometimes a wick or muslin are also known, although it is not widely used.
  • the liquid phase rises by capillarity. Placed vertically or with a certain inclination, they can be used as cold producers
  • Peltier effect pellets for the cooling of camping fridges is widespread and it is well known, the heat of the hot face is dissipated through a heat exchanger, which is usually made of aluminum with fins, performed by forced circulation of air through a fan; the cold that occurs on the other side of the peltier is conducted through a metal, usually aluminum to a bucket that is also metallic and the same mat.
  • a heat exchanger which is usually made of aluminum with fins, performed by forced circulation of air through a fan; the cold that occurs on the other side of the peltier is conducted through a metal, usually aluminum to a bucket that is also metallic and the same mat.
  • aluminum fins are usually placed In the cold face and in some cases the dissipation is increased by helping with forced circulation.
  • a static cooling has been performed for the ice sheet and another with forced air. It is also known the double jump or the coupling of two effect pads
  • Peltier in sene to increase the temperature jump.
  • Each tablet can give, with a good performance, a jump close to 30 ° C.
  • containers of one to two kilos are incorporated, of a product that stores cold (accumulator), either to extend the preservation of food at low temperatures in power supply cuts, or for use in portable or camping fridges, either to keep the temperature constant for a longer time helping the refrigerating machine.
  • the present invention consists in combining the advantages of cooling with Peltier effect, that of thermosiphon circuits with changes in the vapor liquid phase, producing the phase changes in the places and at the desired temperatures, taking advantage of gravity so that the liquid phase return to the hot zone to cool and heat accumulation with phase change at the desired temperature for stabilization of the system, which facilitates the regulation of temperatures and allows for an energy provision for a normal or abnormal stop due to lack of electrical supply or when control systems operate, etc.
  • the enclosure to be cooled can be a compartment, or two, thermally insulated, where the air circulates by natural convection, (optionally it can be forced).
  • the heat that enters each of the two enclosures and that which can be produced by stored products, door openings, etc., is eliminated by evaporation of a liquid, which can be water and its vapor is condensed in the upper area of the enclosure. closed, where the cold faces of Peltier tablets are installed.
  • Thermosiphons (5) and (8) Peltier pads pump said heat to the hot faces, needing to consume electrical energy that is transformed into heat, which has to be removed by the hot faces through the two thermosyphons (3) and (6).
  • thermosiphon phase change (3) has to be a few degrees per above the maximum ambient temperature, in the figure it has been considered that it may be 32 ° C.
  • the heatsink may be finned or with other types of additional surfaces.
  • thermosiphon (3) if the fluid is water, it will boil in the area near the hot faces of the pads and will condense on the finned surface, which will be cooled by air in natural convection (optionally forced).
  • Peltier effect pads to be used and their number will depend on the characteristics of the domestic refrigerator, the desired power and the type and thickness of the insulator. Its feeding must be done with direct current, at the most suitable intensity for the desired temperature jump (increase between 30 to 40 ° C).
  • the liquid introduced in each thermosiphon, apart from serving as a transport vehicle acts as a thermal accumulator.
  • a domestic refrigerator with capacities has been chosen: in the cooling zone of 167.5 I, (temperatures between 0 and 6 ° C) and in the freezing zone of 105 I, (temperatures between -18 to -20 ° C), which can freeze 21 kg per day of a food containing 85% water. Average ambient temperature 23 ° C.
  • the insulation would be expanded polyurethane with a density of 40 Kg / m3, thermal conductivity coefficient 0.023 w / m.K., Thickness of both enclosures 6 cm.
  • the pressures of the four circuits can be obtained theoretically or experimentally, by the latter means, as follows:
  • the equipment is brought to an environment whose temperature is the maximum design plus three degrees, (35 ° C) if that it is 32 ° C, wait a few hours until its temperature stabilizes and it is emptied with a rotary pump, it is connected with a water container at the temperature of the chamber and allowed to aspirate the desired amount and It is empty again, until the water boils.
  • the temperature is lowered or it is passed to room temperature and once it is reached, the pressure that will be the filling of the circuit of future manufacturing series is measured.
  • the power supply of the pads would be done with direct current at the appropriate voltage, so that the intensity is optimal in the nominal design conditions. It is advisable to obtain it experimentally in each prototype model. It is recommended that the power supply of the pads be divided into two independent electrical circuits. For example, if ten are used (eight for the first jump and two for the second), feed in series to five (4 + 1), if the optimal tension is 11.5 v per tablet, the voltage would be 57.5 v, for each One of the two circuits.
  • thermostats could be, in both enclosures or in the thermosyphons that cool them. 8

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Abstract

La patente se refiere a instalaciones frigoríficas que funcionan gracias a la combinación de elementos productores de efecto Peltier y termosifones con cambio de fase líquido-vapor. Básicamente consta de: 1) recinto de refrigeración; 2) disipador de calor; 3) un circuito cerrado y estanco conteniendo un fluido, que hierve o se evapora, en el foco caliente situado en zona baja y se condensa en la zona alta, retornando por la acción de la gravedad (Termosifón evaporativo); 4) elementos de efecto Peltier (primera etapa); 5) termosifón que transporta el calor, a las caras frías de las pastillas de efecto Peltier de la primera etapa; 6) termosifón que intercambia el calor con el anterior y transporta éste de las caras calientes de las pastillas Peltier de la segunda etapa; 7) elementos de efecto Peltier (segunda etapa); 8) termosifón que transporta el calor, del recinto a baja temperatura, o de conservación de congelados, a las caras frías de las placas Peltier de la segunda etapa. Los cuatro fluidos pueden ser agua con diversos grados de vacío.

Description

1
TÍTULO
REFRIGERADOR DOMÉSTICO CON EFECTO PELTIER, ACUMULADORES
TÉRMICOS Y TERMOSIFONES EVAPORATIVOS.
SECTOR DE LA TÉCNICA
Refrigeración doméstica y frío comercial.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Los sistemas de producción de frío, se han ido desarrollado en función de las necesidades de aplicación. Hay básicamente tres tipos fundamentales: los de absorción, los de compresión y los de termoelectricidad. Sus principios básicos son bien conocidos: la eliminación de calor de un lugar, llevándolo a otro de temperatura más alta, necesitando para ello aporte de energía.Si ésta es térmica, son los sistemas de absorción; si es mecánica son los de compresión y si es eléctrica, son los sistemas Termoeléctricos o Peltier. Existen otros más directos que eliminan el calor, llevándolo de un lugar más caliente a otro más frío, aprovechando los mecanismos de transmisión de calor y de masa, o aprovechando la evaporación de un líquido o la sublimación de un sólido.
En la mayoría de éstos sistemas se aprovecha el calor de cambio de fase, en particular el de líquido-vapor. Las substancias más empleadas como fluidos productores de frío o frigorígenos son: el amoníaco anhidro, los CFC y CHCF compuestos del metano y etano con átomos de cloro y flúor, cuyo consumo se está prohibiendo o reduciendo, por problemas de contaminación medio ambiental , en particular, por el ataque a la capa de ozono de la atmósfera. La máquina frigorífica empleada para producir calor o bombearlo de temperaturas bajas a las altas, también es bien conocida son las denominadas "bombas de calor", que están en pleno desarrollo.
Para evacuar el calor son también conocidos, aunque su uso sea poco extendido, los "tubos de calor", que consisten en recintos cerrados, normalmente tubulares, en donde se encuentra un líquido y su vapor y en ocasiones una mecha o muselina por la que asciende por capilaridad la fase líquida. Colocados verticalmente o con una cierta inclinación, pueden utilizarse como productores de frío
En la patente "Instalaciones frigoríficas con tubos de calor y efecto Peltier para usos domésticos y comerciales", propiedad del Consejo Superior de Investigaciones Científicas C.S I.C es decir , del solicitante de ésta, de la que son autores tres de los autores de ésta nueva patente, se unían ambas técnicas, la de los tubos de calor y la del empleo de las Pastillas de efecto Peltier En ella se indicaba también como fluido en la zona de calor y de frío el agua con un cierto grado de vacío Al llevar a la práctica la invención se vio la conveniencia, de que el circuito de evaporación-condensación no fuese el mismo que el de retorno del condensado, por posibles golpes de líquido o retenciones, siendo preferible el circuito cerrado de tipo termosifón, mecanismo similar al de la lluvia
El empleo de Pastillas de efecto Peltier para la refrigeración de neveras de camping está generalizado y es bien conocido, el calor de la cara caliente es disipado a través de un intercambiador de calor, que suele ser de aluminio con aletas, realizándose por circulación forzada de aire mediante un ventilador; el frío que se produce en la otra cara del peltier se conduce a través de un metal, generalmente de aluminio hasta una cubeta que también es metálica y del mismo matenal En instalaciones mayores, como pueden ser neveras para hoteles, se suelen poner aletas al aluminio en la cara fría y en algunos casos se le aumenta la disipación ayudándole con circulación forzada En algunos prototipos se le han realizado un enfriamiento estático para la bandeja de formación de hielo y otro con aire forzado. También es conocido el doble salto o el acople de dos pastillas de efecto
Peltier en sene, para aumentar el salto de temperatura. Cada pastilla puede dar, con un rendimiento bueno, un salto próximo a 30°C Para la conservación de congelados es necesario el alcanzar temperaturas de -18°C por lo cual no es recomendable el salto sencillo En los refrigeradores domésticos o neveras como usualmente se les denominan, hay dos zonas bien diferenciadas una de conservación a temperaturas positivas y otra de congelación a temperaturas próximas a -18°C 3 en algunos modelos de mayores prestaciones se les incorporan recipientes de uno a dos kilos, de un producto que almacena frío (acumulador), bien para alargar la conservación de los alimentos a bajas temperaturas en cortes de suministro de luz, bien para su uso en neveras portátiles o de camping, bien para mantener la temperatura constante durante más tiempo ayudando a la máquina frigorífica.
Hay muchas patentes relacionadas con neveras, en donde se varía la posición del foco frío, para que circule el aire por convección natural, introduciendo bandejas o deflectores y podrían aparecer otras con respecto a las características del aislamiento, en función de la forma y distribución de elementos de enfriamiento, para que la convección natural sea adecuada y los microclimas de temperatura y humedad sean favorables.
Otras patentes, están relacionadas con los sistemas de control, con los sistemas de desescarche y con los tubos capilares, que son los elementos de laminación.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención consiste, en unir las ventajas que presentan el enfriamiento con efecto Peltier, el de los circuitos termosifón con cambios de fase líquido vapor, produciendo los cambios de fase en los lugares y a las temperaturas deseadas , aprovechando la gravedad para que la fase líquida retorne a la zona caliente a refrigerar y la acumulación de calor con cambio de fase a la temperatura deseada para estabilización del sistema , lo que facilita la regulación de las temperaturas y permite contar con una disposición de energía para una parada normal o anormal por falta de suministro eléctrico o cuando actúan los sistemas de control, etc..
Se debe tener presente que, el rendimiento de un intercambiador de calor, depende: del área de transferencia y de los coeficientes superficiales. En el caso de fluidos en ebullición, éstos son muy altos, pero en el caso de aire a muy bajas velocidades y más aún a muy bajas temperaturas y altas humedades , cuando se forme escarcha, son muy bajos necesitando aumentar las superficies de intercambio. 4
En muchas aplicaciones de este tipo, los ruidos y vibraciones, de los compresores y de los ventiladores y de las posibles bombas aceleradoras para transportar el frío, de unas partes a otras de las instalaciones, son molestos y siempre todo órgano móvil tiene una vida reducida. Por otra parte, se debe tener presente, que en toda instalación frigorífica, la carga térmica varia en el tiempo, lo que obliga a recurrir a sistemas adecuados de regulación de capacidad o de corte de funcionamiento. Una instalación como la que se propone, con diversas pastillas de efecto Peltier y con la posibilidad de alimentarlas con intensidades eléctricas variables, gobernadas por termostatos a través de relés, minimiza extraordinariamente esos problemas. Se pueden obtener variaciones muy reducidas de temperatura y de humedades que alargan la calidad de los productos perecederos almacenados.
Con respecto al estado de la técnica anterior, ésta patente presenta las siguientes ventajas.
- Con respecto a los sistemas de compresión
- Supresión de ruidos y vibraciones, mayor duración, no contaminante, mejor control de la temperatura y de la humedad, más sencilla de construcción y de mantener, y en ciertos tipos más económico. Con respecto a los sistemas de absorción
- Se evitan las grandes presiones de los que no emplean bombas (las cuales favorecen que no se produzcan las fugas), se eliminan los importantes problemas de nivelación, los diseños se simplifican, no se necesitan útiles complejos que obligan a la necesidad de grandes series para amortizarlos y los costos y rendimientos son menores.
- Con respecto a los actuales sistemas de efecto Peltier
- Mayores rendimientos, eliminación de las partes móviles, mejoras en la humedad relativa y en la temperatura, disminución de las entradas de calor a los recintos a enfriar, a través de las pastillas Peltier, en las paradas. 5
En la Figura n° 1 se presenta un esquema de principio. El recinto a enfriar puede ser un compartimento, o dos, térmicamente aislado, en donde circula el aire por convección natural, (opcionalmente puede ser forzada). En la figura se han indicado dos los números (1 ) y (9). El calor que entra a cada uno de los dos recintos y el que pueden producir los productos almacenados, aperturas de puertas, etc., se elimina por evaporación de un líquido, que puede ser agua y su vapor es condensado en la zona superior del recinto cerrado, en donde se instalan las caras frías de las pastillas Peltier. Termosifones (5) y (8) Las pastillas Peltier bombean dicho calor a las caras calientes, necesitando para ello consumir energía eléctrica que se transforma en calor, que se tiene que eliminar por las caras calientes a través de los dos termosifones (3) y (6). Todo el calor a eliminar de los recintos más el que se produce por Efecto Joule en las pastillas se tiene que eliminar por el intercambiador o disipador (2) Por ello la temperatura de cambio de fase del termosifón (3) tiene que ser unos grados por encima de la temperatura máxima del ambiente, en la figura se ha considerado, que ésta puede ser de 32° C. El disipador puede estar aleteado o con otro tipo de superficies adicionales.
En el caso del disipador de calor y el termosifón (3) si el fluido es agua, ésta hervirá en la zona próxima a las caras calientes de las pastillas y se condensará en la superficie aleteada, que se enfriara por aire en convección natural ( opcionalmente forzada).
Las pastillas de efecto Peltier a emplear y su número dependerán de las características del refrigerador doméstico, de la potencia deseada y del tipo y espesor del aislante. Su alimentación se tiene que hacer con corriente continua, a la intensidad más adecuada para el salto de temperatura deseada, (incremento comprendido entre 30 a 40°C). El líquido introducido en cada termosifón, aparte de servir de vehículo de transporte hace de acumulador térmico. Se podría también opcionalmente eliminar algún termosifón o todos por un elemento muy buen conductor térmico, que fuese metálico o plástico con fibra de carbono, y acumuladores térmicos con mezclas eutécticas. 6
EJEMPLO
Como ejemplo de modo de realización de la invención, se ha escogido una nevera doméstica con capacidades: en la zona de refrigeración de 167.5 I, (temperaturas entre 0 y 6°C) y en la zona de congelación de 105 I, (temperaturas entre -18 a -20°C), que pueda congelar 21 Kg por día de un alimento que contenga agua en un 85 %. Temperatura media del ambiente 23°C. El aislamiento sería de poliuretano expandido de densidad 40 Kg/m3, coeficiente de conductividad térmica 0,023 w/m.K., espesor de ambos recintos 6 cm.
Capacidad del primer acumulador, Kg 0,3
Capacidad del primer acumulador, Kwh 11.97
Temperatura del primer acumulador, °C 35
Temperatura máxima del ambiente,°C 32 Área de disipación del primer circuito, m2 6
Coeficiente global del primer circuito, W/m2.K 12
Potencia de calor a eliminar del primer circuito, W 449
Capacidad de los termosifones intermedios., Kg 0.15
Capacidad de frío de los term. intermedios, Kwh 0.84 Potencia de frío del primer circuito refrigeración,. W 6.3
Potencia de frío del primer cirucito para la segunda etapa, W 129,7
Área del enfriador de refrigerador, m2 0.53
Capacidad del term. congelador, Kg 0.15
Capacidad de frío del term. congelador, Kwh 0.84 Potencia de frío del congelado, W 26.4
Área del enfriador de congelador, m2 0.33
Capacidad de congelación ,Kg/día 21.4
Pastillas Peltier
Potencia frigorífica, W 21 Potencia calefactora, W 64.7
Consumo eléctrico,. W 43.7
N° de pastillas primer salto 8 7
Na de pastillas segundo salto 2
Relación de funcionamiento refrigeración,. % 86.7
Relación de funcionamiento congelación., % 62.9
Consumo eléctrico,. W 358.2 Consumo eléctrico total año, kwh 3138
Las presiones de los cuatro circuitos se pueden obtener teóricamente o de forma experimental, por éste último medio, de la forma siguiente: Se lleva el equipo a un ambiente cuya temperatura sea la máxima de diseño más tres grados, (35°C) si aquella es de 32°C, se espera unas horas hasta que se estabilice su temperatura y se le hace vacío con una bomba rotatoria, se le conecta con un recipiente de agua a la temperatura de la cámara y se deja que aspire la cantidad deseada y se vuelve a hacer vacío, hasta que hierva el agua. Se disminuye la temperatura o se le pasa a temperatura ambiente y una vez alcanzada esta, se mide la presión que será la de llenado del circuito de las futuras serie de fabricación.
Esta operación se haría de forma similar con las otras temperaturas deseadas en los otros tres circuitos, temperaturas de -5°C y -3°C para ambiente a 4 ° C y de -24 ° C para -20 ° C, pudiéndose medir las presiones correspondientes.
La alimentación eléctrica de las pastillas, se haría con corriente continua a la tensión adecuada, para que la intensidad sea la óptima en las condiciones nominales de diseño. Es aconsejable obtenerla experimentalmente en cada modelo prototipo. Se recomienda, que la alimentación de las pastillas se divida en dos circuitos eléctricos independientes. Por ejemplo, si se emplean diez (ocho para el primer salto y dos para el segundo), alimentar en serie a cinco (4+1 ), si la tensión óptima es 11.5 v por pastilla, la tensión sería de 57.5 v , para cada uno de los dos circuitos.
Se podría disponer de otra tensión, de un 30% , es decir de 17.25 v, para conmutar en el caso que el termostato hubiera alcanzado la temperatura deseada. La colocación de los termostatos podía estar, en ambos recintos o en los termosifones que los enfrían. 8
APLICACIONES
- Refrigeradores domésticos y comerciales
- Muebles expositores de alimentos - Cámaras climáticas
- Refrigeradores de oficinas u hoteles.
DESCRIPCIÓN DEL DIBUJO
- Refrigerador doméstico con dos departamentos aislados, para conservar productos refrigerados en la zona superior (1) y congelados en la inferior (2)
- Disipador de calor con superficies adicionales (2)
- Pastillas Peltier, primer salto (4), segundo salto o etapa (7)
- Termosifones evaporativos a diversas temperaturas (3), (5), (6) y (8). - Enfriador del recinto de refrigeración (5)
- Enfriador del recinto del congelador (8)

Claims

9 REIVINDICACIONES
1. Refrigerador doméstico enfriado por efecto Peltier, caracterizado porque el recinto a enfriar está formado por uno o dos compartimentos, térmicamente aislados, en donde circula el aire por convección natural, en el que el calor que entra en los recintos se elimina por evaporación de un líquido, que puede ser agua, que se condensa en la zona superior, en donde están instaladas las caras frías de las pastillas Peltier, que bombean el calor a las caras calientes y se elimina a través de dos termosifones.
2. Refrigerador doméstico enfriado por efecto Peltier según reivindicación 1 , caracterizado porque la eliminación de calor de las caras calientes de las pastillas se realiza por la evaporación en ellas de un fluido, que se condensa en un intercambiador de aire ambiente, dispuesto en posición elevada respecto a ellas, retornando el fluido condensado por gravedad.
3. Refrigerador doméstico enfriado por efecto Peltier según reivindicación 1 , caracterizado porque la eliminación de calor de las caras calientes de las pastillas se realiza por la evaporación en ellas de un fluido, que se condensa en intercambiadores, situados por debajo del foco frío, moviéndose las fases líquidas por gravedad y retornando las fases gaseosas por convección natural.
4. Refrigerador doméstico enfriado por efecto Peltier, caracterizado por estar compuesto por dos compartimentos aislados térmicamente, enfriado por efecto Peltier, en doble salto, con cuatro termosifones , dos como el indicado en la reivindicación 2 y dos como los indicados en 3. 10
5. Refrigerador doméstico enfriado por efecto Peltier, según reivindicación 4, caracterizado por estar formado por tres acumuladores de cambio de fase, uno vapor-líquido, el externo, y dos líquido-sólido, a temperaturas de cambio de fase respectivas, superiores a la media del ambiente exterior, e inferiores a las medias deseadas en los dos recintos del mueble, el de productos refrigerados y el de congelados.
6. Refrigeradores domésticos enfriados por efecto Peltier, según reivindicaciones 1 , 2, 3, 4 y 5, caracterizado porque con los elementos indicados en las cinco que emplean el agua como fluido frigorífico con los grados de vacío adecuados, para que se produzca la evaporación a las temperaturas deseadas en cada circuito
7. Refrigeradores domésticos, con los elementos indicados según reivindicaciones anteriores o en donde se sustituya alguno de los termosifones por una bomba para su impulsión o por un ventilador para los intercambiadores en la zona del aire.
PCT/ES1999/000138 1998-05-14 1999-05-14 Refrigerador domestico con efecto peltier, acumuladores termicos y termosifones evaporativos WO1999058906A1 (es)

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US09/700,508 US6418729B1 (en) 1998-05-14 1999-05-14 Domestic refrigerator with peltier effect, heat accumulators and evaporative thermosyphons
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