Термоэлектрический блок охлаждения

В настоящее время термоэлектрические модули (ТЭМ) широко используются для охлаждения как микрообъектов (микросхемы, транзисторы и пр.), так и холодильных камер большого объема [1, 2]. Достоинствами термоэлектрических холодильных установок (ТЭХУ) являются компактность, надежность, экологичность и бесшумность, основным недостатком - сравнительно низкая эффективность охлаждения. Одним из путей повышения эффективности ТЭХУ служит оптимизация конструкции, позволяющая снизить температурные перепады на термических сопротивлениях на элементах конструкции и максимально использовать потенциал существующих ТЭМ. Важной характеристикой ТЭХУ также признано удобство эксплуатации и обслуживания. В настоящей работе представлена оригинальная конструкция, а также результаты вычислительного моделирования и испытаний экспериментального образца термоэлектрического блока охлаждения для судовых морозильных и провизионных камер. В конструкции этого блока использованы современные технические решения, обеспечивающие значительное повышение эффективности как системы теплоподвода, так и всей ТЭХУ в целом.

Описание конструкции ТЭХУ

При разработке конструкции ТЭХУ был взят за основу блочно-модульный принцип компоновки. Конструктивно блок ТЭХУ является независимым модулем, расположенным за пределами судовой камеры для хранения продуктов. Камера и блок ТЭХУ связаны между собой посредством двух воздуховодов: по одному из них вентилятором нагнетается «холодный» воздух из агрегатного блока в продуктовую камеру, по другому возвращается «теплый» воз- дух. Эта компоновка холодильной установки обеспечивает как более высокие эксплуатационные качества, так и удобство обслуживания. В объеме судовой камеры отсутствует теплообменник, и охлаждение продуктов производится холодным воздухом, поступающим из агрегатного блока. Этот принцип работы, называемый “no frost”, в настоящее время используется и в современных бытовых компрессорных холодильниках. Такой способ охлаждения устраняет причину намерзания льда в камере и обеспечивает ее длительную работу без снижения эффективности, не требуя профилактического размораживания камеры. Замена агрегатного блока для ремонта или профилактического обслуживания может быть осуществлена быстро, для этого нет необходимости проводить работы в объеме холодильной камеры и извлекать из нее продукты, нужно только отсоединить воздуховоды и заменить агрегатные блоки. Иней с ребер воздушного радиатора периодически удаляется путем включения встроенного электрического нагревателя, при этом вентилятор отключается, а воздуховоды перекрываются.

При разработке блока ТЭХУ особое внимание было обращено на вопросы оптимизации теплообмена и выбора режимов работы с целью повышения эффективности работы и увеличения холодопроизводительности, а также возможности поддержания захоложенного состоя -ния в холодильной камере при отключенном электропитании. На основе анализа процесса теплообмена и рабочих характеристик ТЭМ разработана конструкция блока ТЭХУ (рис. 1), в которой применены технические решения, позволяющие решить поставленные вопросы [3]. Повышение эффективности работы ТЭХУ обеспечивается за счет следующих технических решений:

• 1)    размещение ТЭМ в вакуумированном объеме, что исключает потери, обусловленные конвективным теплопереносом и конденсацией влаги;

• 2)    использование термосифонов, препятствующих обратным теплоперетокам и обеспечивающих эффективную теплопередачу от воздушного радиатора к холодному спаю секции ТЭМ, что снижает до минимума потери перепада температуры, созданного ТЭМ;

• 3)    охлаждение горячих спаев ТЭМ жидкостным теплообменником со встречными потоками охлаждающей жидкости, обеспечивающим равномерность температурного поля и эффективно отводящим теплоту во внешнюю среду.

В термосифонах теплопередача за счет движения и фазовых превращений теплоносителя возможна только в одном направлении: от воздушного радиатора к холодным спаям ТЭМ. В обратном направлении теплопередача может происходить только по стенкам; для минимизации этих потерь термосифоны изготавливались тонкостенными (0,5 мм) из металла с низким коэффициентом теплопроводности (нержавеющая сталь). Это позволило предотвратить обратные перетоки теплоты из внешней среды в объем продуктовой камеры через ТЭХУ при отключении электропитания.

В состав разработанного блока ТЭХУ входят: секция из 8 ТЭМ типа S-199-14-11 производства НПО «Кристалл», 24 термосифона, воздушный «холодный» радиатор, жидкостной «горячий» радиатор, электродвигатель с вентилятором. Количество блоков ТЭХУ, устанавливаемых в продуктовых камерах, зависит от их назначения и объема. Функционирование блока ТЭХУ предполагается в двух основных режимах: поддержание значений температуры 3 °С в провизионной камере и минус 18 °С в морозильной камере.

Рис. 1. Конструкция блока ТЭХУ: 1 – теплоизолированный корпус; 2 – ТЭМ; 3 – воздушный радиатор; 4 – герметичная камера; 5 – теплоизолирующая вставка; 6 – жидкостной радиатор; 7 – конденсатор термосифона; 8 – корпус термосифона; 9 – зона испарения термосифонов; 10 – внутренний паропровод термосифона; 11 – вентилятор; 12 – электрический нагреватель

Fig. 1. The design of block of thermoelectric refrigeration unit: 1 – heat insulated casing; 2 – thermoelectric modules; 3 – air radiator; 4 – sealed chamber; 5 – heat insulating insert; 6 – liquid radiator; 7 – thermosyphon condenser; 8 – thermosyphon case; 9 – evaporation zone of thermosyphons; 10 – the inner steam pipe of thermosyphon; 11 – fan; 12 – electric heater

Определение рабочих характеристик ТЭХУ

Для расчета рабочих характеристик и оптимизации конструкции блока ТЭХУ была разработана математическая модель, описывающая процесс теплопередачи во всех элементах блока ТЭХУ. Модель включает в себя расчетные алгоритмы, позволяющие рассчитывать характеристики как отдельных узлов, так и всего блока ТЭХУ в целом [4-8]. Расчет характеристик воздушного и жидкостного радиаторов проводился на основе решения уравнения теплопроводности, из которого определялось распределение температуры по высоте ребер с учетом размеров и материала ребер, значения локального коэффициента теплообмена для заданной скорости воздуха или жидкости. При этом рассчитывали коэффициент теплообмена воздушного радиатора, расход воздуха и перепад давления на воздушном радиаторе, коэффициент теплообмена жидкостного радиатора, изменение температуры охлаждающей жидкости при прохождении по жидкостному радиатору. В итоге математическая модель позволяет определить холодопроизводительность блока ТЭХУ при различных условиях работы и вариантах компоновки.

Для натурных исследований рабочих характеристик блока ТЭХУ был изготовлен экспериментальный образец (рис. 2) и собран испытательный стенд, на котором регистрацию и обработку параметров работы обеспечивает автоматизированный вычислительный комплекс на базе модульной измерительной системы L-Card и персонального компьютера с использованием «Пакета прикладных программ для регистрации и обработки результатов тепловых и электрических параметров». В ходе проведенных испытаний экспериментального образца получены значения холодильной мощности Q блока ТЭХУ для морозильной (температура минус 18 °С) и провизионной (температура 3 °С) камер при значениях температуры охлаждающей жидкости Т 0 = 9 °С и 20 °С.

Рассчитанные зависимости холодильной мощности Q от температуры охлаждающей жидкости приведены на рис. 3 для режимов работы блока ТЭХУ, соответствующих морозильной (сплошная линия) и провизионной (пунктирная линия) камерам. С увеличением температуры охлаждающей жидкости величина Q снижается по линейному закону. Здесь же отмечены значения Q , полученные в ходе испытаний блока ТЭХУ, квадратики соответствуют режиму морозильной камеры, кружки относятся к режиму провизионной камеры. Собственная потребляемая электрическая мощность блока ТЭХУ в этих режимах составила примерно 800 Вт.

Заключение

Проведенные испытания экспериментального образца подтвердили эффективность конструктивных и технических решений, примененных в блоке ТЭХУ. По результатам испытаний сделаны следующие выводы.

Рис. 2. Экспериментальный образец блока ТЭХУ

Fig. 2. Experimental sample of block of thermoelectric refrigeration unit

Рис. 3. Зависимости холодильной мощности Q от температуры охлаждающей жидкости для морозильной (температура минус 18 °С) и провизионной (температура 3 °С) камер

Fig. 3. Dependencies of cooling capacity Q on coolant temperature for freezing (-18 °C temperature) and provisioning (+ 3 °C temperature) chambers

• 1.    Применение вакуумной теплоизоляции ТЭМ исключило негативное влияние конвекции и теплопроводности воздуха и конденсации влаги, что позволило приблизить рабочие характеристики к предельно достижимым.

• 2.    Термосифоны обеспечивают эффективную теплопередачу от воздушного радиатора к холодному спаю ТЭМ и выполняют функцию тепловых затворов между воздушным радиатором и ТЭМ, что позволяет устранить проникновение теплоты из внешней среды в холодильную камеру при отключении питания или выходе ТЭМ из строя. Кроме того, наличие теплового затвора дает возможность производить регулирование температуры в холодильной камере не только путем изменения силы тока, но и традиционным для бытовых холодильников способом с применением термореле для периодического отключения питания.

• 3.    Размещение воздушного радиатора блока ТЭХУ за пределами холодильной камеры позволило использовать принцип работы “no frost” и повысить удобство в эксплуатации и обслуживании.

По результатам исследований определены пути и возможности доработки конструкции блока ТЭХУ при создании опытного образца.