Термоэлектрическая система охлаждения жидкости

Изобретение относится к холодильной технике, а именно, к системам охлаждения напитков, и может быть использовано на предприятиях, реализующих напитки: пиво, воды, соки, молоко. Изобретение относится к экологически чистым устройствам. Термоэлектрическая система охлаждения содержит теплоизолированный резервуар, закрепленные на его стенках термобатареи с термомодулями, блок теплосброса с радиаторами и вентиляторами. Оригинальная конструкция блока теплосброса позволила улучшить технические и эксплуатационные характеристики, повысить пожаробезопасность.

Изобретение относится к экологически чистым устройствам, предназначенным для охлаждения до необходимой температуры жидкости в термоизолированном объеме. Изобретение относиться к холодильной технике и может быть использовано в пищевой промышленности, в частности, на предприятиях, реализующих напитки, такие, например, как пиво, соки, молоко и другие жидкие продукты.

Известны охладительные системы, использующие для охлаждения воды термоэлектрические приборы, которые обычно называются элементами на основе эффекта Пельтье.

Элементы Пельтье в таких вариантах использования обычно применяются в форме плоских элементов с постоянным напряжением, приложенным между двумя противоположными активными поверхностями элемента. Постоянный ток вызывает перенос тепла с одной активной поверхности элемента на другую. При этом одна сторона элемента охлаждается, а другая нагревается. Активные поверхности обычно выполняют в виде теплопроводных пластин, например, из керамики, а расположенные между ними собственно термоэлементы выполняют в виде массива электрически соединенных термостолбиков р- и n-типа, реализованных из материалов с желаемыми термоэлектрическими характеристиками, например, из теллурида висмута. В целом эту конструкцию называют термомодулем. Каждый термомодуль имеет тоководы. При обеспечении теплового соединения холодной активной поверхности термомодулей термобатареи с внутренней частью изолированного объема происходит охлаждение жидкости, находящейся в ее внутреннем объеме.

Надежность получения необходимого охлаждения жидкости зависит от конструкции, обеспечивающей определенные необходимые условия работы термомодулей в термобатарее, которые состоят в следующем. Для осуществления безаварийной и эффективной работы каждого из термомодулей термобатареи, установленной на стенках термоизолированного резервуара, необходимо обеспечить одновременное протекание двух процессов: - интенсивного отвода холода с их холодных поверхностей и такой же интенсивности отвод тепла с горячих поверхностей термомодулей.

В настоящее время достаточно актуальной задачей является создание термоэлектрической системы охлаждения жидкости простой по конструкции, надежной, безаварийной и эффективной по получению необходимого охлаждения жидкости объемом, например, около 2-х литров. Причем конструкция системы должна обеспечивать интенсивный отвод тепла с горячей поверхности

термомодулей с помощью безаварийного и простого по конструкции блока теплосброса.

Известны термоэлектрические системы для охлаждения жидкости в резервуарах, в которых конструктивно решена задача теплоотвода с горячих поверхностей термомодулей. Однако, как правило, такие конструкции достаточно сложны, что увеличивает вероятность аварий системы в целом.

Так, известна система охлаждения напитков [1], содержащая блок термоэлектрических батарей, имеющих горячий и холодный контуры для теплоносителя и блок сброса тепла, включающий циркуляционный насос, радиатор с вентилятором, устройство газоотделения. Данное устройство достаточно сложно, имеет множество соединительных трубопроводов, увеличивающих аварийность системы. Также вероятность аварийности конструкции увеличивается за счет использования в качестве теплоносителя воды, протечка размером в две капли которой может вызвать короткое замыкание, а также недопустимый перегрев термомодулей, вызывающих возникновение возгорания изоляции и других легко воспламеняющихся материалов. Небольшая ошибка при сборке или трещинка в трубопроводе также может быстро привести к аварийной ситуации, следствием которой может быть, например, пожар.

Известна более простая по конструкции термоэлектрическая система охлаждения запаса воды [2], состоящая из резервуара с входным отверстием и сливным краном, термоэлектрических модулей с проточными теплоотводами и водяного фильтра. Проточные теплоотводы выполнены в виде металлических пластин, внутри которых выполнены Z - образные каналы для прохождения воды по шлангам соединяющих верхний фильтр с водой, каналы и нижний резервуар. Вода протекает по каналам проточных теплоотводов самотеком, без использования насосов.

Данная термоэлектрическая система охлаждения запаса воды недостаточно надежна в эксплуатации, сложна по конструкции и подвержена возникновению аварийных ситуаций.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является термоэлектрическая система охлаждения разливаемой в бутылки воды [3]. Эта система имеет резервуар для хранения охлаждаемой воды с входным отверстием и сливным краном. Термоэлектрический модуль расположен под нижней стенкой резервуара. Одна сторона термоэлектрического модуля охлаждается, охлаждая тем самым резервуар с водой, а на другой, нагретой стороне расположен проточный теплоотвод, через который с помощью насоса осуществляется циркуляция воды по трубопроводу. Приводной вал насоса выдвинут из мотора в противоположном от резервуара направлении, и несет на себе небольшой вентилятор для создания конвективного потока воздуха, способствующего охлаждению мотора. Далее этот поток воздуха направляется на теплообменник, дополнительно способствуя отводу тепла из замкнутого контура.

Конструкция этой системы достаточно сложна и не является аварийнобезопасной. Эта система не имеет резервов повышения холодопроизводительности за счет повышения интенсивности охлаждения горячей стороны термомодуля. Ненадежной и сложной является конструкция проточного (водяного) теплоотвода.

Задача, на решение которой направлено данное техническое решение, состоит в создании термоэлектрической системы охлаждения жидкости, отличающейся от известных достаточно высокой степенью безаварийности, эффективной по получению необходимой температуры охлаждения жидкости за счет эффективного, простого по конструкции блока теплосброса, обеспечивающего интенсивный, точно ориентированный по направлению поток охлаждающего воздуха, предотвращающий перегрев термомодулей в режиме непрерывного охлаждения. При этом должно быть обеспечено достижение следующих технико-экономических результатов:

- улучшение технических и эксплуатационных характеристик;

- малая инерционность;

- высокая надежность;

- отсутствие шума;

- возможность применения на движущихся объектах;

- возможность эксплуатации в широком диапазоне климатических условий;

- пожаробезопасность.

Предлагается термоэлектрическая система охлаждения жидкости, содержащая размещенный в корпусе вертикальный теплоизолированный резервуар с входным и выходным штуцерами для подачи и слива жидкости и закрепленные на его стенках термобатареи с термомодулями, каждый из которых имеет холодную и горячую активные поверхности, блок теплосброса с горячих поверхностей термомодулей с радиаторами и вентиляторами.

Достижение указанных технических результатов обеспечивается за счет того, что термоэлектрическая система охлаждения жидкости снабжена установленным в центре блока теплосброса между вентиляторами и радиаторами отражающим растекателем, выполненным в виде неправильного многогранника с меньшим и большим основаниями и четырьмя боковыми гранями, из которых две противолежащие грани выполнены в виде ортогональных трапеций, а две другие грани выполнены в виде наклонных трапеций и расположены под острым углом к большему основанию, закрепленному на внешней поверхности дна упомянутого резервуара, а меньшее основание многогранника расположено в плоскости, под которой по двум сторонам корпуса установлены вентиляторы так, что каждый из них совместно с наклонной гранью многогранника растекателя образует канал распределенного потока теплоносителя.

Заявляемое техническое решение может быть признано соответствующим требованиям новизны, поскольку не обнаружен аналог, характеризующийся

признаками, идентичными всем существенным признакам предлагаемого изобретения.

Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости, поскольку оно изготавливается и используется (Рекл. Лист прилагается).

Сущность заявляемого устройства поясняется следующими чертежами:

- фиг.1 - общий вид термоэлектрической системы охлаждения жидкости (аксонометрия);

- фиг.2 - то же, (сечение А-А);

- фиг.3 - отражающий растекатель (аксонометрия);

- фиг.4 - термобатарея с термомодулями;

- фиг.5 - термомодуль (аксонометрия).

Термоэлектрическая система 1 охлаждения жидкости содержит (см. фиг.1, 2) размещенный в корпусе 2 вертикальный теплоизолированный (поз.3) резервуар 4 с входным 5 и выходным 6 штуцерами соответственно для подачи жидкости, например, воды из водопровода (не показан) и слива жидкости в емкость потребителя. На двух противолежащих боковых стенках резервуара 4 закреплены термобатареи 7 с термомодулями 8 (см. фиг.4, 5), каждый из которых имеет холодную 9 и горячую 10 активные поверхности. Холодные активные поверхности 9 термомодулей контактируют со стенками резервуара, охлаждают их, тем самым, охлаждая жидкость. Для отвода тепла воздухом с горячих активных поверхностей 10 термомодулей 8 установлен блок теплосброса 11 с радиаторами 12 и вентиляторами 13. Для интенсификации процесса отвода теплого воздуха термоэлектрическая система 1 снабжена отражающим растекателем 14. Отражающий растекатель 14 (фиг.2, 3) выполнен в виде неправильного многогранника с меньшим 15 и большим 16 основаниями и четырьмя боковыми гранями, из которых две противолежащие грани 17 и 18 выполнены в виде ортогональных трапеций, а две другие грани 19 и 20 выполнены в виде наклонных трапеций и расположены под острым углом, например в 45°, к большему основанию 16 (фиг.3).

Отражающий растекатель 14 установлен (фиг.2) в центре блока теплосброса 11 между вентиляторами и радиаторами следующим образом: большее основание 16 растекателя закреплено на внешней поверхности дна резервуара 4, к меньшему основанию 15 растекателя крепится корпус 2, на котором по двум его сторонам устанавливают два вентилятора так, что каждый из вентиляторов совместно с гранью наклонной трапеции растекателя образует канал 19 распределенного потока теплоносителя (например, воздуха). Таких каналов 19 в данной термоэлектрической системе 1 образовано два. В каждом из этих каналов 19 происходит изменение направления струй воздуха и увеличение скорости сформированного потока воздуха, направленного точно на радиатор, благодаря наличию отражающего растекателя 14 и канала 19. Таким образом, создают интенсивный поток воздуха, повышающий эффективность охлаждения горячих 10 поверхностей термомодулей 8.

Термоэлектрическая система 1 охлаждения работает следующим образом (см. фиг.1-5). Принцип работы холодильника основан на использовании эффекта Пельтье, когда при пропускании постоянного тока через контакты двух разнородных веществ (металлов, полупроводников) из которых состоит термомодуль 8, на одном из контактов происходит охлаждение (поглощение тепла), а на другом - выделение тепла. Вначале резервуар 1 наполняют жидкостью, например, водой. Включением тумблера «Сеть» (на фиг. не показан) подают напряжение к термомодулям 8 и вентиляторам 13. С этого момента начинается процесс охлаждения холодных 9 поверхностей термомодулей 8 термобатареи 7, охлаждающих при этом внутреннюю поверхность резервуара 4 и находящуюся в нем жидкость. Одновременно с процессом охлаждения происходит процесс выделения тепла на горячих поверхностях 10 термомодулей 8 термобатарей 7, передающегося на радиатор 12 блока теплосброса 11. Каждый радиатор 12 обдувается интенсифицированным потоком охлаждающего воздуха, сформированного в канале 19 с помощью отражающего растекателя 14, на который воздух подает вентилятор 13, обеспечивающий подачу воздуха к ребрам радиатора и удаление тепла во внешнюю среду. Формирование интенсивного, измененного по скорости и направлению охлаждающего потока воздуха в блоке теплосброса происходит следующим образом. При подаче потока воздуха вентилятором 13 в канал 19, он, ударяясь о наклонную грань 15 многогранника растекателя 14, изменяет направление движения струй воздуха [ориентируя их в сторону ребер радиаторов] и увеличивает скорость потока воздуха, то есть обеспечивает равномерный интенсивный ориентированно-направленный поток охлаждающего воздуха, который, быстро окутывая ребра радиатора, забирают тепло и под действием вентилятора с большой скоростью переносят теплый поток воздуха во внешнюю среду.

Таким образом, благодаря тому, что в заявляемой конструкции процесс охлаждения горячих активных поверхностей термомодулей интенсифицируется, то повышается быстрота охлаждения жидкости термоэлектрической системы 1.

При достижении заданной температуры охлаждения, контролируемой датчиками (на фиг. не показано) охлажденную жидкость (например, питьевую воду) через выходной штуцер 6 (с помощью шланга) подают в емкость потребителя или разливают в бутыли. Затем процесс охлаждения повторяется.

Предлагаемая термоэлектрическая система охлаждения жидкости отличается от известных простой, надежной и безаварийной конструкцией, в которой обеспечивается интенсивный отвод тепла с горячих активных поверхностей термомодулей с помощью безаварийного и простого по конструкции блока теплосброса и обеспечивается быстрое и эффективное охлаждение жидкости, находящейся в резервуаре. При этом достигнуты следующие технико-экономические результаты:

- улучшены технические и эксплуатационные характеристики;

- обеспечена компактность конструкции, повышена ремонтопригодность и надежность при эксплуатации;

- повышено эффективное использование экологически чистого источника холода;

- повышена безопасность и безаварийность использования, особенно на движущихся оъектах;

- обеспечена возможность эксплуатации в широком диапазоне климатических условий;

- повышена пожаробезопасность.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:

1. Система охлаждения напитков.

Патент РФ №2154782, М. кл. F 25 D ²¹/₀₂, 20.08.2000.

2. Термоэлектрическая система охлаждения запаса воды.

Патент РФ №2190167, М. кл. F 25 В ²¹/₀₂, 30.06.2000.

3. Термоэлектрическая система охлаждения разливаемой в бутылки воды.

Термоэлектрическая система охлаждения жидкости, содержащая размещенный в корпусе вертикальный теплоизолированный резервуар с входным и выходным штуцерами для подачи и слива жидкости и закрепленные на его стенках термобатареи с термомодулями, каждый из которых имеет холодную и горячую активные поверхности, блок термосброса с горячих поверхностей термомодулей с радиаторами и вентиляторами, отличающаяся тем, что она снабжена установленным в центре блока теплосброса между вентиляторами и радиаторами отражающим растекателем, выполненным в виде неправильного многогранника с меньшим и большим основаниями и четырьмя боковыми гранями, из которых две противолежащие грани выполнены наклонными под острым углом к большему основанию, закрепленному на внешней поверхности дна упомянутого резервуара так, что упомянутые наклонные грани размещены под резервуаром, а меньшее основание многогранника расположено в плоскости, под которой по двум сторонам корпуса установлены вентиляторы так, что каждый из них совместно с каждой обращенной к дну резервуара наклонной гранью упомянутого многогранника образует канал распределенного потока теплоносителя.