Отдел Информационно-вычислительного моделирования

Конструктивно блок термоэлектрических холодильных установок (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 воздуховоду возвращается «теплый» воздух. 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.

Экспериментальный образец блока ТЭХУ

При разработке блока ТЭХУ особое внимание было обращено на вопросы оптимизация теплообмена и выбора режимов работы с целью повышения эффективность работы и увеличения холодопроизводительности, а также возможности поддержания захоложенного состояния в холодильной камере при отключенном электропитании. На основе анализа процесса теплообмена и рабочих характеристик ТЭМ разработана конструкция блока ТЭХУ, в которой применены технические решения, позволяющие решить поставленные вопросы. Повышение эффективности работы ТЭХУ обеспечивается за счет:

• размещения ТЭМ в вакуумированном объеме, что исключает потери, обусловленные конвективным теплопереносом и конденсацией влаги;
• использования термосифонов, препятствующих обратным теплоперетокам и обеспечивающих эффективную теплопередачу от воздушного радиатора к холодному спаю секции ТЭП, что снижает до минимума потери перепада температуры, произведенного ТЭП;
• охлаждения горячих спаев ТЭП 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 решить предотвратить обратные перетоки теплоты из внешней среды в объем продуктовой камеры через ТЭХУ при отключении электропитании.

Конструкция блока охлаждения. (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)

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°C в провизионной камере и -18°C в морозильной камере.

Для расчета рабочих характеристик и оптимизации конструкции блока ТЭХУ была разработана математическая модель, описывающая процесс теплопередачи во всех элементах блока ТЭХУ. Модель основана на системе алгебраических уравнений, которые представляют собой нагрузочную характеристику ТЭМ и балансовые соотношения, связывающие величину тепловых потоков и перепада температуры в остальных элементах блока. При расчете характеристик воздушного и жидкостного радиаторов из решения уравнения теплопроводности определялось распределение температуры по высоте ребер, при этом учитывались размеры и материал ребер, значение локального коэффициента теплообмена для заданной скорости теплоносителя. Математическая модель позволила определить 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, холодопроизводительность холодильной установки при различных условиях работы и вариантах компоновки.

Внутреннее устройство блока охлаждения 1– вентилятор; 2 — воздушный радиатор; 3 – электрический нагреватель; 4 – поддон для сбора воды; 5 – термосифоны; 6 – холодильник ТЭП; 7 – жидкостной радиатор.

Для натурных исследований рабочих характеристик блока ТЭХУ был изготовлен экспериментальный образец 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 -18°C) и провизионной (температура +3°C) камер при значениях температуры охлаждающей жидкости Т0 = 9°C и 20°C. Результаты испытаний экспериментального образца приведены в таблице.

Проведенные испытания экспериментального образца подтвердили эффективность конструктивных и технических решений, примененных в блоке ТЭХУ. Испытания показали, что 

• Применение вакуумной теплоизоляции ТЭМ исключило негативное влияние конвекции и теплопроводности воздуха и конденсации влаги, что позволило приблизить рабочие характеристики к предельно достижимым;
• 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 позволяет 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.
• Размещение воздушного радиатора блока ТЭХУ за пределами холодильной камеры позволило использовать принцип работы “no frost” и повысить удобство в эксплуатации и обслуживании.

•   Деревянко В. А., Гладущенко В. Н., Гейнц Э. Р., Коков Е. Г., Васильев Е. Н., Руссков В. В.
  Патент РФ № 2511922. Термоэлектрический блок охлаждения / заявитель и патентообладатель ОАО «Научно-производственный центр «Полюс». — № 2012142405; заявл. 04.10.2012; опубл. 4.10.2014, бюл. №10 (скачать)

•   Термоэлектрический блок охлаждения (скачать)