Разработка перспективных схем термоэлектрических холодильников для пассажирских железнодорожных вагонов

Руководитель проекта

О проекте

Термоэлектрический способ охлаждения, несмотря на более низкий К.П.Д. по сравнению с машинным, обладает рядом неоспоримых преимуществ. Это экологическая чистота, бесшумность работы, отсутствие движущихся агрегатов, компактность и пр. Поэтому разработки новых моделей термоэлектрических преобразователей и создаваемых на их основе холодильников и кондиционеров ведутся постоянно и во многих странах мира. Однако многие вопросы эффективности теплообмена в термоэлектрических холодильниках до сих пор не решены. При разработке модели транспортного термоэлектрического холодильника особое внимание было обращено на следующие вопросы:

увеличение электрического к.п.д.
увеличение перепада температур между окружающей средой и холодильной камерой
возможность длительного поддержания отрицательной температуры в холодильной камере при отключенном электропитании
удобство обслуживания и ремонта

Анализ тепловой схемы термоэлектрического холодильника показал, что в конструкции должны быть использованы такие элементы как тепловая труба, тепловой аккумулятор и тепловой затвор. Для оптимизации конструкции была разработана теплофизическая модель переносного термоэлектрического холодильника. На ее основе был разработан, изготовлен и испытан экспериментальный образец переносного термоэлектрического холодильника с объемом холодильной камеры 8 литров.

Общая схема и принцип работы транспортного термоэлектрического холодильника

При разработке конструкции ТрТЭХ был взят за основу блочно-модульный принцип компоновки. При этом конструктивно холодильник состоит из двух независимых модулей: холодильного шкафа для хранения продуктов и расположенного сверху агрегатного блока (блока охлаждения), производящего «холод». Эти модули связаны между собой посредством двух воздуховодов. По одному из них поступает «холодный» воздух из агрегатного блока в холодильный шкаф, по другому возвращается «теплый» воздух. Такая компоновка холодильника обеспечивает как удобство обслуживания, так и более высокие эксплуатационные качества:

Замена агрегатного блока для ремонта или профилактического обслуживания может быть осуществлена достаточно быстро, даже во время остановок в пути следования поезда. Для этого нет необходимости перемещать холодильный шкаф и извлекать из него продукты, нужно только отсоединить воздуховоды и заменить агрегатные блоки.
В объеме шкафа 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 шкафу и обеспечивает длительную работу холодильника без снижения эффективности, не требуя профилактического размораживания.

В качестве холодильного шкафа взят корпус от стандартного бытового морозильника «Бирюса -145». В верхней стенке шкафа прорезаются только два отверстия под воздуховоды. Использование стандартных комплектующих от серийных холодильников позволяет упростить изготовление и снизить стоимость разработки. Конструкция блока охлаждения разработана в ИВМ СО РАН в рамках данного интеграционного проекта. В состав блока входят: тепловой аккумулятор на фазовом переходе, блок термоэлектрических преобразователей, тепловая труба, холодный радиатор, жидкостный горячий радиатор, электродвигатель с вентилятором. Особенностями конструкции агрегатного блока, отличающими от конструкций известных термоэлектрических холодильников, являются следующие технические решения, позволяющие увеличить эффективность работы термоэлектрического холодильника:

размещение блока термоэлектрических преобразователей в вакуумном объеме, что позволяет исключить конвективный теплоперенос и конденсацию влаги на холодном спае;
использование тепловой трубы, которая позволяет эффективно подводить теплоту к холодному спаю блока термоэлектрических преобразователей;
использование в конструкции охладительного блока теплового аккумулятора на фазовом переходе, который конструктивно объединен в единый узел с тепловой трубой и холодным радиатором.

Конвективный теплоперенос и конденсация влаги уменьшают к.п.д. термоэлектрических преобразователей. Использование тепловой трубы и объединение элементов в единый узел позволяет снизить до минимума величину термических сопротивлений в местах тепловых стыков и перепады температуры на них. Применение теплового аккумулятора определяет температуру холодной стороны блока термоэлектрических преобразователей (выбором рабочего вещества аккумулятора с заданной температурой фазового перехода) и позволяет добиться требуемой холодопроизводительности. Кроме того тепловой аккумулятор дает возможность запасти определенное количество «холода», которое дает возможность более быстро замораживать новую партию продуктов, либо поддерживать продукты в замороженном состоянии в случае большого суточного колебания температуры (особенно в летнее время) или отключения электропитания (например, во время переформирования состава).