ICM SB RAS Russian
Structure of Institute
description
projects
employees
papers

about institute
researches

library
feedback
contact us

метеостанция
 

Department of Information and Computational Modelling

Термоэлектрический блок охлаждения для судовых морозильных и провизионных камер
Представлена оригинальная конструкция термоэлектрического блока охлаждения для судовых морозильных и провизионных камер. Достоинствами термоэлектрических холодильных установок являются компактность, надежность, экологичность и бесшумность, основным недостатком — сравнительно низкая эффективность охлаждения. Представленная оригинальная конструкция термоэлектрического блока охлаждения для судовых морозильных и провизионных камер обеспечивает повышение эффективности работы за счет применения вакуумирования термоэлектрических модулей (ТЭМ), использования термосифонов, препятствующих обратным теплоперетокам, и охлаждения горячих спаев ТЭМ жидкостным теплообменником со встречными потоками охлаждающей жидкости. При разработке конструкции был взят за основу блочно-модульный принцип компоновки. Конструктивно термоэлектрический блок охлаждения является независимым модулем, расположенным за пределами судовой камеры для хранения продуктов. Камера и блок связаны между собой посредством воздуховодов. Такая компоновка холодильной установки обеспечивает как более высокие эксплуатационные качества, так и удобство обслуживания. Рабочие характеристики и режимы работы блока холодильной установки исследованы при различных условиях и вариантах компоновки с помощью вычислительного моделирования. Создан экспериментальный образец термоэлектрического блока и проведены его испытания, определены значения холодильной мощности в различных режимах работы.

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
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
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
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.

Режим работы блока ТЭХУ Режим I (-18°C) Режим II (+3°C)
Q (Вт) при Т0 = 9°C 200 419
Q (Вт) при Т0 = 20°C 143 296
Потребляемая электр. мощность (Вт) 798 840

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.

Дополнительная информация

  • Патент на термоэлектрический блок охлаждения:
  • Презентация «Термоэлектрический блок охлаждения»:

Отдел информационно-вычислительного моделирования
Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск
Телефон: (391) 249 53 77, e-mail