CC BY
32Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2019, 12(2), 146-152
yflK 537.32
Thermoelectric Cooling Block
Evgenii N. Vasil'ev*a, Ehl'mar R. Gejntsb, Valeriy A. Derevyankoa, Evgenii G. Kokovb and Sergei V. Kukushkina
aInstitute of Computational Modelling SB RAS 50/44 Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russia
bRPC "Poljus" JSC 56v Kirov, Tomsk, 634050, Russia
Received 27.12.2018, received in revised form 25.01.2019, accepted 01.02.2019
Theoretical and experimental studies of heat exchange processes in the thermoelectric block of a refrigeration unit designed for ship freezers and provision chambers have been carried out. In the original design of the block, which includes 8 thermoelectric modules S-199-14-11, thermosyphons, a liquid heat exchanger with counter coolant flows and vacuuming volume were used to accommodate thermoelectric modules, which allowed minimizing heat losses and increasing cooling efficiency. Using a mathematical model, the performance characteristics and modes of operation of the refrigeration unit under different conditions and layout options are calculated. An experimental model of a thermoelectric unit was created and tested, the values of cooling power in various operating modes were determined.
Keywords: thermoelectric module, refrigeration unit, thermosiphon, heat exchange, thermal conductivity, radiator.
Citation: Vasil'ev E.N., Gejnts E.R., Derevyanko V.A., Kokov E.G., Kukushkin S.V. Thermoelectric cooling block, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2019, 12(2), 146-152. DOI: 10.17516/1999-494X-0123.
© Siberian Federal University. All rights reserved
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0). Corresponding author E-mail address: ven@icm.krasn.ru
Термоэлектрический блок охлаждения
Е.Н. Васильев3, Э.Р. Гейнцб, В.А. Деревянко3, Е.Г. Коков6, С.В. Кукушкин3
аИнститут вычислительного моделирования СО РАН Россия, 660036, Красноярск, Академгородок, 50/44
бАО НПЦ «Полюс» Россия, 634050, Томск, пр. Кирова, 56в
Проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов теплообмена в термоэлектрическом блоке холодильной установки, предназначенной для судовых морозильных и провизионных камер. В оригинальной конструкции блока, включающей в себя 8 термоэлектрических модулей S-199-14-11, применены термосифоны, жидкостной теплообменник со встречными потоками охлаждающей жидкости и вакуумирование объема для размещения термоэлектрических модулей, что позволило до минимума снизить тепловые потери и повысить эффективность охлаждения. С помощью математической модели рассчитаны рабочие характеристики и режимы работы блока холодильной установки при различных условиях и вариантах компоновки. Создан экспериментальный образец термоэлектрического блока, и проведены его испытания, определены значения холодильной мощности в различных режимах работы.
Ключевые слова: термоэлектрический модуль, холодильная установка, термосифон, теплообмен, теплопроводность, радиатор.
Введение
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- 147 -
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 состояния 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 - герметичнаякамера;5 -теплоизолирующаявставка; 6-жидкостной радиатор; 7 - конденсатор термосифона; 8еКорпуетермосифона;9 - зонаиспарения термосифонов; 10-внубрдннивпаропровод термосифона; П-веоуашууен;1в-блектриоеприунагреварбоь
Fig. 1. The design of block of thermoelectric refrigeration unit: 1 - heat insulated casing; 2 - thermoelectric modules; 3 - air radiator; 4-sealed chamber; 5 - heatinsulating ie-ert;6- liquidradiator; 7 - thermosyphon condenser; 8 - th-rmoeyphonaase; 9-rvaporalion zoneof thermoryrhons; 10 r thr inner rteam pipe of thermosyphon; 11 -daa; ie-oleetricheater
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 Т0 = 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
- 150 -
500
0-1-1-1-1-1-
5 10 15 20 25 30 35
T,° С
Рис. 3. Зависимости холодильной мощности Q от температуры охлаждающей жидкости для морозильной (температура минус 18 °С) и провизионной (температу ра 3 °С) камер
Fig. 3. Dependencies of cooling capacity g on coolanttemperature 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.
Список литературы
[1] Анатычук Л.И., Вихор Л.Н., Николаенко Ю.Е., Рассамакин Б.М., Розвер Ю.Ю. Крупноформатный термоэлектрический модуль охлаждения с тепловыми трубами. Термоэлектричество, 2011, (1), 53-59 [Anatychuk L.I., Vichor L.N., Nikolaenko Yu.Ye. Rassamakin B.M., Rozver Yu.Yu. Large-sized thermoelectric module with heat pipes. Journal of Thermoelectricity, 2011, (3), 60-75]
[2] Санин В.Н., Андреков И.К., Цапаев А.П., Копылова Н.А. Термоэлектрическое охлаждение радиоэлектронной аппаратуры, Известия ВУЗов. Радиоэлектроника, 2003, (9), 60-65
[Sanin V.N., Andrekov I.K., Tsapaev A.P., Kopylova N.A. Thermoelectric cooling of electronic devices. Radioelectronics and communications systems, 2003, (9), 60-65]
[3] Патент 2511922 (РФ) от 10.04.14 г, МПК F25B 21/02. Термоэлектрический блок охлаждения / Деревянко В.А., Гладущенко В.Н., Гейнц Э.Р., Коков Е.Г., Васильев Е.Н., Руссков В.В. [Patent 2511922 (RF), dated 10.04.14, MPK F25B 21/02. Thermoelectric cooling unit / Derevjanko V.A., Gladushchenko V.N., Gejnts E.R., Kokov E.G., Vasil'ev E.N.,Russkov V.V. (in Russian)]
[4] Васильев Е. Н., Деревянко В. А. Анализ эффективности применения термоэлектрических модулей в системах охлаждения радиоэлементов. Вестник СибГАУ, 2013, (4), 9-13 [Vasil'ev E.N., Derevyanko V.A. Analysis of thermoelectric modules efficiency in cooling systems. VestnikSibGAU, 2013, (4), 9-13 (In Russian)]
[5] Васильев Е. Н. Математическая модель для расчета характеристик термоэлектрических модулей охлаждения. Журнал СФУ. Техника и технология, 2015, 8(8), 1017-1023 [Vasil'ev E.N. Mathematical Model for the Calculation of the Characteristics of the Cooling Thermoelectric Modules. J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol. 2015, 8(8), 1017-1023 (In Russian)]
[6] Васильев Е.Н. Расчет и оптимизация режимов термоэлектрического охлаждения те-плонагруженных элементов. Журнал технической физики, 2017, 62(1), 90-96 [Vasil'ev E.N. Calculation and Optimization of Thermoelectric Cooling Modes of Thermally Loaded Elements. Technical Physics, 2017, 62(1), 90-96]
[7] Васильев Е.Н. Оптимизация режимов термоэлектрического охлаждения теплонагру-женных элементов с учетом термического сопротивления теплоотводящей системы. Журнал технической физики, 2017, 62(9), 1300-1306 [Vasil'ev E.N. Optimization of Thermoelectric Cooling Regimes for Heat-Loaded Elements Taking into Account the Thermal Resistance of the Heat-Spreading System. Technical Physics, 2017, 62(9), 1300-1306]
[8] Васильев Е.Н. Расчет термического сопротивления теплораспределителя системы охлаждения теплонагруженного элемента. Журнал технической физики, 2018, 63(4), 471-475 [Vasil'ev E. N. Calculation of the Thermal Resistance of a Heat Distributer in the Cooling System of a Heat-Loaded Element. Technical Physics, 2018, 63(4), 471-475]
