Принцип работы термоэлектрического холодильника

Содержание

В термоэлектрических холодильниках трансфор­матором теплоты является термоэлектрическая батарея, состав­ленная из большого числа последовательно соединенных полу­проводников (термоэлементов) с электронной и дырочной проводимостью. В основе работы термоэлектри­ческих трансформаторов теплоты лежит явление Пельтье.

При пропускании постоянного электрического тока от положительного элемента к отрицательному, в месте их контакта (спая) происходит выделение теплоты, а при обратном направлении тока — поглощение. Таким образом, в термоэлектрической бата­рее чередуются горячие спаи, в которых выделяются теплота в верхний температурный уровень и холодные спаи, поглощаю­щие теплоту,— нижний температурный уровень.

Физическая сущность явлений термоэлектрического охлаж­дения и нагрева состоит в следующем. В месте спая двух разно­родных проводников возникает внутренняя (контактная) раз­ность потенциалов, обусловленная разной работой выхода элек­тронов. При пропускании тока по цепи термоэлементов в одном контакте, где направление потока электронов совпадает с кон­тактной разностью потенциалов, кинетическая энергия электро­нов возрастает и спай нагревается. В другом спае контактная разность потенциалов тормозит электроны (им необходимо прео­долеть энергетический барьер, на что требуется энергия) и спай охлаждается. При перемене направления тока положение меня­ется на обратное.

Теплота, выделяемая горячими спаями или поглощенная холодными, носит название теплоты Пельтье

Поместив холодные спаи в холодильную камеру, а горячие — вне неё, получим термоэлектрический холодильник. В практике животноводства применяются небольшие по мощности переносные термоэлектрические холодильники, питающиеся от сухих элементов и предназначенные для быстрого охлаждения и хранения биологических объектов, используемых в селекционной работе и ветеринарии.

Термоэлектрический холодильник

Появление новых видов уже хорошо известных бытовых приборов всегда связано с обеспечением более высокого уровня комфорта человека и направленно всегда на удовлетворение его потребностей. Именно с этой целью на мировом рынке появились переносные холодильники с термоэлектрическим охлаждением, которые способны обеспечить охлажденными продуктами и напитками вне дома: в поездке или на пикнике.

Как работает термоэлектрический холодильник?

Принцип работы любого термоэлектрического холодильника основывается на использовании Эффекта Пельтье. Он заключается в том, что при прохождении постоянного тока через термобатарею, которая состоит из двух разнородных проводников (соединенных последовательно), в месте их соединения тепло выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока), т.е. происходит перенос тепла так, что одна часть этой батареи охлаждается, а вторая – нагревается.

Для использования этого эффекта первая (холодная) часть термобатареи помещается в среду, которую надо охладить, а вторую (горячую) – в окружающую.

Устройство холодильника с термоэлектрическим охлаждением:

  1. Вентилятор — для отвода тепла.
  2. Радиатор — ребристая алюминиевая пластина для отдачи тепла.
  3. Дистансер — для передачи холода внутрь холодильника.
  4. Блок питания — для изменения переменного напряжения на постоянное.
  5. Переключатель режимов работы блока питания — 2 режима: от 0 до 5°С и от 8 до 12°С. 6. Корпус с крышкой.

Все элементы крепятся к задней панели корпуса или располагаются в крышке холодильника

.

Виды термоэлектрических холодильников

Существует две разновидности переносных термоэлектрических холодильников:

  • для автомобилей;
  • в виде сумки.

Автомобильный термоэлектрический холодильник

Используется в легковых и грузовых машинах, чтобы охлаждать (или подогревать) и хранить пищевые продукты и напитки во время движения автомобиля или на стоянках для отдыха. Такой холодильник устанавливают в кабине автомобиля и, иногда даже, он может выполнять роль подлокотника.

Выпускают холодильники двух модификаций: работающие от сети на12 В и 24 В, а, используя зарядно-выпрямительное устройство, его можно подключить к сети на 220 В или 127 В. Время работы неограниченно, но, естественно, при наличии источника постоянного тока. Наружный корпус такого холодильника покрыт черной искусственной кожей поверх листовой стали, а внутренний корпус — из пищевого алюминия. Теплоизоляция осуществляется за счет формованного пенополистирола. Выпускается разных форм:

  • короб, встраиваемый в специальную нишу;
  • маленький шкафчик или тумбочка;
  • мини-холодильник (для банки с напитком).

Термоэлектрическая сумка-холодильник

Очень удобный вариант переносного холодильника, позволяющий в жару наслаждаться охлажденными напитками и продуктами. Для достижения максимального эффекта в такой переносной термоэлектрический холодильник лучше все класть уже охлажденными в бытовом холодильнике, также можно положить вовнутрь аккумуляторы холода, мешочки со льдом или охлажденные пластины. Если надо этот прибор может работать и как термос, для сохранения температуры продуктов.

В отличие от автомобильного, сумка-холодильник не предназначена для подогревания продуктов.

В комплект к сумке дополнительно идут:

  • длинный шнур, чтобы располагать холодильник в багажнике;
  • две крышки: одна со шнурами и переключателем, другая – с ручкой (для переноски.

Преимущества термоэлектрического холодильника

  • бесшумность;
  • надёжность и долговечность;
  • небольшие размеры;
  • отсутствие движущихся, трущихся частей и сложных соединительных труб;
  • возможность точного регулирования температуры;
  • отсутствие потребности в жидких или газовых охладителях.

Но, несмотря на вышеперечисленные достоинства и мобильность термоэлектрических холодильников, они не пользуются большой популярностью из-за своей дороговизны.

Принципиально устройство холодильника представляет собой закрытую термоизолированную камеру, в которой поддерживается постоянная низкая температура. Если бы это была идеальная адиабатическая система, не допускающая обмена энергией с окружающей средой, то достаточно было бы в камеру положить кусок льда. И чем больше он будет по отношению к объему камеры, тем ниже опустится температура продуктов, когда система достигнет термодинамического равновесия. Но реально таких изолированных систем нет, и холодильные агрегаты используют внешние источники энергии, чтобы создать в камере стабильную низкую температуру. А как они это делают, зависит от принципа работы.

Виды холодильников

Есть четыре вида холодильников, которые отличаются принципом действия. По мере распространенности их можно расположить в следующем порядке:

  • компрессорные;
  • абсорбционные;
  • термоэлектрические;
  • вихревые.

Компрессорные холодильные установки

Принцип работы холодильника этого типа основан на использовании обратного цикла Карно. В замкнутом герметичном контуре между испарителем и конденсатором циркулирует хладагент, изменяя при этом свое агрегатное состояние.

В испаритель, который находится внутри холодильной камеры, хладагент (в данном случае — фреон) попадает в жидком состоянии. Там, в условиях низкого давления, он расширяется, «вскипает» и отбирает тепло у стенок испарителя, а те охлаждают воздух в камере.

Из испарителя газообразный фреон засасывается компрессором, сжимается, попадает в конденсатор, остывает, отдает в окружающую среду избыточное тепло через радиаторную решетку и конденсируется.

Затем цикл повторяется.

Абсорбционный холодильник

Работа этого типа холодильника построена на том же принципе, что и компрессорного — снижение температуры за счет испарения хладагента. Но имеет другую схему перехода агрегатных состояний.

Справка. Здесь в качестве хладагента используют жидкость с низкой температурой кипения, способную растворяться в воде. А в качестве «привода», который обеспечивает циркуляцию хладагента, выступает нагреватель («котел»).

Чаще всего в качестве хладагента используется аммиак, а цикл работы холодильника выглядит так:

  1. Водный раствор аммиака разогревается в генераторе (десорбере).
  2. Аммиак вскипает быстрее воды, поэтому образуются его концентрированные пары, которые поступают в конденсатор. Там пары охлаждаются, аммиак переходит в жидкое состояние и поступает через дроссель в испаритель.
  3. В испарителе в результате низкого давления аммиак «закипает», превращается в газ и отбирает тепло из холодильной камеры.
  4. Затем парожидкостная аммиачная смесь поступает в абсорбер, где она растворяется в воде.
  5. Из абсорбера раствор попадает в генератор. Цикл повторяется.

Недостаток — низкая хладопроизводительность и долговечность холодильника. Достоинство — возможность работать не только от электричества, но и на энергии сжигания топлива (например, сжиженного газа).

Работа такого типа холодильника основана на свойствах биметаллической пары контактов. При прохождении тока через любую пару проводников (или полупроводников) из разнородных металлов в зоне контакта образуется разность потенциалов (эффект Пельтье). Благодаря этому здесь возникает свое «внутреннее» контактное электромагнитное поле. Если ток совпадает с его направлением, то у проводника с высоким потенциалом отбирается часть тепловой энергии, и он остывает. А второй проводник нагревается.

Недостатки термоэлектрического холодильника — низкая холодопроизводительность и дороговизна. Основная сфера применения — переносные сумки-холодильники.

В заключение раздела о четвертом типе — вихревых холодильниках. Здесь также используются компрессоры, но они работают с воздухом. Их задача — доставить сжатый воздух в охладительную камеру низкого давления, где он расширяется и отбирает тепло у окружающей среды. Недостатки этого типа — низкий КПД, высокий уровень шума и большие габариты.

Устройство компрессорного холодильника

Конструктивно компрессорный холодильник состоит из следующих элементов и узлов:

  • Герметичные холодильная и морозильная камеры, закрывающиеся дверкой с резиновым уплотнителем.
  • Испаритель. У однокамерного холодильника он выполнен в виде «морозилки», стенки которой сделаны из спаянных пластин профилированного листового металла. В холодильном отсеке двухкамерного холодильника – это плоский щитовой радиатор с «проложенным» в нем канале для хладагента. В морозильной камере двухкамерного холодильника испаритель обычно делают в виде змеевика с «оперением» в виде ребристого радиатора.
  • Конденсатор. Установлен снаружи на задней стенке. Представляет собой змеевик с закрепленным к нему решетчатым радиатором.
  • Фильтр-осушитель. Необходим для очистки хладагента от влаги и механических частиц. Влага попадает в систему извне разными путями: диффузия, недостаточная герметичность соединений трубопроводов и компрессора, во время заправки фреоном. А механические примеси появляются в результате коррозии трубопроводов.
  • Дроссель или капилляр. Выполняет функцию терморегулирующего расширительного вентиля. Нужен для создания низкого давления в испарителе.
  • Мотор-компрессор. Отвечает за циркуляцию хладагента в системе, вместе с дросселем обеспечивает разность давлений в испарителе и конденсаторе. У бытовых холодильников наиболее распространены поршневые компрессоры, реже роторные. Оба варианта по принципу действия относятся к объемному типу. По устройству компрессор холодильника представляет собой герметичный моноблок, внутри которого находится рабочая камера, впускные и выпускные клапаны, двигатель.
  • Датчик температуры. Участвует в управлении холодильником. У обычных холодильников с асинхронным двигателем или электромагнитным (линейным) приводом он подает «команду» на реле, которое запускает или отключает мотор. У инверторных холодильников (с электродвигателем постоянного тока) от его показаний зависит частота вращения ротора.
  • Пусковое реле. Обязательный узел для компрессоров бытовых холодильников с асинхронным двигателем и питанием от сети 220 В. Чтобы «раскрутить» неподвижный ротор, у статора, кроме рабочей обмотки, есть вспомогательная — пусковая. На нее кратковременно подается напряжение, которое сдвинуто по фазе относительно рабочей обмотки. Именно эта разность фаз обмоток статора индуцирует в замкнутом контуре ротора электродвижущую силу и создает первоначальный крутящий момент. Для вращающегося ротора в таком поле уже необходимости нет, поэтому с помощью электромагнитного реле или позистора стартовая обмотка отключается.
  • Блок управления. У «простых» моделей может быть электромеханическим — например, терморегулятор и кнопка оттаивания у холодильника Бирюса-2. У современных образцов управление электронное, и за него отвечает микропроцессор.

Некоторые особенности компрессорных холодильников

У некоторых моделей холодильников есть дополнительный, регенеративный теплообменник. В нем происходит теплообмен между жидким хладагентом после конденсатора (перед подачей в дроссель) и газообразным хладагентом после испарителя (перед подачей в компрессор). В результате теплообмена «холодный» пар из испарителя нагревается, а жидкость дополнительно охлаждается. Это увеличивает эффективность работы холодильника — «доохлаждение» жидкого хладагента увеличивает производительность системы. А «перегрев» пара перед компрессором необходим для его безопасной работы — предотвращает проникновение в компрессор жидкого хладагента.

Другая особенность — количество камер.

Справка. У старых моделей двухкамерных холодильников на оба отсека работал один компрессор. И чтобы обеспечить эффективное охлаждение морозилки, ее объем делали намного меньше, чем у холодильной камеры.

Большинство современных моделей имеют две камеры и два компрессора. Это дает возможность независимого управления работой каждой камеры, что уже ведет к повышению энергоэффективности холодильника. У обычных систем типа Combi объем морозильной камеры может достигать половины полезного объема, и она обычно располагается снизу. А у холодильников типа Side-by-side обе камеры одинаковы, и они расположены рядом друг с другом.

Трехкамерные холодильники имеют дополнительный отсек с нулевой температурой. Он предназначен для хранения продуктов, которым «противопоказан» режим заморозки из-за содержащейся в них воде.фильт

В отдельную категорию выделяют системы «No Frost». В них реализован принцип динамической системы охлаждения камеры. В отличие от статической системы охлаждения, циркуляция воздуха в камере происходит с помощью встроенного вентилятора. Это обеспечивает равномерное охлаждение всего объема и предотвращает появление наледи на испарителе.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХОЛОДИЛЬНИКИ

Смотреть что такое «ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХОЛОДИЛЬНИКИ» в других словарях:

  • термоэлектрические явления — обусловлены связью между тепловыми и электрическими процессами в проводниках. К термоэлектрическим явлениям относятся Зеебека эффект, обратные ему Пельтье эффект и Томсона эффект. * * * ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ,… … Энциклопедический словарь

  • ХОЛОДИЛЬНИК ДОМАШНИЙ — напольный, реже настенный шкаф, предназначенный для хранения в домашних условиях скоропортящихся продуктов в охлаждённом состоянии и приготовления небольшого количества льда. Внутри шкафа находится теплоизолированная холодильная камера с полками… … Краткая энциклопедия домашнего хозяйства

  • Холодильник домашний — аппарат, предназначенный для кратковременного сохранения пищевых продуктов в домашних условиях путём их искусственного охлаждения. Х. д. в зависимости от типа холодильной машины (См. Холодильная машина) подразделяются на компрессионные,… … Большая советская энциклопедия

  • Термоэлектричество — представляет собой совокупность явлений, в которых разница температур создаёт электрический потенциал, или электрический потенциал создаёт разницу температур. В современном техническом использовании термин почти всегда относится вместе к эффекту… … Википедия

  • 52307 — ГОСТ Р 52307{ 2005} Холодильники пищи термоэлектрические для подвижного состава. Общие технические условия. ОКС: 45.060 КГС: Д51 Локомотивы (тепловозы, паровозы) Действие: С 01.07.2005 Текст документа: ГОСТ Р 52307 «Холодильники пищи… … Справочник ГОСТов

  • Цезий — 55 Ксенон ← Цезий → Барий … Википедия

  • Украинская Советская Социалистическая Республика — УССР (Украïнська Радянська Социалicтична Республika), Украина (Украïна). I. Общие сведения УССР образована 25 декабря 1917. С созданием Союза ССР 30 декабря 1922 вошла в его состав как союзная республика. Расположена на… … Большая советская энциклопедия

  • Франция — (France) Французская Республика (République Française). I. Общие сведения Ф. государство в Западной Европе. На С. территория Ф. омывается Северным морем, проливами Па де Кале и Ла Манш, на З. Бискайским заливом… … Большая советская энциклопедия

  • Предохранитель (электричество) — предохранитель Предохранитель электрический аппарат, выполняющий защитную функцию. Предохранитель защищает электрическую цепь и её элементы от перегрева и возгорания при протекании тока высокой силы. В цепи обозначается буквами «FU»… … Википедия

  • Эффект Пельтье — Эффект Пельтье термоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида … Википедия

Холодильники термоэлектрического типа

Термоэлектрические холодильники

Общие сведения.

Эффект термоэлектрического охлаждения, открытый французским физиком Ж. Пельтье в 1834г., заключается в том, что при пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух проводников или полупроводников, в месте их соединения выделяется или поглощается некоторое количество теплоты, которое пропорционально силе тока.

Тепловой поток, называемый теплотой Пельтье, определяется по уравнению

Qп = p I, где

p — коэффициент Пельтье;

I — сила тока.

Выделение или поглощение теплоты Пельтье зависит от направления тока и термотока, который возник бы при нагревании места соединения проводников. При совпадении направления тока в проводниках теплота Пельтье поглощается, а в противном случае выделяется. Если спаев несколько, выделение теплоты на одном спае всегда сопровождается поглощением ее на другом, и наоборот.

Причина возникновения эффекта Пельтье состоит в том, что средняя энергия, электронов, участвующих в переносе тока из одного проводника в другой, различна. Это наглядно подтверждается на примере контакта электронного полупроводника и металла.

Предположим, что направление тока соответствует направлению перехода электронов из полупроводника в металл. Так как энергетический уровень свободных электронов полупроводника значительно выше уровня свободных электронов металла, при переходе из полупроводника в металл электроны, сталкиваясь с атомами металла, отдают им свою избыточную энергию.

Это приводит к выделению теплоты Пельтье и повышению температуры спая. При противоположном направлении тока весь процесс идет в обратном направлении и теплота Пельтье поглощается.

Долгое время эффект термоэлектрического охлаждения не находил практического применения из-за отсутствия достаточно эффективных материалов термоэлементов, и только после ряда открытий в области полупроводниковой техники появилась возможность эффективно использовать это явление на практике.

Холодильники с термоэлектрическим охлаждением не имеют движущихся и трущихся частей, бесшумны в работе, позволяют точно регулировать температуру, надежны.

Термоэлектрические холодильники в основном применяются в автотранспорте. Их технические характеристики приведены в табл. 1.

Таблица 1. Техническая характеристика термоэлектрических холодильников
Параметр ХАТЭ-12 ХАТЭ-12М ХАТЭ-24 У4 «Холодок» ХТЭП-13,8ПР
Номинальное напряжение, В 12 12 24 12 12
Потребляемая мощность:
— в основном режиме
— во вспомогательном режиме
— в режиме нагрева
50

65
30
170

35
25
40
45
30
50
Разность температур окружающей среды и в холодильной камере, °С 18 19 28 26 26
Температура в камере в режиме нагрева, °С 60 60
Объем холодильной камеры, дм3 12 12 8 9,2 13,8
Габаритные размеры, мм 390х480х260 410х500х280 580х260х360 326х237х380 316х322х394
Масса, кг 6 7 15 6 6,8

Принципиальная схема бытового термоэлектрического холодильника показана на рис. 1а.

Рис. 1. Схема термоэлектрического холодильника (а) и схема работы термоэлемента (б)

Термобатарея, состоящая из двух различных полупроводниковых термоэлементов n и р, размещается в толщине одной из стенок холодильной камеры так, чтобы холодные спаи были обращены в холодильную камеру, а горячие — в более теплую окружающую среду. Спаи термоэлементов выполняются в виде коммутационных пластин, хорошо проводящих электрический ток. Эти пластины обычно соединяются с ребристыми радиаторами которые увеличивают поверхность и, следовательно, интенсивность передачи тепла холодным спаям из холодильной камеры и от горячих спаев в окружающую среду.

К конечным элементам термобатареи подключается источник постоянного тока. При этом в зависимости от назначения холодильника в качестве источника постоянного тока может служить электрический аккумулятор (батарея) или генератор постоянного тока. В стационарных условиях эксплуатации постоянный ток питания термобатареи получается обычно с использованием выпрямителя, подключаемого к сети переменного тока.

При направлении постоянного тока, указанном на рис.1.б стрелками, ток со стороны холодных спаев термобатареи оказывается направленным от термоэлемента n к термоэлементу р, а со стороны горячих спаев наоборот— от р к n. Разность направления движения зарядов постоянного тока через два термоэлемента из различных материалов и вызывает перепад температур на их концах.

Если направление постоянного тока изменить на противоположное, то в верхних спаях термобатареи ток будет идти от р к n и они будут уже нагреваться, а не охлаждаться, как ранее. Таким образом, изменяя направление питающего постоянного тока, можно легко изменить режим работы термобатареи с охлаждения на нагревание воздуха в среде ограниченного объема.

Аппарат термоэлектрического охлаждения представляет собой батарею (рис. 2, а) состоящую из отдельных последовательно спаянных между собой полупроводниковых термоэлементов. Термоэлемент (рис. 2, б) имеет два полупроводника в виде прямоугольных или цилиндрических брусков. Один из полупроводников сделан из сплава свинца и теллура другой — из сплава теллура и сурьмы. Применяются также сплавы висмута и селена.

Рис. 2. Аппарат термоэлектрического охлаждения:

а — термобатарея; б — термоэлемент

Полупроводники последовательно соединены спаянными с ними медными пластинками. При прохождении постоянного тока через спаи одни из них (верхние или нижние в зависимости от направления тока) будут поглощать, а другие выделять некоторое количество тепла. Таким образом, тепло переносится электрическим током, т.е. движущимися электронами.

Холодильник ХАТЭ-12М

Холодильник состоит из корпуса 1 (рис. 3, а), крышки 2 и соединительного шнура 10. Для подключения холодильника к источникам электроэнергии автомашин различных марок применяют переходное устройство, которое надевают на вилку соединительного шнура. В крышку вмонтированы вентилятор и термоохлаждающий агрегат 6, состоящий из радиатора 7 тепла и радиатора 9 холода. Вентилятор состоит из электродвигателя 5, на концах вала которого закреплены крыльчатки 3 и 8.

Рис. 3. Холодильник ХАТЭ-12М:

а — общий вид: 1 — корпус: 2 — крышка; 3, 8— крыльчатки; 4 — резистор; 5 — электродвигатель; 6 — термоохпаждающий агрегат; 7 — радиатор тепла; 9 — радиатор холода; 10 — соединительный шнур; 11 —переключатель

б — электрическая схема: М—электродвигатель: S —выключатель; R — резисторы; G — источник питания

С помощью переключателя 11, расположенного на крышке холодильника, меняют один режим на другой: в одном случае напряжение подается через резистор 4, а в другом — термоагрегат непосредственно присоединяется к источнику питания.

Термоэлектрическая батарея, включенная в электросеть постоянного тока напряжением 12 В, создает перепад температур между рабочими поверхностями. Крыльчатка 3 (при включенном электродвигателе) охлаждает радиатор тепла, а крыльчатка-8 перемешивает воздух в холодильной камере.

Электрическая схема холодильника показана на рис.3, б. В комплект поставки холодильника входят две загрузочные сетки, два ключа, переходное устройство.

Холодильник ХАТЭ-24 У4

Этот холодильник устанавливают в кабине грузовых автомобилей. Он предназначен для охлаждения и краткосрочного хранения пищевых продуктов и напитков.

Снаружи корпус холодильника выполнен из листовой стали и покрыт искусственной кожей черного цвета. Изнутри корпус сделан из пищевого алюминия. Теплоизоляция — формованный пенополистирол. Крышка холодильника может служить подлокотником.

Холодильники «Холодок» и ХТЭП-13,8ПР

Эти переносные холодильники предназначены для эксплуатации в автомобилях. Холодильник выполнен в виде ларя с ручкой для переноса. Холодильная камера металлическая оснащена ложементом, который предотвращает перемещение крупной тары (бутылок) в частично заполненном холодильнике. В основании холодильника имеется место для укладки соединительного шнура.

Холодильник имеет три режима работы: основной, вспомогательный и нагрева. При основном режиме работы разность температур окружающей среды и в холодильной камере 26°С, при температуре окружающей среды 32 °С.

Вспомогательный режим работы рекомендуется использовать с целью уменьшения потребляемой мощности, а также для эксплуатации холодильника при окружающей температуре воздуха 25°С и ниже во избежание замораживания продуктов. В режиме нагрева температура внутри камеры достигает 70°С.

В камере установлен датчик температуры. При достижении температуры 70°С холодильник отключается. Переход с основного режима охлаждения на вспомогательный осуществляют вручную переключателем режимов, а переход в режим нагрева — изменением полярности питающего напряжения. В случае выхода из строя электровентилятора холодильник автоматически отключается.

Термоэлектрические холодильники «Холодок» и ХТЭП-13.8ПР в отличие от термоэлектрического холодильника ХАТЭ-12М имеют температуру внутри холодильной камеры на 6°С ниже, а удельную потребляемую мощность (отношение потребляемой мощности к объему холодильной камеры и перепаду температур) — на 45% меньше. Кроме того, они работают в режиме нагрева.

В отличие от зарубежных термоэлектрических холодильников температура внутри холодильной камеры описываемых холодильников ниже в среднем на 5 °С, а средняя потребляемая мощность — на 10%.

Статья подготовлена по материалам книги издательства СОЛОН-Пресс Серии Ремонт №35 «Ремонт холодильников» Д. А. Лепаев, В. В. Коляда 2005

Холодильник «Чайка» ТЭХ-40
Тип холодильника Термоэлектрический Разность температур окружающей среды и в холодильной камере, С 20
Объем низкотемпературной камеры, дм3 40
Потребляемая мощность, Вт 79 Габаритные размеры, мм 586х476х460

Устройство холодильника.

Внешняя облицовка (корпус) холодильника вместимостью 40 дм3 выполнена из листовой стали толщиной 0,8 мм и оклеена синтетической пленкой, внутренняя обшивка — из листового алюминия толщиной 3 мм. Пространство между облицовками заполнено теплоизоляцией (пенополиуретаном). Обе облицовки соединены рамкой из ударопрочного полистирола. Внутри камеры холодильника установлены полочки. Уплотненная профильной резиной дверца с самозащелкивающимся замком открывается вниз и может служить столиком.

Рис. 1 Внешний вид и устройство холодильника «Чайка»

В задней стенке холодильника размешен блок питания, состоящий из двух термоэлектрических батарей. В каждой батарее последовательно соединено 60 термоэлементов. Рядом с термоэлектрическими батареями установлены алюминиевые блоки-теплопереходы, отдающие теплоту, отводимую батареями из шкафа через ребристые радиаторы наружному воздуху. Прилегающие к плоскости термоэлектрических батарей поверхности деталей покрыты анодной электроизоляционной пленкой и смазаны теплопроводной пастой.

На горячей стороне термоэлектрических батарей на ребристых радиаторах расположено по 18 алюминиевых пластин размером 140х180х2 мм. Шаг ребер 4 мм. От радиатора теплота отводится осевым вентилятором типа К-95 подачей 40 м3/ч.

Электродвигатель с вентилятором, воздуховоды, блок электропитания и терморегулятор размещены на задней стенке холодильника под съемной крышкой из полистирола.

Блок электропитания термоэлектрических батареи, работающий по схеме двухполупериодного выпрямителя, состоит из силового трансформатора, двух германиевых диодов Д1 и Д2 типа Д-305, дросселя Др, двух конденсаторов емкостью до 50 мкФ и двух реле МКУ-48С с кнопкой.

В камере термоэлектрического холодильника ТЭХ-40 поддерживается температура 2…5°С, регулируемая терморегулятором РТ (ТРХ-2А) по схеме изменения напряжения, подаваемого на термоэлектрические батареи ТБ. В такой схеме первичная обмотка силового трансформатора разделена на две секции.

Рис. 2 Электрическая схема холодильника «Чайка»

При включении холодильника кнопкой К срабатывает промежуточное реле 2Р. Контактом 2Р1 оно переключается на самопитание, а контактом 2Р2 включает двигатель вентилятора ДВ и подготавливает цепь 1Р для автоматической работы. При повышении температуры в шкафу tшк реле температуры РТ включает 1Р. Контакт 1Р1 разомкнется, а контакт 1Р2 замкнется, т. е. включатся обе секции трансформатора Тр. Термобатарея ТБ работает на полную мощность (73 Вт).

При достижении tшк = 2°СРТ отключает 1Р. При этом контакт 1Р2 отключает одну секцию трансформатора, а через контакт 1Р1 питается только одна секция. Холодопроизводительность батареи вдвое уменьшается, и температура в шкафу возрастает до 5°С.

От аварийного перегрева термоэлектрические батареи защищает биметаллический терморегулятор ТР, установленный на крайнем ребре радиатора. Реле температуры отключает холодильник при температуре радиатора 70°С. В камере достигается температура 5°С примерно через 3 ч после включения. В цепи питания холодильника от электросети установлен предохранитель, рассчитанный на силу тока 2 А.

Принцип работы автомобильного холодильника

Какие бывают автомобильные холодильники? Смотрите принцип работы, разновидность, возможности автомобильного холодильника, как выбрать автомобильный холодильник, плюсы и минусы.

Содержание статьи:

  • Виды и устройство холодильников
  • Принцип работы
  • Плюсы и минусы
  • Как выбрать
  • Видео

Поездка автомобилем на отдых, куда может быть приятней, да еще и в теплое время года. Большой плюс, когда в автомобиле есть кондиционер или климат-контроль, но еще больше удовольствия, когда есть автомобильный холодильник. Сохранность продуктов, свежий бутерброд с салатом и все это запить прохладным напитком – незаменимые вещи в путешествии на дальние дистанции.
Многие согласны, что автомобильный холодильник скорей стал необходимостью, чем роскошью. Одно дело, когда холодильник встроен производителем, другая же ситуация, когда его нужно покупать отдельно. Забегая наперед, хочется сказать, что специалисты выделяют три основных типа автомобильных холодильников по принципу работы. Чтоб не ошибиться в выборе, а так же разобраться чем лучше и какой больше подойдет, рассмотрим все основные варианты автомобильных холодильников, их принцип работы, основные плюсы и минусы.

Какие бывают автомобильные холодильники?


Как уже говорили, специалисты выделяют три основные виды холодильников для автомобилей, в зависимости от устройства:

  • аммиачные или фреоновые;
  • термоэлектрические;
  • на основе охлажденной жидкости.

В чем разница между аммиачным и фреоновым холодильником?


На первый взгляд кажется, что никакого отличия между аммиачным и фреоновым автомобильным холодильником нет. Оба производят холод, да и внутри куча непонятных деталей, которые отвечают за ту самую работу механизма. На самом же деле разница есть и достаточно сильная. Встретить аммиачные автомобильные холодильники на сегодня большая редкость, но, как показывает практика, они есть и по цене в разы дешевле, чем фреоновые. Это обусловлено устройством механизма и относительно небольшой шумностью работы механизма.
Основным компонентом для работы аммиачного автомобильного холодильника считается непосредственно аммиак (он же хладагент). За счет подогрева аммиак вырабатывает холод, тем самым охлаждая внутреннюю часть холодильника. Есть и большой минус, со школьных уроков многие знают, что аммиак вредный для человека, независимо от того, в чистом он виде или разбавленном. Примером разбавленного аммиака можно считать нашатырный спирт, которым зачастую приводят человека в сознание после обморока.
В чистом виде аммиак может легко поранить дыхательные пути. Соответственно, можно только представить, что будет с пассажирами в случае аварии и разгерметизации системы аммиачного автомобильного холодильника. Именно поэтому данный тип холодильников не пользуется большим спросом, хотя цены умерено низкие.

Более надежными считаются фреоновые автомобильные холодильники. Но здесь так же есть свои плюсы и минусы. Такой тип холодильника идентичен бытовому экземпляру, который есть у каждого на кухне, вот только в существенно уменьшенном варианте. Основой для работы такого типа холодильника является – фреон. В отличие от аммиака выделяют несколько видов (классов) данного хладагента и среди них есть как безопасные, так и опасные.
Первые варианты фреоновых холодильников для автомобилей фаршировали хладагентом марки R12, но после запрета многими компания и экологическими нормами, его сменили на R134a, теперь же достаточно часто начал встречаться фреон марки R410a. Все из перечисленных марок фреона не опасны для человека, так как максимум могут вызвать неприятный запах и никакой побочной реакции.

Но есть и не чистые на руку производители, которые в начинке фреонового автомобильного холодильника использовали марку фреона R600a, хотя правильней назвать его изобутан (он же метилпропан). Это так же хладагент класса фреоновых, но его особенность в том, что при соприкосновении с открытым огнем он очень быстро воспламеняется. Для его производства используется доля пропана, который сегодня продают на заправках в качестве альтернативного топлива для автомобилей.
Теперь представьте, если выкурите в машине или в случае аварии повредилась герметичная система такого автомобильного холодильника. Результат попросту будет непредсказуем, но однозначно с распространением огня. Поэтому выбирая фреоновый автомобильный холодильник, присмотритесь к марке фреона в инструкции и не выбирайте с маркировкой R600a.

Термоэлектрический автомобильный холодильник


Можно сказать самым распространенным на сегодня считается термоэлектрический автомобильный холодильник. В отличие от аммиачных и фреоновых, термоэлектрический холодильник с самым низким уровнем шума. Так же данный тип считается самым экономным в плане потребления электроэнергии, а ремонт не составляет особой сложности, да и ремонтировать их приходится крайне редко, что говорит о надежности таких моделей.
С самого названия автомобильного холодильника становится понятно, что в основе работы лежит электроника и ряд физических процессов, которые производят холод или тепло. Да, как бы странно это не звучало, но в данном варианте холодильника холод вырабатывается за счет электронной платы (электроники) и законов физики. Основными элементами считаются стабилизатор, вентилятор, радиатор и рассеиватель тепла.
В зависимости от строения и производителя, в качестве питания можно использовать не только бортовую сеть на 12V, но и обычную стационарную розетку на 220V. Минусовой температуры такой холодильник не даст, но «положительный» приятный плюс для охлаждения напитков вполне возможен.

Что такое холодильник с охлажденной жидкостью?

Наверное, самым простым и самым распространенным считается холодильник с охлажденной жидкостью. В свою очередь он же и самый безопасный в эксплуатации при любых условиях. Один минус в том, что холода пропорционально столько, сколько вытянет ранее подготовленная и охлажденная «батарея». Никакой механической части или системы питания от бортовой сети автомобиля здесь нет.
Так называемая батарея для охлаждения представляет собой небольшой контейнер с жидкостью, как правило, это пропилен, разведенный водой в соответствующей пропорции к объему самой емкости. Такая консистенция не замерзает при минусовой температуре и отлично аккумулирует холод. Основной минус в том, что пока холодна данная батарея, столько же будет холод и в самом отсеке автомобильного холодильника.
Далее «батарею» снова нужно охлаждать в бытовом холодильнике и переносить в автомобильный холодильник. Такую процедуру не совсем удобно проводить на пляже или в дороге, так как занимает время и лишние затраты. Именно поэтому такой вариант автомобильного холодильника подходит для коротких поездок или транспортировки скоропортящихся продуктов.

Какой принцип работы автомобильного холодильника?

Разобравшись с тем, какие виды автомобильных холодильников есть, рассмотрим их принципы работы. Несмотря на внешнее сходство и результат, устройство и принцип работы кардинально отличаются.

Аммиачный автомобильный холодильник

Как уже говорили, в основе аммиачного автомобильного холодильника находится сам аммиак. Среди всех существующих он считается самым вредным и практически не используется в современных автомобилях. Тем не менее, его можно встретить, а значит и принцип работы так же нужно рассмотреть. Помимо аммиака в состав такого холодильника входит герметическая система, ресивер, где находится жидкость, а так же испаритель и нагревательный элемент.
В выключенном состоянии аммиак концентрируется в специальной емкости. Включив систему в сеть питания, нагревательный элемент срабатывает, тем самым нагревая аммиачную смесь. С законов физики и химии, в момент нагрева аммиака происходит реакция, и испаритель холодильника становится холодным. В зависимости от модели и производителя, возле испарителя может быть установлен вентилятор, для ускорения охлаждения внутри емкости. Забор наружного воздуха в момент работы не предусмотрен, а в боевых условиях агрегат может нагнать температуру до +8 С.

Фреоновый автомобильный холодильник

В отличие от аммиачного, фреоновые автомобильные холодильники можно поделить на безопасные и опасные для использования в автомобилях. Основная проблема огнеопасность. Те варианты холодильников, которые используют фреон (хладагент) марки R12, R134a и R410a (самые распространенные варианты) считаются не опасными и широко применяются в автомобильной промышленности. Исключением можно назвать те варианты холодильников, где использовали фреон R600a, он же изобутан и в его основе лежит пропан. Такой хладагент огнеопасный и в случае аварии может легко воспламенится, потянув за собой непредсказуемые последствия.

Независимо от того, какой из хладагентов использовал производитель в автомобильном холодильнике, принцип его работы будет одинаковым и достаточно сильно отличается от аммиачного аналога. В основе фреонового холодильника используется специальный компрессор и герметическая система. Компрессор под давлением подает фреон (как правило, в газообразном состоянии) в испаритель или так же известная простыми словами «морозилка». В момент перехода с газового в жидкое состояние, фреон охлаждает поверхность испарителя, тем самым вырабатывая холод.
Для регулировки температуры используется терморегулятор. Он механическим или электронным путем замеряет температуру внутри холодильника и тем самым включает или выключает компрессор. Это не только позволяет достичь необходимой температуры, но и экономить потребление электроэнергии, а так же не перегревать компрессор. Такой тип автомобильного холодильника считается самым прожорливым в плане электроэнергии, но и самым продуктивным по охлаждению, даже в самых непредсказуемых условиях он может выдать -18 градусов по Цельсию. Еще один минус – вес, из-за наличия компрессора и системы охлаждения в целом, холодильник получился увесистым, а так же занимает немало места.

Если с предыдущими двумя автомобильными холодильниками понятно, что холод образуется за счет хладагента и реакции, то, как же может давать холод электроника, когда обычно она наоборот греется и отдает большое количество теплоты. На самом же деле, термоэлектрический холодильник придумали еще в далеком 1834 году. Французский исследователь Пельтье, в честь которого и назван данный метод разработал механизм, работающий на разнице температур. На момент изобретения механизма, он был большим, и никак нельзя его было назвать автомобильным или компактным.
В набор термоэлектрического холодильника входит охлаждающее устройство, теплообменник, полупроводник и термоэлектрические модули. Бокс самого холодильника внутри выполнен из алюминия, именно эта часть поглощает тепло из продуктов и пищевых изделий. Полученное тепло передается на специальный термомодуль, который в свою очередь передает его на стабилизатор. Именно разница температур в металле и нагреванию за счет тока приводит к поглощению тепла и выработке охлажденного воздуха на конструкции автомобильного холодильника.
Термоэлектрический холодильник может понизить температуру продуктов максимум до 16 градусов по Цельсию, хотя производитель заявляет о +5 С. С другой же стороны этого вполне достаточно, когда в окружающей среде температура 35 градусов или выше. Еще один плюс в термоэлектрическом холодильнике – возможность смены полярности работы элемента Пельтье. В таком случае холодильник превращается в обогреватель и вместо охлаждения продуктов, их с легкостью можно подогреть в дороге. Для этого на основной части предусмотрен тумблер, который переводит бокс в режим охлаждения или обогрева.

Автомобильный холодильник на жидкости

Устройство и принцип работы данного типа холодильника можно считать самым простым и особых затрат у него нет. Как уже говорили, основой работы для жидкостного холодильника является жидкость в герметическом контейнере. Обычно это пропилен, разбавленный водой в специальной пропорции. Такая консистенция отлично аккумулирует холод в кратчайшие сроки и не замерзает при минусовой температуре.
Принцип работы такого «холодильника» или даже правильней сказать бокса с охлажденным воздухом, достаточной простой. Заранее охлажденная жидкость в герметическом футляре помещается в крышку бокса, на внутренней стороне (так как холод имеет свойство опускаться сверху вниз). Далее действуют законы физики, холода будет в контейнере столько, сколько выдержит аккумулятор холода.
После исчерпания холода, емкость вновь нужно помещать в бытовой холодильник, чтоб она остыла и набрала холода. Огромный минус, что летом в дороге заменить аккумулятор холода тяжело или практически невозможно. Поэтому такой тип холодильника подойдет на короткое время использования. Температура внутри бокса напрямую зависит от аккумулятора и наружной температуры, как правило, температура не стабильная и со временем только растет.

Плюсы и минусы автомобильных холодильников

Как и любой механизм, автомобильные холодильники имеют свои плюсы и минусы, независимо от конструкции и типа. Как показывает практика, у таких приспособлений больше плюсов, чем минусов. Поэтому разберем каждый вид по отдельности.

Плюсы и минусы аммиачных автомобильных холодильников
Плюсы Минусы
Низкая шумопроизводительность Потребление энергии для тэна
Долговечность работы Опасный для здоровья в случае разгерметизации системы охлаждения
Возможность работы в любых условиях Контроль службой экологии
Независимое расположение для работы (горизонтальное или вертикальное) Средняя стоимость холодильника
Отличная производительность, быстро нагнетает холод
Возможность регулировки температуры

Плюсы и минусы фреоновых автомобильных холодильников
Плюсы Минусы
Относительно низкая шумопроизводительность Потребление энергии для компрессора
Долговечность работы Опасный для здоровья в случае разгерметизации системы охлаждения (только с фреоном R600a)
Возможность работы в любых условиях Контроль службой экологии
Отличная производительность, быстро нагнетает холод и не зависит от наружной температуры Зависимое расположение для работы (горизонтальное или вертикальное)
Возможность регулировки температуры Взрывоопасный (только с фреоном R600a)
Считается самым дорогим в производстве

Плюсы и минусы термоэлектрических холодильников
Плюсы Минусы
Минимум шума от вентилятора Отсутствие возможности регулировки температуры
Относительно небольшое потребление электроэнергии Низкий порог охлаждения (максимум 20 градусов Цельсия)
Безопасный в использовании
Ремонтопригоден в дорожных условиях
Независимое расположение для работы
Приемлемая цена в соотношении продуктивности работы и функциональной начинки
Возможность не только охлаждения, но и подогрева

Плюсы и минусы аккумулятивных холодильников
Плюсы Минусы
Отсутствие шума Минимальный период работы
Не потребляет электроэнергию Время работы пропорционально зависит от наружной температуры бокса
Безопасный в использовании Отсутствие возможности регулировки температуры
Не нуждается в ремонте Нуждается в замене аккумулятора холода
Независимое расположение для работы
Самый дешевый (бюджетный) и доступный вариант, стоимость аккумуляторов где-то $2 за 1 шт. Замена раз в год.

Как видим, каждый из наведенных холодильников имеет плюсы и минусы. Если Вам не нужно доводить температуру в боксе ниже 20 градусов Цельсия, то вполне подойдет термоэлектрический, он отлично справляется с поставленной задачей, дешевый в обслуживании и не прихотлив в эксплуатации. Самым дешевым считается холодильник с аккумулятором холода, по сути это термо бокс, в который опускается заранее подготовленная емкость с охлажденной жидкостью. Огромный минус, что у аккумуляторного холодильника есть время, на протяжении которого он может работать, далее емкость с холодной жидкостью нужно менять.

Как выбрать автомобильный холодильник?

На сегодня разнообразие производителей подобных девайсов просто огромное. Достаточно только посмотреть на разнообразие в плане устройства самого агрегата. Так же не стоит забывать о стоимости, ведь обычно именно этот фактор играет огромную роль при выборе определенной модели. Читайте наш рейтинг автомобильных холодильников из ТОП-8.
Чтоб понять, какой автомобильный холодильник больше всего подходит, необходимо определится с условиями, в которых он будет эксплуатироваться. В первую очередь смотрим, какого объема нужен бокс. Если он больше 10-ти литров, то использовать холодильник с аккумулятором холода не имеет смысла, так как на охлаждения воздуха уйдет больше времени, чем на саму вместимость бокса.

Цены на автомобильные холодильники
Марка и модель холодильника Технология производства холода Цена от, долл $.
Pinnacle Eskimo Primero Аккумулятор холода 32-40
EZetil ESC21 12V Термоэлектрический 136
Ezetil E-3000 Термоэлектрический 240
DOMETIC RC 2200 Аммиачный холодильник 492
Vitrifrigo VF35P Фреоновый компрессор 940
Waeco Dometic CoolFreeze CFX 100 Фреоновый компрессор 1850

О ценовой политике мы уже говорили выше, самым бюджетным считается автомобильный холодильник с аккумулятором холода, а самым дорогим фреоновый холодильник. Оптимальный вариант на сегодня это термоэлектрический, стоит он умерено не дорого, а производительность приближена к фреоновым аналогам. Емкость бокса термоэлектрического холодильника не большая, соответственно много места в салоне он занимать не будет. Весь механизм охлаждения и управления помещен в крышку контейнера, что так же немало важно для свободного места.
Самым продуктивным, но и самым дорогим считается фреоновый автомобильный холодильник. Минус в том, что он громоздкий, но плюс в его продуктивности. Для данного типа агрегатов нет пределов возможностей, и работать он может даже в самую большую жару. Он с легкостью справится с большим количеством продуктов и охладит за короткое время. Ко всему этому, производитель предусматривает питание от бортовой сети автомобиля или же от стационарной розетки.
Выбирая автомобильный холодильник, в первую очередь обратите внимание на объем бокса, далее на цену и производительность. Именно эти факторы покажут, какая модель больше всего подходит под Ваши требования и чего в дальнейшем ожидать от приобретенного экземпляра.
Видео-обзор автомобильных холодильников:

Термоакустическое охлаждение на солнечной энергии, предположительно, может стать одним из первых коммерческих применений термоакустики в ближайшем будущем. Начало данной технологии было положено устройством на термоакустическом двигателе бегущей волны, где тепло (120 ° C -160 ° C) поступает из солнечных коллекторов на вакуумных трубках, которое можно эффективно использовать для питания термоакустических тепловых насосов для охлаждения помещений.

Основными «плюсами» концепции являются экологичность, отсутствие механических движущихся частей и прямая зависимость между мощностью охлаждения и солнечной энергией. Появление на рынке находится в стадии подготовки совместно двумя компаниями: производителем термоакустических решений «Thermo Acoustic Solutions Sp. z o.o» и вакуумных солнечных коллекторов «Solar collector manufacturer Watt Sp. z o.o» из Польши. Одним из направлений деятельности, в рамках этого сотрудничества, является сборка из двух прототипов. Первый прототип оснащен теплообменником жидкость-газ для тестирования в сочетании с коллекторами на вакуумных трубках в реальных условиях. Второй, как переносное устройство для демонстрационных целей. Демонстрационный прототип завершен и изображен ниже.

Для простоты демонстрации устройство работает без контура жидкости. Нагрев происходит от внешнего электропитания до температуры 160 ° С (моделирование тепла от вакуумного трубчатого коллектора) и охлаждают вентиляторами для сохранения холодного теплообменника около 40 ° С, чтобы температуры соответствовали параметрам в реальных условиях.
Чтобы обеспечить открытость конструкции, никакой теплоизоляции не применяется. Тем не менее, при температуре охладителя более 40 º C быстро образуется лед на холодильной части теплообменника (см. картинку в заголовке)
В качестве рабочего газа в демонстрационной установке применяется гелий при среднем давлении 1 МПа, амплитуда давления составляет 35 кПа, а частота колебаний 138 Гц. Полезная мощность охлаждения при температуре -5 º С составляет около 50 Вт при работе нагревателей 380W с температурой 160 º C. После поправки на отсутствие изоляции эффективность термоакустического холодильника составляет порядка 0,35.

Термоакустическое холодильное устройство

Изобретение относится к области холодильной и морозильной техники. Термоакустическое холодильное устройство содержит корпус с внешним частичным оребрением, помещенный в корпус акустический излучатель с встроенным устройством возбуждения, выполненную внутри корпуса герметично закрытую крышкой полость, образующую резонатор и заполненную рабочей средой в виде гелий-криптоновой смеси под давлением, встроенный в резонатор регенератор в виде параллельных пластин, на торцах которого установлены горячий со стороны акустического излучателя и холодный со стороны крышки теплообменники, выполненные в виде алюминиевых перфорированных дисков. Резонаторная полость выполнена цилиндрической формы. Внутри полости со стороны холодного теплообменника устроена вторая резонаторная полость в виде цилиндрической трубы с герметичной крышкой и поршнем, соединенным со штоком, закрепленным с этой крышкой на резьбе с возможностью перемещения поршня вдоль оси. Цилиндрическая труба размещена в центральной части крышки первого резонатора на резьбе с обеспечением перемещения вдоль оси и герметизации резонансной полости. Крышка также соединена с корпусом резьбовым соединением с герметизирующим элементом с возможностью ее перемещения вдоль оси. Техническим результатом изобретения является увеличение КПД устройства путем минимизации вязкостных потерь и обеспечения синфазности акустических колебаний объемной скорости и давления в регенераторе устройства. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области холодильной и морозильной техники и может быть использовано при разработке экологически чистых, не использующих фреонов (хлорфторуглеводородов) холодильников бытового и промышленного назначения.

Введение на территории Российской Федерации Монреальского протокола по ограничению производства и использованию веществ, разрушающих озоновый слой (всего 96 веществ), поставило актуальную задачу создания экологически чистых холодильных устройств без применения запрещенных или ограниченных к использованию химических соединений. Предлагаемое изобретение является попыткой разработки именно такого типа холодильной машины.

Известно термоакустическое холодильное устройство (Patent US №4355517, 1982.10), состоящее из корпуса тороидальной формы, заполненного рабочей средой, расположенных внутри корпуса регенератора, представляющего собой стопку параллельных пластин, двух теплообменников на обоих концах регенератора, и источника бегущей звуковой волны. Автором предполагается, что давление и объемная скорость акустической волны в области регенератора находятся в фазе, а их отношение много больше, чем в чисто бегущей волне. Теоретически показана возможность достижения КПД устройства, равного примерно 80% от предельного КПД цикла Карно .

Недостатками устройства являются громоздкость конструкции, непроработанность практических способов реализации устройства в целом и заявленных оптимальных фазовых и амплитудных соотношений в частности. Имеется нерешенная принципиальная проблема согласования электроакустического преобразователя с рабочей средой в режиме бегущей волны.

Известно устройство термоакустической машины и холодильника, на которое получен патент США (Patent US №6032464, от 07.03.2000). Детальное исследование экспериментального макета проведено в работе . Устройство содержит корпус сложной топологии, наполненный гелием под давлением 10 атм, состоящий из двух соединенных волноводом тороидальных волноводных частей, одна из которых вмещает термоакустический генератор акустической волны, а другая — термоакустический холодильник. В эксперименте достигнут наибольший на настоящее время КПД преобразования акустической энергии в тепловой поток: 41% от предельного значения цикла Карно.

Устройство имеет недостатки. Это, прежде всего, большая масса и габариты конструкции. Кроме того, термоакустический генератор акустической волны, работающий от внешнего источника тепла (газовой горелки), имеет низкий коэффициент полезного действия по сравнению с электроакустическими преобразователями. И, несмотря на достигнутый рекордно большой уровень преобразования акустической энергии в тепловой поток (41% от предельного уровня Карно), в целом эффективность устройства невелика. Невозможность работы от электрического источника энергии резко снижает сферу применимости устройства.

Известно термоакустическое холодильное устройство, используемое для сжижения перевозимого танкером природного газа, содержащее термоакустический двигатель, горелку термоакустического двигателя, термоакустический холодильник-ожижитель и волновод, по которому возбуждаемые термоакустическим двигателем акустические волны поступают в термоакустический холодильник, где создают необходимые для сжижения газа низкие температуры (СПГ-ТАНКЕР. Патент РФ на полезную модель №90178 U1, МПК F25J 1/00, от 09.09.2009).

Устройству присущи те же недостатки, что в упомянутом выше аналоге. Оно имеет большую массу и габариты. Общий КПД устройства невысок вследствие низкой эффективности преобразования тепла в акустическую волну. Работает устройство при сжигании природного газа, что ограничивает сферу использования.

Известно термоакустическое холодильное устройство , имеющее цилиндрический корпус, герметически закрытый с двух сторон. В корпусе, наполненном гелием под давлением до 30 атм, содержится электроакустический излучатель, регенератор, два теплообменника и две согласующие камеры, отделенные от акустических резонансных полостей сильфонными перегородками. Сложное устройство полостей решает задачу установления в регенераторе оптимального соотношения комплексных амплитуд волн давления и объемной скорости.

Устройство имеет недостатки. Сложная конструкция внутренних полостей и перегородок сильно усложняет и удорожает стоимость устройства, а также уменьшает надежность и долговечность функционирования холодильника.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по достигаемому техническому результату и технической сущности (прототипом) является известное термоакустическое холодильное устройство (акустический хладоагрегат), содержащее корпус с внешним оребрением, помещенный в корпус акустический излучатель с встроенным устройством возбуждения, выполненную внутри корпуса герметично закрытую крышкой полость, образующую резонатор и заполненную рабочей средой в виде гелий-криптоновой смеси под давлением, встроенный в резонатор регенератор в виде параллельных пластин, на торцах которого установлены горячий со стороны акустического излучателя и холодный со стороны крышки теплообменники, выполненные в виде алюминиевых перфорированных дисков, при этом резонансная полость выполнена ступенчатой формы с уменьшением размера в направлении от излучателя с опорой каждой ступени на свою заходную часть в форме усеченного конуса, а давление рабочей гелий-криптоновой смеси составляет 2-3 атмосферы (Патент РФ №2359184 C1, МПК F25B 23/00, F25B 9/00, от 17.10.2007).

В этом устройстве акустическая волна исполняет роль теплового насоса, перекачивающего тепло или поддерживающего перепад температуры. Это явление не связано с нагреванием из-за перехода механической (акустической) энергии в тепло. Механизм переноса тепла в термоакустической ячейке состоит в следующем . Процесс непосредственного преобразования акустической энергии, генерируемой акустоэлектрическим излучателем, в поток тепла происходит в регенераторе, представляющем собой стопку тонких близкорасположенных пластин, выполненных из материала с малой теплопроводностью. Ширина зазора между пластинами порядка длины температурной волны δ. Рассмотрим окрестность вблизи пластины, помещенной в звуковое поле. Предположим, что звуковое поле является почти стоячей волной. В стоячей волне смещение частицы находится в фазе со звуковым давлением. При максимальном смещении частицы вправо давление в ней максимально. Газ в частице сжат, следовательно, температура T+ повышена по сравнению со средним значением T и по сравнению с температурой пластинки. Вследствие разницы температур возникает тепловой поток от частицы среды к пластинке. Далее частица движется влево и при максимальном смещении ξ влево давление в ней минимально. Газ в частице разрежен, следовательно, температура T- понижена по сравнению со средним значением T и по сравнению с температурой пластинки. Вследствие разности температур возникает тепловой поток к частице от пластинки. При каждом повторении этого циклического движения частицы частица забирает некоторое количество тепла из пластинки в своем крайне левом положении и передает это же количество тепла пластинке в своем крайне правом положении. Таким образом, в стоячей звуковой волне возникает однонаправленный перенос тепла слева направо. Для этого эффекта необходимы одновременные смещения частицы и изменение давления в ней. Область, в которой среда обменивается теплом с пластинкой, имеет толщину порядка δ. Поток тепла направлен от холодного теплообменника к горячему теплообменнику. Вся часть корпуса, прилегающая к холодному теплообменнику и имеющая с ним термический контакт, может быть использована для съема холода.

Недостатком прототипа являются низкий КПД из-за неоптимальности отношения амплитуды давления к амплитуде объемной скорости (акустического импеданса) в стоячей акустической волне и наличие разности фаз между этими параметрами, которые обусловлены конструкцией прототипа. Регенератор конструктивно помещен в часть резонансной полости, находящуюся на расстоянии в одну восьмую длины волны от жесткой границы резонатора, где отношение давления к скорости (акустический импеданс) примерно равно этой величине в бегущей волне. Как показано в работе , при такой величине компоненты объемной скорости вследствие вязкости рабочей среды в области регенератора возникает неприемлемо большое поглощение акустической энергии, ограничивающее коэффициент полезного действия холодильного устройства величиной в 10% от уровня цикла Карно. Чтобы устранить это ограничение, необходимо существенно уменьшить объемную скорость, одновременно увеличивая давление в акустической волне. Это достигается в изобретении расположением регенератора вблизи жесткой границы первого резонатора. Как показано в цитируемой работе, увеличение акустического импеданса в 10 раз позволяет достигнуть уровня КПД, составляющего 80% от предельного значения цикла Карно. Условие большой величины акустического импеданса необходимо, но не достаточно. Для достижения максимально возможного КПД устройства требуется еще обеспечить условие синхронности колебаний давления и объемной скорости в регенераторе (условие синфазности). Реализовать последнее условие в конструкции с одним резонатором невозможно. В изобретении эта цель достигается встраиванием в конструкцию устройства второго резонатора, связанного с первым, и способного к подстройке своих резонансных свойств.

Техническим результатом изобретения является увеличение КПД термоакустического холодильного устройства (теоретически более чем в два раза по сравнению с прототипом) путем минимизации вязкостных потерь и обеспечения синфазности акустических колебаний объемной скорости и давления в регенераторе устройства.

Технический результат достигается за счет того, что в термоакустическом холодильном устройстве, содержащем корпус с внешним частичным оребрением, помещенный в корпус акустический излучатель с встроенным устройством возбуждения, выполненную внутри корпуса герметично закрытую крышкой полость, образующую резонатор и заполненную рабочей средой в виде гелий-криптоновой смеси под давлением, встроенный в резонатор регенератор в виде параллельных пластин, на торцах которого установлены горячий со стороны акустического излучателя и холодный со стороны крышки теплообменники, выполненные в виде алюминиевых перфорированных дисков, резонаторная полость выполнена цилиндрической формы, внутри полости со стороны холодного теплообменника установлен второй резонатор в виде цилиндрической трубы с герметичной крышкой и поршнем, соединенным со штоком, закрепленным с этой крышкой на резьбе с возможностью перемещения поршня вдоль оси, при этом цилиндрическая труба размещена в центральной части крышки первого резонатора на резьбе с обеспечением перемещения вдоль оси и герметизации резонансной полости, а эта крышка также соединена с корпусом резьбовым соединением с герметизирующим элементом с возможностью ее перемещения вдоль оси, при этом резонансная полость заполнена рабочей средой в виде гелий-криптоновой смеси под давлением 7-10 атмосфер, а регенератор с теплообменниками размещен на расстоянии, меньшем или равном λ/32 от жесткой крышки первого резонатора, где λ — длина акустической волны в рабочей среде холодильного устройства на рабочей частоте.

На чертеже представлено предлагаемое устройство. Термоакустическое холодильное устройство содержит корпус 1 с внешним частичным оребрением. Корпус выполнен разъемным для удобства изготовления и сборки. В оребренную часть корпуса помещен электроакустический излучатель 2 с встроенным устройством возбуждения 3. Внутри корпуса 1 выполнена первая резонаторная полость 5, закрытая крышкой 4. Весь корпус заполнен рабочей средой в виде гелий-криптоновой смеси под давлением. В корпус встроен регенератор 6 в виде стопки параллельных пластин, на торцах которого установлены горячий теплообменник 7 со стороны акустического излучателя 2 и холодный теплообменник 8 со стороны крышки 4. Первая резонаторная полость 5 выполнена цилиндрической формы, внутри полости со стороны холодного теплообменника 8 установлена вторая резонаторная полость 9 в виде цилиндрической трубы 10 с герметичной крышкой 11 и поршнем 12, соединенным со штоком 13, закрепленным с этой крышкой на резьбе с возможностью перемещения поршня 12 вдоль оси и герметизации резонансной полости 9, причем крышка 4 первой резонаторной полости 5 также соединена с корпусом 1 резьбовым соединением с герметизирующим элементом с возможностью ее перемещения вдоль оси. Уплотнительные резиновые кольца 14, 15, 16, 17, 18 герметизируют корпус термоакустического холодильного устройства, находящегося под давлением 7-10 атм и заполненного гелий-криптоновой смесью. При этом регенератор 6 размещен на расстоянии, меньшем или равном λ/32 от крышки 4 первой резонаторной полости, где λ — длина акустической волны в рабочей среде холодильного устройства на рабочей частоте.

Устройство работает следующим образом.

Электроакустический излучатель 2 создает в корпусе 1 термоакустического холодильного устройства акустическое поле, структуру которого определяет конструкция внутренних полостей корпуса устройства. Преобразование акустической энергии в тепловой поток происходит в регенераторе 6, представляющем собой стопку параллельных пластин, выполненных из материала с высокими теплоизолирующими свойствами. Регенератор выполняет функции теплового насоса, перекачивающего тепло от холодного теплообменника 8 к горячему теплообменнику 7, на основе физического механизма по принципу действия прототипа. Корпус заполнен гелий-криптоновой газовой смесью под давлением 7-10 атм. Высокое давление удерживается герметизирующими резиновыми кольцами 14-18. Массовая концентрация в смеси отдельных газовых компонент выбирается из критерия минимальности значения числа Прандтля (отношения кинематической вязкости к температуропроводности), оптимизирующего процесс теплопереноса в области регенератора. Повышение давления газовой смеси по сравнению с давлением, указанным в прототипе, способствует увеличению потока тепла, генерируемого в регенераторе 6, и уменьшению вязкостных потерь, т.е. приводит к увеличению КПД устройства охлаждения.

Для создания оптимальных условий реализации термоакустического теплового потока необходимо выполнить два условия: во-первых, обеспечить синхронность колебаний давления и объемной скорости и, во-вторых, существенно уменьшить по сравнению с бегущей волной величину объемной скорости, т.е. увеличить акустический импеданс. Первое условие обеспечивает выполнение так называемого цикла Стирлинга, имеющего такой же предельный КПД, как и у цикла Карно. Это условие снимает принципиальные ограничения на эффективность работы термоакустического холодильного устройства. Второе условие сводит к минимуму непроизводительные потери акустической энергии, обусловленные вязкостью рабочей среды, способствуя повышению КПД практического устройства. Поставленные задачи и решает предлагаемая конструкция, состоящая из двух связанных акустических резонаторов.

В корпусе устройства можно выделить два акустических резонатора, имеющих разные резонансные частоты. Первый резонатор состоит из первой резонаторной полости 5 и корпусной полости, вмещающей регенератор 6, теплообменники 7 и 8, электроакустический излучатель 2, устройство возбуждения 3 и пространство между ними. Второй резонатор состоит из второй резонаторной полости 9 и той же самой общей для двух резонаторов корпусной полости, вмещающей регенератор 6, теплообменники 7, 8, электроакустический излучатель 3, устройство возбуждения 2 и пространство между ними. Первый и второй резонаторы имеют разные резонансные частоты f1 и f2, причем f1>f2, т.к. общая длина первого резонатора меньше общей длины второго резонатора. Относительная разность резонансных частот величина не малая, (f2-f1)/f1>0.2, поэтому можно приближенно считать, что в общей части первого и второго резонаторов, в частности в области регенератора 6, акустическое поле состоит из двух компонент: поля первого резонатора и поля второго резонатора. Предполагается, что рабочая частота акустического поля, генерируемого электроакустическим излучателем, близка к резонансной частоте первого резонатора f1. Регенератор 6 расположен поблизости от крышки 4, являющейся жесткой границей со стороны холодного теплообменника 8. При таком расположении отношение давления к объемной скорости (акустический импеданс) в области регенератора 6 существенно выше, чем в бегущей волне, и при приближении к жесткой границе все более возрастает. Расстояние между крышкой 4 и регенератором 6 меньше λ/32 (λ — длина акустической волны в рабочей среде холодильного устройства на рабочей частоте), это расстояние соответствует примерно одной шестнадцатой части от длины корпуса устройства. В таком случае акустический импеданс в области регенератора 6 более чем в пять раз превышает акустический импеданс в бегущей волне. Сниженная величина объемной скорости минимизирует вязкостные потери холодильного устройства.

Колебания во втором резонаторе происходят на той же частоте f1, но она оказывается вдали от частоты собственного резонанса f2, т.к. f1>f2. Поэтому колебания давления компоненты поля, соответствующего второму резонатору, во-первых, существенно меньше по амплитуде колебания давления компоненты поля, соответствующего первому резонатору и, во-вторых, опережают по фазе эти колебания примерно на 90°. Это опережение по фазе можно регулировать в диапазоне, приблизительно от 60° до 120°, подбором рабочей частоты, оставаясь в полосе частот резонанса первого резонатора. В стоячей волне колебания объемной скорости отстают по фазе от колебаний давления на 90°. Поэтому колебания объемной скорости поля второго резонатора оказываются по фазе близкими к колебаниям поля давления первого резонатора. Длина второй резонаторной полости 9 определяется и регулируется положением поршня 12. Подбирая частоту работы электроакустического излучателя 2 и длину второй резонаторной полости 9 можно настроить в области регенератора 6 объемную скорость в фазе с колебаниями давления акустического поля.

Таким образом, размещением регенератора 6 вблизи крышки 4, являющейся жесткой границей первого резонатора, обеспечивается выполнение первого необходимого условия эффективной работы холодильного устройства — реализации большой величины акустического импеданса (отношения давления к объемной скорости). Подбором частоты и настройкой длины второго резонатора обеспечивается выполнение второго условия эффективной работы холодильного устройства — синфазности колебаний давления и объемной скорости. Выполнение этих двух условий позволяет теоретически увеличить КПД устройства по сравнению с прототипом более чем в два раза.

1. Термоакустическое холодильное устройство, содержащее корпус с внешним частичным оребрением, помещенный в корпус акустический излучатель с встроенным устройством возбуждения, выполненную внутри корпуса герметично закрытую крышкой полость, образующую резонатор и заполненную рабочей средой в виде гелий-криптоновой смеси под давлением, встроенный в резонатор регенератор в виде стопки параллельных пластин, на торцах которого установлены горячий со стороны акустического излучателя и холодный со стороны крышки теплообменники, выполненные в виде алюминиевых перфорированных дисков, отличающееся тем, что резонаторная полость выполнена цилиндрической формы, внутри полости со стороны холодного теплообменника устроена вторая резонаторная полость в виде цилиндрической трубы с герметичной крышкой и поршнем, соединенным со штоком, закрепленным с этой крышкой на резьбе с возможностью перемещения поршня вдоль оси, при этом цилиндрическая труба размещена в центральной части крышки первой резонаторной полости на резьбе с обеспечением перемещения вдоль оси и герметизации резонансной полости, а эта крышка также соединена с корпусом резьбовым соединением с герметизирующим элементом с возможностью ее перемещения вдоль оси.

2. Термоакустическое холодильное устройство по п.1, отличающееся тем, что резонансная полость заполнена рабочей средой в виде гелий-криптоновой смеси под давлением 7-10 атмосфер.

3. Термоакустическое холодильное устройство по п.1, отличающееся тем, что регенератор с теплообменниками размещен на расстоянии, меньшем или равном λ/32 от жесткой крышки первого резонатора, где λ — длина акустической волны в рабочей среде холодильного устройства.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *