ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО
HEAT EXCHANGE UNIT

Изобретение относится к холодильному оборудованию, а именно к термоэлектрическим холодильным установкам, и может быть использовано, например, для охлаждения воздуха в продовольственных кладовых на судах в жестких условиях эксплуатации, а также в устройствах кондиционирования воздуха.
Принцип работы теплообменного устройства (термоэлектрического модуля, ТЭМ) основан на эффекте Пельтье, когда при пропускании постоянного тока через контакты двух разнородных металлов (полупроводников), из которых состоит ТЭМ, на одном из контактов происходит охлаждение (поглощение тепла), а на другом - выделение тепла.
Уровень техники
Известны термоэлектрические теплообменные устройства, состоящие из воздушных, гидравлических теплообменников, между которыми в тепловом контакте установлены два и более термоэлектрических охладителей, образующих плоский слой, причем последние окружены по периметру защитным барьером из низкотеплопроводного материала, а теплообменники между собой стянуты винтами - RU 2187052 F25B 21/02, 14.12.2000, RU 2092753 F25B 21/02, 13.06.1996, RU 2364803 F25B 21/02, 18.09.2007, RU 2397074 B60H 1/32, 01.09.2008, RU 2234647 F25B 21/02, 27.11.2002.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран холодильный термоэлектрический блок RU 2092753 F25B 21/02, 13.06.1996. Блок содержит два и более термоэлектрических охладителей, на горячих и холодных спаях которых установлен радиаторы. Пространство между радиаторами и полость между горячим и холодным спаями заполнены теплоизоляционным влагонепроницаемым материалом, радиатор горячих спаев выполнен в виде автономных секций, закрепленных только на одном термоэлектрическом охладителе, при этом радиатор и вентилятор для его обдува размещены в кожухе, имеющем форму диффузора с сужением в сторону радиатора. Отверстия для входа и выхода воздуха выполнены на противоположных торцевых сторонах кожуха.
К недостаткам прототипа можно отнести невысокую надежность устройства, так как в нем частично решена задача герметичности конструкции, что приводит к низкому уровню защиты термоэлектрических охладителей и токоведущих цепей от конденсата.
Это объясняется тем, что ограждающий слой из теплоизоляционного материала вокруг и/или между термоэлектрическими охладителями предназначен, в первую очередь, для уменьшения теплопритоков к охлаждаемой поверхности теплообменника, что не гарантирует защиту термоэлектрических охладителей и размещенных вблизи них разного рода температурных датчиков от воздействия влаги (конденсата). Не решает вопрос и применение в качестве теплоизоляции вспениваемых материалов (пенополиуретаны), так как процесс вспенивания в узких или затесненных пространствах вызывает технологические трудности. Еще более негерметичны ограждения из твердых вспененных материалов, например пенопластов.
Актуальной проблемой является защита от конденсата токоведущих цепей и термоэлектрических охладителей, так как вода на них при длительной (1000 и более часов) работе способствует электрохимической коррозии с последующим разрушением. Снижение надежности электроизоляции цепей электропитания относительно корпуса неприемлемо, в особенности для судовых охлаждающих устройств, питающихся непосредственно от судовой сети постоянного тока, в которых снижение значения сопротивления электроизоляции равносильно отказу.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании новой надежной конструкции теплообменного устройства, работающей в жестких условиях эксплуатации на судах.
Технический результат изобретения заключается в повышении герметичности конструкции, увеличении надежности, увеличение срока службы, в повышении оперативности управления за счет возможности варьирования переключений токоподводящих цепей охладителей.
Раскрытие изобретения
Поставленные задачи решены следующим образом. Теплообменное устройство состоит из стянутых винтами воздушного и водяного теплообменников, между которыми в тепловом контакте установлены термоэлектрические охладители, расположенные в виде прямоугольника и окруженные защитным барьером. Устройство отличается тем, что оно дополнительно снабжено клеммной коробкой, которая расположена на внешней стороне водяного теплообменника и связана с полостью, в которой расположены термоэлектрические охладители и датчики температуры, посредством каналов, выполненных в стенке водяного теплообменника, при этом в упомянутых каналах расположены электрические провода охладителей и датчиков, выходы которых закреплены на клеммной плате, установленной в клеммной коробке, в которую через сальниковый уплотнитель подведен кабель для внешних подключений. Клеммная коробка дополнительно снабжена поглотителем влаги, например силикагелем.
Кроме того, защитный барьер устройства образован двумя жгутами квадратного сечения, которые установлены с зазором друг относительно друга, при этом один из жгутов расположен на воздушном теплообменнике, другой на водяном, а на наружные боковые поверхности барьера нанесено защитное покрытие из кремнийорганического герметика.
Осуществление изобретения
Заявляемое изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 изображено устройство в разрезе, на фиг.2 - разрез по А-А фиг.1, на фиг.3 - узел соединения ребра воздушного теплообменника.
Теплообменное устройство содержит воздушный теплообменник 1 и водяной теплообменник 2, между которыми размещен плоский, прямоугольной формы слой из термоэлектрических охладителей 3 и датчиков температуры 4. Теплообменники 1 и 2 стянуты по контуру винтами 5. Усилие стяжки замыкается на упоры 6, которые установлены между теплообменниками по периметру и в центре. Винты 5 передают усилие на теплообменник 2 через нетеплопроводные упорные втулки 7. Каналы 8 в стенке теплообменника 2 соединяют полость, занятую термоэлектрическими охладителями 3, с клеммной коробкой 9, расположенной на внешней стороне теплообменника 2. На коробке установлена крышка 10, которая закреплена винтами с уплотнением (не показано). В коробке 9 выполнен сальниковый ввод 11 для установки кабеля наружных подключений. Провода от термоохладителей и датчиков температуры распаяны на клеммной плате 12, установленной в клеммной коробке 9. К этой же плате 12 подведен и подпаян кабель наружных подключений. В коробку помещены упаковки с силикагелем 13. Боковые поверхности термоэлектрических охладителей 3 по периметру окружены защитным барьером из двух резиновых жгутов 14 и охвачены снаружи единым сплошным защитным покрытием, например, из кремнийорганического герметика 15.
Для улучшения теплообмена на поверхности контакта термоэлектрических охладителей 3 нанесена кремнийорганическая теплопроводная паста (КПТ-8). Охладители установлены на электроизоляционные планки 16. Ребра 17 воздушного теплообменника запрессованы в основании 18 теплообменника 1.
Устройство работает следующим образом. При его сборке теплообменники 1 и 2 стягивают винтами 5 до тех пор, пока теплообменники не сблизятся на расстояние, равное высоте упоров 6, которое на несколько десятых миллиметра превышает высоту термоэлектрических охладителей 3. Термоэлектрические охладители вначале испытывают некоторое давление, передаваемое на них от теплообменников через теплопроводную пасту, но когда упоры остановят сближение теплообменников, теплопроводная кремнийорганическая паста, обладая заметной текучестью, будет ослаблять давление на охладители. Когда толщина слоев пасты по обеим сторонам охладителя станет равной разности высот упоров и охладителей, давление на последние прекратится, и вся дальнейшая работа устройства будет происходить при полностью механически разгруженных охладителях. С целью исключения перемещений (в условиях тряски и вибрации) термоэлектрических охладителей 3, связь которых с теплообменными поверхностями осуществлена только с помощью вязкой теплопроводной пасты, применены планки 16, выполненные из электроизоляционного материала и имеющие профиль, удерживающий охладители от линейных перемещений. Планки 16 винтами закреплены на стенке водяного теплообменника 2. На планках 16 также закреплены электрические проводники от термоэлектрических охладителей и датчиков температуры 4.
Защитный барьер термоэлектрических охладителей образован двумя жгутами квадратного сечения 14. Один жгут приклеен к воздушному теплообменнику 1, другой - к водяному 2. Между жгутами предусмотрен зазор от 0,5 до 2,0 мм. При обмазке снаружи жгутов кремнийорганическим герметиком 15 образуется сплошной защитный слой, перекрывающий зазор между жгутами. При включении устройства, когда температуры обоих теплообменников могут значительно отличаться, защитный барьер, обладая упругостью, сохраняет механическую прочность и паро-влаго-непроницаемость. Провода от термоэлектрических охладителей 3 и датчиков температуры 4 через каналы 8 в стенке водяного теплообменника 2 выводят в клеммную коробку 9. Клеммную коробку герметично закрывают крышкой 10, а кабель подключения проводят через сальниковую буксу. Таким образом, работа термоэлектрических охладителей 3 происходит в полностью герметичной зоне, в которую исключен доступ водяных паров. Для полного исключения в герметичной зоне остаточных паров воды в клеммную коробку вложена упаковка с силикагелем 13.
Выведение проводов токоподводящих цепей всех термоэлектрических охладителей на клеммные платы 12 внутри клеммной коробки 9 позволяет быстро варьировать переключение цепей охладителей и выбирать необходимые значения характеристик устройства.
Таким образом, предлагаемое изобретение за счет комбинирования различных соединений токоподводящих цепей термоохладителей позволяет оперативно изменять и выбирать необходимые характеристики любых возможных вариантов параллельно-последовательного соединения,, что повышает оперативность его управления. В ранее известных устройствах (например, RU 2397074) была предусмотрена возможность комбинирования различных соединений, но только в процессе его изготовления (за счет подключения модулей на токовых площадках внутри конструкции).
В предлагаемом изобретении использованы 24 термоэлектрических охладителя. Как показали проведенные испытания, это число является оптимальным количеством, обеспечивающим максимальное число комбинаций необходимых вариантов подключений. Устройство с 24 термоэлектрическими охладителями оптимально также по габаритам и массе (около 12 кг), что делает его удобным для использования в холодильных установках различной холодопроизводительности.
С целью исключения разрушения мест запрессовки ребер 17 в основании 18 теплообменника 1 (при отрицательных температурах охлаждаемого воздуха в условиях выпадения росы и образования инея) зоны запрессовки (фиг.3) обрабатывают водостойким лаком, например УР-231, который заполняет все неплотности, микротрещины и микрополости, которые неизбежно остаются после запрессовки ребер. Тем самым исключена возможность заполнения водой этих неплотностей и микротрещин. Таким образом, надежность работы ТЭМ модуля повышается.
При работе устройства на судах в водяной теплообменник подают охлаждающую воду, температура которой может достигать 5°C. При этом на внешних стенках теплообменника может выпадать роса. Длительное воздействие капельной влаги на стенки теплообменника способно вызвать усиленную коррозию. Кроме того, как показывает опыт, количество сконденсированной влаги на стенках теплообменника в течение часа может достигать 100 мл, что равносильно дополнительной тепловой нагрузке 60 Вт. При расчетной нагрузке на теплообменник 600 Вт дополнительная нагрузка от конденсата может быть принята во внимание. С целью повышения эффективности водяных теплообменников и повышения коррозионной устойчивости наружная поверхность водяных теплообменников покрыта жидким керамическим теплоизоляционным покрытием типа "Корунд", исключающим выпадение на покрытых поверхностях конденсата.