МАЛОГАБАРИТНЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНДИЦИОНЕР
SMALL-SIZE THERMOELECTRIC CONDITIONER

Известны термоэлектрические устройства-кондиционеры системы воздух-воздух (патент №2397074 от 20.08.2010 г.), в которых охлаждение и сброс тепла осуществляется с помощью воздушных потоков, обдувающих расположенные последовательно радиаторы (секции радиаторов) кондиционирующего и технологического (сбрасывающего тепло) контуров. При этом движение охлаждаемого и охлаждающего воздуха осуществляется в противотоке. Подобная схема движения воздушных потоков имеет такие недостатки, как большой длины каналы кондиционирующего контура, необходимые для набора разности температур воздуха, а также потери тепла, связанные с последовательным прохождением воздуха радиаторов (или секций радиаторов) технологического контура, при котором на каждую последующую секцию приходит воздушный поток с уже накопленным теплом от предыдущих секций. При этом накопленное тепло (в виде суммы ДТ горячего воздуха с каждого радиатора) соизмеримо с разностью температур в кондиционирующем контуре, благодаря чему охлаждение тепловыделяющих площадок модулей осуществляется не полностью. Такая схема последовательного обдува горячих радиаторов в технологическом контуре приводит к снижению разности температур в кондиционирующем контуре, следовательно, к снижению холодопроизводительности кондиционера.
Устранение таких недостатков является значительным резервом для улучшения характеристик охлаждающего устройства в целом.
Известны также термоэлектрические устройства со съемом тепла с помощью воды или другой охлаждающей жидкости (Коленко Е.А. «Термоэлектрические охлаждающие устройства», Ленинград, Наука, 1967 г.), в которых охлаждающая жидкость благодаря своим физическим свойствам позволяет снять значительное количество тепла и минимизировать разброс температуры в технологическом контуре, приближая температуру тепловыделяющих площадок модулей к температуре охлаждающей жидкости. Однако охлаждение с помощью жидкости значительно усложняет конструкцию кондиционера и увеличивает его габариты (из-за радиатора) либо из-за привязки к водной магистрали, ограничивая его использование. Более того, для набора разности температур в кондиционирующем контуре остается необходимым смывание воздушным потоком большого количества радиаторов, что приводит к увеличению габаритов кондиционера и к увеличению тепловых потерь.
Предлагаемая конструкция термоэлектрического кондиционера позволяет устранить указанные недостатки. Это устройство отличается тем, что радиаторы кондиционирующего контура поделены с помощью изолирующих стенок на два или более сегментов (являющихся коридорами для движения воздушных потоков), которые соединены между собой последовательно.
При неоднократном прохождении воздушным потоком холодных радиаторов кондиционирующего контура производится набор разности температуры. Число сегментов, а следовательно и разность температур воздушного потока определяется заданной величиной его охлаждения и ограничивается только температурой основания холодных радиаторов.
o
общ
В технологическом контуре движение охлаждающего воздуха осуществляется по каналам (коридорам), соответствующим сегментам кондиционирующего контура, но в отличие от него соединенных параллельно. При таком движении воздушного потока в технологическом контуре набор и передача тепла на последующие секции ограничена, а все каналы в горячем радиаторе на начальном этапе обладают одинаковыми стартовыми условиями. Это позволяет снизить температуру горячих теплообменных площадок модулей, а следовательно и их холодных теплообменных площадок, что увеличивает степень охлаждения воздуха в кондиционирующем контуре и холодопроизводительность кондиционера в целом. Более того, незначительная длина каналов технологического контура благодаря снижению сопротивления воздушному потоку позволяет использовать вентиляторы с меньшим напором, меньшей мощностью и меньшим расходом энергии. Это позволяет повысить холодильный коэффициент кондиционера K=Q/W (отношение холодопроизводительности к общей затрате электроэнергии). Поскольку в этом случае воздушные потоки движутся в одном направлеии только на начальном этапе охлаждения, а на конечном этапе - в противоположном, это позволяет большую часть накопленного тепла вывести сразу наружу и не «тащить» его в наиболее холодную зону, что позволяет получить дополнительное охлаждение ближе к выходу и не «тащить» его через весь сегмент, растеряв часть этой добавки по тракту. Поменяв направление движения воздушного потока в технологическом контуре на противоположное, подобная добавка возможна и в случае трехкратного прохождения воздушным потоком холодных радиаторов.
На рис.1 представлено схематическое изображение кондиционера с двукратным прохождением воздушным потоком холодных радиаторов; на рис.2 - схема движения воздушного потока в технологическом контуре; на рис.3 - схема движения воздушного потока в кондиционирующем контуре с двукратным прохождением холодных радиаторов. На этих рисунках поз.1 - секции горячих радиаторов (каждая секция имеет общее основание горячих радиаторов, на котором размещены термоэлектрические модули); поз.2 - холодные радиаторы (сегменты) кондиционирующего контура; поз.3 -изолирующая стенка, делящая холодные радиаторы на сегменты; поз.4 - вентиляторы кондиционирующего контура; поз.5 - вентиляторы технологического контура, сбрасывающего тепло.
Для достижения двукратного (и более) прохождения воздушным потоком холодных радиаторов его сегменты соединены между собой с помощью воздуховодов поз.6, представляющих собой дугообразные отражатели, позволяющие разворачивать воздушный поток на 180°. Величина воздуховода выбирается такой, чтобы его живое сечение во всех точках было бы не меньшим, чем живое сечение сегмента, что необходимо для исключения дополнительного гидравлического сопротивления.
Сами развороты воздушного потока вносят незначительный вклад в общее сопротивление контура, поскольку оно определяется в основном длинами каналов и расстоянием между соседними ребрами радиатора.
Кондиционер работает следующим образом. При пропускании электрического тока через модули на холодных теплопоглощающих площадках модулей холод снимается с помощью радиаторов (поз.2) воздушным потоком, создаваемым вентиляторами (поз.4) и после, по крайней мере, двукратного прохождения радиаторов (поз.2) выходит через окно (поз.7) в выходной патрубок (не показан), а выделяющееся тепло на горячих тепловыделяющих площадках модулей снимается с помощью горячих радиаторов (поз.1) технологического контура воздушным потоком, создаваемым вентиляторами (поз.5).
Из-за значительной глубины охлаждения воздушного потока возрастают потери за счет конвекции, конденсации влаги и излучения. С целью исключения таких потерь коридоры сегментов кондиционирующего контура со стороны изолирующих стенок, а также со стороны кожуха и отражателя изолированы (в соответствии с видом тепловых потерь) многослойным теплоизоляционным материалом, а также фольгой, служащей для исключения потерь на излучение и потерь за счет конденсации влаги. С помощью регулирующего устройства путем изменения скорости вращения вентиляторов кондиционирующего контура предусмотрено изменение расхода воздуха, а также температуры на выходе кондиционера в широких пределах. Уменьшение расхода воздуха в кондиционирующем контуре приводит к уменьшению отбора холода с холодных теплопоглощающих площадок модулей и снижению их температуры, а следовательно к увеличению глубины охлаждения воздуха.
3
o
общее
По этой схеме разработан малогабаритный термоэлектрический кондиционер, предназначенный для создания оптимальных климатических условий в кабинах лифтов, трамваев и троллейбусов, подъемных кранов и т.д. с двукратным прохождением воздушным потоком холодных радиаторов, на которых при испытаниях получена разность температур (между входом и выходом) ∆T~9,5°C при расходе воздуха V~220 м/ч, холодопроизводительностью Q~650 BT и холодильном коэффициенте K=Q/W, близком к единице.
Подобная схема движения воздушных потоков позволила уменьшить вес и габариты кондиционера по сравнению с традиционной компоновкой в ~1,5 раза.