Термоэлектрическое устройство для охлаждения жидкости

Настоящая полезная модель предназначена для охлаждения термоэлектрическими батареями циркулирующих потоков жидкости и может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой промышленности и энергетике.
Известна термоэлектрическая система охлаждения жидкости, содержащая размещенный в корпусе вертикальный теплоизолированный резервуар с входным и выходным штуцерами для подачи горячей и слива охлажденной жидкости соответственно [см. патент RU 38909, F25B 21/02, F25D 9/00, 2004]. На стенках резервуара закреплены термомодули с холодными и горячими активными поверхностями, средства съема и передачи тепла с воздуховодными каналами, вентиляторы теплосброса. При этом система снабжена установленными с двух противолежащих боковых сторон резервуара, поверх средства съема и передачи тепла, фиксирующими держателями, каждый из которых выполнен в виде П-образного швеллера, а средство съема и передачи тепла выполнено в виде пакета четырехгранных пружин сжатия, каждая из которых образована из продольно сжатой пластины, имеющей форму прямозубой зубчатой поверхности. Причем каждая пружина сжатия установлена с возможностью упругого контактирования одной ее первой грани с горячей активной поверхностью термомодуля, а другой противоположной грани - с возможностью контактирования через демпфирующий элемент с внутренней поверхностью швеллера. При этом напротив торцов воздуховодных каналов установлены на корпусе вентиляторы теплосброса.
Недостатком полезной модели является невысокая поверхность теплопередачи и, как следствие, низкая эффективность охлаждения жидкости.
Известно устройство для охлаждения тепловыделяющей аппаратуры, содержащее радиатор, теплопринимающее основание, теплопередающий элемент типа тепловой трубы, имеющей контакт с теплопринимающим основанием и выполненной из корпуса с фитилем капиллярной структуры, и батарею многоэлементных термоэлектрических генераторов, расположенных на конденсаторной части тепловой трубы и соединенных с радиатором [см. патент RU 2345294, F25B 21/02, 2007]. Между корпусом тепловой трубы и фитилем капиллярной структуры расположен электроизоляционный высокотеплопроводный слой. Корпус конденсаторной части тепловой трубы выполнен в виде решетчатой структуры, в окнах которой установлены термоэлектрические генераторы, образующие батарею и скрепленные с электроизоляционным высокотеплопроводным слоем.
Недостатками устройства являются сложность конструкции, громоздкость и низкая эффективность выработки электрической энергии.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является термоэлектрическое устройство нагрева-охлаждения жидкости, содержащее теплообменник, выполненный в виде прямоточной трубы из прямоугольного профиля, ширина которого соответствует ширине контактных пластин термоэлектрической батареи, а внутренние поверхности которого использованы для теплопередачи нагреваемому (охлаждаемому) потоку [см. патент RU 121910, F25B 21/02, F25B 29/00, 2011]. В теплообменнике применен прямоугольный профиль с соотношением сторон внутреннего сечения в пределах 0,2-1, а внутри трубы размещены поперечные перегородки, частично перекрывающие ее проходное сечение и выполненные в виде пучка цилиндрических стержней, замыкающих тепловые потоки противоположных стенок трубы и установленных в коридорном или шахматном порядке перпендикулярно направлению потока, причем стержни либо герметично вмонтированы в противоположные стенки трубы, либо установлены на одной или нескольких продольных пластинах, запрессованных со стержнями во внутреннюю полость трубы.
Недостатком данного термоэлектрического устройства является относительно невысокая холодопроизводительность вследствие недостаточного отвода тепла с нагретой стороны термоэлектрической батареи.
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в повышении холодопроизводительности устройства при той же мощности электропитания термоэлектрической батареи.
Поставленная задача решается термоэлектрическим устройством для охлаждения жидкости, которое включает теплообменник, выполненный в виде прямоточной трубы из прямоугольного профиля с соотношением сторон внутреннего сечения в пределах 0,2-1, ширина которого соответствует ширине контактных пластин термоэлектрической батареи, расположенной с внешней стороны теплообменника, при этом охлаждающая сторона термоэлектрической батареи скреплена с наружной стенкой теплообменника электроизоляционным высокотеплопроводным слоем, а с нагретой стороны термоэлектрической батареи вплотную установлен тепломассообменный аппарат прямоугольного сечения, ширина которого соответствует ширине контактных пластин термоэлектрической батареи.
Техническим результатом полезной модели является увеличение холодопроизводительности устройства при той же мощности электропитания термоэлектрической батареи за счет более эффективного отвода тепла с нагретой стороны термоэлектрической батареи.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображено предлагаемое термоэлектрическое устройство для охлаждения жидкости.
Термоэлектрическое устройство для охлаждения жидкости включает теплообменник 1, внутренняя поверхность которого используется для охлаждения потока жидкости от холодной стороны термоэлектрической батареи 2, расположенной с внешней стороны теплообменника 1. При этом охлаждающая сторона термоэлектрической батареи 2 скреплена с наружной стенкой теплообменника 1 электроизоляционным высокотеплопроводным слоем 4. С нагретой стороны термоэлектрической батареи 2 вплотную установлен тепломассообменный аппарат 3 прямоугольного сечения, ширина которого соответствует ширине контактных пластин термоэлектрической батареи 2. Для обеспечения максимальной эффективности процесса тепломассопередачи используют тепломассообменный аппарат 3 со струйно-барботажным или струйно-пленочным контактным устройством.
Термоэлектрическое устройство для охлаждения жидкости выполнено на основе термоэлектрической батареи 2, представляющей собой элементы Пельтье, холодные поверхности которых являются генератором холода и используются для охлаждения жидкости, а горячие поверхности снабжены системой отвода тепла.
Предлагаемое термоэлектрическое устройство для охлаждения жидкости работает следующим образом. Большая часть циркулирующего потока жидкости поступает в теплообменник 1, где осуществляется охлаждение жидкости от внутренней стенки теплообменника 1, к внешней поверхности которой прикреплена холодная сторона термоэлектрической батареи 2. Другая (меньшая) часть жидкости поступает в тепломассообменный аппарат 3, где происходит ее нагрев от горячей стороны термоэлектрической батареи 2 и интенсивное испарение в воздух, при этом с нагретой стороны термоэлектрической батареи 2 отводится значительное количество тепла. Количество жидкости (воды), поступающей в тепломассообменный аппарат 3, рассчитывают таким образом, чтобы жидкость (вода), поступающая в него, полностью испарялась.
Для обеспечения высокой эффективности охлаждения жидкости холодная сторона термоэлектрической батареи 2 скреплена с наружной стенкой теплообменника 1 электроизоляционным высокотеплопроводным слоем 4. Наличие указанного слоя 4 позволяет увеличить теплопроводность между термоэлектрической батареей 2 и наружной стенкой теплообменника 1 и, как следствие, повысить холодопроизводительность заявляемого устройства.
В предлагаемом термоэлектрическом устройстве для охлаждения жидкости по сравнению с прототипом обеспечивается более эффективный отвод тепла с нагретой стороны термоэлектрической батареи за счет установки тепломассообменного аппарата. В прототипе для охлаждения нагретой стороны термоэлектрической батареи используется воздух, который по сравнению с водой имеет меньшую теплопроводность (0,0264 Вт/(м⋅К) - воздух и 0,659 Вт/(м⋅К) - вода). Известно, что испарение является одним из наиболее эффективных способов отвода тепла, при этом в испарительных водоохладителях доля теплообмена испарением достигает 80…90%. Следовательно, отвод тепла путем испарения небольшой части жидкости обеспечит более низкую температуру на холодной стороне термоэлектрической батареи.
Таким образом, заявляемое устройство по сравнению с прототипом обладает большей холодопроизводительностью при той же мощности электропитания термоэлектрической батареи за счет более эффективного отвода тепла с нагретой стороны батареи.