УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к области термоэлектрического охлаждения жидкостей и может быть использована в частности при подготовке охлажденной питьевой воды для водоснабжения пассажирских железнодорожных вагонов.
Известны термоэлектрические охладители жидкости, например, по патенту на ПМ 11524, а также устройство приготовления обеззараженной воды по пат. 14926.
Недостатком известных устройств является высокое энергопотребление.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является термоэлектрический охладитель жидкости по патенту 19876, F 01 Р 3/00, принятый за прототип.
Устройство-прототип содержит корпус 1 с установленным в нем баком 2 с заливным 3 и сливным 4 патрубками и термоэлементами 6, прижатыми холодными спаями к одной или нескольким поверхностям бака 2, а горячими спаями - к теплоотводящим радиаторам. Причем на внутренней поверхности бака 2 установлены радиаторы с вертикальными теплообменными ребрами. Теплоотводящие радиаторы горячих спаев термоэлементов 6 с вертикально расположенными ребрами связаны с вентилятором 9, установленным в верхней части корпуса 1.
Работает устройство-прототип следующим образом.
В режиме охлаждения пропускается электрический ток через термоэлементы 6 и происходит перенос тепла от жидкости, находящейся в баке 2 к радиаторам и далее, в окружающую среду. По мере переноса тепла, между горячими и холодными спаями термоэлементов 6, нарастает температурный перепад AT, то есть имеет место процесс охлаждения.
В режиме хранения холода при достижении оптимальной температуры охладитель переходит в режим хранения холода (термостатирования). В этом режиме схема управления охладителя поддерживает температуру жидкости в баке 2 на заданной величине.
Недостатками устройства-прототипа являются большая средняя потребляемая мощность термоэлектрической части охладителя в режиме хранения холода и длительная работа вентилятора (соизмеримая с общей продолжительностью функционирования охладителя) при высокой частоте включения и выключения вентилятора.
Для устранения указанных недостатков в устройство охлаждения жидкости, содержащее корпус с установленными в нем вентилятором, термоэлектрическими модулями (ТЭМ), снабженными теплоотводящими радиаторами, а также заливным патрубком и баком для охлажденной жидкости со сливным патрубком, согласно полезной модели, введены предварительный охладитель, состоящий из емкости, внутренняя поверхность которой выполнена с ребрами теплообмена, а внешняя - с теплоотводящими радиаторами, соединенный, по крайней мере, одним первым патрубком с, по крайней мере, одним термоэлектрическим охладителем, состоящим из теплообменника, внутренняя поверхность которого выполнена с ребрами теплообмена, и закрепленными на нем ТЭМ, который, по крайней мере, одним вторым патрубком соединен с баком, содержащим, по крайней мере, одну трубу обратного конвективного потока жидкости, соединенную с первым патрубком, причем заливной патрубок соединен с предварительным охладителем.
Кроме того, бак снабжен, по крайней мере, одной перегородкой для разделения более холодной жидкости от более теплой. При этом бак для охлажденной жидкости, патрубки и труба обратного конвективного потока жидкости выполнены с термоизоляцией.
На фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1 - корпус устройства охлаждения;
2 -заливной патрубок;
3 - предварительный охладитель;
3.1 - емкость предварительного охладителя;
3.2 - теплоотводящие радиаторы предварительного охладителя;
4,7 - первый и второй патрубки;
5 - термоэлектрический охладитель;
5.1 -теплообменник;
5.2 - термоэлектрические модули (ТЭМ);
5.3 - теплоотводящие радиаторы;
6 - труба обратного конвективного потока жидкости;
8 - сливной патрубок;
9 - бак для охлажденной жидкости;
10 - вентилятор.
Предлагаемое устройство содержит корпус 1 с установленными в нем вентилятором 10, заливным патрубком 2, предварительным охладителем 3, состоящим из емкости 3.1, внутренняя поверхность которой выполнена с ребрами теплообмена, а внешняя поверхность снабжена теплоотводящими радиаторами 3.2. Термоэлектрический охладитель 5 состоит из теплообменника 5.1, внутренняя поверхность которого выполнена с ребрами теплообмена для отвода тепла из охлаждаемой жидкости, и с закрепленными на нем ТЭМ 5.2, снабженными теплоотводящими радиаторами 5.3. При этом пред-варительный охладитель 3 при помощи первого патрубка 4 соединен с термоэлектрическим охладителем 5, который вторым патрубком 7 соединен с баком для охлажденной жидкости 9. Бак 9 содержит сливной патрубок 8 и трубу обратного конвективного потока жидкости 6, соединенную с первым патрубком 4.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
Горячая жидкость подается в предварительный охладитель 3 через заливной патрубок 2, где она предварительно охлаждается, и затем через первый
патрубок 4 поступает в термоэлектрический охладитель 5 для дальнейшего охлаждения, и через второй патрубок 7 попадает в бак 9.
После заполнения бака 9 жидкостью, включают питающее напряжение. Начинает работать вентилятор 10 и ТЭМ 5.2. При включении устройство работает в режиме охлаждения, вентилятор 10 создает поток воздуха, охлаждающий теплоотводящие радиаторы 5.3 и 3.2.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства в режиме охлаждения.
При протекании тока через ТЭМ 5.2 происходит перенос тепла от теплообменника 5.1 в теплоотводящие радиаторы 5.3, и далее в окружающую среду. Охлаждение теплообменника 5.1 приводит к появлению конвекционного потока охлаждаемой жидкости через него по замкнутому контуру: теплообменник 5.1, второй патрубок 7, бак 9, труба 6, первый патрубок 4. Более теплые слои жидкости, как более легкие, вытесняются в верхнюю часть бака 9 и в трубу 6. Поднимаясь по трубе 6, жидкость попадает на вход теплообменника 5.1, поступает во второй патрубок 7 и т. д. Теплообменник 5.1 выполнен из теплопроводного материала (например, алюминия) и для лучшего теплового контакта с жидкостью его внутренняя поверхность выполнена с ребрами теплообмена. На внешней поверхности теплообменника 5.1 закреплены ТЭМ 5.2, снабженные теплоотводящими радиаторами 5.3.
Для исключения потерь, затрудняющих циркуляцию жидкости, труба 6 и патрубки 4,7 имеют достаточное сечение и оптимальную конструкцию.
Когда средняя температура жидкости в баке 9 достигнет заданной температуры, например, +16°С, цикл охлаждения будет закончен и устройство перейдет в режим хранения холода.
Рассмотрим работу устройства в режиме хранения холода (термостати-рования). В этом режиме схема управления охладителя поддерживает температуру жидкости в баке 2 на заданной величине. При этом отключается вентилятор 10, и обесточиваются ТЭМ 5.2. С этого момента температура в теплообменнике 5.1 начинает расти, стремясь выровняться с температурой окружающей среды. Конвекция при этом прекращается, так как более теплые
слои жидкости не могут попасть вниз. Бак 9 перестает участвовать в теплообмене и выполняет функцию термоса. Незначительные теплопритоки в бак 9, все же имеют место. Это приводит к постепенному росту температуры жидкости в баке 9. Когда температура возрастет на 0,6- 0,7°С (примерно через час), устройство перейдет в режим охлаждения. Через некоторое время температура в баке 9 снизится до исходной, и устройство вернется в режим хранения холода и далее все будет повторяться циклически.
Рассмотрим работу устройства охлаждения в режиме отбора жидкости.
В начальный момент, когда устройство охлаждения находится в режиме термостатирования, сливают порцию жидкости. Взамен слитой жидкости поступает такое же количество горячей жидкости через заливной патрубок 2 в предварительный охладитель 3. Причем поступающая порция горячей жидкости вытесняет предыдущую не смешиваясь с ней - происходит замещение одного объема другим. Объем предварительного охладителя выбирается из расчета среднего значения объема порции сливаемой жидкости.
Предлагаемое устройство охлаждает очередной объем жидкости, находящийся в нем, до температуры потока воздуха, которым охлаждаются теплоотводящие радиаторы предварительного охладителя 3.2. Теплоотводящие радиаторы предварительного охладителя 3.2 установлены в потоке воздуха последовательно с теплоотводящими радиаторами 5.3 ТЭМ 5.2.
Итак, вытесненная из предварительного охладителя 3 жидкость попадает в теплообменник 5.1. Жидкость, вытесненная, в свою очередь, из теплообменника 5.1, попадает в бак 9 и повышает там среднюю температуру жидкости. После третьего - четвертого слива, средняя температура жидкости в баке 9 повышается более, чем на 0,7°С, и устройство переходит в режим охлаждения, при этом включаются ТЭМ 5.2 и вентилятор 10. Далее начинает работать предварительный охладитель 3, из которого в теплообменник 5.1 при каждом сливе вливается очередная порция предварительно охлажденной жидкости.
Кроме того, бак 9 может быть снабжен перегородкой для разделения более холодной жидкости от более теплой.
Преимущества предлагаемого устройства по сравнению с прототипом следующие.
1. Снижение температуры горячей воды на входе термоэлектрического охладителя 5 при помощи предварительного охладителя 3 и тем самым достигается расширение верхней границы температурного диапазона подаваемой в охладитель горячей воды с +75° до +95°С.
2. Снижение энергопотребления в режиме хранения холода до уровня 20-3 0Вт (большую часть времени охладитель находится именно в этом ре-жиме), т.к. бак 9 не находится в прямом тепловом контакте с окружающей средой через теплопроводность блока ТЭМ 5.2 и расположен отдельно от термоэлектрического охладителя 5, что позволяет осуществить эффективную термоизоляцию бака 9.
3. Экономится ресурс вентилятора.