ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ ДЛЯ НАГРЕВА И/ИЛИ ОХЛАЖДЕНИЯ-ЗАМОРАЖИВАНИЯ ЖИДКИХ ИЛИ ТВЕРДЫХ ПРОДУКТОВ

Полезная модель относится к устройствам для нагрева и/или охлаждения-замораживания жидких или твердых продуктов, очистки воды замораживанием в бытовых условиях, улучшающим ее биологические свойства путем удаления растворимых в ней органических и неорганических веществ и газов, и может быть использована в быту, пищевой промышленности и медицине.
Известно устройство для замораживания воды (патент РФ №2221201, МПК F25C 1/12, опубл. 10.01.2004 г.), которое содержит заполненную водой емкость с крышкой, которая выполнена с оребрением. В крышке установлен трубчатый двухслойный элемент. Нижний торец этого элемента размещен в зоне незамерзшей жидкости, а верхний - над крышкой. Наружный слой трубчатого элемента выполнен из алюминиевой трубки, а внутренний - из фторопластовой трубки. Нижний участок трубчатого элемента выполнен перфорированным в виде отверстий. На наружной поверхности емкости и крышки размещены термоэлектрические батареи с холодными и горячими спаями, на которых с противоположной от емкости и крышки стороны установлены теплообменники. Теплообменники размещенных на емкости термоэлектрических батарей выполнены в виде игольчатого или пластинчатого оребрения, а размещенных на крышке - в виде открытой сверху емкости.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является аппарат для очистки воды, включающий емкость с крышкой и коническим днищем с отверстием для слива воды и термоэлектрическим модулем для замораживания воды и таяния льда, емкость для приема талой очищенной воды и емкость для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, блоком управления термоэлектрическим модулем, трубопроводами для слива воды, подсоединенными одними концами к сливному отверстию конического днища емкости для замораживания воды и таяния льда, а другие концы этих трубопроводов снабжены клапанами, под которыми установлены соответственно емкость для приема очищенной талой воды и емкость для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия (Патент Японии №5123668, МПК С02F 1/22, F25В 21/02, опубл. 21.05.1993 г.).
Однако выше приведенные аналоги имеют в термоэлектрическом модуле один охлаждающий или нагревающий элемент, который расположен с одной стороны емкости, что не позволяет равномерно по объему замораживать жидкий продукт или равномерно его оттаивать, вследствие чего снижается качество термически обрабатываемого продукта (очистки воды от вредных примесей) и увеличивается время термической обработки продукта.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является создание такого термоэлектрического модуля для нагрева и/или охлаждения-замораживания жидких или твердых продуктов, который повышает равномерность и сокращает время термообработки жидких или твердых продуктов.
Указанный технический результат достигается тем, что в термоэлектрическом модуле для нагрева и/или охлаждения-замораживания жидких или твердых продуктов, включающем емкость, выполненную из термопроводного материала, термоэлектрическую батарею с ребристым теплообменником, контактирующую рабочей поверхностью с термопроводной стенкой емкости с наружной стороны, согласно полезной модели, емкость выполнена в горизонтальном сечении в виде многоугольника с количеством сторон (N) не менее четырех, а термоэлектрический модуль содержит несколько термоэлектрических батарей с ребристыми теплообменниками, расположенных со всех (N) сторон или (N-1) сторон боковой поверхности емкости.
Емкость может иметь в горизонтальном сечении прямоугольную или квадратную форму. На сторонах боковой поверхности емкости, где установлены термоэлектрические батареи, последние содержатся в количестве не менее двух и расположены в ряд по высоте и/или ширине.
Для температурной обработки жидких продуктов емкость имеет при расположении термоэлектрических батарей с (N-1) ее боковых сторон днище с наклоном в боковую сторону, свободную от термоэлектрических батарей, или коническое - при расположении термоэлектрических батарей со всех ее (N) боковых сторон.
На фиг.1 представлена схема термоэлектрического модуля с прямоугольной в сечении емкостью для продуктов и расположением термоэлектрических батарей с трех сторон. На фиг.2 представлена схема термоэлектрического модуля с квадратной в сечении емкостью для продуктов и расположением термоэлектрических батарей с четырех сторон. На фиг.3 представлена схема термоэлектрического модуля с пятиугольной в сечении емкостью для продуктов и расположением термоэлектрических батарей с пяти сторон. На фиг.4 представлена схема размещения термоэлектрических батарей на одной из стенок емкости термоэлектрического модуля. На фиг.5 представлена схема аппарата для очистки воды замораживанием, в котором использован термоэлектрический модуль с квадратной в сечении емкостью, имеющей коническое днище, и термобатареями, расположенными с четырех сторон, как на фиг.2.
Термоэлектрический модуль для нагрева и/или охлаждения-замораживания жидких или твердых продуктов включает емкость 1, выполненную из термопроводного материала, термоэлектрическую батарею, содержащую термоэлектрические элементы 2 и ребристые теплообменники 3. Термоэлектрические элементы 2 контактируют рабочими поверхностями с термопроводными боковыми сторонами (стенками 4) емкости 1 с наружной стороны. Емкость выполнена в горизонтальном сечении в виде многоугольника (фиг.1-3) с количеством сторон (N) не менее четырех. Термоэлектрические элемент 2 расположены со всех (N) сторон (фиг.2 или 3) или (N-1) сторон (фиг.1) емкости 1.
Емкость может иметь в горизонтальном сечении прямоугольную (фиг.1) или квадратную форму (фиг.2). На боковых стенках 4 емкости 1, где установлены термоэлектрические элементы 2 батареи, последние содержатся в количестве не менее двух и расположены в ряд по высоте и/или ширине (фиг.4).
Для температурной обработки жидких продуктов емкость 1 имеет при расположении термоэлектрических элементов 2 с (N-1) ее боковых сторон днище 5 с наклоном в боковую сторону, свободную от термоэлектрических элементов 2 (фиг.1). Сливное отверстие 6 расположено в днище 5 у стенки 4 свободной от термоэлектрических элементов 2. При расположении термоэлектрических элементов 2 со всех боковых сторон (N) днище 5 емкости 1 выполнено конической формы со сливным отверстием 6 посередине.
Заявляемая многоугольная форма выполнения емкости 1 и оптимальное количество термоэлементов 2 батареи, расположенных вокруг емкости 1 позволяют более равномерно охлаждать, замораживать и/или нагревать жидкие или твердые продукты.
Заявляемый термоэлектрический модуль может быть смонтирован в виде холодильной камеры для хранения продуктов, или кулера для нагрева и охлаждения воды, или в виде аппарата для очистки воды замораживанием.
Описание и работа термоэлектрического модуля более подробно приведены на примере аппарата для очистки воды замораживанием.
Аппарат (фиг.5) включает корпус 7, в котором размещены рабочая емкость 8 с крышкой 9 и коническим днищем 10 с отверстием 11 для слива воды, термоэлектрическую батарею 12 для замораживания воды и таяния льда, емкость 13 для приема талой очищенной воды и емкость 14 для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия. Трубопроводы 15 и 16 содержат средство 17 для управления сливом воды и подсоединены к отверстию 11 конического днища 10 рабочей емкости 8. Сливные патрубки 18 и 19 трубопроводов 15 и 16 установлены соответственно над емкостью 13 для приема очищенной талой воды и емкостью 14 для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия. Термоэлектрическая батарея 12 содержит восемь термоэлектрических элементов 20, расположенных снаружи на каждой боковой поверхности рабочей емкости 8 для замораживания воды и таяния льда, имеющей в горизонтальном сечении квадратную форму (фиг.2). Средство 17 для управления сливом воды в трубопроводах 15 и 16 содержит установленные попарно в последних четыре клапана 21, 22, 23 и 24, а указанные трубопроводы 15 и 16 для слива воды дополнительно соединены между собой трубопроводом 25 с фильтром 26 тонкой очистки воды. Места соединения трубопровода 25 с трубопроводами 15 и 16 для слива воды расположены соответственно между клапанами 21, 22 и 23, 24 средства 17 для управления сливом воды в указанных трубопроводах. Кроме того, аппарат имеет электронный блок 27 управления, включающий блок 28 управления термоэлектрической батареей 12, соединенной с его элементами 20, блок 29 управления клапанами 21-24, соединенный с последними, программный автомат 30 и блок 31 измерения температуры с датчиком 32 температуры, установленным на стенке емкости 2 для замораживания воды и таяния льда. Программный автомат 30 подключен к блоку 29 управления клапанами, блоку 31 измерения температуры и блоку 28 управления термоэлектрической батареей 12. В варианте выполнения аппарата для бытовых нужд емкости 8, 13 и 14 имеют объем 2 литра.
Аппарат работает следующим образом.
1. Устройство включают в электрическую сеть.
2. Открывают крышку 9 и в рабочую емкость 8 заливают 1,5-2 литра воды (питьевая, водопроводная по ГОСТу). Крышку 9 закрывают.
3. На пульте управления (на чертеже не показан) включают кнопку «Сеть», соединенную с электронным блоком 27 управления. Загорается индикация сети.
4. Нажимают кнопку «Начать процесс».
Программный автомат 30 в электронном блоке управления 27 выполняет следующий алгоритм работы устройства:
5. Блок управления клапанами 29 открывает клапаны 21 и 24 (клапаны 22, 23 закрыты). Происходит промыв фильтра 26 и трубопроводов 15, 16 и 25 водой в объеме до 50 мл из рабочей емкости 8 и слив грязной воды в емкость 14.
6. Клапаны 21 и 24 закрываются.
7. Блок 28 управления термоэлектрической батареей 12 включает термоэлектрические элементы 20 в режим охлаждения. Электронный блок управления 27 включает блок 31 измерения температуры.
8. В емкости 8 происходит охлаждение воды до температуры кристаллизации 0°С, далее процесс кристаллизации - образование льда и охлаждение полученного льда до минус 4-5°С в течение 4-5 часов.
Процесс льдообразования происходит в направлении от стенок рабочей емкости 8, охлаждаемых термоэлектрическими элементами 20 к центру. Отвод тепла от термоэлектрических элементов 20 обеспечивается с помощью радиаторов 3.
Растворенные в воде примеси (соли металлов, органические загрязнения и т.д.) в процессе образования льда вытесняются в объем, расположенный по центру рабочей емкости 8, тем самым происходит образование «рассола» - вода с повышенным содержанием солей и различных загрязнителей. В соответствии с общеизвестными данными температура замерзания данного «рассола» составляет минус 6-7°С.
9. Блок 29 управления клапанами открывает клапаны 23, 24 (клапаны 21, 22 закрыты). Происходит слив «рассола» из рабочей емкости 8 по трубопроводу 16 в емкость 14 в течение 2-5 минут. Клапаны 23, 24 закрываются.
10. Блок 28 управления термоэлектрической батареей 12 включает термоэлектрические элементы 20 в режим нагрева. Происходит повышение температуры льда в рабочей емкости 8 до температуры 0°С, при которой наступает плавление льда и последующий нагрев полученной очищенной талой воды до температуры +2°С в течение времени 2-3 часа.
11. Блок 28 управления термоэлектрической батареей 12 включает термоэлектрические элементы 20 в режим термостата для поддержания заданной температуры очищенной талой воды в рабочей емкости 8 в диапазоне плюс 2-3°С. Находящаяся в составе талой воды тяжелая вода (D20) имеет температуру замерзания +3,8 градуса Цельсия, таким образом в процессе поддержания температуры талой воды в диапазоне +2+3 градуса Цельсия, происходит процесс кристаллизации тяжелой воды с образованием мелких кристаллов тяжелой воды.
12. После истечения времени 1-2 часа на электронном блоке 27 управления загорается надпись «Процесс окончен». После загорания надписи в течение 5 часов может быть реализован слив талой воды и выключение устройства.
13. Нажимают кнопку «Талая вода». Блок 29 управления клапанами открывает клапаны 22, 23 (клапаны 21, 24 закрыты), происходит слив талой воды по трубопроводам 15, 16 через фильтр 26 в емкость 13 в течение времени 3-5 минут.
Прохождение талой воды через фильтр 26 обеспечивает осаждение на нем мельчайших кристаллов тяжелой воды (D20). Блок 29 управления клапанами закрывает клапаны 22, 23. Блок 28 управления термоэлектрической батареей 12 выключает термоэлектрические элементы 14. Электронный блок 27 управления выключает блок 31 измерения температуры и выключается сам.
14. Если в течение 5 часов после загорания надписи «Процесс окончен» не произведен слив талой воды и отключения устройства, то программный автомат 30 подает сигнал на электронный блок 27 управления, который выдает команду блоку 29 управления клапанами. При этом открываются клапаны 23, 24 (клапаны 21, 23 закрыты). Происходит слив талой воды в емкость 14. Клапаны 23, 24 закрываются, отключается блок 29 управления клапанами, отключается блок 28 управления термоэлектрической батареей 12, отключается блок 31 измерения температуры, отключается программный автомат 30, отключается электронный блок 27 управления. Общее время протекания процесса получения талой воды 7-10 часов.
15.. Кнопку «Сеть» выключают.
Таким образом, заявляемый термоэлектрический модуль для нагрева и/или охлаждения-замораживания жидких или твердых продуктов по сравнению с известными аналогами и прототипом сокращает время термообработки жидких или твердых продуктов за счет их более равномерного нагрева или охлаждения в рабочей емкости и увеличения площади контакта термоэлектрических батарей с поверхностью термопроводящих боковых стенок указанной рабочей емкости.