PL B1. ZACHODNIOPOMORSKI UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNY W SZCZECINIE, Szczecin, PL BUP 18/07

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. F25B 21/02 ( ) B60P 3/20 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Termoelektryczne urządzenie chłodnicze zwłaszcza dla samochodów-chłodni (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 18/07 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 08/11 (73) Uprawniony z patentu: ZACHODNIOPOMORSKI UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNY W SZCZECINIE, Szczecin, PL (72) Twórca(y) wynalazku: SERGIY FILIN, Szczecin, PL BOGUSŁAW ZAKRZEWSKI, Szczecin, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Renata Zawadzka PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest urządzenie chłodnicze, zwłaszcza dla samochodów-chłodni, stosowane głównie do przewozów ładunków chłodzonych w temperaturze od 0 do + 15 C na stosunkowo krótkie odległości, w tym w dystrybucji miejskiej. Akumulatory zimna z wykorzystaniem zamarzających w niskich temperaturach płynów są szeroko stosowane w technice chłodniczej do pokrycia szczytowych obciążeń cieplnych oraz oszczędzania zużycia energii elektrycznej przez urządzenie chłodnicze (Recknagel H. Sprenger E. Hönmann W., Schramek E.R. Ogrzewanie i klimatyzacja, Poradnik, Gdańsk, 1994, str. 1814). Znane są małe samochody-chłodnie dostawcze z izolowaną cieplnie komorą i termoelektrycznym agregatem chłodniczym (S.Filin, Jutrzejszy dzień termoelektryczności, Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna, nr 11, 2004, oraz Холодильный бизнес, nr , str ). Ich niedostatkiem jest mała wydajność chłodnicza, która zwykle jest ograniczona możliwościami źródła zasilania elektrycznego (alternator), co z kolei wiąże się z brakiem miejsca na zainstalowanie w samochodzie alternatora o większej mocy. Znane są samochody-lodownie z chłodzeniem komory za pomocą płyt eutektycznych, wypełnionych płynem o niskiej temperaturze zamarzania (S. Kwaśniowski, J. Grajnert, Dynamika wymiany ciepła w nadwoziu samochodu lodowni, Chłodnictwo nr 7, 1998, str ). Płyty zamraża się w nocy poprzez podłączenie systemu chłodzenia do zewnętrznego agregatu chłodniczego. Ich niedostatkiem jest konieczność stosowania zewnętrznego agregatu i straty czynnika do atmosfery podczas podłączeń i odłączeń. W znanych termoelektrycznych agregatach chłodniczych z akumulatorem typu lód-woda [1]- Sergiy Filin, Termoelektryczne urządzenia chłodnicze, Masta, Gdańsk, 2002, rys. 9.11c i 9.15) akumulację wykorzystuje się w celu stabilizacji temperatury gorących spoin modułów. Niska efektywność pracy tych akumulatorów zarówno w trybie ładowania, jak i w trybie rozładowania wiąże się z koniecznością pokonania oporów cieplnych, stawianych przez grubą warstwę lodu, gdyż namrażanie warstwy odbywa się z jednej strony akumulatora, zaś topnienie lodu - z innej strony. Biorąc pod uwagę brak zapasu wydajności chłodniczej u większości termoelektrycznych agregatów, akumulacja zimna po zimnej stronie agregatu zwykle nie jest stosowana. Najbardziej zbliżonym do zgłaszanego wynalazku rozwiązaniem technicznym jest samochodowa chłodziarka termoelektryczna Gio Style" ([1], str rys ). Zawiera ona izolowaną cieplnie komorę chłodniczą, umieszczony w jej pokrywie termoelektryczny agregat, zasilany od sieci elektrycznej pojazdu, oraz tzw, wkłady, tzn. wkładane do komory zasobniki zimna w postaci płaskich pojemników, wypełnionych płynem, zamarzającym przy niskiej temperaturze. Chłodzenie wnętrza komory może odbywać się za pomocą tylko agregatu, za pomocą tylko wkładów lub wspólnie. Wkłady przed użyciem muszą być zamrożone w zamrażarce domowej lub za pomocą innego urządzenia zamrażalniczego. Konieczność korzystania z zewnętrznego źródła zimna dla zamrażania wkładów jest głównym niedostatkiem tego rozwiązania. Termoelektryczne urządzenie chłodnicze według wynalazku zawierające izolowaną cieplnie komorę chłodniczą, instalowany w jej ścianie agregat z wymiennikiem ciepła i wentylatorem po stronie zimnej, charakteryzuje się tym, że ma akumulator zimna usytuowany w płaszczyźnie wzdłużnej wymiennika strony zimnej. Akumulator zimna jest połączony z wymiennikiem w płaszczyźnie czołowej i osadzony jest na wspólnej osi, co umożliwia jego obrót o 180 i styk powierzchniowy akumulatora zimna z wymiennikiem w fazie ładowania. Akumulator zimna i wymiennik mają postać ożebrowanej płyty (radiatora). W fazie ładowania akumulator zimna usytuowany w płaszczyźnie wzdłużnej wymiennika strony zimnej, przestawia się o 180 tak, że wydrążone żebra akumulatora wchodzą do kanałów między żebrami wymiennika. Korzystnie żebra wymiennika i akumulatora mają kształt trapezów, przy czym przestrzenny kształt żeber akumulatora odwzorowuje kształt kanałów wymiennika. Żebra akumulatora zimna są wydrążone i wypełnione płynem o temperaturze zamarzania od 0 C do -20 C. Aby zapewnić jak najdłuższą pracę akumulatora żebra akumulatora są od 5 do 10 razy grubsze od żeber wymiennika. Akumulator zimna wyposażony jest w uchwyt przy pomocy którego akumulator przestawia się o 180 z pozycji, w której jest usytuowany w płaszczyźnie wzdłużnej wymiennika strony zimnej (faza rozładowania) do pozycji, w której wydrążone żebra akumulatora wchodzą do kanałów między żebrami wymiennika (faza załadowania). Akumulator zimna w fazie rozładowania przymocowany jest

3 PL B1 3 do ściany komory chłodniczej rozłącznie, korzystnie za pomocą elementów mocujących, korzystnie zatrzasków mechanicznych lub zamków magnetycznych. Zaletą proponowanego wynalazku jest uniezależnienie ładowania akumulatora od zewnętrznego źródła zimna, co pozwala ładować akumulator nie tylko w nocy, ale w dowolnym czasie, w tym podczas ruchu pojazdu. Urządzenie według wynalazku ma dwa razy większą powierzchnię wymiany ciepła, a sumaryczna wydajność chłodnicza zespołu wymiennik-akumulator jest około 2 razy większa w porównaniu z wydajnością agregatu bez akumulatora. Wynalazek jest bliżej objaśniony w przykładach realizacji i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia we wzdłużnym przekroju pionowym fragment sufitu komory samochodu-chłodni z agregatem termoelektrycznym, z pokazaniem dwóch roboczych położeń akumulatora zimna i kierunków przepływu powietrza, natomiast fig. 2 przedstawia przekrój agregatu w płaszczyźnie A-A w położeniu Ł - ładowanie akumulatora". P r z y k ł a d I Termoelektryczne urządzenie chłodnicze zawiera komorę 1 izolowaną warstwą izolacji zimnochronnej 2. W jej suficie zamontowano na stałe agregat termoelektryczny, składający się z modułów 3. elementów przejściowych 4, wymiennika ciepła strony gorącej w postaci ożebrowanej płyty - radiatora 5 z pokrywą 6, i wentylatorem 7, radiatora 8 strony zimnej bez pokrywy z wentylatorem 9. Żebra 10 radiatora 8 mają kształt trapezów. Akumulator zimna 11 wykonano jako ożebrowaną płytę z wydrążonymi żebrami 12. Hermetycznie zamknięte wewnętrzne przestrzeni żeber wypełnia woda 13. Woda wypełnia około 92% każdej przestrzeni, aby umożliwić rozszerzenie wody podczas jej krzepnięcia bez wzrostu ciśnienia. Od strony podstawy akumulator jest izolowany cieplnie warstwą izolacji 14. Przestrzenny kształt żeber akumulatora 11 odwzorowuje kształt kanałów radiatora 8. Dzięki możliwości obrotu wokół osi wału 15 akumulator 11 może znajdować się w dwóch położeniach roboczych: Ł - ładowanie, oraz R - rozładowanie. Obudowa ochronna 16 wentylatora 9 zawiera otwory do przepływu powietrza oraz wyłącznik krańcowy 17. Dla wygody przestawienia akumulator jest wyposażony w uchwyt 18. Mocowanie akumulatora w położeniu R odbywa się za pomocą uchwytów - zatrzasków mechanicznych 19. Praca urządzenia składa się z dwóch etapów. Faza załadowania. Ta faza przebiega w nocy podczas garażowania samochodu-chłodni. Agregat termoelektryczny jest zasilany z zewnętrznego źródła energii elektrycznej prądem o natężeniu wyższym, niż podczas chłodzenia komory. Dzieje się to w okresie niższej (nocnej) taryfy, przy czym ładowanie akumulatora w nocy jest typowe dla urządzeń chłodniczych z akumulacją zimna. Przed rozpoczęciem załadowania akumulator 11 przestawia się z położenia R w położenie Ł, jak jest to pokazane na rys. 1. Wydrążone żebra 12 akumulatora wchodzą na wcisk do przestrzeni między żebrami 10 radiatora 8 (rys. 2), a uchwyt 18 oddziałuje na wyłącznik 17, odłączając w ten sposób zasilanie wentylatora 9. Ładowanie polega na zamrożeniu płynu 13 dzięki stałemu odprowadzeniu ciepła od niego przez moduły 3 agregatu. Temperatura radiatora 8 w trybie ładowania akumulatora wynosi C. Przyśpieszeniu procesu zamrażania sprzyja dobry kontakt żeber 10 radiatora 5 ze ściankami akumulatora 12 oraz warstwa izolacji 14, która ogranicza wymianę ciepła z komorą 1. Zakłada się, iż komora w nocy jest pusta (brak ładunku). Natomiast nawet przy jego obecności wydajność agregatu w nocnym trybie pracy jest wystarczająco duża, aby zapewnić jednoczesne ładowanie akumulatora oraz utrzymanie w komorze odpowiednio niskiej temperatury (w zakresie C). W zależności od pojemności akumulatora, temperatury krzepnięcia płynu oraz wydajności agregatu czas załadowania wynosi od 6 do 12 godzin. Faza rozładowania. Przed wyjazdem samochodu z garażu przełącza się zasilanie agregatu ze źródła zewnętrznego na źródło pokładowe (od silnika, alternatora lub akumulatora). Jest to bardzo energooszczędny tryb zasilania z mniejszym prądem, któremu odpowiada wyższa temperatura radiatora 8, a mianowicie C. Tuż przed załadowaniem ładunku do komory ręcznie przestawia się akumulator z położenia Ł w położenie R, obracając go o 180 za uchwyt 18. Przy tym zaczyna działać wentylator 9, zapewniając przepływ powietrza najpierw przez radiator 8, później - przez akumulator 11, który w położeniu R faktycznie stanowi przedłużenie radiatora 8. W tej fazie pracy urządzenia ładunek jest chłodzony jednocześnie przez dwa źródła zimna: agregat chłodniczy oraz akumulator. Rozłożony w ten sposób zespół radiator-akumulator ma dwa razy większą powierzchnię wymiany ciepła, a sumaryczna wydajność chłodnicza zespołu jest około 2 razy większa w porównaniu z wydajnością agregatu. Temperatury powierzchni obu wymienników (radiatora i akumulatora) są zbliżone do

4 4 PL B1 siebie i wynoszą lekko powyżej 0 C, więc nie zachodzi na nich proces szronienia. Oznacza to, iż agregat pracuje bez cykli odszraniania. Póki nie stopnieje cała objętość płynu w akumulatorze, temperatura jego powierzchni będzie utrzymywana na stałym poziomie. Aby zapewnić jak najdłuższą pracę akumulatora (maksymalnie do godzin) objętość akumulatora jest dobrana tak, że żebra 12 akumulatora 11 są od 5 do 10 grubsze od żeber 10 radiatora 8. W przypadku obecności wilgoci na powierzchniach akumulatora i radiatora w momencie przestawienia urządzenia w położenie ładowania później w trakcie ładowania nastąpi przymarzanie do siebie dwóch powierzchni, co w efekcie może uniemożliwić ręczne oderwanie akumulatora od powierzchni radiatora. Wtedy należy na krótko ( sekund) przełączyć agregat w tryb podgrzania poprzez zmianę kierunku przepływu prądu stałego przez moduły [1]. Po nagrzaniu powierzchni radiatora do +2 C łatwo jest oddzielić akumulator od radiatora. P r z y k ł a d II Urządzenie opisane w przykładzie I może być wykorzystane do utrzymywania ujemnej temperatury w komorze samochodu (np. klasa FRA według umowy ATP). Wtedy w charakterze płynu roboczego zamiast wody należy użyć płynu o odpowiednio niższej temperaturze zamarzania (glikol, solanka), a agregat zasilać większym prądem, aby wyrównać temperatury powierzchni radiatora 8 i akumulatora 11 i utrzymywać je na poziomie C. Przed przestawieniem urządzenia w tryb ładowania akumulatora 11 należy przełączyć agregat w tryb odszraniania (podgrzania) i utrzymywać go w tym trybie aż do całkowitego usunięcia szronu nie tylko z powierzchni radiatora 8, ale również z powierzchni akumulatora 11. Odszranianie akumulatora odbywa się ciepłym powietrzem nagrzanym od radiatora 8. Zastrzeżenia patentowe 1. Termoelektryczne urządzenie chłodnicze zwłaszcza dla samochodów-chłodni, zawierające izolowaną cieplnie komorę chłodniczą, instalowany w jej ścianie agregat z wymiennikiem ciepła i wentylatorem po stronie zimnej, znamienne tym, że ma akumulator zimna (11) usytuowany w płaszczyźnie wzdłużnej wymiennika (8) strony zimnej, przy czym akumulator zimna (11) jest połączony z wymiennikiem (8) w płaszczyźnie czołowej i osadzony na wspólnej osi (15), co umożliwia jego obrót o 180 i styk powierzchniowy akumulatora zimna (11) z wymiennikiem (8) w fazie ładowania. 2. Termoelektryczne urządzenie chłodnicze według zastrz. 1, znamienne tym, że akumulator zimna (11) i wymiennik (8) mają postać ożebrowanej płyty (radiatora), przy czym wydrążone żebra (12) akumulatora (11) podczas fazy ładowania wchodzą do kanałów między żebrami (10) wymiennika (8). 3. Termoelektryczne urządzenie chłodnicze według zastrz. 2, znamienne tym, że żebra mają kształt trapezów. 4. Termoelektryczne urządzenie chłodnicze według zastrz. 2, znamienne tym, że żebra (12), akumulatora zimna (11) są wydrążone i wypełnione płynem o temperaturze zamarzania od 0 C do -20 C. 5. Termoelektryczne urządzenie chłodnicze według zastrz. 2, znamienne tym, że przestrzenny kształt żeber akumulatora (11) odwzorowuje kształt kanałów wymiennika (8). 6. Termoelektryczne urządzenie chłodnicze według zastrz. 2, znamienne tym, że żebra (12) akumulatora (11) są od 5 do 10 razy grubsze od żeber (10) wymiennika (8). 7. Termoelektryczne urządzenie chłodnicze według zastrz. 1, znamienne tym, że akumulator zimna (11) wyposażony jest w uchwyt (18). 8. Termoelektryczne urządzenie chłodnicze według zastrz. 1, znamienne tym, że akumulator zimna (11) w fazie rozładowania przymocowany jest do ściany komory chłodniczej rozłącznie, korzystnie za pomocą elementów mocujących (19), korzystnie zatrzasków mechanicznych lub zamków magnetycznych.

5 PL B1 5 Rysunki

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)