Raport na temat transportowej chłodziarki termoelektrycznej

  • 28.11.2014
  • 4461
  • Źródło: RCIiTT ZUT w Szczecinie

Możliwości techniki chłodniczej w zakresie wytwarzania niskich temperatur i ich utrzymywania z wysoką dokładnością, rosną w bardzo szybkim tempie. Jest to w dużym stopniu skutkiem poszukiwania alternatywnych wobec tradycyjnego chłodzenia sprężarkowego, sposobów wytwarzania zimna. W chwili obecnej odkryto i przebadano kilkanaście metod chłodzenia, których systematyzacją i analizą zajmowali się różni twórcy. Najpełniejszy wykaz sposobów wytwarzania zimna, sporządzony przez jednego z autorów, przedstawiono w niniejszym raporcie.

 

Opis wynalazku

 

Chłodziarki sprężarkowe pozostają w chwili obecnej niekwestionowanym liderem, jeśli chodzi o zastosowanie w chłodnictwie. Zaspokajają one ponad 80% zapotrzebowania współczesnej ludzkości na zimno. Urządzenia termoelektryczne zajmują trzecią pozycję pod względem wytwarzanego zimna, po urządzeniach sprężarkowych i absorpcyjnych oraz drugą pozycję pod względem liczebności urządzeń chłodniczych. Należy jednak zwrócić uwagę, że głównym celem twórców przenośnych chłodziarek jest uzyskanie sprzedaży na rynku masowym. Powoduje to dążenie do obniżenia ceny detalicznej urządzeń, nierzadko kosztem ich jakości. W efekcie powstają wyroby, które dyskredytują sam sposób termoelektrycznej produkcji zimna. Przykłady takich produktów o niskiej jakości stanowią m.in.:

- chłodziarki przenośne, w których rolę izolacji zimnochronnej odgrywa warstwa powietrza między ścianką zewnętrzną, a ścianką wewnętrzną komory;

- chłodziarki ze zbyt cienką izolacją, zapewniające wytwarzanie różnicy temperatur nie większej, niż 17 st. C., która nie gwarantuje zachowania jakości produktów podczas ich długotrwałego przechowywania (szczególnie przy wysokich temperaturach zewnętrznych).

 

Efektywność energetyczna chłodziarek termoelektrycznych jest niższa w stosunku do ich odpowiedników sprężarkowych. Teoretycznie, największą efektywność uzyska się przez realizację w urządzeniu chłodniczym obiegu Carnota, a jej wartość zależy jedynie od temperatur źródeł ciepła. Jednakże, efektywność rzeczywistych urządzeń chłodniczych, zależy również od temperatury. Urządzenia termoelektryczne są bardziej wrażliwe na wzrost różnicy temperatur. Dlatego praktycznie nie stosuje się ich w kategorii urządzeń chłodniczych zwanych zamrażarkami, natomiast są one bardziej konkurencyjne w zakresie mniejszych różnic temperatur, stosowanych w chłodziarkach do napojów, klimatyzatorach, a także w urządzeniach wymagających częstych i szybkich zmian trybu pracy (z chłodzenia na grzanie i odwrotnie), np. w wytwornicach lodu. Przemieszczenie zakresu roboczych temperatur w kierunku wyższych temperatur powoduje wzrost efektywności urządzeń termoelektrycznych.

 

Należy zwrócić uwagę, że półprzewodnikowe chłodziarki termoelektryczne, których działanie jest oparte na zjawisku Peltiera:

- są zasilane z sieci prądu stałego;

- nie posiadają czynników chłodniczych;

- są niezawodne;

- są niewrażliwe na wstrząsy, wibracje i przechyły;

- nie emitują hałasu;

- posiadają zwartą budowę;

a poza tym są tańsze od dominujących na rynku chłodziarek sprężarkowych.

 

Mimo swoich licznych zalet, półprzewodnikowe chłodziarki termoelektryczne jak dotąd nie mogły na równi konkurować z odpowiednikami sprężarkowymi ze względu na niską efektywność energetyczną. Dlatego też, systematyczne podnoszenie efektywności energetycznej chłodziarek termoelektrycznych jest i będzie aktualnym zagadnieniem w dziedzinie chłodnictwa i klimatyzacji.

 

Jedną z możliwości wspomnianego wyżej podniesienia jakości, stanowi odpowiedni wybór sposobu regulacji temperatury w chłodziarkach. W tym celu, Katedra Klimatyzacji i Transportu Chłodniczego Wydziału Techniki Morskiej i Transportu Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technicznego w Szczecinie prowadzi od 15 lat badania obliczeniowe i eksperymentalne związane z omawianym kierunkiem.

 

W wyniku tych badań powstały nowe, energooszczędne modele domowych i handlowych chłodziarek i witryn termoelektrycznych. Na potrzeby badań oraz zalecany do szerokiego zastosowania w półprzewodnikowych chłodziarkach termoelektrycznych wybrano sposób dwupoziomowej regulacji temperatury. Łączy on w sobie prostotę realizacji charakterystyczną dla regulacji typu ON-OFF, z wysoką efektywnością właściwą dla regulacji proporcjonalnej. Wskazany sposób regulacji realizowany jest za pomocą określonych elektrycznych schematów zasilania. Czyni to półprzewodnikowe chłodziarki termoelektryczne konkurencyjnymi wobec ich sprężarkowych odpowiedników. Ponadto, do tej pory ww. podejścia nie dało się zastosować jedynie w przypadku chłodziarek transportowych, ze względu na brak zasilania z transformatora w schemacie działania urządzeń.

 

W ramach projektu "Inkubator innowacyjności" na bazie obudowy domowej chłodziarki termoelektrycznej  "Ravanson" LK-48 zostały zbudowane dwa prototypy nowej transportowej chłodziarki termoelektrycznej o wstępnym oznaczeniu ChTT-48. Przeprowadzono badania laboratoryjne pracy tych prototypów w różnych temperaturach oraz badania porównawcze w odniesieniu do modelu bazowego. Mimo, że w modelu LK-48 zastosowano najbardziej efektywną proporcjonalną regulację temperatury, badania wykazały wyższość nowego modelu: zarówno pod względem bezpośrednio mierzonej wartości poboru mocy, jak i pod względem uniwersalnego wskaźnika jednostkowego poboru mocy, który uwzględnia wytwarzaną różnicę temperatur oraz pojemność komory.

Innowacyjność nowego rozwiązania transportowej półprzewodnikowej chłodziarki termoelektrycznej polega na tym, iż udało się rozwiązać powyżej opisany problem. Wykorzystując określony schemat połączenia elementów agregatu chłodniczego urządzenia oraz określoną kolejność przełączeń, możliwe jest zrealizowanie dwupoziomowej regulacji temperatury. Dotyczy to również chłodziarek zasilanych bezpośrednio od pokładowej sieci prądu stałego 12 V DC.

 

Wyniki dotyczą energooszczędnego trybu pracy, w którym średni pobór mocy (od sieci 12 V DC, w temperaturze otoczenia 22 st. C) chłodziarki ChTT-48 wyniósł 16,0 W, natomiast odpowiedni wskaźnik chłodziarki LK-48 (w przeliczeniu na prąd stały) wyniósł 19,1 W. Jeżeli chodzi o konkurencyjność wobec obecnych na rynku transportowych chłodziarek sprężarkowych o podobnej pojemności komory, dobowe zużycie energii przez ChTT-48 jest porównywalne, przy czym opracowany model w produkcji seryjnej  powinien być przynajmniej o 20% tańszy.

 

Główne zalety chłodzenia termoelektrycznego w odniesieniu do chłodziarek sprężarkowych i absorpcyjnych:

- brak płynu roboczego (czynnika chłodniczego) i oleju smarnego, których efektem jest produkt przyjazny dla środowiska;

- brak podzespołów pracujących pod ciśnieniem (przy podciśnieniu);

- brak ruchomych części (z wyjątkiem przypadku zastosowania konwekcji wymuszonej poprzez wentylator bądź pompę wodną) i powiązana z tym większa niezawodność pracy;

- mniejsza masa i rozmiary przy tej samej wydajności chłodniczej;

- możliwość zasilania prądem stałym i przemiennym (za pośrednictwem prostownika);

- możliwość pracy rewersyjnej, czyli szybkiego i łatwego przejścia z trybu chłodzenia w tryb ogrzewania i odwrotnie (poprzez zmianę zwrotu prądu zasilającego);

- wysoka dokładność utrzymywania i regulowania temperatury;

- płynna regulacja wydajności chłodniczej;

- brak bezwładności (proces chłodzenia rozpoczyna się niezwłocznie po włączeniu zasilania);

- niska wrażliwość na wstrząsy i drgania, możliwość pracy bez zmiany parametrów przy dowolnej orientacji w przestrzeni, jak również w próżni i pod wysokim ciśnieniem;

- brak obsługi podczas pracy;

- większość chłodziarek termoelektrycznych wytrzymuje przeciążenia prądowe i napięciowe: krótkotrwale (impuls do 5 s) 2 do 3 Ir, a w dłuższym czasie do 1,6 Ir;

- konstrukcyjna prostota i elastyczność, w tym możliwość dopasowania kształtu agregatu termoelektrycznego do formy chłodzonego obiektu;

- cicha praca: w konstrukcjach z wymuszonym nadmuchem powietrza za pomocą wentylatora obniżenie poziomu hałasu uzyskuje się poprzez zmniejszenie napięcia zasilania wentylatorów;

- możliwość miniaturyzacji (rozmiary modułów poniżej 1mm) i zabudowy chłodziarki bezpośrednio w podzespołach aparatury radioelektronicznej;

- wysoka podatność remontowa większości urządzeń termoelektrycznych.

 

Ochrona patentowa

 

S.Filin, B Jasińska, B.Zakrzewski, M.Chmielowski.: Sposób redukcji zużycia energii przez chłodziarkę termoelektryczną i chłodziarka termoelektryczna. Zgłoszenie patentowe nr P.408768 z dnia 07.07.2014 r.

 

Korzyści zastosowania wynalazku oraz potencjalni odbiorcy:

 

Produktem na sprzedaż jest dokumentacja techniczna na agregat termoelektryczny ChTT i układ jego zasilania. Preferowaną formę stanowi sprzedaż licencji.

 

Korzyścią dla producentów środków transportu, chłodziarek lub witryn jest rozszerzenie asortymentu własnej produkcji oraz zaspokojenie potrzeb bardziej wymagających klientów.

Energooszczędne rozwiązania chłodziarek i agregatów termoelektrycznych czynią je konkurencyjnymi wobec odpowiedników sprężarkowych, które będą stopniowo wypierane z rynku.

Urządzenia termoelektryczne nie posiadają czynników chłodniczych, więc są przyjazne dla środowiska, charakteryzują się mała masą, niezawodnością, cichą pracą, niewrażliwością na wstrząsy i wibracje. Mają możliwość pracy rewersyjnej, czyli łatwego i szybkiego przestawienia z trybu chłodzenia w tryb grzania i odwrotnie.

 

Korzyści dla użytkowników chłodziarek, to przede wszystkim mniejsze zużycie energii: w porównaniu do chłodziarek termoelektrycznych z regulacją typu ON-OFF (ponad 3-krotne), jak również w porównaniu do chłodziarek sprężarkowych i termoelektrycznych z proporcjonalną regulacją (średnio o 10-15%).

 

Dodatkową korzyścią jest możliwości zasilania urządzenia ze źródeł energii odnawialnej (słonecznej, wiatrowej, wodnej).

 

Miejsca zastosowania chłodziarki ChTT to: samochody, domki-przyczepy, jachty i inne jednostki pływające, wagony-kolejowe, autosklepy, mobilne kawiarnie, działki i tereny, gdzie brak jest sieci elektrycznej. Potencjalnym odbiorcą rozwiązania są zakłady produkcyjne, w tym:

- zakłady produkujące urządzenia chłodnicze o szerokim przeznaczeniu, przeważnie do środków transportu, ale również do użytku domowego, biur, hoteli, barów, kawiarni, sklepów, restauracji itp. Do takich polskich zakładów należą m.in.: Amica (Wronki), Ravanson (Płońsk), Polar (Wrocław), Byfuch Product (Bydgoszcz), Juka (Niepołomice), Cold, Cebea (Bochnia), Argos (Bytów), Igloo (Piekary Śląskie),  Cold Technika (Żagań),  Azon (Bielsko-Biała), Dora Metal (Czarnków);

- zakłady produkujące środki transportu i wyposażające je w chłodziarki zabudowane, m.in. producenci wagonów kolejowych (PESA, Bydgoszcz), producenci autosklepów (GPM Pojazdy Handlowe i Usługowe - Lipiany, BCC Polska - Nowe Miasteczko); producenci jachtów - stocznie jachtowe (ponad 20 w całym kraju);

- firmy serwisowo-usługowe, działające w zakresie obsługi i napraw termoelektrycznych urządzeń chłodniczych, m.in.: Serwis Polska, IgloHurt (Poznań), Zakład Urządzeń Grzewczych (Środa Wielkopolska).

 

Rozważając zakup licencji, należy wziąć pod uwagę, iż na rynku obserwuje się stały trend wzrostu procentowego udziału termoelektrycznych urządzeń chłodniczych. Ze względu na niższą sprawność nie zastąpią one całkowicie urządzeń sprężarkowych, ale wszystko wskazuje na to, że zakres ich zastosowań w przyszłości będzie rozszerzony, co oznacza podwojenie, a nawet potrojenie udziału procentowego chłodziarek termoelektrycznych na rynku urządzeń chłodniczych.

 

 

Projekt współfinansowany z programu "Inkubator Innowacyjności" realizowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach projektu systemowego "Wsparcie systemu zarządzania badaniami naukowymi oraz ich wynikami", Priorytet I, Działanie 1.1., Poddziałanie 1.1.3. Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, 2007-2013.

 

Twórcy technologii:

Prof. dr hab. inż. Sergiy Filin: filin@zut.edu.pl

Mgr inż. Barbara Jasińska: barbara.jasinska@zut.edu.pl

Dr inż. Michał Chmielowski: michal.chmielowski@zut.edu.pl

 

W raporcie wykorzystano informacje zawarte w publikacji: Filin S., Owsicki A.: Zasady projektowania i eksploatacji chłodziarek termoelektrycznych. ZAPOL, Szczecin, 2010.

Wcześniejsze artykuły


Newsletter - nowości wprost na e-mail
)