ТЕПЛОАККУМУЛЯТОР ДЛЯ ПРИВОДА Российский патент 1996 года по МПК F02N17/04 F02N17/06 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к приводам и может быть использовано при эксплуатации транспортных средств, мобильных строительных и землеройных машин в условиях низких температур окружающего воздуха.

Для преодоления трудностей, связанных с запуском двигателей внутреннего сгорания в условиях низких температур окружающего воздуха двигатель, топливо, смазочные масла должны быть предварительно прогреты. Такой прогрев связан со значительными расходами энергии, дефицит которой особенно в условиях автономного функционирования транспортных средств и машин в отдаленных районах Крайнего Севера очевиден. В то же время, работающий двигатель выбрасывает в атмосферу с отработавшими газами, температура которых достигает нескольких сот градусов, значительное количество энергии.

Устройства, позволяющие аккумулировать эту тепловую энергию с целью ее дальнейшего использования для облегчения запуска двигателя и для других целей известны.

Таково, например, техническое решение по заявке Великобритании 2125156, кл. F 24 H 7/00, которое предусматривает аккумулирование тепловой энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания путем нагрева в теплоаккумуляторе материала, имеющего фазовый переход в зоне рабочих температур и использование этого тепла для нагревания жидкости в системе охлаждения для подогрева двигателя перед его запуском.

Однако при реализации такого решения возникает опасность, связанная с тем, что одновременное присутствие в теплоаккумуляторе двух теплоносителей - нагревающего в виде отработавших газов двигателя, имеющих высокую температуру и нагреваемого в виде жидкости, циркулирующей в системе охлаждения (антифриз, вода), температура которой в любом случае не должна превосходить 100-110^oС, может привести к недопустимому перегреву этой жидкости. Кроме того, в нормальном рабочем режиме двигателя нет нужды подогревать дополнительно жидкость системы охлаждения, а целесообразно аккумулировать тепловую энергию выхлопных газов для дальнейшего использования при запуске двигателя и для других целей.

Известен также теплоаккумулятор по авторскому свидетельству 1776931, кл. F 24 H 7/00, заполненный теплоаккумулирующим материалом (ТАМ) с фазовым переходом в диапазоне рабочих температур. В теплоизолированном корпусе имеется два раздельных канала: первый для пропуска греющего теплоносителя, второй - для пропуска нагреваемого теплоносителя. Первый канал состоит из нескольких параллельных плоских проходов прямоугольного сечения, соединенных с источником тепловой энергии. Второй выполнен из труб с ребрами, через которые прокачивается нагреваемый теплоноситель.

В таком устройстве возможен перегрев нагреваемого теплоносителя выше предельно допустимой для воды или антифриза температуры, что может привести к аварии и разрушению теплоаккумулятора.

Наиболее близок по технической сущности к заявляемому теплоаккумулятор, входящий в состав устройства для прогрева привода транспортного средства по авторскому свидетельству N 1002654, кл. F 02 N 17/04 опубл. 1983 прототип, в котором тепловой аккумулятор выполнен в виде емкости, заполненной теплопоглощающим материалом, и в последнем расположены раздельные каналы для нагреваемого воздуха и для отработавших газов.

Здесь исключается опасность перегрева нагреваемого теплоносителя, т.к. этим теплоносителем является не жидкость, а воздух, который затем в соответствующих устройствах вне теплоаккмулятора используется для нагрева воды (водо-воздушный теплообменник) и масла (масляный теплообменник).

Введение таких дополнительных устройств существенно усложняет силовую установку и повышает ее стоимость и массу.

Задача изобретения создание теплоаккумулятора, который позволит повысить безопасность и надежность его функционирования без использования промежуточного теплоносителя, что существенно удешевит и упростит привод в целом. Эта задача решается тем, что в теплоаккумуляторе для привода, содержащего тепловой двигатель, выполненном в виде теплоизолированного корпуса, заполненного теплоаккумулирующим материалом, имеющим фазовый переход в диапазоне рабочих температур, в котором есть два раздельных канала: первый - с возможностью подключения к системе выпуска отработавших газов двигателя и второй с возможностью включения в контур циркуляции жидкости системы охлаждения привода, труба этого второго канала имеет уклон по всей длине от входного конца к выходному, под корпусом теплоаккумулятора установлены теплоизолированные от окружающей среды и от корпуса теплоаккумулятора пополнительный бачок и двухпозиционный трехходовой клапан, связанный с нижним концом второго канала, с пополнительным бачком и с контуром циркуляции жидкости системы охлаждения, причем емкость пополнительного бачка не меньше суммарной емкости труб второго канала. Устройство подключения первого канала может быть сблокировано с двухпозиционным трехходовым клапаном. Эта блокировка может быть выполнена кинематической или электрической.

Реализация патентуемого теплоаккумулятора позволят с минимальными затратами энергии при достаточно простом устройстве решить задачу запуска двигателя транспортных средств и мобильных землеройных и строительных машин, работающих в районах с низкими наружными температурами, зачастую в автономном режиме, вдали от стационарных баз.

При этом преимущество патентуемого теплоаккумулятора по сравнению с прототипом, определяются следующим:
перегрев охлаждающей жидкости (антифриза) исключается благодаря ее сливу в пополнительный бачок в режиме зарядки теплоаккумулятора и при простом и удобном возврате этой жидкости в контур системы охлаждения в режиме разрядки для предпускового нагрева, в отличие от прототипа, где исключение перегрева жидкости достигается введением промежуточной рабочей среды воздуха и устройством достаточно сложного и имеющего значительную массу промежуточного контура циркуляции воздуха, а также водо-воздушного и масляного теплообменников;
наличие постоянного уклона труб второго канала исключает застой жидкости: она полностью стекает самотеком;
тепловая изоляция пополнительного бачка от окружающей среды позволяет сохранить жидкость достаточно теплой, что призвано облегчить ее дальнейшее введение в контур циркуляции при запуске и сберечь часть энергии, а тепловая изоляция пополнительного бачка от корпуса теплоаккумулятора исключает перегрев жидкости в самом пополнительном бачке;
выполнение объема пополнительного бачка не меньшим, чем суммарный объем второго канала гарантирует полное его опустошение при сливе жидкости для зарядка теплоаккумулятора;
наличие кинематической или электрической блокировки между клапаном, открывающим доступ в пополнительный бачок жидкости из второго канала теплоаккумулятора, и устройством, открывающим доступ выхлопных газам в первый канал при зарядке теплоаккумулятора, обеспечивает безопасность работы, исключая случаи, когда зарядка может осуществляться при заполненном жидкостью втором канале в результате небрежности персонала.

Фиг. 1 Общий вид теплоаккумулятора в продольном разрезе.

Фиг. 2. Сечение по А-А фиг.1.

Ниже следует описание предпочтительного варианта изобретения.

На фиг. 1 и 2 показан теплоаккумулятор, имеющий корпус 1, покрытый теплоизоляционным материалом 2. Полость корпуса 1 заполнена теплоаккумулирующим материалом (ТАМ) 3, например полиэтиленом. В корпусе 1 имеются каналы 4, проходящие по всей длине аккумулятора, для пропуска горячих выхлопных газов, служащих греющим теплоносителем. Эти каналы 4 имеют прямоугольное сечение, а их количество (2 и более) зависит от размером теплоаккумулятора. Между каналами 4, а также между стенками крайних каналов и стенками корпуса 1 аккумулятора проходят трубы 5 теплообменника для пропуска нагреваемого теплоносителя, каждая из которых выполнена в виде змеевика и имеет по всей своей длине уклон от верхнего входного коллектора 6 к выходному нижнему 7. Трубы 5 оснащены ребрами 8, которые увеличивают поверхность теплообмена. Нижний выходной коллектор соединен двухпозиционным трехходовым клапаном 9, от которого отходят две линии: одна линия 10 в контур системы охлаждения двигателя (не показан), другая линия 11 ведет к пополнительному бачку 12, размещенному под корпусом 1 теплоаккумулятора и имеющего общую с ним теплоизоляцию 2, в том числе и по поверхности, отделяющей днище теплоаккумулятора от поверхности бачка 12. От пополнительного бачка 12 отходит еще одна линия 13 в контур системы охлаждения двигателя. На входе теплообменника установлен клапан 14 с сапуном 15. Клапан 9 соединен блокирующей связью 16 с клапаном 17, который установлен на входном коллекторе 18, соединенным с выхлопной трубой 19 двигателя. Эта блокирующая связь 16 может быть выполнена механической (кинематической) или электрической. (Показана на Фиг. 1 схематически и может быть реализована любым известным образом). Емкость пополнительного бачка 12 должна быть не меньше суммарной емкости труб теплообменника 5.

Теплоаккумулятор работает следующим образом. Перед зарядкой открывают клапан 14, сообщая верхнюю точку теплообменника 5 с атмосферой через сапун 15 и клапан 9, который в своей первой позиции соединяет нижний конец теплообменника 5 с пополнительным бачком 12. Жидкость, находящаяся в змеевиках теплообменника, благодаря наличию уклона по всей длине змеевиков, самотеком сливается в бачок 12. При этом линия 13 разобщена с контуром циркуляции нагреваемого теплоносителя, т.е. с контуром системы жидкостного охлаждения двигателя. Блокирующая связь 16 не позволяет открыть клапан 17 для пуска выхлопных газов в каналы 4 теплоаккумулятора до тех пор, пока клапан 9 не установлен на соединение теплообменника 5 с пополнительным бачком 12. Тем самым предотвращается работа теплоаккумулятора в режиме зарядки при наличии жидкости в теплообменнике 5, что могло бы привести к недопустимому перегреву нагреваемого теплоносителя (антифриз, вода), который в этом режиме полностью удален из теплообменника 5 в пополнительный бачок 12. Слив жидкости в пополнительный бачок 12 необходим потому, что до включения насоса контура циркуляции жидкости системы охлаждения этот контур весь заполнен и не может принять дополнительный объем жидкости. Кроме того, теплоизолированный пополнительный бачок не дает находящемуся в нем объему теплоносителя значительно остыть, что позволить впоследствии, при запуске насоса системы охлаждения, иметь дополнительный источник тепла во всасывающей линии этого насоса. Через открытый клапан 17 горячие выхлопные газы устремляются в каналы 4 и отдают часть тепловой энергии ТАМу 3. Последний нагревается и при достижении температуры плавления переходит в жидкую фазу, отработавшие газы выбрасываются в атмосферу. В режиме разрядки теплоаккумулятора закрывают клапан 14, отсекая теплообменник 5 от сообщения с атмосферой, клапан 9 переключается во вторую позицию, соединяя коллектор 7 с линией 10, закрывается клапан 17, отсоединяя газовый коллектор 18 от трубы 19. При включении насоса контура циркуляции жидкости системы охлаждения, на вход этого насоса поступает жидкость из пополнительного бачка 12 и смешивается с общим потоком жидкости, который через входной коллектор 6 теплообменника 5 проходит по его трубам и забирает тепло от разогретого ТАМа 3 через стенки труб и pебpа 8. Тепловая энергия, накопленная в ТАМе теплоаккумулятора, повышает температуру жидкости системы охлаждения, в контур которой теперь включен теплообменник 5. Эта жидкость нагревает двигатель и облегчает его запуск при низких температурах.

Разумеется описанное устройство позволяет использовать аккумулированную тепловую энергию также для нагрева масла системы смазки силовой установки, нагрева аккумуляторных батарей, отопления кабины и других целей.

Изложенное позволяет решать задачу сбережения дефицитных энергоресурсов с высокой степенью надежности.

Использование: изобретение может быть использовано на транспортных средствах, мобильных землеройных и строительных машинах, работающих в автономном режиме в условиях низких наружных температур и позволяет упростить и удешевить систему утилизации вторичного тепла двигателя для его запуска. Сущность изобретения: теплоаккумулятор имеет теплоизолированный корпус 1, заполненный теплоаккумулирующим материалом, имеющим фазовый переход в диапазоне рабочих температур, например, полиэтиленом и имеет два раздельных канала: один 4 для пропуска отработавших газов двигателя при зарядке, другой - в виде труб 5 для прокачки жидкости системы охлаждения, имеющих уклон по всей длине от входного конца к выходному. Под корпусом 1 теплоаккумулятора установлены теплоизолированные от него и от окружающей среды пополнительный бачок 12 и двухпозиционный трехходовой клапан 9, последний связан с нижним (выходным) концом второго канала, с бачком 12 и с контуром циркуляции жидкости системы охлаждения и с системой блокировки. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Теплоаккумулятор для привода, содержащего тепловой двигатель, выполненный в виде теплоизолированного корпуса, заполненного теплоаккумулирующим материалом, имеющим фазовый переход в диапазоне рабочих температур, в котором имеются два раздельных канала: первый с возможностью подключения к системе выпуска отработавших газов двигателя, второй с возможностью включения в контур циркуляции жидкости системы охлаждения привода, отличающийся тем, что трубы второго канала имеют уклон по всей длине от входного конца к выходному, под корпусом теплоаккумулятора установлены теплоизолированные от окружающей среды и от корпуса теплоаккумулятора дополнительный бачок и двухпозиционный трехходовой клапан, связанный с нижним концом второго канала, с дополнительным бачком и с контуром циркуляции жидкости системы охлаждения привода, причем емкость дополнительного бачка не меньше суммарной емкости второго канала. 2. Теплоаккумулятор по п. 1, отличающийся тем, что устройство подключения первого канала к системе выпуска отработавших газов сблокировано с двухпозиционным трехходовым клапаном. 3. Теплоаккумулятор по п. 2, отличающийся тем, что блокировка является кинематической. 4. Теплоаккумулятор по п. 2, отличающийся тем, что блокировка является электрической.