ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР Российский патент 1998 года по МПК F24H7/00 

Изобретение относится к теплообменным аппаратам и может использоваться, в частности, для предпускового прогрева двигателей внутреннего сгорания в холодное время года, запасения тепла от энергетических и бытовых котлоагрегатов и пр.

Известны тепловые аккумуляторы, в частности для отопления автомобиля, питаемые отходящей теплотой двигателя: с гидроокисью бария-октагидрата в качестве аккумулирующей массы и материалом - бескислородной медью или ее сплавом и элементами группы никеля, хрома, фосфора, из которого изготовлены элементы, контактирующие с аккумулирующей средой. (DE, 4007002 AI, 15.08.91).

Наиболее близким заявляемому является устройство (DE, 4007002, A₁), содержащее внутренний корпус с теплоаккумулирующим элементом (наполнителем) - гидроокись бария, октагидрат, (температура плавления 78^oC), заключенными в отдельные капсулы из легированной бескислородной меди, компоновкой которых сформированы каналы для прохода охлаждающей двигатель жидкости, являющейся теплоносителем и при зарядке, и при разрядке аккумулятора. Причем внутренний корпус размещается внутри наружного корпуса с образованием между ними полости с пониженным давлением. Оболочки корпусов изготовлены из нержавеющей стали. Изготовленные из меди капсулы позволяют улучшить теплопередачу между теплоносителем и аккумулятором при зарядке и разрядке его.

Недостатками описанного устройства является ограниченная теплоемкость аккумулятора вследствие использования низкопотенциального тепла теплоносителя - охватывающей двигатель жидкости (температура охлаждающей жидкости не превышает 90^oC, в процессе зарядки аккумулятора) и использование только "скрытой" теплоты плавления теплоаккумулирующего элемента (наполнителя), и как следствие, незначительный запас тепла (280 кДж/кг). Отсюда и небольшие строки хранения тепла (в лучшем случае трое суток на двадцатиградусном морозе). Такой аккумулятор способен обеспечить невысокие температуры нагрева двигателя в процессе разрядки аккумулятора. Поэтому не позволяет прогревать и двигатель, и салон автомобиля. Это приводит к достаточно сложным схемам переключения потоков теплоносителя от аккумулятора при выборе объекта разогрева. Сравнительно низкая температура на входе(выходе) из(в) аккумулятора вызвала применение дорогостоящей меди для снижения тепловых сопротивлений при передаче тепла от теплоносителя к теплоаккумулирующему элементу (наполнителю) и обратно. Но это же приводит к необходимости дополнительных систем контроля и защиты от коррозии, так как материалы капсул и корпуса имеют различные теплофизические и электрохимические свойства, что снижает надежность устройства в процессе эксплуатации.

В предлагаемом тепловом аккумуляторе через корпус и изолированную полость проходит транзитом дополнительный канал отработавших газов, являющихся теплоносителем зарядки, а охлаждающая двигатель (агрегат) жидкость является теплоносителем разрядки. В качестве теплоаккумулирующего элемента (наполнителя) применены смеси на основе нитрата лития. Наружный и внутренний корпуса и каналы выполнены из однородного металла - нержавеющей стали.

Предлагаемый тепловой аккумулятор для двигателей внутреннего сгорания заряжается от высокотемпературных выхлопных газов двигателя (от 300 до 600^oC), которые позволяют использовать, помимо скрытой теплоты плавления вещества, его теплоемкость, благодаря этому, общая величина запасаемого тепла на единицу объема аккумулятора значительно увеличивается (до 865 кДж/кг при скрытой теплоте плавления 362 кДж/кг). Высокие температуры разогрева нитрата лития (более 300^oC при температуре плавления 253^oC) позволяют одновременно и поднять температуру двигателя при разогреве до и более высоких параметров и применить для изготовления деталей аккумулятора однородный материал - нержавеющие стали. А это увеличивает его коррозиестойкость и механическую прочность. Благодаря гораздо большему количеству накопляемого тепла, по сравнению с известным теплоаккумулятором, срок хранения тепла при морозе -20^oC возрастают. Аккумулятор способен длительно хранить тепло даже при более низких температурах окружающей среды. Становится возможным для отопления автомобиля, в случае необходимости, использовать штатную "печку" без конструктивных или схемных изменений, работа которой может осуществляться параллельно прогреву двигателя. Во время работы печки интенсифицируется теплообмен из-за возрастания температурного напора, особенно в конце процесса разогрева.

Предлагаемый тепловой аккумулятор, изображенный на чертеже, содержит наружный корпус 1, внутри которого размещен внутренний корпус 2, заполненный теплоаккумулирующим элементом (наполнителем) 3 (смесью на основе нитрата лития). Пространство между внутренним 2 и наружным корпусом 1 образуют изолированную полость 4 с пониженным давлением. Через стенки наружного корпуса 1, изолированную полость 4 и стенки внутреннего корпуса 2 проходит трубопровод для циркуляции теплонесущей среды, имеющий входной конец 5 и выходной конец 6, а также дополнительная трубка для прохода отработавших газов, имеющая входной конец 7 и выходной конец 8, внутренние полости которых образуют во внутреннем корпусе 2, заполненным теплоаккумулирующим элементом (наполнителем) 3, канал 9 теплонесущей среды и канал 10 отработавших газов. Канал 9 имеет соответственно входной конец 5 трубопровода и выходной конец 6. Канал 10 имеет соответственно входной конец 7 и выходной конец 8 дополнительной трубки. Перед входом в наружный корпус 1 и при выходе из наружного корпуса 1 трубопровод имеет клапан 11 трубопровода теплонесущей среды, а дополнительная трубка клапаны 12. Трубопровод и дополнительная трубка выполнены как и наружный и внутренний корпуса из нержавеющей стали.

Работа теплового аккумулятора осуществляется следующим образом.

Зарядка. Тепловой аккумулятор устанавливается рядом с двигателем возле выхлопного коллектора двигателя (на фиг. не показан). Входной конец 7 дополнительной трубки соединяют с системой вывода отработавших газов двигателя. Входной конец 5 трубопровода соединяют с каналом охлаждающей двигатель жидкости в точке выхода из двигателя через электрический насос, запитанный от источника электроэнергии, или ручной насос (насос на чертеже не показан). Выходной конец 8 дополнительной трубки соединяется с выхлопной трубой или окружающей средой, а выходной конец 6 трубки - с точкой входа охлаждающей двигатель жидкости в двигатель. При аккумуляции тепла отобранные горячие отработавшие газы проходят под естественным напором через открытые клапаны 11 и канал 9 теплоаккумулятора, отдавая часть своего тепла теплоаккумулирующему элементу (наполнителю) - нитрату лития, расплавляя его и затем нагревая до температуры выше 300^oC. Клапаны 12 канала охлаждающей жидкости 10 в этом время перекрыты, а электронасос отключен.

Хранение тепла. При хранении тепла каналы 9 и 10 отключены клапанами 11 и 12. Этим предотвращается унос тепла через трубки 5, 6 и трубки 7, 8.

Разрядка аккумулятора. При прогреве двигателя после хранения включают насос, прокачивая тем самым охлаждающую двигатель жидкость, которая имеет начальную температуру окружающей среды, через канал 10 теплоаккумулятора, при открытых клапанах 12. Нагреваясь, охлаждающая жидкость попадает в холодный двигатель, отдавая ему полученное в аккумуляторе тепло, и нагревает салон, если включена штатная "печка". Клапаны 11 в это время закрыты. Процесс разогрева завершается при запуске двигателя. При этом автоматически тепловой аккумулятор переходит в режим зарядки.

Тепловой аккумулятор предназначен для использования как источник тепла для предпускового разогрева двигателей внутреннего сгорания и для целей аккумулирования тепловой энергии котлоагрегатов, ее хранения и выдачи во время "пикового" потребления. В аккумуляторе используется не только "скрытая" теплота плавления, но и большая внутренняя теплоемкость смесей на основе нитрата лития. Тепловой аккумулятор содержит наружний и внутренний, заполненные теплоаккумулирующими элементами, корпусы, а также трубопровод для циркуляции теплонесущей среды и дополнительную трубку для теплоносителя зарядки. Трубопровод и трубка охвачены теплоаккумулирующими элементами и выполнены из однородного с корпусом металла - нержавеющей стали. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Тепловой аккумулятор, содержащий герметичный наружный корпус, во внутренней полости которого, имеющей пониженное давление, размещен герметичный внутренний корпус с теплоаккумулирующими элементами (наполнителями), охватывающими трубопровод для циркуляции теплонесущей среды, отличающийся тем, что в нем установлена по крайней мере одна дополнительная трубка для теплоносителя зарядки, проходящая через наружный корпус и внутренний корпус, в котором трубка охвачена теплоаккумулирующими элементами (наполнителями) на основе нитрата лития, причем трубопровод и трубка выполнены из однородного с корпусами материала - нержавеющей стали. 2. Теплоаккумулятор по п.1, отличающийся тем, что на входе и выходе из теплоаккумулятора на трубопроводе и трубке установлены запорные клапаны.