АККУМУЛЯТОР ТЕПЛОТЫ Российский патент 1998 года по МПК F24H7/00 

Изобретение относится к тепловым аккумуляторам и может быть использовано в технических устройствах, потребляющих тепловую энергию при неравномерном ее получении или расходовании, в частности в системе предпусковой подготовки транспортных средств (ТС) при пониженных температурах окружающего воздуха.

Аккумулятор теплоты (АТ), используемый для предпусковой подготовки ТС, должен способствовать надежному запуску двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и разогреву салона при необходимости. Аккумулятор теплоты запасает энергию в процессе работы ДВС, сохраняет ее и отдает при запуске ТС. Запасание энергии происходит за счет скрытой теплоты фазового перехода теплоаккумулирующего состава (ТАС) в интервале рабочих температур системы охлаждения или системы смазки транспортного средства.

К аккумуляторам теплоты, применяемым на ТС, предъявляются жесткие требования, в том числе:
максимальная удельная энергоемкость (теплосодержание);
широкий диапазон изменения рабочих температур;
малые габариты и вес;
автономность;
минимальное потребление электроэнергии от источника тока ТС;
использование сбрасываемой ДВС теплоты для запасания энергии;
малое время отдачи тепловой энергии теплоносителю;
высокая надежность работы отдельных элементов и АТ в целом;
низкая вероятность попадания ТАС в систему охлаждения или в другие системы ТС;
высокая технологичность изготовления элементов конструкции и сборки АТ в заводских условиях;
простота конструкции.

Известен аккумулятор теплоты (авторское свидетельство СССР N 857656, аналог), содержащий корпус, снабженный со стороны его внутренней поверхности слоем теплоизоляции, в котором соосно корпусу размещен теплоаккумулирующий элемент, снабженный кожухом, при этом с целью интенсификации теплообмена теплоаккумулирующий элемент выполнен в виде блока из параллельных рядов полых цилиндров, заполненных веществом, изменяющим свое агрегатное состояние в интервале рабочих температур, причем цилиндры расположены в каждом ряду параллельно и перпендикулярно относительно цилиндров смежных рядов.

Использование данного технического устройства в качестве аккумулятора теплоты для ТС затруднено по причинам:
малой (отнесенная к объему) энергоемкости;
относительно низкого коэффициента теплообмена;
большого количества трубок в единице объема АТ;
неэффективной теплоизоляции.

Необходимость применения большого количества трубок обусловлена конструкцией АТ. Это обстоятельство приводит к снижению надежности работы АТ, поскольку протяженность герметизирующих швов резко возрастает, а значит и увеличивается вероятность разгерметизации одной или нескольких трубок. Кроме того, в данном техническом решении не рассмотрен вопрос герметизации трубок, имеющий важнейшее значение при проектировании АТ.

Перечисленные выше другие недостатки очевидны и не требуют анализа.

Известен аккумулятор теплоты (Auto Motor und Sport, ФРГ, N 8, 1992, аналог), содержащий цилиндрический корпус с теплоизоляцией, входное и выходное отверстия, капсулы, представляющие собой плоские полые пластины и расположенные вдоль оси корпуса, которые заполнены ТАС (гидроксид бария), изменяющим свое агрегатное состояние в интервале рабочих температур системы охлаждения ДВС. Применение плоских капсул позволяет улучшить теплофизические характеристики АТ и облегчить задачу, связанную с компенсацией внутренних усилий, поскольку такая конструкция может деформироваться и нейтрализовать возникшие усилия.

Недостатком известного АТ является усложнение конструкции, так как размещение плоских капсул вдоль оси корпуса требует применения нескольких типоразмеров капсул и специальных уплотнений в корпусе. Плоские капсулы имеют протяженные соединительные швы, а значит появляется вероятность разгерметизации капсул с тяжелыми последствиями для ТС, так как попадание гидроксида бария в теплоноситель системы охлаждения приводит к выходу из строя последнего. Кроме того, процесс заправки и герметизации плоских прямоугольных капсул предполагает разработку и применение сложнейших технологических устройств.

Известен аккумулятор теплоты (патент РФ N 2052734, 1996 г., прототип), содержащий теплоизолированный путем вакуумирования цилиндрический корпус, имеющий входное и выходное отверстия, к которым подключены впускная и выпускная трубы, размещенные в корпусе перпендикулярно к его продольной оси с образованием зазора относительно стенок капсулы, выполненные в виде кольцевых дисков, заполненные изменяющим агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур ТАС, и имеющие плоские поверхности, одна из которых в каждой капсуле снабжена выступами с заданным расположением и направлением выступов в одну сторону, и разделительные пластины, установленные в кольцевом зазоре между капсулами и корпусом. В этом техническом решении протяженность соединительного шва на единицу объема ТАС несколько уменьшена, а положительный эффект (увеличение удельной энергоемкости, повышение коэффициента теплообмена и упрощение конструкции) достигается за счет дополнительного количества ТАС, размещенногог внутри выступов, за счет самих выступов, заполняющих частично пространство между соседними капсулами, и интенсифицирующей теплообмен посредством турбулизации потока за счет дополнительной площади обтекания выступов, за счет системы распределения потока теплоносителя, состоящей из впускной и выпускной труб зазоров и разделительных пластин и обеспечивающей одинаковое обтекание всех капсул за счет идентичности (один типоразмер) всех капсул.

Основным уязвимым элементом подобного АТ является капсула с ТАС. Проблема усугубляется еще и тем, что температура ТАС при работающем ДВС достигает 120^oC, а при неработающем ДВС - до температуры окружающего воздуха, т.е. перепад температур внутри герметичных капсул может достигать 150-160^oC. Практическое использование таких капсул в АТ затруднено из-за отсутствия надежного способа одновременной герметизации заправленных при рабочей температуре (около 100^oC) жидким ТАС капсул по внутреннему и внешнему швам. При этом наиболее сложной задачей является герметизация по внутреннему шву. Применение известных технологий герметизации подобных швов не позволяет добиться необходимой надежности работы АТ в отмеченных выше условиях их эксплуатации. Использование капсул без центрального отверстия позволяет устранить отдельные недостатки прототипа, однако и в этом случае существует вероятность разгерметизации капсул. Кроме того, не полностью решаются вопросы, связанные с технологией заправки капсул.

Таким образом, основными недостатками прототипа являются:
относительно сложная технология изготовления и заправки капсул;
недостаточная надежность работы АТ в составе транспортного средства.

Цель изобретения - повышение надежности работы АТ и технологичности изготовления и заправки капсул в заводских условиях без существенного ухудшения других характеристик аккумулятора теплоты в целом.

Данная цель достигается тем, что в аккумуляторе теплоты, содержащем теплоизолированный путем вакуумирования цилиндрический корпус, имеющий входное и выходное отверстия, к которым подключены впускная и выпускная трубы, размещенные в корпусе капсулы, заполненные изменяющим агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур ТАС, и разделительные пластины в виде усеченных дисков, установленные перпендикулярно продольной оси на фиксированном расстоянии друг от друга, капсулы выполнены в виде протяженных трубок, герметизируемых с обеих сторон цилиндрическими пробками, имеющими на поверхности концентрические пазы, при этом капсулы расположены перпендикулярно преградам, а их пространственное расположение задано соответствующим размещением отверстий в преградах, причем крайние преграды изготовлены сплошными.

Заявляемая конструкция аккумулятора теплоты пояснена на фиг. 1 и фиг. 2. Она представляет собой цилиндрический корпус 1 с теплоизоляцией, входное 2 и выходное 3 отверстия, к которым подключены впускная 4 и выпускная 5 трубы, размещенные в корпусе 1 вдоль его продольной оси капсулы 6 в виде протяженных трубок, загерметизированные с обеих сторон цилиндрическими пробками 7 и заполненные изменяющим агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур теплоаккумулирующим составом 8, разделительные внутренние 9 и крайние 10 пластины в виде усеченных дисков, штоки 11 для стягивания пластин 10, фиксаторы 12, определяющие расстояние между пластинами, пружины 13 для компенсации температурных деформаций капсул 6, отверстия 14, выполненные во внутренних пластинах 9, задающие пространственное положение капсул 6, насос 5 с электроприводом для прокачки теплоносителя через АТ.

Для надежной герметизации капсул 6 используются пробки 7. В них выполняются несколько концентрических пазов (на фиг. 1 не показаны) для обжатия трубок по окружности. При этом получается соединение между трубкой и пробкой, выдерживающее значительные механические напряжения и разгружающее герметизирующий сварной шов, связывающий торцевые части трубки и пробки.

Разделительные пластины 9 и 10 размещены перпендикулярно капсулам 6. Для формирования потока теплоносителя в поперечном направлении по отношению к капсулам 6 крайняя пластина ТО со стороны входного отверстия 2 расположена усеченной частью вниз, а следующая пластина 9 установлена усеченной частью в противоположенную сторону и т.д. При этом количество внутренних пластин 9 берется столько, чтобы крайняя пластина 10 со стороны выходного отверстия 3 располагалась бы усеченной частью сверху. Если входное 2 и выходное 3 отверстия размещаются с одной стороны, то порядок расположения пластин изменяются на противоположное. Подобная конструкция позволяет интенсифицировать (турбулизировать) движение теплоносителя внутри АТ и омывать все капсулы 6 независимо от их положения в пространстве.

Отверстия 14, выполняемые во внутренних пластинах 9 для фиксации капсул, имеют размеры, незначительно превышающие диаметр трубчатых капсул 6. При этом небольшое перетекание теплоносителя через эти отверстия не оказывают какого-либо влияния на теплофизические процессы АТ.

Следует отметить, что трубчатые капсулы 6 из-за своей цилиндрической формы выдерживают большие механические напряжения, которые могут возникать в процессе работы АТ как за счет изменения температуры ТАС, так и за счет его фазового перехода. Таким образом, предлагаемые трубчатые капсулы имеют очень низкую вероятность разгерметизации.

Заявляемая конструкция АТ работает следующим образом. При аккумулировании тепловой энергии теплоноситель, нагретый в рабочем диапазоне температур, через впускную трубу 4 подается внутрь корпуса 1 и заполняет пространство между двумя первыми разделительными пластинами, затем через усеченную часть второй разделительной пластины начинает заполнять следующее пространство и т. д. При этом происходит интенсивный обмен тепла между теплоносителем и ТАС 8. Гидравлическое сопротивление теплоносителя выбирается оптимальное в зависимости от количества внутренних разделительных пластин 9. Омывая поверхности капсул 6, турбулизированный теплоноситель нагревает и расплавляет ТАС 8. После прекращения подачи теплоносителя запасенная в конструкции капсул 6 теплота сохраняется за счет вакуумной теплоизоляции. В случае необходимости использования запасенной теплоты процесс идентичен. Во входное отверстие 2 через впускную трубу 4 насосом 15 подается холодный теплоноситель, последний отбирает запасенную теплоту от ТАС 8, который затвердевает, и нагретый теплоноситель через входное отверстие 3 и выпускную трубу 5 выходит наружу. Этот процесс длится до тех пор пока температуры ТАС и теплоносителя не сравняются.

Такая конструкция позволяет практически сохранить теплофизические характеристики, свойственные прототипу. При этом значительно увеличивается надежность работы АТ за счет оригинальной герметизации трубчатых капсул, позволяющей уменьшить протяженность сварных швов и повысить их качество. Использование капсул в виде протяженных трубок, кроме того, позволяет увеличить удельный объем ТАС, так как чем больше длина трубок, тем меньше занимаемый объем пробок, на участвующий в теплообмене.

Предлагаемая форма капсул значительно упрощает технологию их изготовления и заправки ТАС в заводских условиях. При этом заправка капсул ТАС может быть осуществлена (после заделки одного торца трубки) в различных температурных режимах ТАС.

Примером использования данного аккумулятора теплоты может быть его применение в системе предпусковой тепловой подготовки ДВС автомобиля. При движении автомобиля охлаждающая жидкость (например, тосол) разогревает ТАС, например гидроксид бария (T_плав = 78^oC, скрытая теплота плавления равна 305 кДж/кг). Во время стоянки автомобиля запасенная теплота сохраняется, а при запуске автомобиля при отрицательной температуре окружающего воздуха до минус 40^oC насос с электроприводом прокачивает тосол через АТ и двигатель. При этом двигатель нагревается и запускается. Возможен и обогрев салона автомобиля.

Таким образом, в заявляемой конструкции повышается надежность работы АТ и упрощается технология изготовления и заправки капсул ТАС в заводских условиях без существенного ухудшения других характеристик АТ в целом.

Аккумулятор предназначен для использования в устройствах, потребляющих тепловую энергию при неравномерном ее получении или расходовании. Аккумулятор теплоты содержит теплоизолированный корпус, размещенные в корпусе капсулы, заполненные изменяющим агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур теплоаккумулирующим составом, и разделительные пластины в виде усеченных дисков, установленные перпендикулярно продольной оси на фиксированном расстоянии друг от друга. Капсулы выполнены в виде протяженных трубок, размещены между крайними пластинами перпендикулярно и герметизированы с обеих сторон путем последовательного обжатия и торцевой сварки концевых частей трубок цилиндрическими пробками, имеющими на поверхности концентрические пазы, при этом пространственное расположение капсул задано соответствующим размещением отверстий в разделительных пластинах, причем крайние пластины изготовлены сплошными. Такое выполнение аккумулятора повышает его надежность и технологичность заправки капсул в заводских условиях без ухудшения других характеристик аккумулятора в целом. 2 ил.

Аккумулятор теплоты, содержащий теплоизолированный путем вакуумирования цилиндрический корпус, имеющий входное и выходное отверстия, к которым подключены впускная и выпускная трубы, размещенные в корпусе капсулы, заполненные изменяющим агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур теплоаккумулирующим составом, и разделительные пластины в виде усеченных дисков, установленные перпендикулярно продольной оси на фиксированном расстоянии друг от друга, отличающийся тем, что капсулы выполнены в виде протяженных трубок, размещены между крайними пластинами перпендикулярно и герметизированы с обеих сторон путем последовательного обжатия и торцевой сварки концевых частей трубок цилиндрическими пробками, имеющими на поверхности концентрические пазы, при этом пространственное расположение капсул задано соответствующим размещением отверстий в разделительных пластинах, причем крайние пластины изготовлены сплошными.