АККУМУЛЯТОР ТЕПЛОТЫ Российский патент 1998 года по МПК F24H7/00 

Изобретение относится к тепловым аккумуляторам и может быть использовано в технологических 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 тепловой подготовки ТС, доложен способствовать надежному запуску двигателя внутреннего сгорания (ДВС). 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 ДВС.

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 (потребителю);
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.

Перечисленные выше требования характерны для АТ, используемых в системе охлаждения ТС для его предпусковой подготовки. В случае применения АТ в составе системы смазки ТС многие жесткие требования существенно упрощаются, например, требуется меньше запасаемой тепловой энергии, не предъявляются требования к скорости теплоотдачи потребителю и т.д.

Известен аккумулятор теплоты, 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. Применение плоских капсул позволяет улучшить теплофизические характеристики АТ и облегчить задачу, связанную с компенсацией внутренних напряжений, поскольку такая конструкция может деформироваться и нейтрализовать возникающие 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. Кроме того, процесс заправки и герметизации плоских прямоугольных капсул предполагает разработку и применение сложных технологических устройств. Конструкция данного АТ имеет большие габариты и вес, а в режиме разрядки требует применения гидронасоса с электрическим приводом, питаемым от источника тока ТС.

Известен аккумулятор теплоты (заявка N 93-035329/06 от 27 июля 1993 года, на которую выданы положительное решение и патент РФ, 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 свое 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 разделительный 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, размещенного 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, за счет идентичности (один тироразмер) всех капсул.

Основным уязвимым элементом подобного АТ является капсула с ТАС. Проблема усугубляется еще и тем, что температура ТАС при работающем ДВС достигает до 120^oC, а при неработающем ДВС - до температуры окружающего воздуха, т. е. перепад температур внутри герметичных капсул может достигать до 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. Также конструкция данного АТ имеет относительно большие габариты и вес, а в режиме разрядки требует применения гидронасоса с электроприводом, питаемым от источника тока ТС.

Цель изобретения - уменьшение габаритов и веса аккумулятора теплоты, достижение полной автономности его в режиме разряда и передачи тепла потребителю, повышение надежности работы.

Указанная 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 с внешним запорным устройством, размещенные в корпусе капсулы, заполненные изменяющим свое агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур ТАС, капсулы выполнены в виде герметичного пространства, образованного нижней частью внутренней стенки корпуса, снабженной в донной части заправочным устройством, и дополнительной соосной стенкой, при этом входное и выходное отверстия расположены на верхней поверхности корпуса, а трубы удлинены внутри корпуса до противоположной стороны с образованием зазора между их концами и донной поверхностью капсулы, причем внутренний диаметр выпускной трубы меньше аналогичного диаметра впускной трубы.

Заявляемая конструкция аккумулятора теплоты пояснена на чертеже. Она представляет собой цилиндрический корпус 1, теплоизолированный путем вакуумирования пространства между внутренней 2 и внешней 3 стенками корпуса 1, входное 4 и выходное 5 отверстия, в которым подключены впускная 6 и выпускная 7 трубы, запорные устройства 8 и 9, теплоаккумулирующий состав 10, размещенный в капсуле, выполненный в виде герметичного пространства, образованного нижней частью внутренней стенки 2 корпуса 1 и дополнительной соосной стенкой, состоящей из цилиндрической 11 и донной 12 частей. Через внешнюю 3 и внутреннюю 2 стенки в капсулу вмонтировано заправочное устройство 13, которое расположено на нижней поверхности корпуса 1. Между концами труб 6, 7 и донной поверхностью (частью) 12 капсулы имеется зазор для вытекания (втекания) теплоносителя. Аккумулятор теплоты в рабочем состоянии находится вертикально продольной осью цилиндрического корпуса. Внутренний диаметр выпускной трубы 7 меньше аналогичного диметра впускной трубы 6. В связи с этим данный АТ может заряжаться теплоносителем, например маслом системы смазки ДВС, циркулирующим под большим избыточным давлением (3 - 5 атм).

Надежность капсулы определяется качеством сварного шва между внутренней стенкой 2 и цилиндрической частью 11 дополнительной стенки, а также заправочным устройством 13. Поскольку протяженность сварного шва невелика, а толщина дополнительной стенки достаточна для качественной сварки, то вероятность разгерметизации капсулы весьма мала. Достижение надежной герметичности заправочного устройства 13 также не представляет технической трудности. Высота цилиндрической части 11 капсулы выбирается в зависимости от необходимого количества ТАС и, как правило, превышает половины высоты корпуса 1.

Заявляемая конструкция аккумулятора теплоты работает следующим образом. Теплоноситель под большим избыточным давлением через впускную трубу 6 и открытое запорное устройство 8 поступает внутрь корпуса 1. Поскольку внутренний диаметр выпускной трубы 7 меньше аналогичного диаметра впускной трубы 6, то часть теплоносителя начинает заполнять внутреннее пространство АТ, а часть - вытекает через выпускную трубу 7 во внешнюю магистраль. После достижения уровня теплоносителя до трубок 6, 7 и дальнейшем ее подъеме происходит сжатие находящегося в корпусе 1 воздуха. Окончательный уровень подъема теплоносителя сложным образом зависит от величины вместимости АТ, температурного режима и избыточного давления в гидравлической магистрали. Затем гидравлические сопротивления в трубах 6, 7 сравниваются и наступает равновесие: из трубы 7 вытекает столько теплоносителя, сколько втекает в трубу 6. Таким образом начинается процесс зарядки АТ, т.е. теплоаккумулирующий состав нагревается теплоносителем, а через определенное время он весь расплавляется. После прекращения циркуляции теплоносителя запорные устройства 8, 9 закрываются и начинается процесс хранения тепловой энергии. В ходе этого теплоноситель начинает очень медленно остывать из-за наличия вакуумной теплоизоляции. При достижении температуры плавления ТАС последний поддерживает температуру теплоносителя на постоянном уровне путем освобождения скрытой теплоты и передачи ее теплоносителю. Затем происходит дальнейшее медленное уменьшение температуры теплоносителя до допустимого значения. Этот промежуток времени является важнейшей характеристикой АТ, определяющей период допустимого хранения теплоносителя с необходимыми теплофизическими параметрами, пригодными для предпусковой тепловой подготовки ДВС. В зависимости от массы ТАС и количества теплоносителя, а также свойств вакуумной теплоизоляции этот показатель может значительно превышать 24 часа (такой показатель имеют, как правило, АТ, используемые в системе охлаждения ДВС). Необходимо отметить, что для АТ, применяемых в системе охлаждения ДВС, допустимым значением температуры остывания теплоносителя является температура плавления ТАС, когда еще он не начинает переходить в твердое состояние. В этом случае ставится иная задача, а именно путем циркуляции холодного теплоносителя через АТ, и забирая тепло от ТАС, разогреть элементы конструкции ДВС.

Предлагаемый аккумулятор теплоты не предназначен для разогрева ДВС, а служит для смазки "теплым" маслом трущихся деталей двигателя. Это количество масла намного меньше количества тосола (теплоносителя), поэтому при прочих равных условиях габариты и вес АТ существенно меньше аналогичных параметров прототипа (Шестопалов К.С. Легковые автомобили, г. М.: издательство ДОСААФ СССР, 1984).

В режиме разряда происходят следующие процессы. При открытии запорного устройства (крана) 6 теплоноситель, составляющий примерно 10% масла системы смазки, в импульсном режиме возвращается по оригинальной схеме в масляную магистраль, затем обильно смазывает трущиеся детали ДВС. Этот процесс происходит автономно за счет энергии сжатого в корпусе АТ воздуха. При этом масло стекает в картер и в дальнейшем используется в системе смазки ТС.

Как было отмечено выше, надежность конструкции, определяемая надежностью капсулы, очень высокая. Даже если разгерметизируется заправочное устройство, то ТАС не попадает в теплоноситель и не приводит к выходу из строя ДВС.

Примером использования АТ может быть его применение в системе предпусковой тепловой подготовки ДВС автомобиля. При движении автомобиля масло системы смазки, нагретое до рабочей температуры, заряжает АТ. Во время стоянки автомобиля запасенная теплота сохраняется в допустимых пределах, а при запуске автомобиля при пониженных температурах окружающего воздуха (до минус 40^oC) за счет давления воздуха "теплое" масло впрыскивается через масляную магистраль на трущиеся детали ДВС. При этом значительно снижается сопротивляемость ДВС к запуску и автомобиль легко заводится
Таким образом, в заявляемой конструкции достигается уменьшение габаритов и веса АТ, повышение надежности работы, полная автономность в режиме разряда и передачи нагретого теплоносителя потребителю.

Аккумулятор предназначен для использования в системе предпусковой подготовки транспортных средств при низких температурах окружающего воздуха. Аккумулятор теплоты содержит теплоизолированный путем вакуумирования цилиндрический корпус с входным и выходным отверстиями, к которым подключены впускная и выпускная трубы с внешними запорными устройствами, а также размещенные в корпусе капсулы, заполненные изменяющим агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур теплоаккумулирующим составом. Капсула выполнена в виде герметичного пространства, образованного нижней частью внутренней стенки корпуса и дополнительной соосной стенкой, снабжена заправочным устройством, вмонтированным на донной части, входное и выходное отверстия расположены на верхней поверхности корпуса, а трубы удлинены внутрь корпуса до противоположной стороны с образованием зазора между их концами и донной поверхностью капсулы, причем внутренний диаметр выпускной трубы меньше внутреннего диаметра впускной трубы. При таком выполнении аккумулятора уменьшаются его габариты и вес, достигается полная автономность в режиме разрядки и передачи тепла потребителю. 1 ил.

Аккумулятор теплоты, содержащий теплоизолированный путем вакуумирования цилиндрический корпус, имеющий входное и выходное отверстия, к которым подключены впускная и выпускная трубы с внешними запорными устройствами, а также размещенные в корпусе капсулы, заполненные изменяющим агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур теплоаккумулирующим составом, отличающийся тем, что капсула выполнена в виде герметичного пространства, образованного нижней частью внутренней стенки корпуса и дополнительной соосной стенкой, при этом капсула снабжена заправочным устройством, смонтированным на донной части, входное и выходное отверстия расположены на верхней поверхности корпуса, а трубы удлинены внутрь корпуса до противоположной стороны с образованием зазора между их концами и донной поверхностью капсулы, причем внутренний диаметр выпускной трубы меньше внутреннего диаметра впускной трубы.