АККУМУЛЯТОР ТЕПЛОТЫ Российский патент 2000 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 избыточной теплоты ДВС 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 расположен 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 возникающие усилия.

Недостатком известного АТ является усложнение конструкции, так как размещение плоских капсул вдоль оси корпуса требует применения нескольких типоразмеров капсул и специльных уплотнений в корпусе. Плоские капсулы имеют протяженные соединительные швы, что ведет к повышению вероятности 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, размещенного внутри выступов, за счет самих выступов, заполняющих частично пространство между соседними капсулами и интенсифицирующих 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 их идентичности (один типоразмер) всех капсул.

Наиболее 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 составлять 150-160 градусов. 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. 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 и не полностью решаются вопросы, связанные с технологией заправки капсул.

Цель изобретения - увеличение удельной массы теплоаккумулирующего состава, а значит, и удельной энергоемкости АТ, и упрощение конструкции без существенного ухудшения теплофизических и других характеристик аккумулятора теплоты.

Данная цель достигается тем, что в аккумуляторе теплоты, содержащем теплоизолированный путем вакуумирования цилиндрический корпус, впускную и выпускную трубы, размещенный в корпусе блок из параллельно расположенных капсул, заполненных изменяющим агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур теплоаккумулирующим составом, разделительные пластины, установленные перпендикулярно продольной оси, капсулы в блоке выполнены трубчатыми, размещены в шахматном порядке с образованием в поперечном сечении межтрубного пространства множества замкнутых криволинейных треугольников выпуклостью вовнутрь, при этом блок капсул установлен в обойме, имеющей внутреннюю полость призматической формы, разделительные пластины размещены на фиксируемом расстоянии, закреплены к основаниям обоймы и выполнены гидравлически прозрачными, например, в виде перфорированного диска, вход выпускной трубы смещен относительно продольной оси корпуса на максимально возможное расстояние, а корпус снабжен съемной крышкой с входным и выходным отверстиями, в которых запрессованы упомянутые впускная и выпускная трубы.

Заявляемая конструкция аккумулятора теплоты пояснена на фиг. 1 и фиг. 2. Она представляет собой цилиндрический корпус 1 с вакуумной теплоизоляцией и крышкой 2, во входное отверстие 3 которой запрессована впускная труба 4, в выходное отверстие 5 - выпускная труба 6, размещенные в корпусе 1 герметичные капсулы 7, заполненные теплоаккумулирующим составом 8, собранные в виде блока и установленные параллельно друг к другу между двумя разделительными пластинами 9, направляющую втулку 10 в центральной части блока капсул, установленного внутри обоймы 11 с внутренней полостью призматической формы. При этом вход выходной трубы 6 в крышке 2 должен иметь максимально возможное смещение от продольной оси корпуса 1. Подобная конструкция позволяет использовать АТ как в горизонтальном, так и в вертикальном положениях, поскольку в случае крепления АТ на ТС выходным отверстием сверху аккумулятор теплоты всегда будет полностью заполнен теплоносителем и все капсулы будут омываться им.

Капсулы 7 расположены в шахматном порядке плотно друг к другу и образуют в поперечном сечении межтрубного пространства множество замкнутых криволинейных треугольников. С целью размещения наибольшего количества капсул 7 внутренняя полость обоймы 11 выполнена в виде фигуры, сложной призматической формы (см. фиг. 2). Сравнивая предлагаемую конструкцию АТ и прототип, легко сделать вывод, что в первом случае удельная масса теплоаккумулирующего состава 8 при одинаковых размерах всех капсул 7 существенно больше, чем у прототипа. При этом практически не ухудшаются теплофизические или иные характеристики АТ. Особо следует отметить тот факт, что не уменьшается скорость разрядки АТ (подтверждаются теоретически и экспериментально). Подобный эффект обусловлен тем, что в сечении межтрубного пространства образуется множество криволинейных треугольников кривизной вовнутрь, через которые движется теплоноситель (на фиг. 1 показано стрелками). Хотя движение жидкости и ламинарное, т. е. практически не происходит перемешивание теплоносителя, но происходит интенсивный теплообмен, поскольку при одинаковой массе теплоносителя в данном случае площадь его соприкосновения с ТАС 8 намного выше, чем в прототипе. Выбирая соответствующий диаметр трубчатых капсул 7 по критерию минимума скорости разряда, максимума массы ТАС 8, можно получить оптимальные параметры АТ. Эксперименты и расчеты показывают, что оптимальный размер трубчатых капсул составляет 8-10 мм при толщине стенки 0,3,-0,4 мм. Толщина капсулы 7 выбирается из условия необходимой прочности и технологии их герметизации. Такие размеры капсул 7 не ухудшают технологию их заправки теплоаккумулирующим составом 8.

Предлагаемое техническое решение позволяет существенно упростить конструкцию АТ. Действительно, размещение блока капсул в обойме 11 и закрепление их с помощью гидравлически прозрачных пластин 9 и втулки 10 не только делает конструкцию простой и надежной, но и упрощает технологию сборки блока капсул и АТ в целом. При этом блок капсул имеет значительную поверхность соприкосновения с внутренней стенкой корпуса 1, что уменьшает соответствующие механические нагрузки на конструкцию.

Заявляемая конструкция АТ работает следующим образом. При аккумулировании тепловой энергии теплоноситель, нагретый в рабочем диапазоне температур, через впускную трубу 4 подается в противоположную сторону блока капсул и заполняет пространство между разделительной пластиной 9 и корпусом 1. Затем теплоноситель движется вдоль капсул 7, при этом происходит интенсивный теплообмен между теплоносителем и ТАС 8, приводящий к расплавлению последнего. Гидравлическое сопротивление блока капсул, определяемое размерами межтрубного пространства, технически приемлемое и не превышает аналогичный показатель прототипа. После прекращения подачи теплоносителя запасенная в конструкции капсул 7 теплота сохраняется за счет вакуумной теплоизоляции. В случае необходимости использования запасенной теплоты процесс идентичен. Во входное отверстие 3 через впускную трубу 4 насосом (на фиг. 1, фиг. 2 не показан) подается холодный теплоноситель, последний отбирает запасенную теплоту от ТАС 8, который затвердевает, и нагретый теплоноситель через выходную трубу 6 выходит наружу. Этот процесс длится до тех пор, пока температуры ТАС 8 и теплоносителя не сравняются.

Трубчатая 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. Кроме того трубчатые капсулы обладают значительной механической прочностью к воздействию внутренних давлений, возникающих в капсулах при максимальных температурах 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 достигается увеличение удельной массы теплоаккумулирующего состава, упрощение конструкции без существенного ухудшения теплофизических или иных характеристик аккумулятора теплоты.

Изобретение предназначено для использования в устройствах, потребляющих тепловую энергию при неравномерном ее получении или расходовании. Сущность изобретения: аккумулятор теплоты содержит теплоизолированный путем вакуумирования цилиндрический корпус со съемной крышкой, имеющей входное и выходное отверстия, к которым подключены впускная и выпускная трубы, размещенный в корпусе блок из параллельно расположенных трубчатых капсул, заполненных изменяющим агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур теплоаккумулирующим составом, разделительные пластины, установленные перпендикулярно продольной оси. С целью увеличения удельной массы теплоаккумулирующего состава и упрощения конструкции без существенного ухудшения теплофизических или иных характеристик аккумулятора теплоты капсулы размещены в шахматном порядке с образованием в поперечном сечении межтрубного пространства множества замкнутых криволинейных треугольников, при этом блок капсул установлен в обойме, разделительные пластины прикреплены к основаниям обоймы и выполнены гидравлически прозрачными, а выходное отверстие смещено относительно продольной оси на максимально возможное расстояние. 2 ил.

Аккумулятор теплоты, содержащий теплоизолированный путем вакуумирования цилиндрический корпус, впускную и выпускную трубы, размещенный в корпусе блок из параллельно расположенных капсул, заполненных изменяющим агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур теплоаккумулирующим составом, разделительные пластины, установленные перпендикулярно продольной оси, отличающийся тем, что капсулы в блоке выполнены трубчатыми, размещены в шахматном порядке с образованием в поперечном сечении межтрубного пространства множества замкнутых криволинейных треугольников выпуклостью внутрь, при этом блок капсул установлен в обойме, имеющей внутреннюю полость призматической формы, разделительные пластины размещены на фиксируемом расстоянии, закреплены к основаниям обоймы и выполнены гидравлически прозрачными, например, в виде перфорированного диска, вход выпускной трубы смещен относительно продольной оси корпуса на максимально возможное расстояние, а корпус снабжен съемной крышкой с входным и выходным отверстиями, в которых запрессованы упомянутые впускная и выпускная трубы.