Устройство для подогрева текучей среды, теплообменник и нагреватель дизельного топлива (его варианты) Советский патент 1993 года по МПК F02M31/125 

01йД ТИ

00

о о to

00

оов

Сл

Изобретение относится к устройствам подогрева дизельного топлива.

Целью изобретения является увеличение эффективности устройства для подогрева текучей среды путем повышения интенсивности теплообмена, путем интенсификации теплопередачи.

Целью изобретения для нагревателя дизельного топлива, выполненного по первому варианту, является, увеличение надежности путем более эффективного управления нагревательными элементами.

Целью изобретения для нагревателя дизельного топлива, выполненного по второму варианту, является увеличение эффективности путем интенсификации теплообмена и улучшения защиты от перегрева.

Целью изобретения для нагревателя дизельного топлива, выполненного по третьему варианту, является повышение эффективности путем улучшения защиты от перегрева и интенсификации теплообмена за счет увеличения турбулизации потока топлива.

На фиг. 1 показан общий вид устройства для подогрева текучей среды; на фиг.2 - устройство для подогрева текучей среды. вид сбоку; на фиг.З - сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 - установка пористой вставки и элемента из непористого материала во внутренней камере; на фиг.5 - теплообменник с дисковым корпусом; на фиг.б сечение Б-Б на фиг.5; на фиг.7 - установка теплообменника с дисковым корпусом в топливном фильтре; на фиг.8 - схема цепи управления; на фиг.9- принципиальная схема топливной системы с элементами цепи управления; на фиг. 10 - вариант установки теплообменника в топливном фильтре.

Устройство для подогрева текучей сре- ды содержит теплообменник 1, выполненный в виде полого корпуса 2 из теплопроводного материала с входным 3 и выходным 4 каналами, внутреннюю камеру 5, сообщенную с входным 3 и выходным 4 каналами, теплопроводные ребра 6, выполненные во внутренней камере 5, плоские нагревательные устройства 7 и 8, установленные на внешней поверхности корпуса и имеющие, по меньшей мере, один плоский нагревательный элемент 9, управляемый блок питания с выключателем и цепью управления 10, связанной с нагревательным элементом 9, пористую вставку 11 из нетеплопроводных волокон, установленную во внутренней камере 5. Часть волокон пористой вставки 11 расположена с возможностью контакта с внутренней поверхностью внутренней камеры 5 и теплопроводными ребрами б. Плоские нагревательные элементы 9 могут быть размещены на разных сторонах корпуса 2. Волокна пористой вставки 11 занимают не более 15% объема внутренней камеры 5. Плоские нагревательные элементы 9 могут быть выполнены из проволоки, уложенной, по меньшей мере в 2 ряда. Устройство может быть снабжено элементом 1.2 из непористого материала, установленного в объеме пористой вставки 11. Блок питания устройства для подогрева текучей среды снабжен связанной с цепью управления 10 цепью защиты от перегрева и датчиком температуры 13, электрически включенным в цепь защиты и установленным на внешней поверхности корпуса 2. Датчик температуры 13 может быть выполнен в виде терморезистора с положитель- ным температурным коэффициентом, например, из титана бария. Цепь управления 10 бока питания имеет, по меньшей мере, один металл - оксидный силовой транзистор 14, последовательно включенный между дачтиком температуры 13 и нагревательным устройством 7 и 8. Цепь защиты блока питания выполнена в виде двух параллельно включенных относительно источника опорного напряжения компараторов 15 и 16, триггера, каждый вход которого подключен к выходу одного из компараторов 15 и 16, усилителя 17, вход которого связан с выходом триггера, а выход - с силовым транзистором 14 цепи управления, причем вход одного из компараторов 15 подключен к датчику температуры 13,выполненному в виде терморезистора, а другого - к силовому транзистору 14.

Устройство для подогрева текучей среды может быть установлено на входе 18 в топливный фильтр 19.

Пористая встдвка 11 может быть выполнена из ячеистого вспененного полиурета- на, а элемент 12 может быть выполнен из непористого вспененного акрила.

Установка пористой вставки 11 из вспененного полиуретана способствует созданию турбулентности и перемешиванию . жидкости, протекающей через теплообменник, что, в свою очередь, увеличивает эффективность теплообмена.

Установка элемента 12 из непористого вспененного акрила. уменьшает площадь поперечного сечения потока жидкости, что приводит к увеличению скорости потока и улучшает турбулентность потока жидкости.

Теплообменник для подогрева текучей среды может быть выполнен в виде корпуса, образованного, по меньшей мере, двумя дисками 20, один из которых выполнен из теплопроводного материала, канал подвода топлива выполнен в виде впускных отверстий 21 в последнем, плоский нагревательный элемент 9 размещен на поверхности корпуса со стороны впускных отверстий 21. На втором диске 20 выполнены выпускные отверстия 22. Нагревательный элемент 9 содержит накаливаемую проволоку 23, которая электрически соединена через клеммы 24 с источником питания и электронной схемой. Во внутренней камере 5 установлена пористая вставка 11. внутри которой может быть установлен элемент 12 из непористого материала.

В дисках 20 может быть выполнено центральное отверстие 25 для монтажного элемента, позволяющего монтировать теплообменник на топливном фильтре 19. Внутренняя камера 5 может быть снабжена ребрами.

Нагреватель дизельного топлива, выполненный по первому варианту на базе устройства для подогрева текучей среды, содержит теплообменник 1,выполненный в виде полого корпуса 2 из теплопроводного материала с входным 3 и выходным 4 каналами, внутреннюю камеру 5, сообщенную с входным 3 и выходным 4 каналами, и ребер 6, размещенных во внутренней камере 5, по меньшей мере, на части ее внутренней поверхности, плоский нагревательный элемент 9, датчик температуры 13, выполненный в виде терморезистора с положительным температурным коэффициентом, установленного на внешней поверхности корпуса 2, блок питания с цепью управления 10, цепью нагрева, включающей, по меньшей мере, один силовой металл - оксидный силовой транзистор 14, два компаратора 15 и 16, усилитель 17. Датчик температуры 13 включен в цепь управления, а нагревательный элемент 9 - в цепь нагрева. Нагреватель снабжен цепью защиты с управляющим триггером, усилитель 17 выполнен в виде выходного усилителя и соединен с выходом соответствующего компа ратора 15,16.

Датчик температуры 13 подключен выходом к входу одного из компараторов 15, а вход другого компаратора 16 подключен к силовому транзистору 14, установочные входы каждого из компараторов 15 и 16 связаны с источником опорного напряжения.

Нагреватель дизельного топлива, выполненный по второму варианту на базе устройства для подогрева текучей среды, содержит теплообменник 1,выполненный в виде полого корпуса 2 из теплопроводного материала с входным 3 и выходным 4 каналами и внутренней камерой 5, сообщенной с входным 3 и выходным 4 каналами, ребер 6, размещенных во внутренней камере 5.

плоский нагревательный элемент 9, размещенный на внешней поверхности корпуса 2, пористую вставку 11, размещенную во всем объеме внутренней камеры 5 и выполнен- 5 ную из нетеплопроводных волокон, по меньшей мере, часть из которых расположена с возможностью контакта с внутренней поверхностью внутренней камеры 5 и ребрами 6. Элемент 12 из непористого мате0 риала установлен в объеме пористой вставки 11. Нагреватель содержит блок питания с цепью управления 10, выход которого связан с нагревательным элементом 9. Датчик температуры 13 размещен на

5 внешней поверхности корпуса и включен в цепь управления блока питания. Цепь защиты нагревателя от перегрева электрически связана с цепью управления 10.

Нагреватель дизельного топлива, вы0 полненный по третьему варианту на базе устройства для подогрева текучей среды, со; держит теплообменник 1, выполненный в виде полого корпуса 2 из теплопроводного материала с входным 3 и выходным 4 кана5 лами и внутренней камерой 5, сообщенной с входным 3 и выходным 4 каналами, по меньшей мере, один плоский нагревательный элемент 9, размещенный на внешней поверхности корпуса 2, датчик температуры

0 13, включенный в цепь управления 10. Нагревательный элемент 9 включен в цепь нагрева. Во внутренней камере 5 установлена пористая вставка 11 из нетеплопроводных волокон, по меньшей мере с частичным пе5 рекрытием потока топлива. Элемент 12 из непористого материала установлен в объеме пористой вставки 11. Нагреватель снабжен цепью защиты от перегрева, электрически связанной с цепью управле:

0 ния 1Q блока питания.

Нагреватель дизельного топлива по всем вариантам содержит клеммы 26,27,28 и перемычки 20,30,31 соединяющие нагревательные элементы 9 с цепью управления

5 10. .

Устройство для подогрева текучей среды, выполненное в виде нагревателя дизельного топлива, работает следующим образом.

0 При подаче топлива через впускной канал 3 во внутреннюю камеру 5 теплообмен- . ника 1 топливо нагревается от плоских нагревательных элементов 9, размещенных на внешней поверхности корпуса 2, далее

5 топливо удаляется через выходной канал 4, например, в топливный фильтр 19. Во внутренней камере 5 может, быть установлена пористая вставка 11 и элемент 12 из непористого материала. Топливо, проходя через пористую вставку 11, турбулизуется, что повышает эффективность теплопередачи. Наличие ребер 6 во внутренней камере 5 позволяет еще более повысить эффективность теплопередачи от нагрвательных элементов к топливу. Элемент 12 из непористого мате- риала уменьшает площадь поперечного сечения для протока топлива, что увеличивает его скорость и улучшает создание турбулентности топлива. Мощность, поступающая к нагревательному устройству 9, регулирует- ся цепью управления 10.

Температура корпуса 2 измеряется датчиком температуры 13, который может быть выполнен в виде терморезисторов с положительным температурным коэффициентом из титана бария, Датчик температуры находится в тепловом контакте с корпусом 2 и регулирует ток, протекающий через металл- оксидные силовые транзисторы 14. Цепь управления 10 допускает аналоговое регу- лирование мощности при большом токе и малом сопротивлении и при малом токе и большом сопротивлении.

На фиг.8 показана цепь управления 10, где предпочтительны следующие соотноше- ния значений сопротивлений (R )

10Ri - (Ra + Ra + R4), при низких температурах

R2 R3 R4, R5

R5+R6 + R7-j2± LtJ««

Путем выбора значений.сопротивлений Ra,R4, задаются напряжения срабатывания компараторов 15 и 16.

Когда мощность, вырабатываемая в силовом транзисторе 14, становится предельно допустимой, происходит изменение управляющего триггера, включающего усилитель 17. При этом происходит увеличение падения напряжения на сопротивлении R 1, при котором общий ток (0б) уменьшается до безопасного уровня. При снижении темпе- ратуры компаратор 16 установит триггер, отключая выходной усилитель и возвращая напряжение (Uc) на полностью включенный уровень, соответствующий току, проходящему через сопротивление R з. Данная схе- ма может управлять более чем одним транзистором, даже если нагрузочное сопротивление RI для каждого транзистора различное.

Цепь управления включается напряже- нием, подаваемым на клемму 26 от переключателя управляемого водителем транспортного средства или бортового компьютера. Клемма 27 соединена с положи-

0

5 0

5

0

5

0 5 0 .

5

тельной клеммой источника питания автомобиля (Квт), а клемма 28 соединена с заземлением (Ov).

Клеммы 27 и 28 передают все напряжение в нагревательную систему. Напряжение подается к одному нагревательному элементу 9 через перемычки 29 и 30 от клеммы 27 и 28. Напряжение (Uc) поступает к силовым транзисторам 14 через перемычку 31. При протекании топлива через теплообменник 1 отводится тепло. В зависимости от рабочего состояния теплообменника 1 (см, фиг.9) силовые транзисторы 14 и (или) нагревательные элементы 9 вырабатывают тепло, которое передается топливу через термиче ские сопротивления, представляющие сумму промежуточных термических сопротивлений плюс тепловое сопротивление корпуса теплообменника 1. Эти термические сопротивления обозначены Т RL Тя2 и Ткз на фиг.9, соответственно для теплового сопротивления между внутренней повео хностью корпуса теплообменника 1, силового транзистора 14, нагревательных элементов 9 и датчика температуры 13. Эти термические сопротивления связаны с топливом, проходящим по теплообменнику 1 через термическое сопротивление TR/I.

Для хорошей работы необходимо придерживаться следующего соотношение

TR1 TR2 TR3 TR4.

Управление обеспечивается вследствие изменения теплового потока через термиче ское сопротивление JRA из-за изменения скорости, потока топлива, что повлечет за собой изменение корпуса теплообменник--: 1 и силовых транзисторов 14, пока датчик температуры 13 не заставит цепь управления 10 уменьшить мощность без непосред ственного изменения температуры топлива. Формула изобретения 1. Устройство для подогрева текучей среды, преимущественно топлива в двигателях внутреннего сгорания, содержащее теплообменник в виде полого корпуса из .теплопроводного материала с входным и выходным каналами, расположенными на противоположных сторонах корпуса, внутренней камеры, размещенной в полости корпуса и сообщенной с входным и выходным каналами, и теплопроводных ребер, размещенных с одинаковым шагом во внутренней камере с образованием теплопроводного контакта с внутренней поверхностью последней, а также плоское нагревательное устройство, установленное на внешней поверхности корпуса и имеющее по меньшей мере один плоский нагревательный элемент управляемый блок питамия с выключателем и цепью управления. связанной с нагревательным элементом, и пористую вставку, размещенную, с по меньшей мере частичным, перекрытием протока топлива, отличающееся тем, что, с целью увеличения эффективности путем повышения интенсивности теплообмена, пористая вставка установлена во внутренней камере и выполнена из нетеплопроводных волокон, по меньшей мере часть которых расположена с возможностью контакта с внутренней поверхностью внутренней камеры и теплопроводными ребрами.

2. Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что плоские нагревательные элементы нагревательного устройства размещены на разных сторонах корпуса,

3. Устройство по п.1 или 2, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что волокна пористой вставки занимают не более 15% объема внутренней камеры.

4. Устройство по п.1 или 2, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что нагревательные элементы выполнены из проволоки, уложенной по меньшей мере в два ряда.

5. Устройство по п.1 или 2, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что оно снабжено элементом из непористого материала, установленным в объеме пористой вставки.

6. Устройство по п.4, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что блок питания снабжен связанной с цепью управления цепью защиты от перегрева и датчиком температуры, электрически включенным в цепь защиты и установленным на внешней поверхности корпуса.

7. Устройство по п.6, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что датчик температуры выполнен в виде терморезисторов с положительным температурным коэффициентом,

8. Устройство по п.7, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что терморезистор выполнен из титаната бария.

9. Устройство по п.6, отличаю щее- с я тем, что цепь управления блока питания имеет по меньшей мере один металлоксид- ный силовой транзистор, последовательно включенный между датчиком температуры и нагревательным устройством.

10. Устройство по п.6. отличаю щее- с я тем. что цепь защиты блока питания выполнена в виде двух параллельно включенных относительно источника опорного напряжения компараторов, триггера, каждый вход которого подключен к выходу одного из компараторов, усилителя, вход которого связан с выходом триггера, а выход - с силовым транзистором цепи управления, причем вход одного из компаратора

подключен к терморезистору. а другого - к силовому транзистору.

11. Устройство по п. 10, о т л и ч а ю ще- е с я тем, что оно установлено на входе в 5 топливный фильтр.

12. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что выключатель блока питания расположен на панели управления.

13. Теплообменник для подогрева теку0 чей среды, содержащий полый корпус с каналами подвода и отвода текучей среды, расположенными на противоположных сторонах корпуса, внутреннюю камеру для протока текучей среды, размещенную в полости

5 корпуса, и плоский нагревательный элемент, размещенный на поверхности корпуса со стороны канала подвода топлива, причем корпус образован по меньшей мере двумя дисками, один из которых выполнен

0 из теплопроводного материала, а канал подвода топлива выполнен в виде отверстий в последнем, отличающийся тем, что, с целью увеличения эффективности путем интенсификации теплопередачи, теплообмен5 ник снабжен пористой вставкой из нетеплопроводных волокон, размещенной во внутренней камере, причем по меньшей мере часть волокон контактирует с внутренней поверхностью корпуса, а объем воло0 кон пористой вставки не превышает 15% объема внутренней камеры,

14. Теплообменник по п.13, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что он снабжен элементом из непористого материала, установленным в 5 объеме вставки.

15. Теплообмен ник поп.13,отличающ и и с я тем, что он снабжен ребрами,

расположенными во внутренней камере и

установленными на внутренней поверхно0 сти корпуса.

16. Нагреватель дизельного топлива, содержащий теплообменник в виде полого корпуса из теплопроводного материала с входным и выходным каналами, располо5 женными на противоположных сторонах корпуса, внутренней камеры, размещенной в полости корпуса и сообщённой с входным и выходным каналами,.а также по меньшей мере один плоский нагревательный эле0 мент, размещенный на внешней поверхно- . сти корпуса, датчик температуры и блок питания с цепью управления, цепью нагрева, включающей по меньшей мере один силовой металлоксидный транзистор, двумя

5 компараторами и усилителем, причем датчик температуры включен в цепь управления, а нагревательный элемент - в цепь нагрева, отличающийся тем, что, с целью увеличения надежности путем более эффективного управления нагревательныMI; элементами, нагреватель снабжен ре- , размещенными во внутренней камере в напрзплении пел ока топлива и выполненными из того же материала, что и корпус, и цеп ью защиты с управляющим триггером, усили- гель выполнен в виде выходного усилителя и связан своим входом с выходом управляющего триггера, а выходом - с нагреватель- ным элементом, каждый вход управляющего триггера соединен с выхо- дом соответствующего компаратора, датчик температуры выполнен в виде терморезистора с положительным температурным коэффициентом, установлен на внешней поверхности корпуса и подключен своим выходом к входу одного из компараторов, а вход другого компаратора подключен к силовому транзистору, причем установочные входы каждого из компараторов связаны с источником опорного напряжения,

17. Нагреватель дизельного топлива, содержащий теплообменник в виде полого корпуса из теплопроводного материала с входным и выходным каналами, расположенными на противоположных сторонах корпуса, внутренней камеры, размещенной в полости корпуса и сообщенной с входным и выходным каналами, и ребер, размещенных во внутренней камере по меньшей мере на части ее внутренней поверхности с обра- зованием теплопроводного контакта с последней, а также по меньшей мере один плоский нагревательный элемент, размещенный на внешней поверхности корпуса, пористую встаку и блок питания с цепью управления, выход которого связан с нагревательным элементом, отличающийся тем, что, с целью увеличения эффективности путем интенсификации теплообмена и улучшения защиты от перегрева, нагреватель снабжен элементом из непористого материала, датчиком температуры, размещенным на внешней поверхности корпуса и включенным в цепь управления блока питания, и

цепью защиты нагревателя от перегрева, электрически связанной с цепью управления, ребра изготовлены из материала корпуса и ориентированы в направлении потока топлива, пористая вставка размещена во всем объеме внутренней камеры и выполнена из нетеплопроводных волокон, по меньшей мере часть которых расположена с возможностью контакта с внутренней поверхностью внутренней камеры и ребрами, а элемент из непористого материала установлен в объеме пористой вставки.

18. Нагреватель дизельного топлива,содержащий теплообменник в виде полого корпуса из теплопроводного материала с входным и выходным каналами, расположенными на противоположных сторонах корпуса, внутренней камеры, размещенной в полости корпуса и сообщенной с входным и выходным каналами, а также, по меньшей мере один плоский нагревательный элемент, размещенный на внешней поверхности корпуса, датчик температуры и блок питания с цепью нагрева и цепью управления, причем нагревательный элемент включен в цепь нагрева, а датчик температуры - в цепь управления, отличающийся тем, что, с целью увеличения эффективности путем улучшения защиты от перегрева и интенсификации теплообмена за счет увеличения турбулизэции потока топлива, нагреватель снабжен пористой вставкой из нетеплопроводных волокон, размещенной во внутренней камере с по меньшей мере частичным перекрытием потока топлива, элементом из непористого материала, размещенным в объеме вставки, и цепью защиты от перегрева, электрически связанной с цепью управления блока питания, датчик температуры установлен на внешней поверхности корпуса, а по меньшей мере часть волокон пористой вставки расположена с возможностью контакта с внутренней поверхностью внутренней камеры.

Vf1

i

Использование: устройства подогрева дизельного топлива. Сущность изобретения: устройство для подогрева текучей среды содержит теплообменник 1 с внутренней камерой 5, сообщенной с входным и выходным каналами, плоское нагревательное устройство, установленное на внешней поверхности теплообменника 1, Нагревательное устройство соединено с блоком питания и цепью управления. В о внутренней камере установлена пористая вставка 11, выполненная из нетеплопроводных волокон и ребра. В пористой вставке 11 может быть установлен элемент 12 из непористого материала, Топливо, протекающее через пористую вставку 11, турбулизируется, повышая эффективность теплопередачи от стенок теплообменника. 5 с. п. ф-лы, 13з.п.ф-лы, 10 ил. 1Л

Я

If

Ov

J3

Wl

-ЛЛЛЛЛ- -ЛЛ/VWЛ «

%

/

И

Фиг.З

Фиг.В

Wl

7