Система подогрева

 

Использование: в области теплотехники, а более конкретно - в системах подогрева. Сущность изобретения: в систему введены тепловой аккумулятор, нагнетатель-сепаратор с воздуховодами, электрические нагреватели, установленные в воздуховодах и сопряженные с нагнетателем-сепаратором и воздушным трактом вентилятора, первый, второй и третий управляемые коммутаторы, датчик температуры, блок сравнения, задатчик температуры и датчик остановки нагнетателя-сепаратора, при этом выходы датчика и задатчика температуры соединены соответственно с первым и вторым входами блока сравнения, входы электрических нагревателей и электрических двигателей через соответственно первый, третий и второй управляемые коммутаторы соединены с выходом источника питания, вторые входы управляемых коммутаторов соединены с выходом блока сравнения, третий вход первого управляемого коммутатора соединен с выходом датчика остановки нагнетателя-сепаратора, вход которого соединен с выходом нагнетателя-сепаратора, тепловой аккумулятор сопряжен с воздушным трактом вентилятора и посредством газовода соединен со вторым выходом теплообменника. 1 ил.

Изобретение относится к техническим средствам энергетики, а более конкретно, к средствам превращения энергии природных источников в тепловую.

Тепловая энергия используется как в технологических процессах (на производстве), так и для обогрева стационарных помещений, обитаемых отделений (отсеков), палаток, пневмосооружений, транспортных средств и других. В последнем случае обеспечивается жизнедеятельность и здоровье обслуживающего персонала. При этом, чем выше эффективность средств теплообразования, тем лучше условия обитаемости, тем выше производительность труда, тем больше вероятность сохранения здоровья всего личного состава, находящегося в зоне теплообразования.

Известна система подогрева боевой машины (см. например, "Руководство по материальной части и эксплуатации танка Т-55" Воениздат МО СССР, М., 1965,с. 483-602), служащая для разогрева двигателя и обслуживающих его систем перед пуском двигателя. Эта система содержит подогреватель с котлом, камерой сгорания и теплообменником, последовательно соединенные змеевики и полости обогрева, водяной радиатор и водяной насос, соединенный с теплообменником, электродвигатель, источник питания, нагнетатели топлива и воздуха, соединенные с камерой сгорания, свечи подогрева и накаливания, установленные в камере сгорания и соединенные с источником питания.

При работе системы подогрева нагретая в подогревателе жидкость по трубопроводам поступает в змеевики масляных баков и в двигатель, нагревают их и возвращается в подогреватель. Система подогрева применяется перед пуском двигателя при температуре окружающего воздуха от 5^oC и ниже. Недостатком этой системы является ее малая эффективность при обогреве обитаемого отделения машины в зимнее время. При отрицательных температурах окружающего воздуха температура в обитаемом отделении также отрицательна, особенно при стрельбе, то есть при включенных вентиляторах и интенсивной продувке обитаемого отделения.

Известна также система подогрева (см. например, "Танк 72А. Техническое описание и инструкция по эксплуатации". Книга вторая (часть первая). М., Воениздат МО СССР, 1989, с. 363-372), она принята за прототип предлагаемой системы и является ее базовым объектом. Она содержит котел с камерой сгорания и соединенным с ней теплообменником, последовательно соединенные трубопроводами змеевики и полости обогрева, водяной радиатор и водяной насос, выход которого водопроводом соединен с сердцевиной теплообменника, первый и второй электродвигатели, источник питания, нагнетатели топлива и воздуха, соединенные посредством соответственно трубопровода и воздуховода с камерой сгорания, свечи накаливания, установленные в камере сгорания и соединенные через выключатель с источником питания, вентилятор с дефлектором, сопряженные по воздушному тракту с водяным радиатором, при этом вход змеевиков обогрева соединен с первым выходом теплообменника, водяной насос, нагнетатели топлива и воздуха соединены с валом первого электродвигателя, а вентилятор - с валом второго электродвигателя.

В этой системе существенно повышена ее тепловая эффективность (производительность). Благодаря установке второго электродвигателя, вентилятора, дефлектора и водяного радиатора формируется дополнительный тепловой поток, способствующий повышению температуры в обитаемом отделении. Однако в ряде случаев этого бывает недостаточно. Например, при включении вентилятора и низкой температуре окружающего воздуха в обитаемом отделении через несколько минут температура становится отрицательной. В ряде случаев в обитаемом отделении бывает необходимо создавать избыточное давление. Особенно часто это происходит в подвижных транспортных средствах: боевых машинах, медицинских комплексах, вездеходах и т.д. При их движении в зонах с нарушенной экологией, на зараженной местности в обитаемых отделениях устанавливаются фильтровентиляционные установки, нагнетатели-сепараторы, дополнительные вентиляторы и другие. (см.например, "Руководство по материальной части и эксплуатации колесного бронетранспортера ВТР-60ПБ", М. , Воениздат, 1967 г, с. 382-386). Работа этих устройств приводит к дополнительной подаче в обитаемом отделении больших объемов холодного воздуха, что приводит к резкому снижению температуры в них. Резкое снижение температуры особенно опасно для таких обитаемых помещений, в которых находятся раненые, больные, ослабленные люди, такие помещения могут быть в полевых госпиталях, мобильных медицинских комплексах, боевых машинах, бронированных медицинских машинах, геологоразведочных комплексах, вездеходах (особенно работающих в зонах низких температур), резкое снижение температуры в этих условиях может стать причиной заболеваний и даже гибели многих людей. Кроме того, в этом случае резко ухудшаются условия обитаемости экипажей и обслуживающего персонала, снижающие эффективность выполнения ими своих функциональных обязанностей.

С целью устранения отмеченных недостатков, повышения теплопроизводительности системы и улучшения условий обитаемости в нее введены аккумулятор, нагнетатель-сепаратор с воздуховодами, электрические нагреватели, установленные в воздуховодах и сопряженные ими с нагнетателем-сепаратором и воздушным трактом вентилятора, первый, второй и третий управляемые коммутаторы, датчик температуры, блок сравнения, задатчик температуры и датчик остановки нагнетателя- -сепаратора, при этом выходы датчика и задатчика температуры соединены соответственно с первым и вторым входами блока сравнения, входы электрических нагревателей и электрических двигателей через соответственно первый, третий и второй управляемые коммутаторы соединены с выходом источника питания, вторые входы управляемых коммутаторов соединены с выходом блока сравнения, третий вход первого управляемого коммутатора соединен с выходом датчика остановки нагнетателя-сепаратора, вход которого соединен с выходом нагнетателя-сепаратора, тепловой аккумулятор сопряжен с воздушным трактом вентилятора и посредством газовода соединен со вторым выходом теплообменника.

Введение новых элементов и связей позволяет в значительной степени устранить отмеченные недостатки и увеличить теплопроизводительность системы подогрева с подачей тепла именно в обитаемое отделение.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показаны взаимное расположение и связи элементов предлагаемой системы подогрева и приняты следующие обозначения: 1 - датчик остановки нагнетателя-сепаратора (ДО); 2 - первый управляемый коммутатор (УК₁); 3 - блок сравнения (БС); 4 - датчик температуры (ДТ); 5- задатчик температуры (ЗДТ); 6 - нагнетатель-сепаратор (Н-С); 7 - первый воздуховод (ВОЗ₁); 8 - электрический нагнетатель (ЭН); 9 - второй воздуховод (ВОЗ₂); 10 - нагнетатель топлива (НТ); 11 - первый электродвигатель (ЭД₁); 12 - вентилятор (В); 13 - второй электродвигатель (ЭД₂); 14 - второй управляемый коммутатор (УК₂); 15 - дефлектор (ДФ); 16 - нагнетатель воздуха (НВ); 17 - водяной насос (ВН); 18 - водяной радиатор (ВР); 19 - тепловой аккумулятор (ТА); 20 - котел (К); 21- камера сгорания (КС); 22 - теплообменник (ТО); 23 - змеевик обогрева (ЗО); 24 - полость обогрева (ПО); 25 - свечи накаливания (СН); 26 - включатель (ВКЛ); 27 - источник питания (ИП); 28 - третий управляемый коммутатор /УК₃/.

Предлагаемые связи и элементы на рисунке показаны пунктиром. Сплошными линиями изображены связи и элементы прототипа. При этом электрические связи показаны одинарными линиями, топливные трубопроводы - сплошной линией и точками (между блоками 10 и 21), газоходы - двойной пунктирной линией, водяные трубопроводы - двойной линией; сплошной и штрихпунктирной, воздуховоды - двойной сплошной линией. Блоки 21,22 и 25 размещены в одном блоке 20.

Блоки 10-13, 15-18, 20-27 являются штатными блоками системы подогрева прототипа и выполняет те же функции. Нагнетатель топлива 10 предназначен для подачи в камеру сгорания 21 топлива. Он выполнен на основе шестеренчатого топливного насоса, приводимого во вращение первым электродвигателем 11. Нагнетатель воздуха 16 служит для подачи в камеру сгорания 21 воздуха. Он выполнен на основе центробежного вентилятора, приводимого во вращение также первым электродвигателем 11. Водяной центробежный насос 17 предназначен для обеспечения циркуляции охлаждающей жидкости по обогреваемым магистралям силовой установки / змеевики 23 и полости 24 обогрева/. Водяной насос приводится во вращение также первым электродвигателем 11. Водяной радиатор 18 совместно с дефлектором 15, вентилятором 12 и водяным электродвигателем 13 представляет собой обогреватель обитаемого отделения и служит для подогрева в нем воздуха, радиатор 18 - трубчато-пластинчатого типа обеспечивает подогрев воздуха в обитаемом отделении с помощью горячей жидкости, циркулирующей через него как при работе двигателя, так и при работе подогревателя. Дефлектор 15 служит для направления потока воздуха через радиатор 18 и защиты крыльчатки вентилятора 12. Котел 20 содержит камеру сгорания 21 и теплообменник 22, соединенные между собой шпильками. Между уплотняющими плоскостями фланцев устанавливается жаростойкая прокладка: в резьбовом отверстии камеры сгорания устанавливается форсунка центробежного типа, обеспечивающая подачу распыленного воздуха в камеру сгорания, теплообменник 22 пластинчатого типа состоит из наружного кожуха и сердцевины /из штампованных пластин, собранных попарно в секцию/. Каналы, образованные между пластинами секций, и полость между кожухом и сердцевиной котла представляет собой тракт для циркуляции охлаждающей жидкости. Внутренние полости камеры сгорания и выпускной патрубок образуют газовый тракт. Свечи накаливания 25 служат для подогрева и зажигания горючей смеси в камере сгорания 21 при пуске котла 20. Они установлены в резьбовые отверстия камеры сгорания. Свеча накаливания состоит из корпуса, стержня, спирали накаливания, слюдяных прокладок и асбестового уплотнения. Питание свечи осуществляется от источника питания 27 через включатель 26.

Блоки 1-9, 19,28, являются новыми, датчик остановки нагнетателя-сепаратора 1 выполнен на основе тахогенератора (см. например, В.В. Корнеев и др. "Основы автоматики и танковые автоматические системы", М., ВА БТВ, 1976 г., с. 148-154). При работающем нагнетателе-сепараторе 6 тахогенератор датчика 1 вращается и на выходе датчика формируется сигнал, подаваемый затем на вход блока 2. При неработающем нагнетателе - сепараторе 6 на выходе блока 1 сигнал отсутствует, первый управляемый коммутатор 2 в обычном состоянии выключен. Управляемые входы его связаны с блоками 1 и 3. Во включенном положении он обеспечивает подачу питания с источника питания 27 на электронагреватель 8. При подаче управляющего сигнала с выхода блока 1 первый управляемый коммутатор 2 включается, а при подаче управляемого сигнала с выхода блока 3 - выключается. Блок сравнения 3 выполнен на основе мостовой электрической цепи (см. например, Н.Н.Иващенко, "Автоматическое регулирование", М., Машиностроение, 1978, с. 77) и обеспечивает сравнение заданной температуры с реальной в обитаемом отделении. Если реальная температура в обитаемом отделении ниже заданной, то на выходе блока сравнения 3 сигнал отсутствует, а если выше, то на его выходе формируется сигнал, который затем подается на управляемый вход первого управляемого коммутатора 2, датчик температуры 4 обеспечивает измерение температуры в обитаемом отделении. Его конструктивное исполнение не является принципиальным, однако информация об измеренной температуре формируется в виде электрического сигнала, подаваемого на вход блока сравнения 3 /см. например, Н.Н.Иващенко, "Автоматическое регулирование", М., Машиностроение, 1978, с. 94-97/. Задатчик температуры 5 обеспечивает задание требуемого температурного уровня в обитаемом отделении. Конструктивно выполнен в виде делителя напряжения /см., например, под ред. Белоновского А.С., "Электроавтоматика и электрооборудование танков", часть 1, М., ВАБТВ, 1964, с. 24/, магазина сопротивления или регулируемого сопротивления /см. там же, с. 20-28/, подключенных к источнику питания 27 или бортовой сети подвижного объекта /на рисунке не показано/. Нагнетатель-сепаратор 6 предназначен для создания избыточного давления в обитаемом отделении и для фильтрации нагнетаемого воздуха, если обитаемое отделение находится в зоне с нарушенной экологией, например, в зараженной радиоактивными или отравляющими веществами зоне, если в обитаемом отделении появились выхлопные или пороховые газы, что может быть при стрельбе из боевых машин /особенно из орудийных установок/, при отоплении обитаемых отделений /палаток, пневмосооружений, машин и т.д./ бензиновыми или дизельными отопительными. Нагнетатель-сепаратор представляет собой воздушный насос центробежного типа с инерционной очисткой воздуха, такие нагнетатели нашли широкое распространение на боевых машинах /см. например, "Руководство по материальной части" и эксплуатации колесного бронетранспортера БТР-60 ПБ", М., Воениздат 1967, с. 382-386/. Они, как правило, состоят из корпуса с кольцом очистки воздуха, ротора в сборе, электродвигателя с крыльчаткой, заборного патрубка, приемного патрубка с механизмом закрывания клапана и выпускного патрубка с механизмом выпускного клапана. Первый 7 и второй 9 воздуховоды обеспечивают направленность и собранность движения воздуха, а также размещение электронагревателей 8 в них, такое исполнение обеспечивает высокую эффективность использования электронагревателей 8. Воздуховоды, как правило, выполняются из металла /жести/, произвольной формы, обеспечивающей удобство функционирования в обитаемом помещении как оборудования, так и обслуживающего персонала. В стационарных помещениях воздуховоды могут быть и тканевые. Располагаются воздуховоды в обитаемом отделении таким образом, чтобы выход второго воздуховода сопрягался с воздушным каналом вентилятора 12 и был направлен на водяной радиатор 18, такое размещение обеспечивает наиболее эффективный нагрев воздуха, поступающего через нагнетатель-сепаратор 6. Тепловой аккумулятор 19 предназначен для утилизации тепла горячих газов, выбрасываемых из газового тракта после теплообменника в атмосферу. Для этого выпускной патрубок газового тракта, являющийся вторым выходом теплообменника, соединен газоводом со входом теплового аккумулятора, в котором теплоаккумулирующий элемент, например, трансформаторное масло, сопряжен с воздушным трактом вентилятора. Благодаря этому тепло не только аккумулируется, но и передается воздушному потоку, что ускоряет нагрев обитаемого помещения /отделения/. Это особенно эффективно в том случае, если в электронагревателях 8 нагнетаемый воздух не успевает прогреться до заданной температуры. Электронагреватели 8 предназначены для подогрева нагнетаемого через воздуховоды 7 и 9 холодного воздуха. Они установлены в воздуховоды 7 и 9 /для ускорения нагрева воздуха и защиты нагревательных элементов от замыкания/. Электронагреватели трубчатого типа изготовлены из нихромовой спирали. Особенности их конструктивного исполнения широко известны /см. например, Д.А.Лопаев "Электрическая аппаратура бытового назначения", М., "Легкая индустрия", 1977, с. 18-55/. Третий управляемый коммутатор 28 служит для включения первого электродвигателя 11 при соответственно меньшей и большей температуре в обитаемом отделении, чем заданная. Управляемый вход управляемого коммутатора 28 соединен с выходом блока сравнения 3. В нормальном положении третий управляемый коммутатор выключен. При включении системы подогрева он включается вручную, а при достижении заданной температуры под действием сигнала с выхода блока сравнения 3 третий управляемый коммутатор 28 отключается.

Работа предлагаемой системы подогрева происходит следующим образом. Включаются /вручную оператором/ включатель 26, второй 14 и третий 28 управляемые коммутаторы, благодаря чему напряжение от источника питания 27 подается на свечи накаливания 25, первый 11 и второй 13 электродвигатели, свечи накаливания 25 разогреваются и нагревают полость камеры сгорания 21. Первый электродвигатель начинает вращаться и приводит в действие нагнетатели топлива 10, воздуха 16 и водяной насос 17. Второй электродвигатель приводит во вращение вентилятор 12. Нагнетатель топлива 10 подает топливо через сетчатый фильтр и топливный кран /на рисунке не показаны/ в форсунку, которая вводит его в распыленном виде в камеру сгорания 21 котла 20. В камере сгорания топливо, смешиваясь с воздухом, подаваемым вентилятором нагнетателя 16, образует горючую смесь, которая подогревается и воспламеняется свечами накаливания, а затем, сгорая, нагревает жидкость, циркулирующую в жидкостном тракте теплообменника 22. /При установившейся устойчивой работе камеры сгорания 21 свечи накаливания отключаются/. Нагретая жидкость водяным насосом 17 через змеевик обогрева 23 и полости обогрева 24 систем двигателя поступает в водяной радиатор 18 и далее через водяной насос возвращается в теплообменник 22. Горячие газы, отдав часть тепла для нагрева жидкости в теплообменнике 22, поступают в тепловой аккумулятор 19, а не выбрасывается в атмосферу, как в прототипе. После отдачи тепла в теплообменнике газы выбрасываются в атмосферу. Вентилятор 12 прогоняет воздух через дефлектор 15 и водяной радиатор 18, благодаря чему воздух, соприкасаясь с нагретыми трубками и пластинками водяного радиатора и теплового аккумулятора, значительно нагревается и температура в обитаемом отделении повышается. Если появляется необходимость создания в обитаемом отделении избыточного давления, то включается нагнетатель-сепаратор 6, который одновременно обеспечивает и фильтрацию нагнетаемого воздуха. Воздух, поступающий через впускной клапан в приемный патрубок, попадает в пространство между ротором и корпусом и раскручивается лопатками ротора, находящиеся в нем тяжелые частички под воздействие центробежной силы отбрасываются к периферии и через окна в кольце очистки воздуха выбрасываются наружу через выпускной патрубок и клапан выброса пыли. Включается нагнетатель-сепаратор только при открытых воздушных впускном и выпускном клапанах. Если температура окружающего воздуха существенно ниже, чем в обитаемом отделении, то необходимо включить электронагреватели 8 путем включения /вручную/ первого управляемого коммутатора 2. Благодаря этому питание на электронагревателе 8 подается с источника питания 27. Электронагреватели разогреваются и обеспечивают нагрев воздуха нагнетателем-сепаратором через воздуховоды 7 и 9. Использование электронагревателей, а не воздушных радиаторов, аналогичных водяному радиатору 18, объясняется тем, что при одинаковых условиях нагрев воздуха происходит значительно быстрей, так как температура электронагревателей не ограничивается температурой кипения воды, как у водяных радиаторов, включение электронагревателей возможно и эффективно в любой момент, а водяных радиаторов - лишь при температуре подогреваемой жидкости не ниже 80^oC /см. например, прототип/. Кроме того, в стесненных условиях обитаемого отделения компактность электронагревателей и удобство их монтажа обеспечивают им значительное преимущество перед водяными радиаторами. При нагреве воздуха в обитаемом отделении до заданной температуры на выходе блока сравнения появляется электрический сигнал, обеспечивающий отключение первым, вторым и третьим управляемыми коммутаторами соответственно электронагревателей 8, второго и третьего электродвигателей. Нагнетатели 10,16 и насос 17 останавливаются. Система подогрева полностью отключается. При возникновении неисправностей в нагнетателе-сепараторе и его остановке на выходе датчика 1 формируется электрический сигнал, подаваемый на вход первого управляемого коммутатора и отключающий электронагреватели 8 независимо от уровня температуры в обитаемом отделении. Это необходимо для исключения перегрева электронагревателей и выхода их из строя при отсутствии охлаждающего воздушного потока в воздуховодах 7 и 9.

При определенном соотношении температур окружающего воздуха и обитаемого отделения включение системы подогрева может происходить не полностью, а частично. Например, могут не включаться электроподогреватели 8. В этом случае подогрев воздуха происходит с помощью водяного радиатора 18 и теплового аккумулятора 19. Или же могут быть отключены свечи накаливания 25 и первый электродвигатель 11. В этом случае исключается из процесса подогрева водяной радиатор 18 и тепловой аккумулятор 19. При частичном включении задействованные элементы работают так же, как описано выше при полном включении.

Возможность изготовления предложенной системы не вызывает сомнений, так как введенные элементы изготавливаются серийно и находят широкое применение как в народном хозяйстве, так и на объектах военной техники.

Таким образом, введение в систему подогрева электронагревателей и теплового аккумулятора, а также обеспечивающих их работу элементов и связей позволяет существенно повысить практически без дополнительных затрат теплопроизводительность систем подогрева особенно используемых на транспортных средствах / до 260%/, так как и энергия источника питания и тепло горячих газов после теплообменников остаются, как правило, невостребованными либо полностью, либо частично. Например, на марше боевых машин системы вооружения /основной потребитель энергии/ не включаются, а электрический генератор работает и может отдавать полную мощность /до 20 кВт/. Тепловая энергия горячих газов после теплообменника в прототипе не использовалась совсем, а в предложенной системе эта энергия утилизируется.

Кроме того, конструктивное размещение электронагревателей в воздуховодах позволило, с одной стороны, сэкономить крепежный и защитный материал, а с другой - благодаря охлаждающему действию нагнетаемого воздуха - повысить температуру нагрева электронагревателей, без снижения их надежности.

Формула изобретения

Система подогрева, содержащая котел с камерой сгорания и соединенным с ней теплообменником, последовательно соединенные трубопроводами змеевики и полости обогрева, водяной радиатор и водяной насос, выход которого водопроводом соединен с сердцевиной теплообменника, первый и второй электродвигатели, источник питания, нагнетатели топлива и воздуха, соединенные посредством соответственно трубопровода и воздуховода с камерой сгорания, свечи накаливания, установленные в камере сгорания и соединенные через включатель с источником питания, вентилятор с дефлектором, сопряженные по воздушному тракту с водяным радиатором, при этом вход змеевиков обогрева соединен с первым выходом теплообменника, водяной насос, нагнетатели топлива и воздуха соединены с валом первого электродвигателя, а вентилятор с валом второго электродвигателя, отличающаяся тем, что введены тепловой аккумулятор, нагнетатель-сепаратор с воздуховодами, электрические нагреватели, установленные в воздуховодах и сопряженные ими с нагнетателем-сепаратором и воздушным трактом вентилятора, первый, второй и третий управляемые коммутаторы, датчик температуры, блок сравнения, задатчик температуры и датчик остановки нагнетателя-сепаратора, при этом выход датчика и задатчика температуры соединены соответственно с первым и вторым входами блока сравнения, входы электрических нагревателей и электрических двигателей через соответственно первый, третий и второй управляемые коммутаторы соединены с выходом источника питания, вторые входы управляемых коммутаторов соединены с выходом блока сравнения, третий вход первого управляемого коммутатора соединен с выходом датчика остановки нагнетателя-сепаратора, вход которого соединен с выходом нагнетателя-сепаратора, тепловой аккумулятор сопряжен с воздушным трактом вентилятора и посредством газовода соединен с вторым выходом теплообменника.

РИСУНКИ

Рисунок 1