Устройство для утилизации и накопления тепловой энергии

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено в установках с переменным объемным расходом горячих газов, в частности в двигателях внутреннего сгорания для утилизации и накопления теплоты отработавших газов. Устройство включает теплоизолированный корпус с входными и выходными патрубками горячего и холодного теплоносителя, теплообменник с выполненной внутри перегородкой, делящей его на две неравные части, коллектор подвода горячих газов, выполненный разветвленным, где один патрубок подводит газы к левой части, а второй - к правой, причем патрубок имеет дополнительный трубопровод отвода газов, отделенный саморегулирующей заслонкой, что позволяет сохранять требуемую скорость движения газов, сохраняя тем самым расчетный коэффициент теплопередачи, поверхность теплообмена при этом не меняется. В зависимости от расхода газов, противодавления на входе в утилизационное устройство, саморегулирующая заслонка изменяет направление движения газов и устройство работает либо как одноходовой, либо как двухходовой теплообменник. Таким образом, данное устройство для утилизации и накопления тепловой энергии повышает эффективность работы утилизационного оборудования на переменных режимах работы двигателей внутреннего сгорания. 1 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам для утилизации и накопления тепловой энергии от горячих газов. Преимущественное применение данного изобретения - в установках с переменным объемным расходом горячих газов, в частности в двигателях внутреннего сгорания для утилизации и накопления тепловой энергии отработавших газов.

Наиболее близким аналогом является устройство для облегчения запуска силовых установок (а.с. SU N 420663 A), где в теплоизолированном корпусе устройства смонтированы термоэлементы, выполненные по принципу труба в трубе, а межтрубное пространство заполнено теплоаккумулирующим материалом, претерпевающим фазовый переход при теплообмене с теплоносителем. Такое устройство сначала накапливает тепловую энергию отработавших газов, а затем отдает накопленную энергию другому теплоносителю (вода системы охлаждения двигателя) для разогрева двигателя с целью облегчения его запуска при низких температурах окружающей среды. Данное устройство позволяет с наибольшей эффективностью утилизировать и накапливать тепловую энергию отработавших газов только на расчетных и близких к ним режимах работы двигателя, например, на номинальной и близкой к ней нагрузках и значительно снижается эффективность работы такого устройства на нерасчетных режимах, например, при работе на долевых нагрузках. Это вызвано тем, что на долевых нагрузках существенно уменьшается объемный расход газов и скорость их движения, что приводит к значительному снижению коэффициента теплопередачи. Задачей изобретения является обеспечение возможности утилизировать и накапливать тепловую энергию, не снижая эффективности накопления теплоты для последующей утилизации при уменьшении объемного расхода горячего теплоносителя. Поставленная задача решается за счет того, что в теплоизолированном корпусе выполнены два трубных пучка, один образует газовый контур, второй - водяной контур, а межтрубное пространство заполнено теплоаккумулирующим материалом. При этом газовый контур перегородкой разделен на две части левую (I) и правую (II), что позволяет при больших объемных расходах газов работать по одноходовой схеме, а при малых объемных расходах газов по двухходовой, причем левая его часть по величине проходного сечения и поверхности теплообмена больше правой, поскольку во втором заходе при охлаждении газов по двухходовой схеме имеет место уменьшение объемного расхода газов. Коллектор подвода горячего теплоносителя выполнен разветвленным, один из патрубков соединен с левой (I) частью устройства, а второй с правой (II) частью устройства. На патрубке подвода газов к правой части устройства выполнен дополнительный трубопровод, разделенный саморегулирующей заслонкой, которая может перекрывать патрубок подвода горячих газов или дополнительный трубопровод, в зависимости от объемного расхода газов, изменяя тем самым схему работы утилизационного устройства. При закрытом правом патрубке подвода газов утилизационное устройство работает как двухходовой теплообменник, а при закрытом дополнительном трубопроводе - как одноходовой теплообменник. Синхронно с этой заслонкой работает заслонка, установленная в выпускном коллекторе. При закрытом правом патрубке подвода газов она закрыта, а при закрытом дополнительном трубопроводе - открыта. Новым в заявляемом изобретении является наличие перегородки в корпусе устройства, а также выполненный разветвленным коллектор подвода горячих газов, имеющий два подводящих патрубка и дополнительный трубопровод, разделенный от подводящих патрубков саморегулирующей заслонкой, в выходном коллекторе также устанавливается заслонка.

Данные технические решения не выявлены из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Заявляемое изобретение поясняется чертежом, где изображена конструкция устройства для утилизации и накопления тепловой энергии, состоящего из корпуса 1 с трубками газового контура 2 и трубками водяного контура 3, межтрубное пространство заполнено теплоаккумулирующим материалом 4. В корпусе имеется перегородка 5, образующая две полости I и II, к которым подходят патрубки коллектора подвода газов 6, кроме этого, на правом патрубке коллектора подвода газов выполнен дополнительный трубопровод отвода газов 7, разделенный посредством саморегулирующей заслонки 8, которая соединяется посредством тяги 9 с заслонкой 10, выполненной в коллекторе отвода газов 11. Трубки водяного контура имеют подводящий 12 и отводящий 13 патрубки. Корпус устройства изолирован теплоизоляционным слоем 14.

Принцип работы. При работе двигателя внутреннего сгорания с малым объемным расходом газов они поступают в коллектор подвода газов 6, при этом саморегулирующая заслонка 8 находится в закрытом положении (А). Газы проходят в левую часть (I) утилизационного устройства, в сборном коллекторе 11 заслонка 10 (работающая синхронно с заслонкой 8 посредством тяги 9) также находится в закрытом положении (А), поэтому газы следуют в правую часть (II) устройства и удаляются через дополнительный трубопровод отвода газов 7. Таким образом, теплоутилизационное устройство в данном случае работает как двухходовой теплообменный аппарат и процесс отбора теплоты происходит эффективнее за счет увеличения времени нахождения газов в теплообменнике и увеличения коэффициента теплопередачи за счет увеличения скорости движения газов, режим движения газов турбулентный. Таким образом, без увеличения поверхности теплообмена улучшается теплопередача при небольших объемных расходах газов. В случае увеличения объемного расхода газов (нагрузки на двигатель или частоты вращения) возрастает скорость их движения, это приводит к росту сопротивления на входе в устройство, следовательно, повышается давление газов в коллекторе подвода газов 6 и под действием давления газов срабатывает саморегулирующая заслонка 8, становясь в открытое положение (В), закрывая при этом дополнительный трубопровод 7. Заслонка 10 синхронно (посредством тяги 9) становится в открытое положение (B), вследствие этого газы одновременно поступают в обе части (I) и (II) теплоутилизационного устройства, давление газа снижается и сопротивление на входе в него уменьшается. Выпуск газов осуществляется через сборный коллектор отвода газов 11. Отбор теплоты в теплообменном аппарате происходит от горячего газа в трубках газового контура 2 к теплоаккумулирующему материалу 4, например, бинарная солевая эвтектическая смесь KNO₃ - LiNO₃, а от него к воде в трубках водяного контура 3. Вода в устройство подводится по патрубку 12 и отводится по патрубку 13, газы поступают в коллектор подвода 6 и удаляются из системы при открытом регулирующем устройстве 10 (положение B) по трубопроводу 11, при закрытом регулирующем устройстве 10 (положение A) по дополнительному трубопроводу 7. Для уменьшения теплопотерь и сохранения тепловой энергии корпус устройства оборудован теплоизоляцией 14.

Данное техническое решение позволяет улучшить процессы передачи теплоты от горячих газов за счет увеличения коэффициента теплопередачи при работе с малыми объемными расходами.

Формула изобретения

Устройство для утилизации и накопления тепловой энергии, содержащее теплоизолированный корпус с входными и выходными патрубками горячего и холодного теплоносителя, теплообменник, состоящий из двух пучков труб с образованием межтрубного пространства, отличающееся тем, что в корпусе аппарата выполнена перегородка, делящая теплообменник на две части, причем левая его часть больше правой; коллектор подвода горячих газов выполнен разветвленным, один из патрубков подводит газы к левой (I) части устройства, а второй патрубок - к правой (II) части, имеющей дополнительный трубопровод отвода газов, отделенный от него саморегулирующей заслонкой, которая жестко закреплена с заслонкой, установленной в выпускном коллекторе.

РИСУНКИ

Рисунок 1