Аккумулятор теплоты

 

Изобретение относится к аккумуляторам теплоты и может быть использовано в установках, потребляющих тепловую энергию при неравномерном ее получении или расходовании. Аккумулятор теплоты содержит теплоизолированный корпус с впускной и выпускной трубами, капсулу, выполненную в виде герметичного пространства, образованного поверхностью внутренней и дополнительной соосной стенок и заполненную изменяющим агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур теплоаккумулирующим составом. С целью улучшения удельных теплофизических характеристик и создания универсального аккумулятора теплоты для использования как в системе охлаждения, так и в системе смазки ДВС при его предпусковой подготовке в холодную погоду, впускная и выпускная трубы выполнены удаленными от донной поверхности капсулы на разных расстояниях, причем перпендикулярно продольной оси корпуса на заданном расстоянии друг от друга установлены гидравлические преграды, например, в виде перфорированных дисков, при этом преграды расположены выше (ниже) концевой части впускной (выпускной) трубы, а вся поверхность внутренней стенки корпуса использована для образования капсулы. 2 ил.

Изобретение относится к аккумуляторам теплоты 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 (AT), используемый для предпусковой тепловой подготовки ТС, должен 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; использование сбрасываемой ДВС теплоты для запасания энергии; малое время отдачи тепловой энергии потребителю; высокая надежность работы отдельных элементов и AT в целом; низкая вероятность попадания ТАС в систему охлаждения (смазки);
высокая технологичность изготовления элементов конструкции и сборки AT в заводских условиях;
простота конструкции.

В зависимости от использования AT в конкретной системе ДВС и схемного решения передачи тепла ДВС указанные требования могут значительно изменяться в сторону их сокращения.

Известен аккумулятор теплоты (Патент РФ 2145404), 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, капсулы 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, вход впускной трубы смещен относительно продольной оси корпуса на максимально возможное расстояние.

Данный AT позволяет запасать достаточно большое количество тепловой энергии. При этом скорость отдачи тепла потребителю вполне удовлетворяет для надежного запуска ДВС в холодную погоду. Основным уязвимым элементом подобного AT является капсула с ТАС, изготовляемая из тонкостенной (0,3 мм) трубы малого диаметра (10-12 мм). Увеличение указанных размеров капсулы существенно ухудшает теплофизические характеристики AT. Проблема усугубляется еще и тем, что температура ТАС при работающем ДВС достигает до 100-120^oС, а при неработающем ДВС - до температуры окружающего воздуха, т.е. перепад температур внутри герметичных капсул может достигать до 140-150^oC. Необходимость использования при изготовлении капсул из нержавеющей стали и сложность их заправки с последующей герметизацией значительно удорожают AT. Практическое использование подобных AT с учетом возможности разгерметизации отдельных капсул с вытекающими отсюда последствиями для ДВС становится проблематичным.

Известен аккумулятор теплоты (Патент РФ 2121631, прототип), 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, капсула выполнена в виде герметичного пространства, образованного нижней частью внутренней стенки корпуса и дополнительной 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.

Данный аккумулятор теплоты может найти применение только в системе смазки ДВС и не предназначен для разогрева ДВС, а служит для смазки "теплым" маслом трущихся деталей двигателя. Требуемое количество "теплого" масла для запуска ДВС в холодную погоду намного меньше требуемого количества "горячего" тосола системы охлаждения двигателя, поэтому при прочих равных условиях габариты и вес данного AT меньше аналогичных параметров описанного выше AT.

Существенным недостатком прототипа является то, что он не пригоден для использования в системе охлаждения ДВС при предпусковой подготовке ТС. Кроме того, используемый в прототипе способ вытеснения масла из AT ненадежен, так как давление воздуха внутри AT уменьшается во времени из-за растворения части воздуха в масле. Устранение описанных недостатков возможно только при изменении конструкции AT.

Цель изобретения - улучшение удельных теплофизических характеристик и создание универсального аккумулятора теплоты для использования как в системе охлаждения, так и в системе смазки ДВС при его предпусковой подготовке в холодную погоду.

Указанная цель достигается тем, что в аккумуляторе теплоты, содержащем теплоизолированный путем вакуумирования цилиндрический корпус с входным и выходным отверстиями, к которым подключены впускная и выпускная трубы, капсулу, расположенную между внутренней и внешней стенками корпуса и заполненную изменяющим агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур теплоаккумулирующим составом, при этом внутренняя стенка капсулы совмещена с одной из стенок корпуса, длины впускной и выпускной труб выполнены удаленными от донной поверхности капсулы на разных расстояниях, причем перпендикулярно продольной от корпуса на заданном расстоянии друг от друга установлены гидравлически прозрачные преграды, например, в виде перфорированных дисков, при этом преграды расположены выше (ниже) концевой части впускной (выпускной) трубы, а вся поверхность внутренней стенки корпуса использована для образования капсулы.

Заявляемая конструкция аккумулятора теплоты пояснена на фиг.1 и 2. Конструкция представляет собой цилиндрический корпус 1, теплоизолированный путем вакуумирования между внутренней 2 и внешней 3 стенками корпуса, входное 4 и выходное 5 отверстия, к которым подключены впускная 6 и выпускная 7 трубы, запорные устройства 8 и 9, теплоаккумулирующий состав 10, размещенный в капсуле, выполненной в виде герметичного пространства, образованного всей поверхностью внутренней стенки 2 и дополнительной соосной стенкой, состоящей из цилиндрической 11 и донной 12 частей. Через внешнюю 3 и внутреннюю 2 стенки в капсулу вмонтировано заправочное устройство (на фиг.1 и 2 не показано). В зависимости от рабочего положения AT в соответствии с фиг.1 или 2 трубы 6 и 7 имеют различное устройство, при этом их длины выполнены удаленными от донной поверхности капсулы на разных расстояниях. Допустим AT в рабочем состоянии имеет положение, показанное на фиг. 1. В этом случае впускная труба 6 максимально приближена своей концевой частью к донной поверхности капсулы, а выпускная труба 7 выполнена без удлинения внутрь. Если AT устанавливается на ТС в рабочем положении в соответствии с фиг. 2, то впускная труба 6 выполняется без удлинения внутрь, а выпускная труба 7 максимально приближена своей конечной частью к донной поверхности капсулы. При этом вдоль впускной трубы 6 (фиг.1) перпендикулярно к продольной оси корпуса на заданном расстоянии друг от друга установлены гидравлически прозрачные преграды 13, выполненные в виде перфорированного диска или сетки, причем преграды расположены выше концевой части впускной трубы 6. В другом рабочем положении AT (фиг.2) преграды 13 расположены вдоль выпускной трубы 7. Запорное устройство 9 может в конструкции AT отсутствовать. Вероятность разгерметизации капсулы, определяемая протяженностью сварного шва, практически близка к нулю.

Заявляемая конструкция AT работает следующим образом.

Режим заряда AT. Теплоноситель под давлением начинает поступать в AT и заполняет весь его внутренний объем. Этому способствует определенное расположение впускной и выпускной труб внутри корпуса AT. Далее теплоноситель заданное время циркулирует через AT. Минимальное время циркуляции теплоносителя через AT определяется временем разогрева твердого ТАС, его полного расплавления и доведения температуры жидкого ТАС до температуры теплоносителя. На всех этапах заряда AT происходит запасание тепловой энергии.

Режим хранения "горячего" теплоносителя (масла). Основной задачей AT является удержание температуры теплоносителя на требуемом уровне, например на уровне температуры плавления ТАС. В предлагаемом техническом решении эта задача решена за счет применения специального теплоаккумулирующего состава с высокими теплофизическими характеристиками. В процессе хранения температура теплоносителя (масла) сначала медленно уменьшается. Скорость изменения температуры в основном зависит от качества вакуумной изоляции AT. Затем при достижении температуры затвердевания ТАС температура теплоносителя остается без изменения тем дольше, чем больше масса ТАС. В дальнейшем температура теплоносителя уменьшается, но этот процесс относится к нерабочему режиму AT. Длительность рабочего режима в зависимости от параметров AT может составлять более 24 часов, что вполне приемлемо для использования его на ТС для предпусковой подготовки в холодную погоду.

Режим разряда AT. В этом режиме теплоноситель вытекает из AT, имея рабочую температуру. За счет применения специальных гидравлически прозрачных преград и их размещения определенным образом (на заданном расстоянии друг от друга и выше (ниже) впускной (выпускной) трубы) сначала из AT вытекает только горячий теплоноситель, поскольку в этом случае не происходит смешивания жидкостей, имеющих разные значения температуры. Этому способствует дополнительно то, что выпускная труба всегда выше по уровню, чем впускная труба, а при медленном ламинарном течении жидкости ее холодная компонента стремится вниз, а горячая - вверх.

Увеличение теплофизических характеристик (удельных) в предлагаемом техническом решении достигнуто за счет использования всей поверхности внутренней стенки корпуса для образования капсулы, т.е. при прочих равных условиях масса теплоаккумулирующего состава значительно больше. Кроме того, обеспечение циркуляции теплоносителя вдоль всей поверхности внутреннего объема AT способствует надежному теплообмену между ТАС и теплоносителем.

Использование гидравлических преград и их размещение определенным образом вдоль впускной (выпускной) трубы позволяют практически не смешивать жидкости разной температуры между собой, что очень важно при использовании AT на транспортном средстве.

Предлагаемое устройство может быть использовано как в системе охлаждения ДВС, так и в системе смазки, т.е. оно является универсальным с точки зрения использования на ТС для предпусковой подготовки.

Примером использования AT на ТС может быть следующая схема его подключения и эксплуатации. При движении автомобиля тосол системы охлаждения циркулирует через AT и его заряжает. Во время стоянки автомобиля на стоянке запасенная тепловая энергия сохраняется в допустимых пределах. При запуске ДВС в холодную погоду предварительно с помощью электрического насоса "горячий" тосол подается в систему охлаждения. Причем время работы насоса выбирается таким, чтобы из AT вытекал "горячий" тосол, а на его место втекал "холодный" тосол, при этом не происходило их смешивание. В этом случае достигается наибольший эффект разогрева ДВС. Таким образом, в заявляемой конструкции достигается улучшение теплофизических характеристик AT и универсальность его применения на ТС как в системе охлаждения, так и в системе смазки.

Формула изобретения

Аккумулятор теплоты, содержащий теплоизолированный путем вакуумирования цилиндрический корпус с входным и выходным отверстиями, к которым подключены впускная и выпускная трубы, капсулу, выполненную в виде герметичного пространства, образованного поверхностью внутренней стенки корпуса и дополнительной соосной стенкой, состоящей из цилиндрической и донной частей, и заполненную изменяющим агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур теплоаккумулирующим составом, отличающийся тем, что длины впускной и выпускной труб выполнены удаленными от донной поверхности капсулы на разных расстояниях, причем перпендикулярно продольной оси корпуса на заданном расстоянии друг от друга установлены гидравлические преграды, например, в виде перфорированных дисков, при этом преграды расположены выше (ниже) концевой части впускной (выпускной) трубы, а вся поверхность внутренней стенки корпуса использована для образования капсулы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2