Отопитель, в частности, для автомобиля
Настоящее изобретение относится к области машиностроения, к отопителям, в частности, для автомобиля. Отопитель, в частности, для автомобиля содержит зону камеры сгорания для сжигания топлива и для образования горячих продуктов сгорания, трубчатый направляющий элемент для продуктов сгорания с входной концевой зоной, в которой покидающие камеру сгорания продукты сгорания поступают в направляющий элемент, и с выходной концевой зоной, в которой, по меньшей мере, часть продуктов сгорания выходит из направляющего элемента, теплообменник, который вместе с направляющим элементом для продуктов сгорания ограничивает теплопередающее обтекаемое пространство и выполнен, в основном, чашеобразным с периферийной зоной, охватывающей снаружи направляющий элемент для продуктов сгорания, и с зоной дна, следующей за выходной концевой зоной в направлении продольной оси (L) направляющего элемента для продуктов сгорания. Трубчатый направляющий элемент для продуктов сгорания закрыт в своей выходной концевой зоне в направлении продольной оси (L) стенкой дна и имеет несколько выходных отверстий для выхода продуктов сгорания из направляющего элемента в теплопередающее обтекаемое пространство. Технический результат - обеспечение улучшенного переноса тепла, транспортируемого продуктами сгорания на нагреваемую среду, при компактной конструктивной высоте. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.
Настоящее изобретение относится к отопителю, в частности, для автомобиля, который может быть использован, например, в качестве отопителя при неработающем двигателе или дополнительного отопителя, для образования горячих продуктов сгорания за счет сжигания, как правило, жидкого топлива и воздуха для горения и переноса в теплообменнике транспортируемого этими продуктами сгорания тепла на нагреваемую среду, т.е., например, направляемый в салон автомобиля воздух или жидкую среду.
При разработке подобных отопителей, как правило, из-за проблем с конструктивным пространством все больше выдвигающихся на передний план в современных автомобилях, существует тенденция к уменьшению всего объема. Тот участок пространства, где происходит процесс горения, в отношении образования горючей смеси и протекания процесса горения оптимизирован настолько, что процесс горения может протекать там в сравнительно маленьком пространстве. Горячие продукты сгорания, попадающие в направляющий элемент для продуктов сгорания, называемый, в целом, жаровой трубой, как правило, еще неполностью сгорели из-за уменьшения объема камеры сгорания. Часть реакции горения будет происходить, следовательно, в жаровой трубе при протекании через нее. Это означает, что горение переместится в зону жаровой трубы.
Продукты сгорания выходят, как правило, из открытого конца выполненной трубчатой или, как правило, цилиндрической жаровой трубы и поступают там в зону дна выполненного, как правило, чашеобразным и окружающего жаровую трубу теплообменника. Из-за того факта, что горение будет происходить также в зоне жаровой трубы при протекании через нее, горение подступает, таким образом, также ближе к зоне дна теплообменника, вследствие чего даже при попадании на стенку дна полного сгорания еще не произошло, а за счет спонтанного охлаждения и не произойдет. Следствием этого является повышенный выброс СО.
Другая проблема у подобных отопителей заключается в том, что из-за требуемого высокого кпд и также требуемой номинальной мощности приходится оптимизировать и теплоперенос с горячих продуктов сгорания на теплообменник. Предусмотренные для этого геометрические соотношения приводят к тому, что также вентилятор, который гонит как воздух для горения, так и продукты сгорания, сильнее нагружается возникающим большим падением давления, что обусловлено конструкцией.
Традиционное выполнение жаровой трубы, которая в своей выходной концевой зоне открыта, а в остальном представляет собой в основном закрытую цилиндрическую деталь, вызывает далее ту проблему, что выходящие из жаровой трубы продукты сгорания, отклоненные в зоне дна теплообменника и протекающие тогда между жаровой трубой и периферийной зоной теплообменника, образуют многослойное течение, у которого слой, который течет вдоль поверхности периферийной зоны теплообменника, может сравнительно хорошо переносить свое тепло на теплообменник, тогда как слой течения, который течет вдоль наружной поверхности жаровой трубы, меньше способствует теплопереносу на теплообменник. Поскольку выход из образованной между жаровой трубой и теплообменником зоны объема происходит не по всей периферии равномерно, а на предусмотренном в определенной периферийной зоне выходном отверстии, определенные участки этой зоны объема предпочтительно обтекаются, а именно те участки, которые более или менее непосредственно приводят к выходу продуктов сгорания, тогда как другие зоны обтекаются менее эффективно.
Задачей настоящего изобретения является создание отопителя, в частности, для автомобиля, который даже при компактной конструктивной высоте обеспечивает улучшенный перенос тепла, транспортируемого продуктами сгорания на нагреваемую среду.
Согласно изобретению эта задача решается посредством отопителя, в частности, для автомобиля, содержащего:
- зону камеры сгорания для сжигания топлива и для образования горячих продуктов сгорания;
- трубчатый направляющий элемент для продуктов сгорания с входной концевой зоной, в которой покидающие камеру сгорания продукты сгорания попадают в направляющий элемент, и с выходной концевой зоной, в которой, по меньшей мере, часть продуктов сгорания выходит из направляющего элемента;
- теплообменник, который вместе с направляющим элементом для продуктов сгорания ограничивает теплопередающее обтекаемое пространство и выполнен в основном чашеобразным с периферийной зоной, охватывающей снаружи направляющий элемент для продуктов сгорания, и с зоной дна, следующей за выходной концевой зоной в направлении продольной оси направляющего элемента для продуктов сгорания;
причем трубчатый направляющий элемент для продуктов сгорания закрыт в своей выходной концевой зоне в направлении продольной оси стенкой дна и имеет несколько выходных отверстий для выхода продуктов сгорания из направляющего элемента в теплопередающее обтекаемое пространство.
Важное значение при выполнении отопителя согласно изобретению имеет то, что направляющий элемент для продуктов сгорания не открыт, как обычно, в направлении своей продольной оси, а принципиально закрыт или ограничен стенкой. Попадание всего потока продуктов сгорания в зону дна теплообменника можно, таким образом, предотвратить. Выходные отверстия, выполненные в выходной концевой зоне направляющего элемента для продуктов сгорания, обеспечивают тогда определенное распределение потока продуктов сгорания при переходе в теплопередающее обтекаемое пространство и, таким образом, более равномерное и, тем самым, более эффективное обтекание зоны дна и периферийной зоны теплообменника. В частности, переход между зоной внутреннего пространства направляющего элемента для продуктов сгорания и теплопередающим обтекаемым пространством через несколько выходных отверстий вызывает турбулентный переход течения. Это поддерживает, во-первых, еще возможное горение, а, во-вторых, имеет также следствием то, что можно в значительной степени предотвратить образование многослойного течения, как это описано выше.
Для поддержания пространственной равномерности выхода течения предложено выполнение выходных отверстий в стенке дна и/или в периферийной стенке направляющего элемента для продуктов сгорания.
Согласно особенно предпочтительному варианту выполнения изобретения может быть предусмотрено, что образованная всеми выходными отверстиями в выходной концевой зоне общая площадь проходного сечения меньше, чем площадь проходного сечения, образованная трубчатым направляющим элементом для продуктов сгорания. За счет этого достигается ускорение течения продуктов сгорания при протекании через выходные отверстия. Это ускорение поддерживает образование турбулентности и тем самым протекающее, при необходимости, горение.
Для обеспечения как можно более равномерного обтекания теплообменника продуктами сгорания, выходящими из выходной концевой зоны направляющего элемента, на обращенной к теплопередающему обтекаемому пространству стороне периферийной зоны теплообменника расположены теплопередающие ребра, а на окружающем выходную концевую зону участке периферийной зоны не предусмотрены теплопередающие ребра или предусмотрены теплопередающие ребра меньшей высоты. Для этого далее может быть предусмотрено, что в выходной концевой зоне направляющий элемент для продуктов сгорания своей стенкой дна и своей периферийной стенкой ориентирован в основном параллельно зоне дна или периферийной зоне теплообменника.
Для того чтобы, с одной стороны, можно было создать турбулентное течение при переходе в теплопередающее обтекаемое пространство, а, с другой стороны, задавать или влиять на определенное распределение течения в теплопередающем обтекаемом пространстве, далее предложено, что, по меньшей мере, часть выполненных в выходной концевой зоне выходных отверстий имеет разные формы сечения, и/или разные площади проходного сечения, и/или что выходные отверстия в выходной концевой зоне неравномерно распределены в направлении периферии.
Изобретение подробно описано ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
- фиг.1 - продольный разрез основных зон отопителя согласно изобретению;
- фиг.2 - частичное сечение различных компонентов отопителя согласно фиг.1.
На фиг.1 изображен отопитель 10 с его важными для описания изобретения системными зонами. Выполнена зона 12 камеры сгорания, содержащая выполненный, например, чашеобразным корпус 14 с образованной в нем камерой 16 сгорания. Через несколько входных отверстий 18 нагнетаемый вентилятором (не показан) воздух для горения поступает в камеру 16 сгорания. Также необходимое для сгорания топливо может подаваться, например, за счет испарения из пористой испарительной среды (не показана). Процесс горения может быть запущен элементом зажигания (не показан).
Выходящие из камеры 16 сгорания продукты сгорания проходят сначала через жаровую диафрагму 20 и поступают, таким образом, во входную концевую зону 22 действующего в качестве жаровой трубы направляющего элемента 24 для продуктов сгорания. Эта жаровая труба или направляющий элемент 24 для продуктов сгорания, который может быть изготовлен, например, из листовой стали или другого металлического материала, нагревательного керамического материала и т.п., имеет приблизительно цилиндрическую и проходящую в направлении продольной оси L периферийную стенку 26. В выходной концевой зоне 28 эта периферийная стенка 26 переходит в стенку 30 дна, которая завершает или замыкает направляющий элемент 24 в направлении продольной оси L.
Для обеспечения выхода из этой жаровой трубы в выходной концевой зоне 28 продуктов сгорания, покидающих камеру 16 сгорания и протекающих по жаровой трубе приблизительно в направлении продольной оси L, в выходной концевой зоне 28 выполнено несколько выходных отверстий 32. Эти выходные отверстия 32 распределены как по периферийной стенке 26, так и по стенке 30 дна.
Жаровая труба или направляющий элемент 24 для продуктов сгорания окружена или окружен теплообменником 34. Он содержит в соответствии с общеизвестной конструкцией две выполненные приблизительно чашеобразными корпусные детали 36, 38, между которыми заключена зона 40 объема, обтекаемая нагреваемой средой, т.е., например, воздухом или водой. Теплообменник 34 имеет зону 42, в основном образованную периферийными стенками 44, 46 корпусных деталей 36, 38, и зону 48 дна, образованную в основном стенками 50, 52 дна корпусных деталей 36, 38. В своих удаленных от стенок 50, 52 дна концевых зонах обе корпусные детали 36, 38 прочно и герметично соединены между собой в зоне своих периферийных стенок 44, 46. Между жаровой трубой и внутренней корпусной деталью 36 образовано теплопередающее обтекаемое пространство 54. Продукты сгорания, выходящие в выходной концевой зоне 28 из жаровой трубы через выходные отверстия 32, попадают на стенку 50 дна или примыкающий к ней участок периферийной стенки 44 внутренней корпусной детали 36 и отклоняются там так, что они протекают назад на внешней стороне жаровой трубы в теплопередающем обтекаемом пространстве 54 в направлении продукта 26 сгорания. При протекании вдоль внутренней поверхности корпусной детали 36 в теплопередающем обтекаемом пространстве транспортирующие тепло продукты сгорания переносят тепло на корпусную деталь 36, которая, в свою очередь, переносит это тепло на циркулирующую в зоне 40 объема нагреваемую среду.
Из фиг.1 очевидно, что на обращенной к жаровой трубе или обтекаемому пространству 54 стороне периферийной стенки 44 внутренней корпусной детали 36 выполнено несколько проходящих в направлении продольной оси L и распределенных по отношению друг к другу в направлении периферии теплопередающих ребер 58. Они увеличивают поверхность контактирования для теплопереноса. Для обеспечения в выходной концевой зоне 28 жаровой трубы беспрепятственного выхода продуктов сгорания эти теплопередающие ребра 58 заканчиваются перед стенкой 50 дна, так что на участке корпусной детали 36, противоположном выходным отверстиям 32, выполненным в основном в периферийной стенке 26 жаровой трубы, не предусмотрены ребра или предусмотрены ребра меньшей высоты и тем самым на большем расстоянии от жаровой трубы.
За счет выполнения жаровой трубы со стенкой 30 дна, т.е. за счет принципиального замыкания жаровой трубы 24 в направлении ее продольной оси L в выходной концевой зоне, и за счет выполнения множества распределенных выходных отверстий достигаются различные преимущества. Прежде всего гарантировано, что не весь поток горячих продуктов сгорания поступает в зону 48 дна теплообменника 34, т.е. стенку 50 дна внутренней корпусной детали 36. Это приводит к значительной тепловой разгрузке этой зоны теплообменника 34 и к увеличению той поверхности, на которую непосредственно попадают выходящие из жаровой трубы горячие продукты сгорания. Далее за счет выполнения выходных отверстий 32 достигается более сильная турбулентность поступающих в обтекаемое пространство 54 продуктов сгорания. Это может поддерживаться еще и тем, что образованная отверстиями 32 общая площадь проходного сечения меньше, чем площадь прохода, образованная проходным сечением жаровой трубы. За счет этого обеспечиваются ускорение течения проходящих через отверстия 32 продуктов сгорания и еще более сильная турбулентность. Эта турбулентность имеет следствием то, что в случае, когда при выходе из жаровой трубы сгорание еще не полностью завершено, может быть достигнуто усиленное поддержание этого процесса горения, и имеет то преимущество, что образование многослойного течения можно лучше предотвратить. Это сказывается и на дальнейшем течении продуктов сгорания в обтекаемом пространстве 54, так что и там можно сильнее предотвратить многослойное течение. Турбулентность и определенное вытекание из жаровой трубы можно поддержать также за счет того, что отверстия 32 выполняют не с правильным узором и равномерной величины, а, например, более или менее неравномерно распределяют их по периферийной стенке 26 и/или стенке 30 дна. Таким образом, можно одновременно достичь также влияния на предпочтительное направление вытекания или на вытекающее количество. В принципе, существует тенденция того, что продукты сгорания протекают преимущественно в той зоне обтекаемого пространства 54, которая ведет в основном непосредственно в направлении выхода 56. Если же продукты сгорания на фиг.1 усиленно отклоняются вверх, то вынужденным образом достигается также обтекание тех зон объема обтекаемого пространства 54, которые дальше удалены от выхода 56. Поскольку у выполненной согласно изобретению жаровой трубы может быть достигнуто в основном вертикальное обтекание поверхности корпусной детали 36, также за счет этого гарантирован улучшенный теплоперенос на эту корпусную деталь 36.
Поскольку благодаря выполнению согласно изобретению транспортируемое продуктами сгорания тепло может быть с большей эффективностью перенесено на нагреваемую среду, можно, следовательно, принципиально уменьшить и мощность топки в зоне 12 камеры сгорания, что, в свою очередь, приводит к разгрузке находящихся с этим в связи компонентов, например вентилятора, топливоподачи и т.п. Далее благодаря мерам согласно изобретению может быть достигнуто улучшение процесса горения, так что, в принципе, подобный отопитель может эксплуатироваться ближе к идеальному соотношению компонентов горения λ=1. В частности, применение подходящих материалов, например, также для жаровой трубы, как уже упомянутый нагревательный керамический материал (карбид кремния), может, в свою очередь, привести к улучшенной обратной связи теплоизлучения с пламенем и тем самым дальнейшему улучшению результата сгорания.
1. Отопитель, в частности, для автомобиля, содержащий зону (12) камеры сгорания для сжигания топлива и для образования горячих продуктов сгорания, трубчатый направляющий элемент (24) для продуктов сгорания с входной концевой зоной (22), в которой покидающие камеру (16) сгорания продукты сгорания поступают в направляющий элемент (24), и с выходной концевой зоной (28), в которой, по меньшей мере, часть продуктов сгорания выходит из направляющего элемента (24), теплообменник (34), который вместе с направляющим элементом (24) для продуктов сгорания ограничивает теплопередающее обтекаемое пространство (54) и выполнен в основном чашеобразным с периферийной зоной (42), охватывающей снаружи направляющий элемент (24) для продуктов сгорания, и с зоной (48) дна, следующей за выходной концевой зоной (28) в направлении продольной оси (L) направляющего элемента (24) для продуктов сгорания, причем трубчатый направляющий элемент (24) для продуктов сгорания закрыт в своей выходной концевой зоне (28) в направлении продольной оси (L) стенкой (30) дна и имеет несколько выходных отверстий (32) для выхода продуктов сгорания из направляющего элемента (24) в теплопередающее обтекаемое пространство (54).
2. Отопитель по п.1, отличающийся тем, что выходные отверстия (32) выполнены в стенке (30) дна и/или периферийной стенке (26) направляющего элемента (24) для продуктов сгорания.
3. Отопитель по п.1 или 2, отличающийся тем, что образованная всеми выходными отверстиями (32) в выходной концевой зоне (28) общая площадь проходного сечения меньше, чем площадь проходного сечения, образованная трубчатым направляющим элементом (24) для продуктов сгорания.
4. Отопитель по п.1, отличающийся тем, что на обращенной к теплопередающему обтекаемому пространству (54) стороне периферийной зоны (42) теплообменника (34) выполнены теплопередающие ребра (58), при этом на окружающем выходную концевую зону (28) участке периферийной зоны (48) не предусмотрены теплопередающие ребра или предусмотрены теплопередающие ребра меньшей высоты.
5. Отопитель по п.1, отличающийся тем, что в выходной концевой зоне (28) направляющий элемент (24) для продуктов сгорания своей стенкой (36) дна и своей периферийной стенкой (26) позиционирован в основном параллельно зоне (48) дна или периферийной зоне (42) теплообменника (34).
6. Отопитель по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть выполненных в выходной концевой зоне (28) выходных отверстий (32) имеет разные формы сечения и/или разные площади проходного сечения.
7. Отопитель по п.1, отличающийся тем, что выходные отверстия (32) в выходной концевой зоне (28) неравномерно распределены в направлении периферии.
