УСТРОЙСТВО ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАГРЕВА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ, В ЧАСТНОСТИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ОХЛАЖДАЮЩЕГО АГЕНТА ДВИГАТЕЛЯ СГОРАНИЯ
PRELIMINARY HEATING FLUID MEDIA DEVICE, IN PARTICULARLY FLUID MEDIA OF THE COMBUSTION ENGINE COOLING AGENT

Область техники
[0001] Изобретение относится к устройству нагрева текучей среды, в частности текучей среды двигателя сгорания, в частности охлаждающей текучей среды такого двигателя. Настоящее изобретение также относится к способу нагрева текучей среды для многих применений.
[0002] Текучая среда может представлять собой воду бытового потребления, хлорированную воду, воду/гликоль, углеводороды (дизтопливо, бензин, масло и т.д.), растительные масла (рапсовое), газ в жидком или газообразном состоянии и т.д.
[0003] Примеры применений нагрева многочисленны: в промышленности, в генераторах, на теплоэлектростанциях, в двигателях внутреннего сгорания (бензин, дизтопливо, LPG (сжиженный нефтяной газ) и т.д.), в бассейнах, спа, для получения горячей воды, аквариумах, прудах и т.д.
Предшествующий уровень техники
[0004] Двигатели аварийных генераторов (в больницах, компаниях и т.д.) для немедленного запуска должны храниться при идеальной температуре (±40°C), чтобы в случае сбоя энергоснабжения обеспечить подачу электричества в течение нескольких секунд.
[0005] Двигатели аварийных транспортных средств (автомобилей скорой помощи, пожарных экипажей и т.д.) должны прогреваться заранее, чтобы обеспечить немедленный запуск при лучших условиях для обеспечения их приведения в действие.
[0006] Двигатели пассажирских автомобилей также могу прогреваться перед запуском не только для запуска в хороших условиях, но также и для повышения комфорта пассажира благодаря непосредственному прогреву салона с обдутыми и обогретыми окнами. Многочисленные исследования показали благоприятный эффект снижения расхода топлива, а также снижения уровня загрязнения при запуске с использованием нагревателя.
[0007] Производители предлагают коммерческие нагреватели с внешними источниками питания, которые работают по принципу термосифона. Нагревательный элемент непосредственно погружен в нагревательный прибор или в водяные полости двигателя и, следовательно, непосредственно контактирует с текучей средой. Чтобы уменьшить его размер, относительно повышают удельную нагрузку на 1 см², и потому его надежность с течением времени уменьшается. Его производительность очень низкая, и расположение на контуре не создает хороших условий для циркуляции тепла. Больше чем за десять лет автомобилисты существенно изменили конструкцию водяных полостей в двигателях, и стало трудно размещать нагреватели этого типа, потому что эта конфигурация не позволяет создавать эффективную циркуляцию по принципу термосифона и должным образом и равномерно нагревать двигатели.
[0008] Другие предлагают устройства с циркуляционным насосом. Нагревательный элемент (подлежащий погружению) также непосредственно погружен в воду. КПД существенно выше, чем в процессе с термосифоном. Однако необходимое пространство все равно слишком большое, чтобы сделать возможным простое размещение в среднегабаритных транспортных средствах (пассажирских автомобилях, автомобилях скорой помощи, грузовиках и т.д.). Кроме того, широко используемые насосы должны размещаться горизонтально, что еще больше сокращает возможности размещения под капотом. Единственной возможностью было бы уменьшить общий размер таких устройств, уменьшив длину нагревательного элемента. Это решение негативно отразилось бы на надежности, потому что оно не соответствовало бы стандартам обычно предоставляемых производителями для максимальной нагрузки нагревательных элементов для этого типа текучей среды. Это привело бы к закипанию текучей среды в нагревательном элементе, что вызвало бы разрушение его кожуха, и затем это разрушение привело бы к преждевременной порче элемента.
[0009] Патентный документ WO 2011/016763 A1 раскрывает устройство для предварительного нагрева охлаждающего агента двигателя сгорания. Оно, в общем, содержит основное тело с внутренним объемом, впускное отверстие, выпускное отверстие и нагревательный элемент, расположенный во внутреннем объеме основного тела. Сам нагревательный прибор имеет внутренний объем, в котором расположены один или несколько электрических резисторов PTC-типа с положительным температурным коэффициентом (PTC означает «положительный температурный коэффициент»). Устройство предварительного нагрева обладает тем преимуществом, что имеет довольно простую конструкцию. Однако тепловое соединение между резисторами и текучей средой не является оптимальным. Кроме того, значительная часть энергии из основного прибора уходит в атмосферу. Поэтому тепловая эффективность этого устройства не является оптимальной. По всей видимости, это устройство работает по принципу термосифона, что ограничивает производительность нагрева.
[0010] Патентный документ DE 102 58 257 A1 также раскрывает устройство для предварительного нагрева текучей среды двигателя сгорания, такой как топливо, смазка или охлаждающий агент. Оно, в общем, содержит удлиненное основное тело с фиксирующим фланцем. Основное тело предназначено для погружения в текучую среду, а фланец обеспечивает плотное примыкание к стенке. Основное тело содержит несколько деталей, в том числе раму, проводящий лист и нагревательные элементы, принадлежащие к типу положительного температурного коэффициента, PTC, (PTC - сокращенно «положительный температурный коэффициент»). Это устройство предварительного нагрева обладает тем же недостатком, что и устройство из упомянутого выше документа, т.е. тепловой контакт между нагревательными элементами и текучей средой не оптимизирован. По всей видимости, это устройство работает по принципу термосифона, что ограничивает производительность нагрева.
[0011] Патентный документ WO 01/33071 A1 раскрывает способ предварительного нагрева двигателя и устройство для реализации данного способа. Способ, в общем, включает обеспечение такого нагревательного элемента, как резистивный электронагреватель, в емкости, отделенной от двигателя и содержащей охлаждающую текучую среду двигателя. Резистивный электронагреватель спирального типа находится в непосредственном контакте с текучей средой. Прямой контакт нежелателен для определенных применений. Кроме того, общий размер устройства довольно большой и может привести к проблемам с установкой. По всей видимости, это устройство работает по принципу термосифона, что ограничивает производительность нагрева.
[0012] Патентный документ US 4371777 относится к нагревательному прибору текучей среды, образующему U-образный контур и содержащему нагревательные элементы PTC-типа. Они расположены во впадине U-образной формы, причем U-образная форма образована изгибом трубки, обеспеченной двумя сплошными элементами в тесном контакте с трубкой, и между ними расположены PTC-элементы. Альтернативно нагревательный прибор может содержать два сплошных элемента, расположенных один напротив другого посредством уплотнения в канале для текучей среды для обеспечения уплотнения. Кожух состоит из двух частей. Мощность теплового обмена ограничена в этом методе, особенно из-за ограниченного диаметра изогнутой трубки и ограниченного количества нагревательных элементов.
[0013] Патентный документ DE 200 20 347 U показывает нагревательный прибор с прямым каналом для текучей среды и корпусом для керамического нагревательного элемента. Мощность теплового обмена очень ограничена.
[0014] Патентный документ US 7865073 B2 показывает нагревательный прибор, особенно для кофе-машин, с каналом для текучей среды, образованным трубкой, согнутой в форме буквы U, который представляет собой несплошной элемент, в который вставлены две ножки U-образной формы, в которые вставлен один или несколько нагревательных элементов PTC-типа. Мощность теплового обмена ограничена при этом методе, особенно из-за ограниченного диаметра изогнутой трубки и ограниченного количества нагревательных элементов.
Изложение сущности изобретения
Техническая проблема
[0015] Целью изобретения является обеспечение устройства для нагрева текучей среды, которое преодолевает по меньшей мере один из вышеупомянутых недостатков. Точнее целью изобретения является обеспечение устройства нагрева текучей среды, обладающего улучшенной тепловой производительностью и простой и экономичной конструкцией. Точнее изобретение стремится обеспечить компактное устройство нагрева текучей среды с простой и экономичной конструкцией.
Техническое решение
[0016] Изобретение относится к устройству нагрева текучей среды, содержащему: нагревательный прибор с U-образным каналом для текучей среды; и по меньшей мере один электрический резистор, расположенный близко к нагревательному прибору; отличающемуся тем, что нагревательный прибор содержит сплошной элемент внутри указанного прибора с частями канала для текучей среды, соответствующими ножкам U-образной формы.
[0017] Предпочтительно, сплошной элемент содержит также секцию канала для текучей среды, которая соответствует соединению ножек U–образной формы. Согласно преимущественному варианту осуществления изобретения сплошной элемент нагревательного прибора содержит по меньшей мере одну открытую канавку, проходящую вдоль и впереди впадины U-образного канала для текучей среды, при этом предпочтительно сплошной элемент содержит такую канавку на каждой стороне впадины U-образной формы, при этом по меньшей мере в одну канавку входит по меньшей мере один электрический резистор.
[0018] Согласно другому преимущественному варианту осуществления изобретения по меньшей мере один электрический резистор является в целом удлиненным и плоским и, по существу, встроенным по меньшей мере в одну канавку сплошного элемента нагревательного прибора.
[0019] Согласно другому преимущественному варианту осуществления изобретения по меньшей мере одна или несколько канавок имеют прямоугольное поперечное сечение, причем длинная сторона по существу параллельна плоскости U-образной формы, а короткая сторона перпендикулярна плоскости U-образной формы.
[0020] Согласно еще одному преимущественному варианту осуществления изобретения ширина по меньшей мере одной канавки и ширина по меньшей мере одного резистора, размещенного в указанной по меньшей мере одной канавке, составляет от 50% до 150%, предпочтительно от 80% до 120%, более предпочтительно от 90% до 110% ширины впадины.
[0021] Согласно еще одному преимущественному варианту осуществления изобретения ширина впадины в два раза, предпочтительно в три раза, больше среднего диаметра канала для текучей среды.
[0022] Согласно еще одному преимущественному варианту осуществления изобретения нагревательный прибор содержит по меньшей мере одну закрывающую пластину по меньшей мере одной канавки, предназначенную для прикрепления к сплошному телу, причем по меньшей мере одна пластина предпочтительно прикреплена к сплошному телу путем привинчивания.
[0023] Согласно еще одному преимущественному варианту осуществления изобретения U-образный канал образован путем сверления сплошного элемента нагревательного прибора, причем сплошной элемент предпочтительно обеспечен, по меньшей мере, заглушкой, закрывающей по меньшей мере одно из высверленных отверстий.
[0024] Согласно еще одному преимущественному варианту осуществления изобретения по меньшей мере одна заглушка представляет собой гильзу, расположенную в канале для текучей среды.
[0025] Согласно еще одному преимущественному варианту осуществления изобретения впускное отверстие текучей среды в нагревательном приборе находится на свободном конце одной из ножек U-образной формы, и/или выпускное отверстие текучей среды нагревательного прибора находится на свободном конце другой/одной ножки U-образной формы.
[0026] Согласно еще одному преимущественному варианту осуществления изобретения сплошной элемент нагревательного прибора является в целом вытянутым вдоль главного направления, причем указанный элемент предпочтительно имеет форму параллелепипеда.
[0027] Согласно еще одному преимущественному варианту осуществления изобретения контур поперечного сечения сплошного элемента выходит за рамки прямоугольника, включая две части канала для текучей среды, соответствующие ножкам U-образной формы.
[0028] Согласно другому преимущественному варианту осуществления изобретения сплошной элемент выполнен из сплошного материала.
[0029] Согласно еще одному преимущественному варианту осуществления изобретения соотношение между длиной и шириной и/или толщиной сплошного элемента нагревательного прибора составляет больше 2, предпочтительно больше 3, более предпочтительно больше 4.
[0030] Согласно еще одному преимущественному варианту осуществления изобретения по меньшей мере один электрический резистор относится к электрическому резистору типа положительного температурного коэффициента.
[0031] Согласно еще одному преимущественному варианту осуществления изобретения устройство содержит циркуляционный насос, гидравлически соединенный с нагревательным прибором, предпочтительно на выпускном отверстии текучей среды в нагревательном приборе.
[0032] Согласно еще одному преимущественному варианту осуществления изобретения нагревательный прибор покрыт кожухом с тепловой изоляцией.
[0033] Согласно другому преимущественному варианту осуществления изобретения по меньшей мере один электронагреватель не находится в непосредственном контакте с текучей средой.
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
[0034] Согласно еще одному преимущественному варианту осуществления изобретения сплошной элемент нагревательного прибора выполнен из теплопроводного материала, предпочтительно выбранного из следующих материалов: алюминий, латунь, нержавеющая сталь, пластик. Под теплопроводным материалом подразумевается теплопроводность, большая или равная 10 Вт⋅м⋅К, предпочтительно 20 Вт⋅м⋅К, более предпочтительно 50 Вт⋅м⋅К, более предпочтительно 100 Вт⋅м⋅К.
[0035] Согласно другому преимущественному варианту осуществления изобретения сплошной элемент нагревателя является цельным, предпочтительно выполненным из того же материала.
[0036] Изобретение также относится к двигателю сгорания, оснащенному устройством для нагрева охлаждающего агента, отличающемуся тем, что устройство соответствует изобретению.
[0037] Изобретение также относится к способу предварительного нагрева охлаждающего агента двигателя внутреннего сгорания нагревательным устройством, отличающемуся тем, что устройство соответствует изобретению.
Преимущества изобретения
[0038] Этапы изобретения обладают преимуществом оптимизации теплового КПД, в частности путем повышения эффективности теплообмена между нагревательными резисторами и текучей средой, а также путем снижения потерь в атмосферу. Действительно, конструкция нагревательного прибора согласно изобретению делает возможным тесный контакт текучей среды с резисторами и при этом очень компактным образом. Канал для текучей среды может иметь размеры, обеспечивающие большую часть, что дает меньшую потерю давления и повышенный КПД. Открытые канавки нагревательного прибора обеспечивают большую модульность в отношении количества и/или размера электрических резисторов. Эта модульность особенно полезна для адаптации нагревательного устройства к различным применениям. Действительно, на один или несколько резисторов может подаваться напряжение 110 или 230 В  переменного тока (типичного для домашней сети) во время предварительного нагрева двигателя транспортного средства в период стоянки. На один или несколько дополнительных резисторов может подаваться напряжение 12 или 24 В а постоянного тока, создаваемое аккумулятором транспортного средства для продолжения нагрева, когда двигатель работает. Компактная геометрия формы нагревательного прибора позволяет легко обеспечить изоляцию путем оснащения его изолирующим кожухом. Последний может быть выполнен с возможностью снятия, что опять же упрощено за счет оптимизированной формы нагревательного прибора.
Краткое описание графических материалов
[0039] Фиг. 1 представляет собой вид сверху нагревательного устройства текучей среды согласно изобретению.
[0040] Фиг. 2 представляет собой вид сбоку нагревательного устройства согласно фиг. 1.
[0041] Фиг. 3 представляет собой вертикальную проекцию нагревательного устройства согласно фиг. 1.
[0042] Фиг. 4 представляет собой вид справа нагревательного устройства согласно фиг. 1-3, где нагревательный прибор показан без изолирующего кожуха.
[0043] Фиг. 5 соответствует фиг. 1, где нагревательный прибор показан без изолирующего кожуха.
[0044] Фиг. 6 представляет собой вид в разрезе по линии E-E нагревательного прибора устройства, как показано на фиг. 4.
[0045] Фиг. 7 представляет собой вид в разрезе по линии F-F нагревательного прибора устройства, как показано на фиг. 5.
Описание вариантов осуществления
[0046] Устройство нагрева или предварительного нагрева, показанное на фиг. 1–3, в общем содержит нагревательный прибор, окруженный изоляционным кожухом 3, и циркуляционный насос 5. Нагревательный прибор является в целом удлиненным и имеет в целом прямоугольную часть. Он содержит впускное отверстие текучей среды на своем верхнем конце и выпускное отверстие, расположенное на уровне впускного отверстия и расположенное под приблизительно 90°, соединенное непосредственно с циркуляционным насосом 5.
[0047] Фиг. 4-7 иллюстрируют прибор нагревательного устройства без изоляционного кожуха 3. Видно, что он содержит сплошной элемент 2 в целом с прямоугольной частью и проходит по длине. Предпочтительно это блок, выполненный из металлического теплопроводного материала, такого как алюминий. Как ясно видно на фиг. 6 и 7, он содержит высверленные отверстия на большой части своей длины от своей лицевой поверхности почти до своей нижней поверхности, и при этом дважды в двух параллельных направлениях. Таким образом, эти два вертикальных высверленных отверстия расположены рядом с концами прямоугольной части сплошного элемента. Каждое из этих двух высверленных отверстий закрыто соответственной заглушкой, как хорошо видно на фиг. 7. Одна из заглушек представляет собой гильзу, проходящую в образованное таким образом высверленное отверстие. Горизонтальное просверленное отверстие образовано внизу элемента, так чтобы образовать канал между двумя вертикальными высверленными отверстиями. Как видно на фиг. 7, обеспечена заглушка, чтобы закрывать просверленное отверстие на внешней поверхности элемента, так чтобы закрывать отверстие, выполненное между внешней поверхностью и нижним концом соответствующего вертикального высверленного отверстия. Также на фиг. 7 можно наблюдать, что выполнено другое горизонтальное высверленное отверстие, и при этом сверху элемента и приблизительно больше половины ширины элемента, чтобы образовать канал между впускным отверстием текучей среды (расположенным в центральном и высоком положении элемента) и левым вертикальным высверленным отверстием. Также обеспечивается заглушка для закрывания просвета, образованного между данным вертикальным высверленным отверстием и соответствующей внешней поверхностью элемента. Выпускное отверстие обеспечено горизонтальным высверленным отверстием на противоположной стороне, причем высверленное отверстие ограничивается материалом, расположенным между правым вертикальным высверленным отверстием и соответствующей внешней поверхностью элемента.
[0048] Таким образом, описанные выше высверленные отверстия образуют канал для текучей среды в пределах материала элемента, причем указанный канал имеет, по меньшей мере, по существу U-образную форму. Согласно фиг. 6 сплошной элемент 2 содержит углубление на каждой из своих двух основных поверхностях. Оно проходит по большей части длины сплошного элемента, образуя прямоугольный паз для нагревательных элементов 1, принадлежащих к типу положительного температурного коэффициента, PTC. Эти элементы 1 имеют в целом удлиненную и в целом прямоугольную форму и постоянную часть. Каждый из пазов закрыт пластиной, привинченной к элементу. Каждый из нагревательных элементов находится в тесном контакте, по меньшей мере на двух ее основных поверхностях, с материалом сплошного элемента 2. Электрические разъемы нагревательных элементов 1 выступают из нижней поверхности нагревательного прибора.
[0049] Используемые нагревательные элементы принадлежат к типу PTC (положительного температурного коэффициента). Минимальное повышение температуры приводит к значительному повышению сопротивления, ограничивая, таким образом, электрический ток и, следовательно, производимую электроэнергию. Это создает равновесие между тепловым потоком, порождаемым PTC, и тепловыделением в окружающую среду. Если тепловыделение становится более эффективным, это приводит к охлаждению керамического компонента PTC и, в свою очередь, к охлаждению резистивного компонента. Таким образом, электроэнергия повышается до нового равновесного состояния. Поглощенная энергия зависит от температуры окружающей среды, температуры текучей среды и расхода насоса, обеспечивающего циркуляцию текучей среды. Пример: нагревательный элемент PTC с номинальной мощностью 1500 ватт при температуре окружающей среды 20°C при этом для нагрева текучей среды от 0°C необходимая энергия составит: 1700 ватт. Для того же компонента и при тех же условиях расход энергии составит 1300 ватт, чтобы нагреть текучую среду до 60°C. На очень маленькой площади можно позволить существенно увеличить нагрузку на 1 см² без риска перегрева, поскольку этот элемент является саморегулируемым и не находится в непосредственном контакте с текучей средой, подлежащей нагреву.
[0050] Нагревательный элемент PTC может работать всухую без риска поломки, без термостата и средств электрической безопасности, он автоматически стабилизирует свою температуру. Более того, он может работать при подаче разного напряжения и частоты (110-240 В  50/60 Гц).
[0051] Стандартный экранированный нагревательный элемент, как описано выше, без регулирующего термостата нагревается до отключения (поломки). Помимо всех этих благоприятных эффектов, которые обеспечивают PTC-элементы, последние могут выдерживать испытания изоляции на холод и тепло. Экранированный нагревательный элемент, как правило, испытывают в холодных условиях. В условиях жары эти испытания могут привести к рискам разрушения, и эти испытания не особенно рекомендованы производителями.
3
3
[0052] Например, стандартный спиральный нагреватель, предназначенный для контакта с текучей средой и с мощностью 1500 ватт, имеет объем пространства около 165 см. Решение с PTC-элементами имеет около 36 см объема, т.е. получаем почти 80% сокращение объема для той же мощности.
[0053] Нагревательный прибор специально сконструирован, чтобы использовать эту технологию и делать возможным оптимальный теплообмен между нагревательными элементами и подлежащей нагреву текучей средой.
[0054] Конфигурация одного и того же прибора может предусматривать разные нагревательные элементы разной мощности в зависимости от применения. Профиль нагревательного прибора может быть удлиненным для размещения элементов повышенной мощности. Этот прибор может быть выполнен из алюминия, латуни, нержавеющей стали или пластика и т.д., в зависимости от применений. Внешняя изолирующая защита кожуха дополнительно повышает эффективность, снижая потери тепла. Изоляция между нагревательным прибором и этим внешним кожухом дополнительно снижает потери тепла.
[0055] PTC-элементы по своей конструкции обладают максимальным температурным порогом, который устанавливается на заводе во время производства. Нагревательные элементы являются саморегулируемыми, очень энергоэкономичными. Рассеивание энергии варьируется в зависимости от требования заранее определенного температурного порога. Обычно они не требуют регулирующего или защитного термостата.
[0056] В зависимости от применения механический или электронный термостат позволяет пользователю выбирать желаемый температурный порог. Регулирующее устройство может предоставляться с различными показателями напряжения в зависимости от применения.
[0057] По отношению к двигателям внутреннего сгорания, особенно для транспортных средств, генераторов и т.д., один или несколько нагревательных элементов PTC помещают в нагревательном приборе, и их питание осуществляется от аккумуляторной батареи 12 или 24 В  постоянного тока в зависимости от применения, позволяя продолжать нагрев, когда на устройство больше не подается 110-230 В . Цель в том, чтобы позволить двигателю, который предварительно нагрет устройством, питаемым 110-230 В, далее нагреваться, так чтобы двигатель быстрее достигал идеальной рабочей температуры. Это оказывает значительное воздействие на сокращение расхода топлива и объема выбросов. Также это решение повышает комфорт пользователя, ускоряя нагрев салона транспортного средства.
[0058] Циркуляционный насос приспосабливается в зависимости от различных применений и того, что подлежит нагреванию - текучая среда или газ.