Тепловой автономный генератор
THERMAL AUTONOMOUS GENERATOR

Изобретение относится к области теплотехники и может применяться как на транспорте, в частности, автомобильном, так и в других условиях при необходимости обогрева помещений небольших объемов, например, охотниками, рыбаками, туристами, военнослужащими.
В ряде чрезвычайных ситуаций, возникающих в холодное время года, в частности, на автомобильном транспорте в безлюдной местности - при аварии, отказе двигателя или отопителя салона (кабины), есть реальная опасность обморожения и даже гибели людей. В подобных ситуациях чтобы не допустить переохлаждения организма в целом в течение нескольких часов до прибытия помощи может быть использован автономный, портативный автомобильный генератор тепла.
Известен «Автомобильный генератор автономного тепла», патент РФ №2358146, F02N 17/06, опубл. 10.06.2009 г.
Известный генератор автономного тепла относится к нагревательным устройствам для предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания и салона транспортного средства при низких температурах и подогреве их при неработающем двигателе. Генератор автономного тепла содержит камеру сгорания, связанную с системой подачи воздуха, и теплообменник, соединенный с системой подачи охлаждающей жидкости, запальную свечу. Камера сгорания через форсунку связана с системой подвода топлива. В качестве топлива используется горючий газ под давлением. Внутри камеры сгорания по периметру расположен подогреватель топлива. Подогреватель топлива выполнен в виде трубки и соединен с форсункой. Внутри камеры сгорания размещен диффузор. На входе камеры сгорания размещен клапан-дозатор.
Этот генератор имеют очень сложную конструкцию и опасен в обращении из-за использования в качестве топлива горючего газа под давлением.
Известны генераторы тепла в виде солевых грелок, например, «Химическая грелка как термодинамическая система» (http://cosmoport.club/post/himicheskaya-grelka-kak-teirnodinamicheskaya-sistema б), которые состоят из прорезиненного корпуса с солевым раствором и помещенного в солевой раствор триггера-активатора грелки. Они основаны на выделении тепла при кристаллизации пересыщенных растворов солей (обычно уксуснокислого натрия).
Преимущества: безопасность, дешевизна и многократность использования.
К недостаткам относятся: малая энергоемкость, малое время работы (3-4 часа), небольшая максимальная температура (t=55°), низкая надежность (возможность случайного срабатывания из-за перегиба прорезиненного корпуса и возможность нарушения целостности корпуса).
Известен аналог, который выбран в качестве прототипа под названием «Тепловое устройство», патент РФ №2497487, A61F 7/00, 7/03, опубл. 10.11.2013 г.
Согласно прототипу тепловое устройство представляет собой тепловую повязку, предназначенную для согревания определенных областей организма человека.
Данное тепловое устройство содержит кожух (упаковку) с расположенным в нем тепловым источником, который состоит из емкости с раствором и емкости с экзотермической смесью, размещенные одна в другой.
Тепловой источник может состоять из одной или нескольких тепловых ячеек, каждая из которых содержит емкость с раствором и емкость с экзотермической смесью. Экзотермическая смесь, помещена в воздухопроницаемую емкость с концентрированным соляным раствором и включает металлический порошок, углерод, абсорбирующий гелеобразующий материал и воду. Концентрированный соляный раствор может включать соль металла, воду, водородный ингибитор, такой как тиосульфат натрия.
Экзотермическая смесь вырабатывает тепло, а выработка тепла происходит при окислении металлического порошка после нарушения целостности кожуха - упаковки.
Такое устройство эффективно, когда требуется обогрев определенных частей тела. Оно может обеспечивать непрерывную подачу тепла в зависимости от варианта исполнения (количества тепловых ячеек и количества компонентов составов раствора и смеси) от одного до двадцати четырех часов. Однако из-за локального характера действия оно не может быть применено в холодное время года, когда вероятно возникновение чрезвычайной ситуации и когда есть опасность переохлаждения организма, например в заглохшем автомобиле в безлюдной местности, на зимней рыбалке в рыбацкой палатке и т.д.
Недостатком прототипа является небольшая температура теплового устройства, а так же недостаточная надежность и безопасность при хранении и эксплуатации из-за возможности случайного срабатывания при перегибах - требует бережного обращения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение температуры генератора и обеспечение его безопасности и надежности при хранении, транспортировке и эксплуатации.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в обеспечении безопасного прохождения экзотермической химической реакции экспериментально подобранных компонентов, находящихся в генераторе, за счет чего достигается повышение температуры генератора, увеличение его надежности и безопасности работы.
Указанный технический результат достигается тем, что в тепловом автономном генераторе, содержащем кожух с расположенным в нем тепловым источником, который состоит из емкости с раствором и емкости с экзотермической смесью, размещенные одна в другой, согласно изобретению, в емкости с экзотермической смесью - корпусе расположена емкость с раствором - баллон с ограничителем хода, закрепленный на крышке кожуха с насадкой, в днище баллона расположено закрепленное на крышке кожуха и зафиксированное в днище корпуса затворное устройство с клапаном, сообщающимся с раствором и связанным с указателем положений, расположенным на крышке кожуха, при этом корпус зафиксирован в кожухе с возможностью взаимного перемещения при задействовании генератора, причем в качестве раствора используют водно - солевой раствор спирта, а состав экзотермической смеси имеет следующее соотношение компонентов, об. %:
алюминиевая стружка - 20-25%;
медный купорос - 35-45%;
поваренная соль - 35-45%.
Для дополнительного повышения безопасности работы, в крышках корпуса и баллона, в указателе положений и в расположенной в крышке баллона шайбе выполнены одноосные отверстия, образующие дренажное отверстие для поступления воздуха в баллон во время запуска генератора или стравливания избыточного давления из баллона во время работы.
Для возможности регулировки режима и времени работы клапан соединен с указателем положений с помощью шпильки и имеет отверстия разного диаметра.
Кроме того, для удобства задействования генератора корпус соединен с кожухом фиксирующими элементами в виде чек и каждый из них снабжен с противоположных сторон генератора рукояткой.
Расположение в кожухе генератора корпуса с экзотермической смесью, в котором установлен закрепленный на крышке кожуха баллон с раствором, размещение в днище баллона, закрепленного на крышке кожуха и зафиксированного в днище корпуса затворного устройства с клапаном, связанным с указателем положений, расположенным на крышке кожуха, закрепление корпуса в кожухе с возможностью взаимного перемещения при задействовании генератора, а также использование в качестве раствора водно-солевого раствора спирта и выбор экспериментальным путем экзотермической смеси с соотношением компонентов, об. %: алюминиевая стружка - 20-25%; медный купорос - 35-45%; поваренная соль - 35-45%, позволило повысить безопасность и надежность работы генератора, а также увеличить температуру генератора и длительность его работы.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию изобретения «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 представлена конструкция теплового автономного генератора в транспортном положении.
На фиг. 2 представлена конструкция теплового автономного генератора перед задействованием.
На фиг. 3 представлено запорное устройство.
На фиг. 4 представлено запорное устройство (разрез А-А фиг 1).
На фиг. 5 показан вид сверху на указатель положений и метки.
На чертежах приведены следующие позиции:
1 - Внешний кожух;
2 - Корпус;
3 - Баллон;
4 - Крышка кожуха;
5 - Крышка корпуса;
6 - Крышка баллона;
7 - Днище корпуса;
8 - Днище баллона;
9 - Указатель положений;
10 - Насадка;
11 - Шпилька;
12 - Заглушка;
13 - Шайба;
14 - Манжета;
15 - Клапан;
16 - Пробка;
17 - Рукоятка кожуха;
18 - Рукоятка корпуса;
19 - Фиксирующий элемент (чека);
20 - Винт;
21 - Рукав;
22 - Гайка;
23 - Ограничитель хода баллона (упор);
24 - Раствор;
25 - Экзотермическая смесь;
26 - Метка;
27 - Трубка;
28 - Канал в пробке;
29 - Отверстие малое в клапане;
30 - Отверстие большое в клапане;
31 - Зазор;
32 - Отверстие в пробке.
Варианты осуществления изобретения
Тепловой автомобильный генератор (ТАГ) является изделием цилиндрической формы и содержит (фиг. 1, 2) внешний выдвижной кожух 1 с расположенным в нем тепловым источником. Сверху кожух 1 закрыт крышкой 4.
Тепловой источник состоит из 2-х емкостей - корпуса 2 и баллона 3. Баллон 3 расположен в корпусе 2. Внутри баллона 3 содержится водно-солевой раствор спирта 24. Между стенками и днищами 7, 8 корпуса 2 и баллона 3, соответственно - порошкообразная экзотермическая смесь 25.
Корпус 2 снизу герметично закрыт днищем 7, в котором по центру установлен винт 20, необходимый для центрирования баллона 3 и герметизации отверстия 32 в пробке 16. Сверху корпус 2 закрыт крышкой 5 с центральным отверстием под размещение баллона 3. Между краями отверстий манжеты 14, установленной в крышке 5 корпуса 2 и крышки 6 баллона 3 имеется небольшой зазор 31, необходимый для выхода пара во время протекания химической реакции. Отсутствие зазора 31 приведет к образованию повышенного давления внутри ТАГ и его разгерметизации.
Баллон 3, расположенный внутри корпуса 2, снизу закрыт днищем 8, сверху - крышкой 6. Баллон 3 физически не связан с крышкой 5.
Днище 8 имеет отверстие, в которое установлено запорное устройство, состоящее из резиновой пробки 16 и клапана 15. Резиновая пробка 16 в свою очередь имеет канал 28 для поступления раствора 24 в клапан 15 и отверстие 32, в котором расположен клапан 15, необходимый для подачи раствора 24 в экзотермическую смесь 25.
Сверху на крышку 6 приклеена шайба 13 из текстолита с резьбовым внутренним отверстием под шпильку 11. Шпилька 11 вкручена в шайбу 13 и затянута со стороны крышки 4 гайкой 22. Шпилька 11 обеспечивает закрепление баллона 3 с крышкой 4, которая в свою очередь закреплена на кожухе 1. Со шпилькой 11 соединен клапан 15 запорного устройства (фиг. 3), который может поворачиваться вокруг своей вертикальной оси с помощью указателя положений 9, расположенным на крышке 4.
В крышке 4, крышке 6, шайбе 13, а также в указателе положений 9 выполнены одноосные отверстия, образующие, сквозное дренажное отверстие, необходимое для поступления воздуха в баллон 3 во время запуска ТАГ и стравливания избыточного давления из баллона во время работы. При хранении и транспортировке в данном отверстии 32 расположена заглушка 12, которая предотвращает вытекание раствора и служит фиксатором указателя положений во избежание поворота клапана 15.
Резиновая манжета 14, жестко закрепленная на крышке 5, необходима для фиксации баллона в рабочем положении, предотвращая его перемещения под собственным весом.
Для транспортировки и задействования ТАГ предусмотрены рукоятка кожуха 17 и рукоятка корпуса 18. Они представляют из себя изогнутую стальную проволоку, с торцов зафиксированную гайками, с возможностью поворачиваться.
Рукав 21 с одного конца закрепляется в зазоре между крышкой 4 и кожухом 1, с другого - между крышкой 5 и корпусом 2. Рукав 21 необходим для удержания избыточного давления пара внутри образующейся полости при подготовке к запуску.
Ограничители хода баллона 3 - упоры 23, жестко закреплены на баллоне 3 и ограничивают перемещение баллона 3 с кожухом 1 относительно корпуса 2 во время подготовки ТАГ к запуску и не позволяют нарушить целостность ТАГ.
Насадка 10 со сквозным отверстием, размещенная на крышке 4 кожуха 1, предназначена для фиксации резиновой трубки 27, которая необходима для отвода излишков пара из полости конденсации в кожухе 1. Трубка 27 является раздвоенной со стороны ее стыковки с ТАГ.
С нижнего торца ТАГ (фиг. 4) в соосные отверстия днища 7 и корпуса 2 с одной стороны и кожуха 1 - с другой установлены фиксирующие элементы, которые делают неподвижным кожух 1 относительно корпуса 2, что не позволит случайно запустить ТАГ во время его транспортировки. Каждый фиксирующий элемент выполнен в виде чеки 19.
Клапан 15 имеет два отверстия 29, 30 для подачи раствора 24 в емкость с экзотермической смесью 25, причем они расположены диаметрально противоположно друг от друга, чтобы в случае открытия одного второе было закрыто. Данные отверстия разные по диаметру: отверстие 30 с большим диаметром обеспечивает подачу раствора в виде непрерывной струи, меньшее отверстие 29 обеспечивает капельную подачу. Диаметр отверстий подбирался экспериментально.
Метки 26, нанесенные на крышку 4 (фиг. 5) указывают на положение клапана 15 и, соответственно, на режим работы ТАГ.
Водно-солевой раствор 24 спирта смешивается в следующем соотношении компонентов: вода - 60%, спирт этиловый - 40%, поваренная соль - максимально растворимое количество.
Экзотермическая смесь 25 состоит из медного купороса, поваренной соли и алюминиевых стружек в процентном соотношении, полученным экспериментальным путем: медный купорос - 40±5%; поваренная соль - 40±5%; алюминиевая стружка - 20-25%.
Для подтверждения оптимальности данного соотношения были испытаны составы с запредельным соотношением компонентов (таблица 1).
Проведенные экспериментальные исследования показали, что из предлагаемых составов оптимальному процентному содержанию компонентов, обеспечивающих наиболее продолжительное время работы ТАГ, полностью удовлетворяет состав, указанный в первом столбце таблицы 1.
Запредельные отклонения от приведенного процентного соотношения приведут к недостатку одного из компонентов химической реакции, что приводит к разным негативным эффектам:
- при изменении доли медного купороса и поваренной соли друг относительно друга без изменения доли алюминия происходит преждевременное завершение химической реакции из-за недостатка одного из компонентов;
- при увеличении доли алюминия с оптимальным соотношением остальных компонентов наблюдается избыточная интенсивность протекания химической реакции, интенсивное испарение воды и как следствие повышенное давление внутри ТАГ, образованное водяным паром, что в отдельных случаях приводит к разгерметизации ТАГ;
- при уменьшении доли алюминия с оптимальным соотношением остальных компонентов наблюдается преждевременное завершение химической реакции из-за недостатка алюминия.
Устройство работает следующим образом.
Перед использованием ТАГ с помощью рукоятки 17 кожуха 1 размещается внутри замкнутого объема, например, в салоне транспортного средства, в вертикальном положении. Далее удаляются 2 чеки 19 с нижнего торца ТАГ, что освобождает кожух 1 от зацепления с корпусом 2. После удаления двух чек 19 необходимо зафиксировать рукоятку 18 корпуса 2, например ногой, и поднять кожух 1, потянув за рукоятку 17 (фиг. 2). Под действием данного усилия кожух 1 начинает перемещаться относительно корпуса 2 вместе с баллоном 3 и запорным устройством. Расстояние, на которое можно вытянуть кожух 1, ограничено упорами 23. При вытягивании кожуха 1 также вытягивается термостойкий полиэтиленовый рукав 21.
После выдвижения кожуха 1 удаляется заглушка 12 с крышки 4, открывая сквозное дренажное отверстие для сброса пара из баллона и освобождая указатель положений 9.
После всех подготовительных мероприятий генератор готов к запуску. Для запуска генератора необходимо повернуть указатель положений 9 от метки 26 исходного положения «1» - «закрыто» на метку 26 в положение «2» «интенсивно» или в положение «3» «капельно» в зависимости от требуемого режима работы.
При повороте указателя положений 9 в положение «2» «интенсивно» клапан 15 открывается отверстием 30 с большим диаметром, по которому в зону реакции в корпусе 2 поступает раствор 24 непрерывной струей в течение определенного времени, затем указатель положений 9 необходимо повернуть в положение «1» закрыто.
В первые два цикла работы ТАГ подача раствора 24 непрерывной струей в зону реакции в течение длительного времени вызовет избыточную интенсивность протекания реакции, что приведет к чрезмерному парообразованию и соответственно к потерям воды в виде пара. Поэтому спустя определенный временной промежуток клапан необходимо закрывать. Повторный запуск ТАГ проводится по мере его остывания и по усмотрению потребителя.
Исходя из этого работа ТАГ в режиме положения «2» «интенсивно» предполагает цикличный нагрев и остывание, что обеспечивается повторным открытием и закрытием клапана. Максимальное количество циклов нагрева - три, - обусловлено деградацией экзотермической смеси 25, которая реагирует не только с поступающим раствором 24, но и с водяным паром, образованным в результате реакции и равномерно проходящим по всему объему смеси. Рекомендуемое время открытия клапана:
- первый цикл - 5 с;
- второй цикл - 30 с;
- третий цикл - оставить в положении «2».
Данные рекомендации получены опытным путем и отклонение от них в большую сторону ведет к уменьшению времени работы ТАГ. Максимальное время работы ТАГ в данном режиме достигает 8 часов.
При повороте указателя положений 9 в положение «3» «капельно» клапан 15 открывается отверстием 29 с меньшим диаметром, при этом раствор 24 поступает в зону реакции капельно. Благодаря этому работа ТАГ в режиме положения «3» обеспечивает умеренный и непрерывный нагрев вплоть до завершения химической реакции, либо по усмотрению потребителя. Максимальное время работы ТАГ в данном режиме достигает 6 часов.
После запуска ТАГ в дренажное отверстие из под заглушки 12, а также на насадку 10 устанавливается раздвоенная трубка 27, идущая в комплекте с ТАГ. Противоположный конец трубки 27 необходимо разместить за пределами обогреваемого объема. В случае необходимости повторного запуска трубка 27 удаляется из дренажного отверстия и повторяется вышеописанная операция запуска.
При задействовании ТАГ раствор 24 через канал 28, отверстия 29 или 30 и отверстие 32 пробки 16 поступает в порошкообразную смесь 25, благодаря чему в корпусе 2 начинается экзотермическая химическая реакция с выделением тепла и образованием пара. Пар, поступивший из зоны реакции в кожух 1, а также образовавшийся в баллоне 3 через дренажное отверстие и отверстие насадка 10 и трубку 27 выводится за пределы обогреваемого объема. Во время реакции корпус 2 может нагреваться до температуры 90-100°С. Кожух 1 - до 80-90°С.
Конструкция ТАГ позволяет поддерживать температуру воздуха в небольшом замкнутом пространстве, например в салоне автомобиля с разницей на величину до 30°С в сравнении с окружающей средой (при температуре окружающей среды - 25°С, температура, например в салоне автомобиля +2 - +5°С).
Его можно хранить как в багажнике автомобиля, рядом с уже привычными огнетушителем и аптечкой, так и на другом виде транспорта.
Характеристики экспериментального образца ТАГ следующие:
Представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- тепловой автономный генератор относится к области теплотехники и может применяться как на транспорте, так и в других условиях при необходимости обогрева какого либо объема, например, военнослужащими, охотниками, рыбаками, туристами.
- для заявленного устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в первом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления;
- тепловой генератор, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении способен обеспечить высокую безопасность и надежность работы при увеличении температуры генератора и объема обогреваемого пространства.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "промышленная применимость".