ЭКОНОМАЙЗЕР ТЕПЛА ВЫПУСКНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Техническое решение относится к машиностроению и может быть использовано для повышения эффективности работы тепловых двигателей, котлов и других устройств, побочным продуктом работы которых является тепловая энергия.
Примером могут служить автотранспортные средства (АТС), на которых используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) или гибридные двигатели.
На современных АТС двигатели внутреннего сгорания являются основным источником энергии. Один из его технологических недостатков - необходимость прогрева после запуска, до выхода на рабочую температуру. В период прогрева ДВС работает с повышенным расходом топлива и, соответственно, высоким выбросом вредных веществ. При этом на прогрев двигателя в условиях низких температур окружающей среды может затрачиваться значительная часть общего времени поездки. Вместе с тем система охлаждения того же двигателя на большинстве пассажирских, грузовых АТС и тракторов используется в качестве источника тепловой энергии для отопителя салона.
Известно, что примерно 32% энергии сгораемого топлива расходуется на полезную механическую работу, 28% забирается системой охлаждения, оставшиеся 40% тепла отводятся с выпускными газами и в виде конвективного излучения. При этом тепло из системы выпуска ДВС безвозвратно теряется в атмосфере уже после запуска, а на прогрев системы охлаждения необходимо значительное время, что приводит к необходимости длительного прогрева. Использование тепла выпускных газов для ускорения прогрева ДВС является весьма перспективным направлением исследований, однако оно сопряжено с рядом трудностей. В первую очередь, - с необходимостью обеспечения обмена тепла между выпускными газами и теплоносителем системы охлаждения, другая проблема, - необходимость управления процессом теплообмена, т.к. температура выпускных газов значительно выше температуры кипения жидкого теплоносителя.
Из предшествующего уровня развития техники известно изобретение: отопитель салона транспортного средства, содержащий теплоизолированный теплообменник, имеющий две цилиндрические концентрично установленные обечайки, при этом указанный теплообменник установлен непосредственно на выходе выхлопных газов из двигателя, при этом внутренняя обечайка теплообменника представляет собой часть газоотвода, а часть трубопроводов отопителя, соединена с теплообменником и находится за пределами салона транспортного средства. Патент RU 2128118 С1, МПК В60Н 1/18, 27.03.1999 [1].
Недостатком данного изобретения является отсутствие возможности отвода выпускных газов от теплообменника, что приводит к необходимости наличия системы удаления теплоносителя из теплообменника, либо непрерывное циркулирования теплоносителя через теплообменник для предотвращения его перегрева. Малая площадь теплообменной поверхности не позволяет извлекать большую тепловую мощность, сравнимую с мощностью отопителя салона.
Известен газожидкостный теплообменник системы отопления, содержащий теплообменную матрицу в полости, окружающей трубу с окнами пропуска газа в полость матрицы, и расположенную в упомянутой трубе перепускную заслонку. Патент RU 2151701 С1, МПК В60Н 1/20, 26.01.1999 [2].
Экспериментальные исследования, проведенные согласно описанию патента, свидетельствуют о наличии некоторых недостатков: в частности, выпускные газы, проходящие через теплообменную матрицу, соприкасаются с наружными стенками теплообменника, не являющимися теплообменными, что приводит к значительным потерям тепловой энергии.
Упомянутые недостатки в изобретениях-аналогах приводят к постановке следующих задач:
- обеспечение большей площади теплообменной поверхности;
- снижение потерь из-за соприкосновения выпускных газов с наружными стенками корпуса экономайзера.
На решение вышеперечисленных задач направлено заявленное техническое решение.
Поставленные задачи решаются за счет того, что экономайзер включает в себя корпус 1, состоящий из 2-х газопроводных секций, внутренняя 2 из которых сообщена с выходом отработанных (выпускных) газов двигателя транспортного средства и представляет собой часть газоотвода выпускной системы с окнами 3 для пропуска газов и перепускной заслонкой 4, а вторая из секций 5 расположена вокруг первой и состоит из множества концентрически расположенных плоских ребер 6, соосных с теплообменником, торцы которых объединены в бачки-сборники 7-8, причем вся наружная поверхность 9 второй секции, соприкасающаяся с выпускными газами является теплообменной поверхностью и омывается жидким теплоносителем. Теплообменная поверхность экономайзера имеет изогнутую ребристую форму с полостями для циркуляции жидкого теплоносителя. Циркуляция теплоносителя осуществляется посредством подводящего 10 и отводящего 11 патрубков.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение энергетической эффективности тепловых установок, уменьшение времени прогрева двигателей внутреннего сгорания (в том числе гибридных двигателей) и салона транспортного средства за счет применения корпуса, омываемого жидким теплоносителем.
Устройство работает следующим образом. В стационарном режиме перепускная заслонка 4 находится в открытом положении, при этом выпускные газы отводятся через центральную секцию 2, минуя теплообменную секцию 5. В случае необходимости отбора тепла заслонку 4 закрывают, тем самым вынуждая выпускные газы проходить через окна 3 и теплообменную секцию 5, нагревая теплоноситель, омывающий теплообменную поверхность 9 посредством теплообмена, и одновременно обеспечивая циркуляцию теплоносителя через патрубки 10 и 11. Ребристая теплообменная поверхность, окружающая всю теплообменную секцию, а также стенки бачков 7 и 8, расположенных по торцам теплообменной секции, обеспечивают контакт выпускных газов с теплоносителем и отвод от них тепла. Таким образом, осуществляется работа экономайзера тепла выпускных газов.
Литература
1. Патент RU 2128118 С1, МПК В60Н 1/18, 27.03.1999
2. Патент RU 2151701 С1, МПК В60Н 1/20, 26.01.1999.
3. Технический регламент о безопасности колесных транспортных средств: утв. постановлением Правительства РФ от 23 сент. 2009 г. №720. - М: РГ, 2009. -28 с.