Теплонакопитель /варианты/
HEAT ACCUMULATOR (VERSIONS)

Изобретение относится к транспортным средствам с двигателем внутреннего сгорания: автомобилям, боевой, сельскохозяйственной и строительной технике, судам, легкомоторным летательным аппаратам.
Изобретение не имеет аналогов и образует новый подкласс классификации изобретений.
При эксплуатации вышеупомянутой техники в результате работы двигателей внутреннего сгорания образуется много избыточного тепла, которое отводится жидкостной или воздушной системой охлаждения. В холодное время года это тепло также расходуется на отопление салона или кабины транспортного средства. Это осуществляется с помощью жидкостно-воздушных или воздухо-воздушных теплообменников.
Но наступает равновесное состояние, когда двигатель и салон полностью прогреты (особенно, если моторный отсек утеплен по-зимнему, а салон имеет хорошую теплоизоляцию), и избыточное тепло начинает отводиться в атмосферу. Это нерационально, так как в случае стоянки транспортного средства с нахождением людей внутри желательно продолжать обогревать салон.
ВАРИАНТ 1. С этой целью транспортное средство с двигателем внутреннего сгорания имеет в салоне емкость с внутренней теплообменной поверхностью, заполненную плавящимся веществом. То есть такая емкость является аккумулятором тепла, теплонакопителем. Емкость может иметь любую удобную с точки зрения компоновки в салоне форму. Примерный объем для легковой машины - 3-15 литров. Для дальнобойщиков, ночующих в машине, - до 50 и более литров.
Указанной внутренней теплообменной поверхностью при применении в качестве охлаждающего агента жидкости может быть змеевик, а в случае применения воздушного охлаждения - теплообменник в виде бойлера.
К плавящему веществу предъявляются следующие требования: температура плавления 0-90 градусов С (оптимально около 40-50), и максимально возможная теплота плавления. Указанным плавящимся веществом может быть стеарин, парафин, нафталин, другие известные или специально открытые для этой цели вещества, или их смесь. Свойства таких смесей изучены недостаточно, и есть основания полагать, что возможны явления эвтектики, позволяющие получить нужную температуру плавления и большую теплоту плавления (большое содержание стеарина). Впрочем, при хорошей теплоизоляции емкости можно использовать чистый стеарин (температура плавления 71,6 градуса С, теплота плавления 201 кДж/кг).
Указанным веществом может быть даже вода. Если за бортом температура -40 градусов С, то даже емкость с водой с температурой 0 градусов С, значительно улучшит условия жизни экипажа, вынужденного оставаться в машине. В случае применения в двигателе (см. ниже), эта температура вполне обеспечивает беспроблемный пуск двигателя. Однако при применении воды следует учитывать ее аномальное расширение при замерзании.
Возможен вариант с неограниченно долгим хранением тепла. Для этого плавящееся вещество должно быть высокой химической и механической чистоты, а стенки емкости должны иметь высокую чистоту поверхности. То есть не должно быть концентраторов процесса замерзания. Такие устройства в виде грелок известны - в них жидкость (как правило, парафин) находится в переохлажденном состоянии и резко замерзает при каком-либо внешнем воздействии - ударе, щелчке. В этом случае в указанной емкости должен находиться концентратор управляемого замерзания, например, в виде механического электромагнита с подвижной деталью.
Теплоотдачу от указанной емкости в салон можно регулировать с помощью управляемой теплоизоляции, например, с помощью жалюзи или дверки/дверок из пенопласта.
А для ускорения теплоотдачи емкость может иметь оребрение.
Для предотвращения теплоотдачи в ненужном направлении, и для предотвращения теплоотдачи во время стоянки без людей емкость должна иметь теплоизоляцию с нерабочих сторон.
При применении жидкостной системы охлаждения в конструкции и монтаже емкости есть одна особенность, чтобы тепло не отдавалось напрасно охлаждающей жидкости путем ее конвекции, вход и выход охлаждающей жидкости в змеевик емкости следует расположить снизу и, возможно, снабдить кранами.
Подача охлаждающей жидкости в емкость может осуществляться после штатного крана отопителя салона, чтобы летом одним краном отключать и отопитель, и теплонакопитель. При этом отопитель и емкость могут быть соединены как параллельно (предпочтительнее), так и последовательно, но в последнем случае первым по ходу теплоносителя должен быть отопитель. При параллельном соединении емкость теплонакопителя может иметь собственный кран на линии теплоносителя (предпочтительнее), а может не иметь никакого крана. Параллельное соединение предпочтительнее тем, что позволяет регулировать температуру в салоне пропускной способностью штатного крана отопителя, но при этом кран емкости должен быть расположен не после, а до крана отопителя (то есть две независимых линии).
Работает этот вариант так: после полного или даже неполного (если предвидится скорая остановка на длительное время) прогрева двигателя и салона часть охлаждающей жидкости или охлаждающего воздуха продолжает отапливать салон, а другая часть направляется в емкость с плавящимся веществом, отдавая ему свое тепло. Это перераспределение может быть автоматическим - по температуре воздуха в салоне, ручным или постоянным (и в емкость, и в отопитель). Вещество полностью или частично плавится, а после остановки двигателя оно отапливает салон, причем с постоянной температурой, равной температуре плавления.
Причем, если необходимости в немедленном отоплении салона нет (например, постановка машины на ночь), то можно закрыть жалюзи из пенопласта, замедлив охлаждение плавящегося вещества. А утром, сев в машину, человек может открыть жалюзи, щелкнуть электромагнитом внутри емкости, и она мгновенно нагреется до температуры плавления вещества, нагревая салон. Для ускорения нагрева салона можно предусмотреть небольшой вентилятор, обдувающий оребрение емкости.
ВАРИАНТ 2. В сохранении тепла нуждается не только салон, но и двигатель, так как запуск двигателя при температуре ниже -20 градусов С вызывает затруднения. Для сохранения тепла в этом случае двигатель имеет в масляном картере емкость, заполненную плавящимся веществом. Теплообменник внутри емкости в этом случае не нужен, так как емкость достаточно интенсивно будет обогреваться окружающим движущимся моторным маслом.
В качестве плавящегося вещества в этом варианте как раз очень хорошо использовать воду - она имеет большую теплоту плавления, а температуры 0 градусов С вполне достаточно для уверенного пуска двигателя. Единственное неудобство - упомянутое расширение воды при замерзании. Так как температура масла может превысить 100 градусов С, то емкость должна быть достаточной прочности.
Для замедления охлаждения такого накопителя тепла в машинное масло следует добавить специальные добавки, увеличивающие его вязкость. Такие масла известны, например, Castrol Magnatec. В этом случае конвекционное движение в масле становится невозможным, и плавящаяся жидкость в емкости долго останется в частично расплавленном состоянии.
Работает этот вариант так: после выключения двигателя накопитель тепла долго сохраняет масло достаточно теплым для уверенного запуска.
ВАРИАНТ 3. Можно сохранить тепло двигателя для его последующего пуска не только в емкости, расположенной в масле, но и в емкости, аналогичной емкости по варианту 1. В этом варианте транспортное средство с двигателем внутреннего сгорания имеет отдельную, или общую с емкостью в салоне емкость с внутренней теплообменной поверхностью, заполненную плавящимся веществом, причем эта емкость расположена так, что возможен замкнутый самостоятельный конвективный переток охлаждающей жидкости или воздуха через емкость и охлаждающую полость двигателя, а вход и выход емкости имеют краны, или же емкость расположена так, что самостоятельная конвекция невозможна, а транспортное средство имеет насос, прокачивающий жидкость или воздух через емкость и через охлаждающую полость двигателя.
Таким насосом может быть центробежный насос с электроприводом. Причем, данный насос может быть сконструирован по принципу погружного насоса, то есть может полностью находиться в охлаждающей жидкости. Но в этом случае он должен иметь тиристорный преобразователь постоянного тока в переменный трехфазный (такие преобразователи нужной мощности широко применяются для авиамодельных асинхронных электромоторов). Так как работа насоса кратковременная, то он может иметь подшипники из фторопласта, смазывающиеся антифризом. Чтобы насос не крутился вхолостую под действием протекающей жидкости, его лопатки должны быть строго радиальные. Но и вариант с вынесенным за пределы жидкости двигателем тоже имеет свои преимущества.
Проходное сечение патрубков и шлангов, подводящих теплоноситель к отопителю и теплонакопителю, должно быть достаточно большим - таким же, как для основного радиатора охлаждения. Площадь змеевика тоже должна быть достаточно большой.
Следует остановиться на управлении системой накопителя тепла. Открытие крана подачи теплоносителя в емкость сразу после пуска двигателя не причинит никакого вреда - все равно плавящаяся жидкость не будет плавиться до достижения своей температуры плавления, и поэтому не будет существенно влиять на процесс первичного прогрева двигателя и салона. Поэтому этот кран не обязателен. Хотя и желателен для ускоренного прогрева салона (весь теплоноситель направляется в отопитель). А вот если водитель забудет открыть кран теплонакопителя после прогрева двигателя (если этот кран был закрыт, хотя его можно и не закрывать), или забудет закрыть жалюзи перед ночной стоянкой, это может привести к полному застыванию и охлаждению накопителя тепла. Это может сделать утренний пуск невозможным, а в салоне долго будет холодно. Поэтому целесообразно иметь сигнализацию или блокировку закрытия жалюзи, например, в виде мигающего табло и/или звукового сигнала, сблокированного с реле времени и с выключателем зажигания или с кнопкой «стоп». Например, при выключении зажигания 10 секунд мигает табло «Закройте жалюзи» и пищит звуковой сигнал (или даже подается речевой сигнал «Не забудьте закрыть жалюзи» с помощью звукозапоминающего устройства (аналогично сигнализатору «Моя машина едет назад»).
Можно предусмотреть ненавязчивую сигнализацию открытого положения крана теплонакопителя - зеленым светодиодом.
Чтобы эти сигналы не раздражали летом, эти сигнализации могут отключаться тепловым реле при определенной температуре наружного воздуха, например, более +15 градусов С.
Кратковременное включение электромагнита с подвижной деталью можно осуществлять от включения стартера двигателя или с включением упомянутого электронасоса. Так как насос работает кратковременно, а электромагнит находится в плавящемся веществе (то есть его перегрев невозможен), то можно включать их параллельно. Но желательно предусмотреть хорошо заметную сигнализацию их включения, чтобы после запуска двигателя водитель не забыл их выключить.
Работает этот вариант так. Допустим, имеется общая емкость с плавящимся веществом, эта емкость расположена в салоне машины под перчаточным ящиком («бардачком»), причем для северных районов целесообразно отказаться от перчаточного ящика, и сделать емкость максимально возможного объема и максимально возможной площади оребрения. Емкость имеет теплоизоляцию с нерабочих сторон, имеет плоскую оребренную рабочую сторону с пенопластовыми жалюзи или дверками, возможно, имеет вентилятор обдува с дефлектором, а вход и выход охлаждающей жидкости из нее расположены снизу. На входе или на выходе из змеевика емкости имеются кран и центробежный электронасос. Змеевик емкости подключен параллельно отопителю независимо от его крана.
После полного или частичного прогрева двигателя и салона кран емкости автоматически или вручную открывается (его можно и не закрывать), теплоноситель поступает в емкость (центробежный насос этому не препятствует) и плавящаяся жидкость плавится.
При кратковременной остановке жалюзи закрывать не следует. Но если люди надолго покидают салон, то после остановки двигателя теплоизолирующие жалюзи закрывают. При возвращении в машину жалюзи открывают, включают электромагнит, включают вентилятор обдува емкости и электронасос. Вентилятор через открытые жалюзи быстро нагревает салон, а электронасос прогоняет горячую охлаждающую жидкость через полость двигателя, быстро нагревая его до температуры пуска. Штатный кран подачи охлаждающей жидкости в отопитель при этом может быть закрыт или открыт (если предполагается включение штатной вентиляции салона для предотвращения запотевания стекол). Так как охлаждающая жидкость в системе охлаждения в этот момент достаточно холодная, то штатный термостат системы охлаждения в этот момент закрывает штатный радиатор охлаждения и открывает малый круг циркуляции (мимо радиатора). При этом может показаться целесообразным перекрытие малого круга циркуляции дополнительным краном, чтобы весь поток теплой жидкости направить в охлаждающую полость двигателя. Однако усложнять конструкцию нецелесообразно, так как гидродинамическое сопротивление термостата достаточно для подачи по крайней мере половины потока в двигатель. Этого достаточно.
При температуре окружающего воздуха до -20 градусов С можно сразу пускать двигатель. При более низкой температуре следует подождать полминуты-минуту. Двигатель не только легко пускается, но и за счет тепла теплонакопителя быстро выходит на установившийся тепловой режим.
Следует отметить особенность эксплуатации теплонакопителя в демисезонный период - ниже температуры +20 градусов С. Отопитель может быть закрыт, а после полного прогрева двигателя теплоноситель направляется в теплонакопитель, но его жалюзи или дверки закрыты. В салоне будет комфортная температура, но всегда будет резерв тепла - достаточно открыть жалюзи.
Это изобретение особенно полезно в климатической зоне России, а в зоне Крайнего Севера просто необходимо.