ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ФУНКЦИЯМИ РАДИАТОРА ОХЛАЖДЕНИЯ И РЕКУПЕРАТОРА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения, точнее, к устройствам, обеспечивающим выработку электрической энергии за счет отбора тепловой энергии нагретой при работе двигателя внутреннего сгорания охлаждающей жидкости, и может быть встроено в различные системы жидкостного охлаждения тепловых двигателей, в т.ч. на место традиционных радиаторов охлаждения.
Известно термоэлектрическое устройство для двигателя внутреннего сгорания (ДВС), обеспечивающее выработку электрической энергии за счет отбора тепловой энергии нагретой при работе ДВС охлаждающей жидкости, которое содержит встроенные в гидравлический контур системы охлаждения ДВС собственный водяной радиатор охлаждения и отдельный термоэлектрический генератор, состоящий из высокотемпературной части, подключенной к линии отвода от ДВС нагретой охлаждающей жидкости (ОЖ), и низкотемпературной части, подключенной к собственному контуру охлаждения с отдельным радиатором воздушного охлаждения и насосом, между которыми размещены термоэлектрические элементы, вырабатывающие электроэнергию за счет эффекта Зеебека (ЕР 1679480, 2006 г.).
Устройство представляет собой комплекс отдельно функционирующих узлов и его недостаток состоит в том, что включение в конструкцию транспортного средства с ДВС отдельного контура охлаждения, предназначенного только для термоэлектрического генератора, энергетически невыгодно, поскольку значительная часть электрической энергии, полученной в результате рекуперации тепловой энергии нагретой ОЖ, отводимой системой охлаждения ДВС, должна будет для обеспечения существенной разницы температур на горячей и холодной сторонах термоэлектрических модулей затрачиваться на обслуживание этого дополнительного отдельного контура плюс воздушного вентилятора. К тому же использование такого устройства предъявляет дополнительные требования к компоновке подкапотного пространства транспортного средства.
Эти недостатки устранены в известном, например, из описания к заявке WO №2011030976, 2011 г, (фиг. 4), термоэлектрическом устройстве для ДВС, в котором единым конструктивным построением совмещены одновременно функции по охлаждению ОЖ и рекуперации тепловой энергии нагретой ОЖ с получением электрической энергии. Устройство содержит круглые трубы для приема и отвода ОЖ, связанные с трубопроводами системы охлаждения ДВС, и ряд сообщающихся с ними теплопроводных трубок с ОЖ, проходящих внутри нагревательных блоков, а также ряд изогнутых тепловых трубок, одним концом расположенных в блоке поглощения тепла, противолежащие тепловыделяющие части которых входят внутрь радиатора (охладителя). При этом термоэлектрические модули расположены между параллельными поверхностями индивидуальных нагревательных блоков и блока поглощения тепла с соблюдением требуемого термического соответствия их контактирующих сторон.
Использование в этом устройстве удлиненных тепловых трубок сложной конфигурации при пространственном размещении его компонентов в двух взаимно перпендикулярных плоскостях ухудшает механическую прочность устройства, что критично для возможности и безопасности его использования на транспортных средствах.
Улучшение механической прочности, а также устойчивости к неизбежно возникающим в процессе эксплуатации транспортного средства вибрациям достигнуто в другом варианте конструктивного решения устройства по той же заявке WO №2011030976, (фиг. 8) - за счет более компактного размещения составляющих его компонентов в одной плоскости, что позволило значительно уменьшит длину тепловых трубок; либо в четвертом варианте выполнения устройства (фиг. 11 и 12), в котором размещение горизонтальных трубок для ОЖ в один вертикальный ряд позволило значительно приблизить габаритные характеристики этого термоэлектрического устройства к аналогичным показателям традиционного радиатора системы охлаждения ДВС, что значительно упростит его размещение в подкапотном пространстве транспортного средства.
Термоэлектрическое устройство с функциями радиатора охлаждения и рекуператора тепловой энергии нагретой ДВС охлаждающей жидкости в электрическую энергию по заявке WO №2011030976, 2011 г., фиг. 11 и 12 является наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели, содержащем круглые трубы в качестве емкостей для приема охлаждающей жидкости; расположенные между емкостями и сообщающиеся с ними теплопроводные трубы с проходящей в них нагретой ОЖ, а также соединенные в электрическую цепь термоэлектрические модули, обращенные горячей стороной к теплопроводным трубам, и радиатор воздушного охлаждения, состоящий из n - числа горизонтально расположенных параллельно друг другу секций, предназначенный для отбора и рассеивания в окружающую воздушную среду тепловой энергии от холодной стороны термоэлектрических модулей и одновременно части оставшегося тепла охлаждающей жидкости.
Теплопроводные трубы в прототипе расположены горизонтально и попарно проходят внутри расположенных вертикально нагревательных блоков, каждый из которых контактирует с горячей стороной одного термоэлектрического модуля. На холодной стороне каждого термоэлектрического модуля находятся также индивидуальные охладители, связанные изогнутыми тепловыми трубками с прилегающими к ним радиаторным секциями.
Отсутствие в прототипе непосредственного контакта термоэлектрических модулей с теплопроводными трубами и охладителями приводит к увеличению непроизводительных потерь тепла при рекуперации и, как следствие, к снижению ее эффективности. Использование для обеспечения отвода тепловой энергии от низкотемпературной стороны термоэлектрических модулей изогнутых тепловых трубок, содержащих легкокипящую рабочую жидкость, следует также отнести к недостаткам прототипа, поскольку, как уже отмечалось выше, такие тепловые трубки имеют низкий уровень прочности при воздействии механической нагрузки. К тому же работа тепловых трубок эффективна в узком диапазоне рабочих температур - при превышении расчетной температуры вся рабочая жидкость внутри трубки может перейти в пар, что приведет к катастрофическому снижению теплопроводности трубки и, наоборот, при недостаточной температуре жидкость плохо испаряется, что также негативно отражается на эффективности рекуперации.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на создание более эффективного термоэлектрического устройства с функциями охлаждения двигателя внутреннего сгорания и рекуперации тепловой энергии нагретой охлаждающей жидкости в электрическую энергию.
Технический результат, получаемый при реализации полезной модели, состоит в повышении эффективности рекуперации путем обеспечения более широкого диапазона температур на холодной стороне термоэлектрических модулей и снижении непроизводительных потерь тепла.
Дополнительный технический результат заключается в обеспечении компактности устройства при повышении его устойчивости к механическим воздействиям.
Технический результат достигается тем, что в термоэлектрическом устройстве для двигателя внутреннего сгорания с функциями радиатора охлаждения и рекуператора тепловой энергии охлаждающей жидкости в электрическую энергию, выполненном с возможностью подключения посредством трубопроводов подвода/отвода охлаждающей жидкости в гидравлический контур системы охлаждения, содержащем емкости для приема охлаждающей жидкости, расположенные между емкостями и сообщающиеся с ними теплопроводные трубы с проходящей в них нагретой охлаждающей жидкостью, а также соединенные в электрическую цепь термоэлектрические модули, обращенные горячей стороной к теплопроводным трубам, и горизонтально расположенные параллельно друг другу радиаторные секции, предназначенные для отбора и рассеивания в окружающую воздушную среду тепловой энергии от холодной стороны термоэлектрических модулей и одновременного отбора части оставшегося тепла охлаждающей жидкости, в отличие от известных аналогов, радиаторные секции размещены между емкостями в чередующемся с теплопроводными трубами порядке и имеют с ними общую вертикальную плоскость симметрии, при этом каждая секция выполнена в виде двух горизонтально расположенных теплоотводящих пластин, объединенных рядом вертикальных ребер между ними, теплопроводные трубы имеют прямоугольную в сечении форму и размещены между секциями, так, что их большие стороны располагаются параллельно теплоотводящим пластинам соседних секций, и термоэлектрические модули установлены вдоль больших сторон теплопроводных труб с обеспечением плотного контакта каждого из них горячей стороной непосредственно с трубой и холодной стороной - непосредственно с теплоотводящей пластиной радиаторной секции, и при этом одна из упомянутых емкостей служит для приема и отдачи охлаждающей жидкости и по линии, лежащей в горизонтальной плоскости симметрии устройства, разделена на два вертикальных объема, с одним из которых, связанным с трубопроводом подачи в устройство нагретой охлаждающей жидкости, сообщаются теплопроводные трубы, расположенные выше этой линии, а с другим, связанным с трубопроводом возврата охлаждающей жидкости, - трубы, расположенные ниже этой линии.
Расширение диапазона температур на холодной стороне термоэлектрических модулей достигается, по сравнению с прототипом, за счет исключения тепловых трубок, соответственно, снятия ограничений, связанных с физическими характеристиками легкокипящей рабочей жидкости, в них и благодаря обеспечению плотного контакта каждого из термоэлектрических модулей горячей стороной непосредственно с теплопроводно трубой и холодной стороной - непосредственно с теплоотводящей пластиной радиаторной секции без применения дополнительных теплопроводящих элементов. Одновременно эти же шаги способствуют и снижению непроизводительных потерь тепла.
Компактность термоэлектрического устройства и его устойчивость к механическим воздействиям обеспечиваются тем, что радиаторные секции размещены между емкостями в чередующемся с теплопроводными трубами порядке и имеют с ними общую вертикальную плоскость симметрии, а также отсутствием легкодеформируемых элементов (таких как тепловые трубки в прототипе).
Сущность полезной модели проиллюстрирована чертежами, где: на фиг. 1 дан общий вид предлагаемого термоэлектрического устройства в изометрии (пример); на фиг. 2 - разрез по продольной плоскости симметрии устройства (увеличенный фрагмент); на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - примерная схема системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания с использованием предлагаемого термоэлектрического устройства, встроенного в нее на место традиционного автомобильного радиатора.
Между двумя вертикально расположенными емкостями, предназначенными для приема (ОЖ): левой 1 и правой 2 в чередующемся порядке вдоль общей вертикальной плоскости симметрии расположены параллельно друг другу теплопроводные трубы 3 с ОЖ и радиаторные секции 4, каждая из которых выполнена в виде двух горизонтально расположенных теплоотводящих пластин 5, объединенных рядом вертикальных ребер 6 между ними. Теплопроводные трубы 3 сообщаются с емкостями 1 и 2 и своими выходными концами закреплены в них.
Одна из емкостей, в соответствии с фиг. 1, емкость 2 подключается посредством соответствующих трубопроводов к системе охлаждения ДВС (фиг. 4) и по линии Б, лежащей в горизонтальной плоскости симметрии устройства, разделена перегородкой 7 на два объема, верхний из которых служит для приема нагретой при работе двигателя ОЖ, а через нижний объем осуществляется возврат ОЖ со сниженной температурой в охлаждающую ветвь гидравлического контура системы охлаждения ДВС.
С емкостью 1 сообщаются все теплопроводные трубы 3. С емкостью 2 теплопроводные трубы 3 сообщаются в следующем порядке: с верхним объемом емкости - трубы, расположенные выше линии Б, а с нижним объемом - трубы, расположенные ниже линии Б.
Теплопроводные трубы 3 имеют в сечении прямоугольную форму и их большие стороны располагаются параллельно теплоотводящим пластинам 5 соседних секций.
Термоэлектрические модули 8, соединенные в электрическую цепь, установлены вдоль каждой из больших сторон трубы 3, непосредственно контактируя с ней своими горячими сторонами. При этом к холодным сторонам модулей 8 плотно прилегают теплоотводящие пластины 5 радиаторных секций 4, выполняющие роль охладителей для модулей.
Параметры теплопроводных труб 3 и радиаторных секций 5 и их количество в конкретном устройстве определяется исходя из требуемых эксплуатационных характеристик этого устройства.
Устройство размещается в подкапотном пространстве транспортного средства любым целесообразным образом, например, может быть установлено на место традиционного радиатора охлаждения, который оно заменяет, (фиг. 4) и подключается в гидравлический контур системы охлаждения ДВС, включающий в себя жидкостный насос 9 и термостат 10.
Работа предлагаемого термоэлектрического устройства осуществляется следующим образом.
ОЖ, нагретая при работе ДВС, под воздействием давления, создаваемого жидкостным насосом 9, через термостат 10 поступает в верхний объем правой емкости 2 и далее из верхнего объема емкости 2 по трубам 3, расположенным над линией Б, поступает в левую емкость 1, откуда она по остальным трубам 5 перемещается в нижний объем емкости 2 и из него попадает в жидкостный насос 9. При работе насоса 9 давление ОЖ возрастает, что обеспечивает ее непрерывную циркуляцию в системе охлаждения, и она вновь подается на охлаждение ДВС.
По мере прохождения внутри теплопроводных труб 3 температура ОЖ падает, а температура теплопроводных труб 3 растет. Одновременно воздух из окружающей среды проходит через радиаторные секции 4 в пространстве между ребрами 6. По мере прохождения воздуха через радиаторные секции 4 его температура растет, а температура ребер 6 снижается, что вызывает снижение температуры теплоотводных пластин 5, непосредственно контактирующих с холодной стороной термоэлектрических модулей 8.
Таким образом, при постоянной подаче нагретой ОЖ от ДВС и прохождении воздуха через радиаторные секции 4, между горячими и холодными сторонами термоэлектрических модулей 8, поддерживается градиент температуры, вызывающий эффект Зеебека, заключающийся в возникновении электродвижущей силы при наличии разницы температур в контактах замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных проводников. На этом основании в термоэлектрических модулях 8 происходит преобразование тепловой энергии ОЖ в электрическую энергию с определенным коэффициентом полезного действия, который зависит от разницы температур холодной и горячей стороны.
Полученная в термоэлектрических модулях 8 электрическая энергия передается в блок управления и преобразования (не показан) и может быть использована как непосредственно для питания потребителей бортовой сети транспортного средства, так и для заряда аккумуляторной батареи.
Реализация полезной модели не требует вложения значительных капитальных вложений, может быть изготовлена в условиях действующего производства с использованием широкодоступных материалов и комплектующих и позволяет достигнуть величины вырабатываемой электрической мощности термоэлектрического устройства не менее 500 Вт.