ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАДИАТОР

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения, точнее, к устройствам для охлаждения нагретой при работе двигателя внутреннего сгорания охлаждающей жидкости, которые выполнены с расширенными функциональными возможностями, в частности обеспечивают выработку электрической энергии за счет отбора тепловой энергии нагретой жидкости, и могут быть встроены в различного вида системы жидкостного охлаждения тепловых двигателей, в т.ч. на место традиционных радиаторов охлаждения.
Известен термоэлектрический автомобильный радиатор (RU № 2205279, 2001 г.), представляющий собой конструкцию, состоящую из ряда однотипных надеваемых на охлаждающие трубки традиционного автомобильного радиатора термоэлектрических модулей, каждый из которых выполнен в виде двух вложенных одна в другую цилиндрических трубок различного диаметра с помещенными между ними металлическими прямоугольными пластинами из двух различных по электрическим параметрам материалов, которые соединены по противоположным ребрам с образованием чередующихся охлаждающих и нагревающих спаев. Охлаждающие спаи находятся в тепловом контакте с внутренней трубкой меньшего диаметра, которая находится в механическом и тепловом контакте с охлаждающей трубкой автомобильного радиатора, нагревающие спаи - с наружной трубкой большего диаметра, обдуваемой атмосферным воздухом, для чего по обе стороны модулей перпендикулярно им размещены прямоугольные пластины, образующие воздушные каналы. Многофункциональность такого устройства достигается варьированием режимов теплообмена между радиатором и окружающей средой. В режиме термогенератора в термоэлектрических модулях возникает термоЭДС за счет градиента температур между окружающей средой и охлаждающей жидкостью. В режиме интенсификатора охлаждения на термоэлектрические модули подается электроэнергия от бортовой сети автомобиля таким образом, чтобы охлаждающие спаи находились в тепловом контакте с охлаждающей жидкостью, а нагретые спаи обдувались вентилятором.
В приведенных режимах эффективность устройства снижена, что можно отнести к основному недостатку этого аналога. К тому же практически он является как бы доработкой традиционного радиатора, сохраняя присущие ему недостатки, а то, что термоэлектрические модули надеваются на его охлаждающие трубки неизбежно увеличивает массогабаритные характеристики такого радиатора.
Наиболее близким аналогом (прототипом) полезной модели является двухходовой термоэлектрический радиатор для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с функциями радиатора охлаждения и рекуператора тепловой энергии охлаждающей жидкости (ОЖ) в электрическую энергию, содержащий две боковые вертикально емкости, одна из которых предназначена для приема/отвода охлаждающей жидкости и разделена горизонтальной перегородкой на два объема: нижний и верхний, а другая служит для перепуска ОЖ из верхней части радиатора в нижнюю; сообщающиеся с емкостями горизонтально расположенные теплопроводные трубы прямоугольной формы, а также соединенные в электрическую цепь термоэлектрические генераторные модули, установленные вдоль больших сторон каждой трубы, непосредственно контактируя с ней своими горячими сторонами, при этом к холодным сторонам модулей плотно прилегают теплоотводящие пластины радиаторных секций, служащие охладителями для модулей и одновременно отбирающие часть оставшегося тепла ОЖ (RU 163311, 2016 г).
В прототипе радиаторные секции установлены параллельно теплопроводным трубам в чередующемся с ними порядке вдоль общей вертикальной плоскости симметрии, причем теплопроводные трубы,расположенные в верхней части радиатора по первому ходу жидкости (до горизонтальной перегородки), подключены к верхнему объему первой емкости, а трубы, расположенные по второму ходу жидкости (ниже горизонтальной перегородки), - к ее нижнему объему, и противолежащие теплоотводящие пластины каждой радиаторной секции объединены рядом вертикальных ребер между ними, формирующим воздушный канал охлаждения.
Расположение термоэлектрических генераторных модулей на нижних теплопроводных трубах по второму ходу жидкости является малоэффективным и экономически невыгодным, поскольку на второй ход охлаждающая жидкость поступает уже охлажденной с температурой, практически неспособной обеспечить градиент температур на сторонах термоэлектрических генераторных модулях, требуемый для эффективной их работы по выработки электроэнергии, что следует отнести к недостаткам прототипа.
К тому же выполнение средства, формирующего воздушный канал охлаждения между теплоотводящими пластинами каждой радиаторной секции, в виде ряда тонких вертикальных ребер, в прототипе, из-за малых размеров контактных поверхностей не обеспечивает достаточно эффективного охлаждения теплоотводящих пластин и соответственно прилегающих к ним холодных сторон термоэлектрических генераторных модулей.
Задача, решаемая полезной моделью, и технический результат, получаемый при ее реализации, направлены на расширение арсенала технических средств в области эффективного охлаждения ДВС и рекуперации тепловой энергии нагретой охлаждающей жидкости в электрическую энергию.
Поставленная задача достигается тем, что в термоэлектрическом радиаторе, выполненном двухходовым с возможностью подключения в гидравлический контур системы охлаждения ДВС и содержащем две боковые емкости, предназначенные для приема/отвода охлаждающей жидкости, сообщающиеся через расположенные между ними теплопроводные трубы прямоугольной формы, установленные параллельно трубам в чередующемся с ними порядке вдоль общей вертикальной плоскости симметрии радиаторные секции, каждая из которых содержит две противолежащие теплоотводящие пластины, объединенные элементом, формирующим воздушный канал охлаждения между ними, а также соединенные в электрическую цепь термоэлектрические генераторные модули, установленные между теплопроводными трубами и радиаторными секциями так, что горячими сторонами они контактируют с большими сторонами труб, а холодными сторонами - с теплоотводящими пластинами радиаторных секций, в котором одна из боковых емкостей разделена по высоте на верхний и нижний объемы, и теплопроводные трубы, расположенные по первому ходу жидкости, подключены к верхнему объему этой емкости, а теплопроводные трубы, расположенные по второму ходу жидкости, - к ее нижнему объему, в отличие от прототипа термоэлектрические генераторные модули установлены только на теплопроводных трубах, расположенных по первому ходу охлаждающей жидкости и подключенных к верхнему объему боковой емкости, и элемент, формирующий воздушный канал охлаждения между теплоотводящими пластинами каждой радиаторной секции, выполнен в виде соединяющей пластины ленты, имеющей волнообразную форму во фронтальной и горизонтальной плоскостях проекций.
Сущность полезной модели проиллюстрирована чертежами, где на фиг. 1 дан общий вид предлагаемого термоэлектрического радиатора в изометрии (пример); на фиг. 2 - вид А - увеличенный фрагмент термоэлектрического радиатора; на фиг. 3 - общий вид радиаторной секции.
Термоэлектрический радиатор содержит две боковые вертикально расположенные емкости 1 и 2, из которых одна, например, левая, по чертежу (фиг. 1), емкость 2 имеет два отверстия для подключения посредством соответствующих трубопроводов к системе охлаждения ДВС и разделена горизонтальной перегородкой 3 на два равных объема: верхний объем предназначен для приема ОЖ, нагретой при работе ДВС, а нижний объем предназначен для возврата ОЖ со сниженной температурой в систему охлаждения ДВС.
Емкость 1 служит для перепуска ОЖ из верхней части радиатора в нижнюю. Сверху и снизу емкости дополнительно усилены крышками 4 и 5. Между емкостями 1 и 2 перпендикулярно емкостям и параллельно друг другу располагаются теплопроводные трубы 6, расположенные по первому ходу жидкости, и теплопроводные трубки 7, расположенные по второму ходу жидкости, которые имеют прямоугольное сечение и закреплены своими выходными концами в емкостях 1 и 2, при этом выходы труб 6 закреплены в верхнем объеме емкости 2, а выходы труб 7 - в нижнем ее объеме.
С большими сторонами теплопроводных трубок 6 контактируют своими горячими сторонами термоэлектрические генераторные модули 8, соединенные в электрическую цепь. Холодные стороны модулей 8 непосредственно контактируют с радиаторными секциями 9, каждая из которых состоит из двух параллельных теплоотводящих пластин 10, соединенных между собой лентой 11, имеющей волнообразную форму во фронтальной и горизонтальной плоскостях проекций.
К теплоотводящим пластинам 10 лента 11 крепиться, например, с помощью пайки, своими верхними и нижними основаниями, выполненными плоскими. Этим увеличивается пятно контакта между лентой 11 и пластинами 10, тем самым улучшается теплопередача от ленты, охлаждаемой воздушным потоком, к холодной стороне термоэлектрического генераторного модуля 8, находящейся в контакте с пластиной 10.
Радиаторные секции 9 расположены параллельно трубам 6 и 7 в чередующемся с ними порядке вдоль общей вертикальной плоскости симметрии, причем по второму ходу ОЖ к трубам 7 прилегают непосредственно своими пластинами 10 радиаторные секции 9, обеспечивая более эффективный отбор оставшегося тепла ОЖ.
Параметры теплопроводных трубок 6 и 7, радиаторных секций 9 и их количество определяется исходя из требуемых эксплуатационных характеристик конкретного термоэлектрического радиатора.
Термоэлектрический радиатор размещается в подкапотном пространстве транспортного средства любым целесообразным образом, например, может быть установлен на место традиционного радиатора охлаждения, который он заменяет, и подключается в гидравлический контур системы охлаждения ДВС.
Охлаждающая жидкость, нагретая при работе двигателем внутреннего сгорания, по трубопроводу системы охлаждения ДВС, поступает в верхний объем емкости 2, из которого по теплопроводным трубкам 6 поступает в емкость 1, из которой по теплопроводным трубкам 7 перемещается в нижний объем емкости 2, из которого попадает снова в трубопровод системы охлаждения транспортного средства.
По мере прохождения внутри теплопроводных труб 6 и 7 температура охлаждающей жидкости падает, а температура теплопроводных труб 6 и 7 растет за счет теплообмена между охлаждающей жидкостью и трубами 6 и 7. В это время через радиаторную секцию 9 проходит воздушный поток, создаваемый вентилятором или набегающим потоком воздуха. При прохождении воздуха по воздушному каналу, образованному лентой 11, происходит теплообмен между воздухом и лентой, в результате чего температура ленты 11 снижается, что в свою очередь, за счет теплообмена, приводит к снижению температуры пластин 9, которые находятся в непосредственном контакте с холодной стороной термоэлектрических генераторных модулей.
Таким образом, при непрерывной подаче охлаждающей жидкости в термоэлектрический радиатор и прохождения ее через теплопроводные трубки, а так же прохождения воздуха через радиаторные секции 9 между горячими и холодными сторонами термоэлектрических генераторных 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 генераторных модулях 8 происходит преобразование тепловой энергии охлаждающей жидкости в электрическую энергию с определенным коэффициентом полезного действия, который зависит от разницы температур холодной и горячей стороны. Полученная в модулях 8 электрическая энергия передается в блок управления и преобразования (не показаны) и может быть использована как непосредственно для питания потребителей бортовой сети транспортного средства, так и для заряда аккумуляторной батареи.
Реализация полезной модели не требует значительных капитальных вложений, она может быть изготовлена в условиях действующего производства с использованием широкодоступных материалов и комплектующих и позволяет достигнуть величины вырабатываемой электрической мощности термоэлектрического радиатора не менее 700 Вт.