Устройство термостабилизации приводов

Полезная модель относится к автономным средствам повышения вероятности успешного запуска приводов, а также имеет вспомогательную функцию эффективного отвода тепловой энергии привода при работе. Полезная модель, позволяет обеспечить предпусковой подогрев до рабочих режимов (температур) и вывод на режим, а в процессе эксплуатации - утилизацию тепловой энергии и может найти применение для облегчения запуска двигателей и приводов в автомобиле- и самолетостроении, а также нефтегазодобывающей промышленности посредством использования термоэлектрического преобразования энергии (Эффект Зеебека и эффект Пельтье).
Из уровня техники известно автономное термоэлектрическое зарядное устройство, которое содержит батарею термоэлектрических генераторов, горячая сторона которой соединена с нагревательным элементом, а холодная сторона которой соединена с радиатором. Нагревательный элемент представляет собой горелку с системой электрического зажигания, которая соединена с емкостью для хранения газообразного топлива (например метан, пропан, бутан) посредством газовой линии на которой установлен электрический регулировочный клапан. На нагревательном элементе и на радиаторе установлены датчики температуры. Система управления реализована в виде электрической схемы собранной на плате управления к которой присоединяются электрические выводы от батареи термоэлектрических генераторов, от аккумуляторной батареи, и на которой установлены: коммутирующее устройство, преобразователь напряжения, контроллер управления, панель индикации и управления, разъем для присоединения заряжаемого устройства (RU 192304 U1 опубл. 12.09.2019).
Недостатком такого устройства является низкий коэффициент полезного действия (КПД) по причине того, что поверхность охлаждения статична и в общем случае не охлаждается активным воздушным потоком вследствие чего эффективность охлаждения снижается, и, следовательно, КПД преобразования также снижается. Кроме того, данная система с источником тепловой энергии в виде поджигаемого огнеопасного горючего может быть опасна в связи с тем, что надежность электрического клапана не позволяет полностью исключить ситуацию закрытия подачи газа вследствие чего отсутствует стопроцентная вероятность следующего безопасного запуска.
Также известна автономная система предпусковой подготовки двигателя с термоэлектрическим генератором, которая состоит из корпуса цилиндрической формы, разделенной на две рабочие полости. Первая полость содержит теплообменник с направляющими завихрителями, внутри которой расположены камера сгорания с жаровой трубой и форсунка. На переднем диффузорном участке камеры сгорания располагается штифт накала, который вкручивается и пространственно ориентирован по потоку под углом 45° к оси подогревателя. Во второй полости находится крыльчатка нагнетателя воздуха с электродвигателем, за которым находится выходной канал отработавших газов с зафиксированными термоэлектрическими генераторными модулями. На внешней стороне генераторных модулей расположены радиаторы охлаждения, патрубки всасывания воздуха. На патрубках всасывания воздуха установлены защитные сетки. На наружной части корпуса расположены входные и выходные каналы охлаждающей жидкости, а также патрубок подвода топлива. На верхней части корпуса установлены электронный блок управления и повышающий преобразователь (RU 192532 U1 опубл. 23.09.2019).
Недостатком данной системы является низкая эффективность по причине того, что вырабатываемая термоэлектрическими генераторами мощность зависит от качественного уровня градиента температуры между охлаждаемой и нагреваемой сторонами термоэлектрических преобразователей, а в связи с тем, что радиаторы охлаждения заключены в одну конструкцию с выходным каналом отработавших газов, то через корпус, а также в воздухе, заключенным между узлами корпуса и радиаторами охлаждения происходит нагрев конвективными тепловыми потоками, что исключает получение качественного градиента температур на сторонах термоэлектрических модулей.
В качестве прототипа принята система терморегулирования топлива и моторного масла в двигателях внутреннего сгорания, содержащая термоэлектрические модули, установленные в топливной магистрали после и перед топливным фильтром, топливном баке на внешней его поверхности около заливной горловины; на днище масляного картера, а именно перед заборной трубкой масляного насоса, на торцевой поверхности термоаккумулирующей емкости, которая имеет свободную полость и полость с перегородкой, заполненной наномодифицированным материалом, например низкоплавким парафином с добавлением 0,01…0,75% от общей массы нанотрубок (Таунита, имеющего диаметр 15-40 нм и длину 2 мкм), в то же время представленный материал размещен в пространственной оболочке, имеющей пористую структуру, например поролон; также система содержит два трубопровода, в одном из которых котором расположен насос, а в другом клапан, в топливном контуре имеется топливный насос высокого давления, подкачивающий насос и центральный магистральный трубопровод. Все перечисленные термоэлектрические модули подключаются к силовому блоку, который соединен с контроллером, а контроллер через аналого-цифровой преобразователь подключен к датчикам температуры (RU 2398126 C1 опубл. 27.08.2010).
К недостаткам прототипа относятся:
1. Излишняя сложность конструкции, за счет внедрения в систему смазки.
2. Снижение эффективности по причине наличия дополнительных потребителей в виде трех насосов, четырех электрических клапанов и вентилятора.
3. Значительное увеличение габаритов системы в подкапотном пространстве за счет наличия собственных трубопроводов, термоаккумулирующей емкости, насосов и клапанов.
4. Отсутствие возможности рекуперации энергии с последующим ее использованием для повышения КПД системы.
Технической задачей полезной модели является повышение вероятности успешного запуска двигателя, поддержание рабочей температуры в процессе эксплуатации или останова, а также повышение КПД системы за счет рекуперации тепловой энергии в электрическую с ее последующим накоплением и использованием.
Техническая задача решается за счет того, что блок термоэлектрических модулей Пельтье при помощи эластичного теплопроводящего материала, например, как номакон, одной стороной прикрепляется к картеру двигателя, а другой стороной прикрепляется на собственный радиатор охлаждения, ребрами направленный вдоль воздушного потока транспортного средства или иного приводящегося в движение механизма для эффективного теплоотвода при движении. Термоэлектрический модуль соединен с батареей суперконденсаторов, способных накапливать электрическую энергию, через силовой ключ, а также через управляемый переключатель для смены полярности батареи в зависимости от режима работы. С каждой из сторон термоэлектрического модуля находятся датчики температуры, регистрирующие текущее тепловое состояние механизма и передающие сигналы в контроллер системы управления, регулирующий положение силового ключа, а также принимающий сигналы управления пользователя.
В режиме, когда механизм длительно не используется и находится в холодном состоянии устройство при подаче команды начет прогревать температурно-зависимый участок привода, например, масляный картер, находящийся на днище двигателя внутреннего сгорания при помощи термоэлектрических преобразователей благодаря эффекту Пельтье. Энергия для подогрева используется из как из собственного источника - батареи суперконденсаторов, так и из сторонних источников, например, сети переменного или постоянного тока, подключение которой предусмотрено устройством. Кроме того, для облегчения запуска терморегулируемого агрегата, например, двигателя внутреннего сгорания, после прогрева масляного картера устройство подаст напряжение в катушку стартера для запуска двигателя при последующем запуске. За счет использования суперконденсаторов накопленная в них энергия позволяет без труда запустить двигатель внутреннего сгорания, а с учетом того, что масло в картере двигателя заранее прогрето, то вероятность успешного запуска увеличивается даже в условиях экстремально низких температур окружающей среды.
В режиме, когда двигатель внутреннего сгорания или иной температурозависимый агрегат находится в эксплуатации, устройство утилизирует излишнюю тепловую энергию, работая как тепловой насос. Благодаря эффекту Зеебека, термоэлектрические модули, находясь в качественном градиенте температур вырабатывают термоэлектричество, которое снимается и накапливается в суперконденсаторах для последующего использования.
В режиме, когда по причине высоких температур окружающей среды не может быть получен качественный градиент температуры для полноценной работы термоэлектрических преобразователей связанный с эффектом Зеебека, система управления отдаст команду управляемому переключателю для смены полярности и подаст напряжения на термоэлектрические модули, благодаря эффекту Пельтье тем самым будет производиться охлаждение температурозависимого узла и как следствие решаться задача успешного поддержания температуры в любых технически поддерживаемых температурных диапазонах.
Повышение вероятности успешного запуска терморегулируемого узла, таким образом, достигается за счет того, что происходит предпусковой подогрев, например, масляного картера двигателя внутреннего сгорания посредством эффекта Пельтье. Повышение КПД достигается за счет утилизации излишней тепловой энергии терморегулируемого узла во время работы системы благодаря эффекту Зеебека. Поддержание рабочей температуры температурозависимого узла достигается за счет обоюдного действия данных эффектов. А также, при критичном уровне температуры с условием неэффективного теплоотведения тепловой энергии собственным радиатором происходит аварийный сброс контролируемой температуры за счет использования эффекта Пельтье при условии смены полярности питающего напряжения.
На фигуре представлена схема предлагаемого устройства. Устройство содержит блок термоэлектрических модулей 1, соединенный через теплопроводящий гибкий материал 2, например, номакон с одной стороны с радиатором охлаждения 3 и с другой стороны с терморегулируемым узлом 4, в котором расположен теплоноситель 5. На стенке радиатора охлаждения 3 и на внутренней поверхности терморегулируемого узла 4 находятся датчики температуры 6 и 7 соответственно, которые соединены электрически с платой системы управления 8. Блок термоэлектрических модулей 1 электрически соединен с платой системы управления 8, выпрямителем 9 и платой силовой коммутации 10. Блок суперконденсаторов 11, подключенных последовательно-параллельным образом электрически соединен с платой системы управления 8 и платой силовой коммутации 10. Также плата системы управления 8 соединена электрически с органами управления платы силовой коммутации 10. На плате системы управления 8 предусмотрен разъем для соединения по шине связи 12, а на выпрямителе предусмотрен разъем для подключения к внешней силовой сети 13.
Устройство работает следующим образом. При работе терморегулируемого узла 4 в нем циркулирует теплоноситель 5, который передает тепловую энергию к нагреваемой стороне блока термоэлектрических модулей 1. С другой стороны блока термоэлектрических модулей 1 осуществляется сброс тепловой энергии на радиатор охлаждения 5. Для эффективности передачи тепловой энергии и сохранения целостности блока термоэлектрических модулей 1 с двух сторон блока используется гибкий теплопроводящий материал, например, номакон. Поскольку одна сторона блока термоэлектрических модулей 1 получает тепловую энергию, а с другой стороны осуществляется отток тепловой энергии, то на двух противоположенных сторонах блока термоэлектрических модулей 1 устанавливается определенный градиент температур, зависящий от теплового потока, проходящего через данный блок. Данный градиент измеряется датчиками температуры 6 с нагреваемой стороны и 7 с охлаждаемой стороны. Согласно эффекту Зеебека, термоэлементы, находясь в разнотемпературной среде, преобразуют честь тепловой энергии в электрическую. Появляется постоянное напряжение на выходе блока термоэлектрических генераторов 1, соединенных гальванически между собой последовательно-параллельным образом, чтобы получить наиболее качественные выходные вольтамперные показатели. Вырабатываемое напряжение с блока термоэлектрических генераторов 1 подается на входы питания платы системы управления 8, выпрямитель 9 (в данном случае напряжение на выпрямителе не задействовано) и плату силовой коммутации 10, которая, находясь в исходном состоянии, передает генерируемое напряжение на блок суперконденсаторов 11 для их зарядки. При условии сохранения качественного градиента температур на блоке термоэлектрических генераторов 1 процесс зарядки суперконденсаторов постоянен и продолжается под контролем платы системы управления 8 до тех пор, пока блок суперконденсаторов 11 не будет заряжен. В таком случае управляющие контакты платы силовой коммутации 10 разомкнутся и процесс заряда прекратится, а питание для платы системы управления 8 будет происходить от блока суперконденсаторов 11 для постоянного контроля их состояния. Существует еще один вариант использования устройства в данном режиме. Если градиент температур на блоке термоэлектрических генераторов 1 не достигнет достаточного уровня для осуществления заряда блока суперконденсаторов 11, то в таком случае, при условии достаточного заряда блока суперконденсаторов плата системы управления 8 подаст команду плате силовой коммутации 10 на переполюсовку и подачу напряжения на блок термоэлектрических модулей 1. В таких условиях, согласно эффекту Пельтье, термоэлементы, соединенные между собой и на контактах которых имеется разность потенциалов начинают генерировать разность температур на своих противоположенных сторонах своих обкладок. Причем, с учетом переполюсовки, на стороне блока термоэлектрических генераторов 1, который соединен с терморегулируемым узлом, будет происходить принудительный отток тепловой энергии, а на стороне, которая соединена с радиатором охлаждения 3 будет производиться сброс тепловой энергии. Таким образом, даже при условии недостаточного градиента температур, терморегулируемый узел будет находиться в тепловом балансе и будет выполнено условие качественного поддержания температуры.
При условии необходимости запуска терморегулируемого узла 4 в холодных условиях эксплуатации (градиент температур на блоке термоэлектрических модулей 1 отсутствует, температура ниже заданной отметки), когда необходим предварительный подогрев теплоносителя 5 команда нагрева подается от пользователя по шине связи 12 в плату системы управления 8. При условии наличия заряженного блока суперконденсаторов 11 система управления выдаст команду на замыкание силовых контактов платы силовой коммутации 10 (без переполюсовки). Напряжение с блока суперконденсаторов 11 будет подано на блок термоэлектрических модулей 1. Под воздействием эффекта Пельтье, будет происходить подогрев теплоносителя 5. Как только температура, анализируемая датчиком температуры 7, находящимся в терморегулируемом узле 4 или время подогрева достигнет своей уставки, плата управления по шине связи 12 выдаст сигнал о готовности к пуску. В данном режиме имеется еще одна вариация работы. Если блок суперконденсаторов разряжен, то запуск предварительного подогрева возможен при подключении устройства через разъем 13 к сети однофазного переменного напряжения. В таком случае через выпрямитель 9 постоянное и смодулированное до необходимого значения напряжение подается на плату системы управления 8, которая также выполняет анализ заряда блока суперконденсаторов 11 и дополнительно в процессе предпускового подогрева от внешнего источника заряжает блок суперконденсаторов 11. При достижении уставки температуры устройство по шине связи 12 просигнализирует об этом пользователю.