ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ТОПЛИВА
FUEL HEATER

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности для подогрева топлива в системах топливоподачи при эксплуатации машинно-тракторного парка.
Известно устройство для подогрева жидкости (патент РФ №2022150) [1], содержащее размещенные в корпусе основной и дополнительный термоэлектропроводящие элементы, снабженные электрическими контактами для их подключения соответственно к разноименным полюсам источника питания, а также полупроводниковые нагреватели, размещенные между термоэлектропроводящими элементами. Дополнительный термоэлектропроводящий элемент выполнен в виде отдельных пластин, каждая из которых установлена в соответствующем нагревателе. В корпусе имеются токоподводящие контакты для включения в электрическую цепь двигателя внутреннего сгорания и пружина, предназначенная для фиксации и поджатия дополнительных элементов к нагревателям.
Недостатком устройства является сложность и низкая надежность конструкции, недостаточно эффективный процесс теплообмена.
Наиболее близким аналогом является подогреватель топлива (патент РФ №2030321) [2], представляющий собой емкость с запасом топлива для гарантированного запуска, закрепленную на выходном патрубке бака. В емкости расположено устройство для механического перемешивания, выполненное в виде миниатюрного электродвигателя с крыльчаткой, нагревательными элементами с положительным коэффициентом сопротивления (позистором), которые последовательно соединены с электродвигателем. Между собой позисторы соединяются по параллельной схеме. Кроме того, позисторы могут располагаться на крыльчатке электродвигателя и соединяться с плюсовой и минусовой клеммами якоря электродвигателя.
Недостатком устройства является сложность конструкции, низкая ее надежность, недостаточно эффективный процесс теплообмена.
Задачей изобретения является упрощение конструкции подогревателя, повышение его надежности и эффективности теплопередачи.
Указанная задача достигается благодаря тому, что в подогревателе топлива, содержащем теплоизолированный корпус, в котором установлены позисторы и токоподводящие элементы, согласно изобретению корпус выполнен в виде штуцера, позисторы выполнены в форме сегмента окружности и закреплены в корпусе перпендикулярно его оси по образующей спирали с равным шагом, а токоподводящие элементы выполнены в виде токоподводящих пластин, с помощью которых позисторы закреплены в корпусе.
Основным назначением подогревателя является эффективный нагрев небольшого объема вязкого топлива, в качестве которого может выступать рапсовое масло, до температуры 80°C.
Форма позисторов в виде сегмента окружности обеспечивает наибольшую площадь контакта с топливом, а их расположение в корпусе - режим эффективного пассивного перемешивания топлива на всем протяжении подогревателя. Таким образом, обеспечивается повышение эффективности теплопередачи.
Сущность предлагаемого решения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показано устройство подогревателя, на фиг.2 разрез А-А на фиг.1, на фиг.3 - позистор с токоподводящими пластинами.
Подогреватель состоит из корпуса 1, выполненного в виде штуцера из диэлектрического материала. В качестве диэлектрического материала можно использовать текстолит, который к тому же обладает хорошими механическими свойствами. В корпусе 1 перпендикулярно его оси по образующей спирали с равным шагом закреплены позисторы 4. По форме позисторы 4 представляют сегмент окружности, например, равный 2/3 окружности. Тщательное перемешивание жидкости в процессе подогрева, а следовательно, и более эффективный процесс теплообмена обеспечивается благодаря специальной форме позисторов 4 и их расположению в корпусе 1 подогревателя. Запитываются позисторы 4 от бортовой сети транспортного средства посредством токоподводящих пластин 2, которые расположены в корпусе 1. Для упрощения процесса сборки позистор 4 и токоподводящие пластины 2 могут представлять собой неразъемную конструкцию. Кроме того, токоподводящие пластины 2 выполняют роль фиксирующих элементов для позисторов 4. Конструкция позволяет объединять одноименные полюса токоподводящих пластин 2. Позисторы 4 запитываются по параллельной схеме, что дополнительно повышает надежность подогревателя. Корпус 1 герметизирован изоляционным материалом 3, в качестве которого может выступать эпоксидная смола. Использование эпоксидной смолы позволяет к тому же повысить жесткость конструкции.
Подогреватель топлива работает следующим образом.
Перед пуском двигателя подогреватель подключается к источнику тока, в качестве которого может выступать аккумуляторная батарея транспортного средства. При прохождении тока через позисторы последние нагреваются и отдают тепло топливу. При нагреве топлива до заданной температуры, которая является характеристикой позисторов, они «запираются», т.е. сопротивление позисторов возрастает, как минимум, в тысячу раз, что снижает силу тока, протекающего через позисторы и последовательно соединенную лампу (на рисунке не показана). После того как погаснет лампочка, производится пуск двигателя.
Топливо, проходя канал А, попадает в полость В, ударяясь о стенку позистора, завихряется и омывает стенки позисторов, образующих полость, и далее через следующий канал попадает в следующую полость. Таким образом, последовательно проходя из одной полости в другую, топливу сообщается режим эффективного пассивного перемешивания, что в свою очередь позволяет повысить эффективность процесса теплообмена.
Об эффективности процесса теплообмена в подогревателе можно судить исходя из режима течения топлива. Критерием, определяющим режим течения топлива, является число Рейнольдса:
<mrow><mi>R</mi><mi>e</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>V</mi><mo>⋅</mo><mi>d</mi></mrow><mi>ν</mi></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где V - скорость потока топлива, м;
d - диаметр подогревателя, м;
2
ν - кинематическая вязкость топлива, м/с.
Скорость потока топлива можно определить как:
<mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>G</mi><mrow><mi>ρ</mi><mi>F</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где G - средняя массовая скорость топлива, кг/с;
3
ρ - плотность топлива, кг/м;
2
F - площадь сечения подогревателя, м.
e
Предварительные расчеты показали, что R≂2300, следовательно, имеем ламинарный режим течения топлива, но за счет специальной формы позисторов и их взаимного расположения в корпусе подогревателя получаем турбулизацию потока топлива.
Данный режим подразумевает максимально эффективное перемешивание топлива, при отсутствии активных рабочих органов. Благодаря тому что нагревательные элементы представлены позисторами, температурный режим поддерживается автоматически.
Определить требуемую площадь поверхности нагрева (площадь всех позисторов) можно из выражения:
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>Q</mi><mi>q</mi></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где Q - количество теплоты необходимое для нагрева топлива, Вт;
2
q - плотность теплового потока, Вт/м.
Количество теплоты, необходимое для нагрева топлива, определяется из формулы:
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mi>G</mi><mo>⋅</mo><mi>c</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где c - коэффициент теплоемкости топлива, кДж/(кг·К);
2
T - температура, которую необходимо сообщить топливу, К.
Плотность теплового потока можно определить из выражения:
<mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mi>α</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
где α - коэффициент теплоотдачи, Вт/ (м·К);
1
T - температура поверхности позистора, К.
В свою очередь, коэффициент теплоотдачи для турбулентного движения топлива можно определить из формулы:
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><msub><mi>N</mi><mi>u</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>λ</mi><mo>/</mo><mi>d</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
u
где N - число Нуссельта;
λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К).
d - предполагаемый диаметр штуцера (в нашем случае), м.
Необходимое количество позисторов можно определить из формулы:
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>F</mi><mrow><mi>F</mi><mi>p</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где Fp - площадь позистора, м.
Зная форму позистора (сегмент, который, к примеру, составляет 2/3 окружности), можно определить его площадь:
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>П</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>3</mn></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где d - диаметр окружности, образующей сегмент, м.
Из формулы 8 определим диаметр окружности, образующей сегмент, в форме которого выполнен позистор:
<mrow><mi>d</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>3</mn><mi>F</mi><mi>p</mi></mrow><mi>π</mi></mfrac></mrow></msqrt><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>9</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
По предлагаемым формулам можно рассчитать конструктивные особенности подогревателя и определить температурный режим, а следовательно, и характеристику позисторов.
Использование предлагаемой конструкции подогревателя позволяет повысить его надежность и эффективность теплопередачи, автоматизировать процесс подогрева. Это позволит использовать в двигателе как дизельное, так и более вязкие топлива.