Система термостатирования

Полезная модель относится к автомобилестроению, а именно к системам термостатирования, предназначенным для обеспечения требуемого рабочего теплового режима энергетических силовых установок на топливных элементах транспортного средства в различных условиях эксплуатации.
Известно теплообменное устройство системы термостатирования, содержащее контур охладителя, теплообменник и контур термостатирующей жидкости с установленным мембранным регулятором расхода, управляемым потоком охладителя, где управляющая полость регулятора расхода связана с контуром охладителя (см. авт.свидет. к изобретению SU№489441, МПК G05D23/00(2000.01), B64D13/06(2000.01), опубликовано 27.12.2005).
Известна система термостатирования, содержащая термостатируемый объем, управляемый источник тепла, датчик температуры с регулятором и усилителем-преобразователем, снабжена датчиком тепловых потоков, установленным на границе термостатируемой и возмущающей сред и подключенным к усилителю-преобразователю (см. авт.свидет. SU№343257, МПК G05d23/30, опубликовано 22.06.1972).
Известна система термостатирования, включающая в себя контур циркуляции и устройство для термостатирования, содержащее емкость с теплоносителем, в которой установлены нагреватель и охладитель, змеевик, размещенный в теплообменнике, также снабжена золотниковым распределителем, центробежным насосом, который снабжен второй нагнетательной магистралью, образующей с одной из полостей золотникового распределителя и емкостью с теплоносителем дополнительный контур циркуляции теплоносителя (см. авт.свидет. SU 1097979, МПК G05D23/30, опубликовано 15.06.84).
Известна система термостатирования батарейного модуля автомобиля, имеющая вход и выход соответственно для соединения с трубопроводом подачи теплоносителя в двигатель и с трубопроводом отвода охлажденного теплоносителя от двигателя в предпусковой подогреватель, при этом система выполнена в виде низкотемпературного контура, включающего теплообменник типа «жидкость-жидкость», предназначенный для объединения низкотемпературного контура и контура системы подогрева двигателя, блок охлаждения в составе с радиатором и электровентилятором, расширительный бачок, насос электрический, два датчика температурных, один из которых установлен на входе в радиатор, а второй - на выходе из теплообменника, и электрический кран, установленный на входе в теплообменник, при этом теплообменник и радиатор блока охлаждения выполнены с возможностью для соединения с батарейным модулем и инвертором (см. патент RU№2722217, МПК В60Н1/00(2006.01), опубликовано 28.05.2020).
Известна двухконтурная система термостатирования, включающая первый контур, содержащий канал охлаждения топливного элемента, циркуляционное средство первого контура и теплообменный аппарат, и второй контур, содержащий циркуляционное средство второго контура и охладитель, система термостатирования снабжена сепаратором, циркуляционное средство первого контура выполнено в виде газожидкостного струйного насоса, имеющего сопло для подвода активной среды, сопло для подвода пассивной среды и выходной патрубок, циркуляционное средство второго контура выполнено в виде парожидкостного струйного насоса, имеющего сопло для подвода активной среды, сопло для подвода пассивной среды и выходной патрубок, причем выход канала охлаждения топливного элемента соединен с входом первого контура в теплообменный аппарат, выход первого контура из теплообменного аппарата соединен с соплом для пассивной среды газожидкостного струйного насоса, выходной патрубок газожидкостного струйного насоса соединен с входом в сепаратор, выход первого контура сепаратора соединен с входом в канал охлаждения топливного элемента, а выход второго контура сепаратора соединен с входом в сопло для активной среды парожидкостного струйного насоса, выходной патрубок парожидкостного струйного насоса соединен с входом в охладитель и входом второго контура в теплообменный аппарат, выход второго контура из теплообменного аппарата соединен с соплом для активной среды газожидкостного струйного насоса, выход из охладителя соединен с соплом для пассивной среды парожидкостного струйного насоса (см. патент RU№111355, МПК Н01М8/04(2006.01), опубликовано 10.12.2011).
Известна система термостатирования герметичного объекта, содержащая замкнутый жидкостный контур, в котором после термостатирования объекта установлен ресивер, насос, жидкостная полость, воздуха - жидкостного теплообменника и датчик температуры, воздушный контур с вентилятором, имеющим привод, и воздушной полостью теплообменника, снабженной форсункой, подключенной к емкости с хладагентом через регулируемый вентиль, электрически связанный с указанным датчиком температуры, причем в жидкостной контур дополнительно включены нагреватель, установленный перед насосом, два регулирующих вентиля, установленные на отводных линиях, которыми снабжены объект и теплообменник, а привод вентилятора выполнен в виде гидромотора, подключенного к жидкостному контуру перед теплообменником и через третий регулирующий вентиль - к выходу насоса и снабженного байпасной линией со своим регулирующим вентилем, имеющим общий привод с третьим регулирующим вентилем, при этом система дополнительно содержит блок управления, электрически связанный с датчиком температуры, нагревателем и со всеми вентилями (см. авт.свидет. SU№1251643, МПК F25В19/04(2006.01), опубликовано 10.06.2006).
Известные решения в большинстве случаев требуют дополнительные затраты электроэнергии, а именно, что в данных системах термостатирования является то, что выделенное тепло из энергетической силовой установки не используется, а утилизируется в окружающую среду, что, в свою очередь, можно отнести к потерям, связанными с необходимостью использования дополнительных нагревательных устройств в случае, если есть необходимость обогревать салон или кабину транспортного средства, что ведет к дополнительным энергозатратам, кроме того, просматриваются ограничения по работе энергетических установок при отрицательных температурах окружающей среды и скорости выхода энергетических силовых установок на рабочий температурный режим, где температура окружающей среды, при которой работает описанная энергетическая силовая установка, является недостаточной, для запуска в экстремальных условиях, например при температуре ниже -25°С.
Прототипом к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является система термостатирования (охлаждения) для топливного элемента, содержащая главный контур текучей среды-теплоносителя, включающий в себя циркуляционный насос и теплообменник для обмена с внешним пространством, которые питают входной трубопровод, направляющий эту текучую среду к ячейкам топливного элемента, при этом текучая среда выходит из ячеек через выходной трубопровод и возвращается в циркуляционный насос, отличающаяся тем, что главный контур содержит на каждом входном и выходном трубопроводе управляемый трехканальный вентиль, при этом третий свободный канал входного трубопровода соединен с входом насоса, и третий свободный канал выходного трубопровода соединен с выходом насоса, образуя вспомогательный контур текучей среды (см. патент RU№2590905, МПК Н01М8/04(2006.01), опубликовано 10.07.2016).
Недостаток данного технического решения заключается в том, что просматриваются ограничения по работе энергетических установок, при отрицательных температурах окружающей среды и скорости выхода энергетических силовых установок на рабочий температурный режим, кроме того, рассматриваемая система не способна поддерживать рабочий температурный режим энергетической силовой установки при температуре окружающей среды до -40°С.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение поддержания рабочего температурного режима энергетической силовой установки за счет проточного подогревателя при температуре окружающей среды до -40°С.
Поставленная задача решается тем, что система термостатирования, имеющая контур системы термостатирования для топливного элемента, содержащий в себе циркуляционный насос, теплообменник, трехходовые клапаны, установленные перед теплоносителем после энергетической силовой установки, датчики температуры, установленные на магистрали контура входа и выхода энергетической силовой установки, причем контур системы термостатирования для топливного элемента дополнительно содержит электрический проточный подогреватель, предназначенный для повышения температуры двигателя транспортного средства, при этом система термостатирования дополнительно имеет контур системы охлаждения вспомогательных элементов и контур системы отопления салона, где контур системы охлаждения вспомогательных элементов включает в себя преобразователь DC/DC, соединенный с энергетической силовой установкой, теплообменник, последовательно установленный с теплообменником системы термостатирования для топливного элемента, циркуляционный насос, датчик температуры, установленный на контуре входа к энергетической силовой установке, а контур системы отопления салона содержит в себе циркуляционный насос, соединенный с одним из трехходовым клапаном, и теплообменник, предназначенный для рассеивания тепла по объему салона транспортного средства и, соединяющийся с одной стороны с циркуляционным насосом системы охлаждения вспомогательных элементов.
Совокупность отличительных признаков, заключающаяся в том, что контур системы термостатирования для топливного элемента дополнительно содержит электрический проточный подогреватель, предназначенный для повышения температуры двигателя транспортного средства, при этом система термостатирования дополнительно имеет контур системы охлаждения вспомогательных элементов и контур системы отопления салона, где контур системы охлаждения вспомогательных элементов включает в себя преобразователь DC/DC, соединенный с энергетической силовой установкой, теплообменник, последовательно установленный с теплообменником системы термостатирования для топливного элемента, циркуляционный насос, датчик температуры, установленный на контуре входа к энергетической силовой установке, а контур системы отопления салона содержит в себе циркуляционный насос, соединенный с одним из трехходовым клапаном и теплообменник, предназначенный для рассеивания тепла по объему салона транспортного средства и, соединяющийся с одной стороны с циркуляционным насосом системы охлаждения вспомогательных элементов, позволяет поддерживать рабочий температурный режим энергетической силовой установки при температуре окружающей среды до -40°С.
Суть полезной модели поясняется следующими чертежами:
фиг.1 - система термостатирования, общий вид с учетом контура системы охлаждения, системы термостатирования топливных элементов и системы отопления салона;
фиг. 2 - схема системы охлаждения системы термостатирования;
фиг. 3 - системы термостатирования, общий вид с учетом контура системы охлаждения, системы термостатирования топливных элементов;
фиг. 4 - схема системы отопления салона системы термостатирования.
Система термостатирования имеет как минимум три контура: контур системы охлаждения вспомогательных элементов (контур А), контур системы термостатирования для топливного элемента (контур Б), контур системы отопления салона (контур В). Контур системы термостатирования для топливного элемента содержит в себе циркуляционный насос 1, последовательно соединенные между собой пластинчатые теплообменники 2, расширительный бачок 3, трехходовой клапан 4, установленный перед теплоносителем после энергетической силовой установки 5 с электрическим нагнетателем воздуха, датчики 6 и 7 температуры, установленные на магистрали контура входа и выхода энергетической силовой установки, кроме того содержит проточный подогреватель 8, предназначенный для повышения температуры двигателя транспортного средства. Контур системы охлаждения вспомогательных элементов содержит в себе так же, как и выше упомянутый контур энергетическую силовую установку 5, а кроме этого содержит преобразователь DC/DC 9, соединенный с энергетической силовой установкой, расширительный бачок 10, теплообменник 11, последовательно установленный с теплообменником системы термостатирования для топливного элемента, циркуляционный насос 12, датчик 13 температуры, установленный на контуре входа к энергетической силовой установке. Третий контур системы отопления салона содержит в себе циркуляционный насос 14, соединенный с одним из трехходовым клапаном 15, установленным на выходе магистрали энергетической силовой установки, теплообменник 16, предназначенный для рассеивания тепла по объему салона транспортного средства и, соединяющийся с одной стороны с циркуляционным насосом 1 системы охлаждения вспомогательных элементов, а с другой стороны с циркуляционным насосом 14.
Таким образом, на фиг. 2 показана общая схема, где преобразователь DC/DC 9 объединяется в отдельный контур.
Схема, которая отображает необходимость разделения по контурам системы охлаждения вспомогательных элементов и системы термостатирования для топливного элемента ввиду разности требований к температурному режиму работы, и требований к скорости потока жидкости, но объединяя их в технологический узел охлаждения с использованием одного вентилятора и последовательно установленных пластинчатых теплообменников, для утилизации излишков тепла в окружающую среду. Общая схема, которая приведена на фиг. 3. На данном этапе система термостатирования состоит из двух контуров: контур А - контур системы охлаждения вспомогательных компонентов и контур Б - контур системы термостатирования для топливного элемента.
Итак, соединяя обе системы дополнительной магистралью и вводя циркуляционный насос с достаточной производительностью, получаем общую схему работы на фиг. 4. При необходимости обогрева салона теплоноситель через циркуляционный насос направляется в климатическую систему автобуса и далее тепло рассеивается с помощью отопителей салона. Затем жидкость возвращается в систему термостатирования и цикл повторяется.
На следующем этапе, конкретизируя схему, получаем следующую картину совместной работы системы термостатирования топливных элементов и системы отопления салона, которая приведенной как раз на фиг. 1, заявляемой полезной модели, которая состоит из трех контуров: контура А - контур системы охлаждения вспомогательных элементов, внутри которого циркуляционный насос 1 осуществляет циркуляцию охлаждающей жидкости через трехходовой клапан 4 с целью первоначального быстрого прогрева батареи топливных элементов энергетической силовой установки 5 за счет тепла проточного подогревателя 8 при температуре окружающей среды менее 15°С; контура Б - контур системы термостатирования для топливного элемента, расширяющий границы предыдущего. При работе в теплое время года с температурой окружающей среды более 15°С, трехходовой клапан 15 открывает направление тока жидкости «энергоустановка-радиатор», но при этом магистраль на отопление салона остается закрытой. Теплота рассеивается в пластинчатых теплообменниках 2 и контура В - контур системы отопления салона, одними из основных компонентов которого являются циркуляционный насос 14 и теплообменник 16. Приведенная схема на фиг. 1 позволяет повысить энергоэффективность транспортного средства за счет применения меньшего количества компонентов, благодаря объединению контуров и использования тепла, выделяемого при работе энергетической силовой установки, а главное обеспечить поддержание рабочего температурного режима энергетической силовой установки за счет проточного подогревателя при температуре окружающей среды до -40°С.
Принцип работы системы термостатирования с учетом контура системы охлаждения, системы термостатирования топливных элементов и системы отопления салона, показанной на фиг. 1 осуществляется следующим образом.
При запуске двигателя транспортного средства запускаются циркуляционные насосы 1, 12. При перегреве преобразователя DC/DC 9 или нагнетателя воздуха в энергетической силовой установке 5 по сигналу датчика 15 температуры запускается электрический нагнетатель воздуха в теплообменнике 11. При температуре окружающей среды и жидкого теплоносителя менее 15°С по сигналу датчика 6 температуры включается проточный подогреватель 8, причем трехходовой клапан 15 остается в исходном положении, а трехходовой клапан 4 меняет положение. За счет тепла нагревателя температура жидкого теплоносителя повышается, а его вязкость снижается. При повышении температуры теплоносителя в контуре А по сигналу датчика 6 температуры выключается проточный подогреватель 8, при этом трехходовой клапан 4 приходит в исходное положение, подключается контур Б. При перегреве энергетической силовой установки 5, запускается электрический нагнетатель воздуха в теплообменниках 2, 11, а при низкой температуре окружающей среды до -40°С, и когда требуется отопление салона, трехходовой клапан 15 меняет положение и автоматически подключается контур В, при этом включается циркуляционный насос 14, причем контур В должен подключаться только при прогретой энергетической установке.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет обеспечить поддержания рабочего температурного режима энергетической силовой установки за счет проточного подогревателя при температуре окружающей среды до -40°С.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и возможно для реализации на стандартном технологическом оборудовании с применением ранее освоенных технологий.