ФАЗОПЕРЕХОДНАЯ ТЕПЛОВАЯ РУБАШКА ДЛЯ АККУМУЛЯТОРА
PHASE-CHANGE THERMAL JACKET FOR AN ACCUMULATOR

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к устройствам для подогрева и поддержания рабочей температуры малых электрических аккумуляторных батарей и гальванических элементов.
Известен тепловой фазопереходный теплоаккумулирующий материал (тепловая рубашка), содержащий предельные углеводороды - октан, нонан и тетрадекан при следующем соотношении компонентов, мас. %: октан - (52,5-54,1); нонан - (43,9-45,5); тетрадекан - остальное [Патент РФ №2282652, МПК С09К 5/06, 2006].
Основным недостатком известного фазопереходного теплоаккумулирующего материала является использование одного слоя, заполненного фазопереходным материалом, состоящего из смеси нескольких компонентов, с одной температурой плавления и теплотой фазового перехода, что сужает температурный интервал тепловой защиты аккумулятора и, таким образом не позволяет поддерживать в более широком диапазоне рабочую температуру аккумулятора, что снижает его морозоустойчивость.
Известно устройство для тепловой защиты автомобильного аккумулятора (патент №170667 от 03.05.2017, МПК F02B 77/11 (2006.01), U1). Техническим результатом полезной модели является повышение длительности времени автономного поддержания требуемой температуры аккумулятора в условиях низких температур окружающего воздуха, который достигается за счет того, что устройство для тепловой защиты аккумулятора автомобиля, содержащее кожух, отличающееся тем, что кожух выполнен в виде замкнутого эластичного контейнера, внутренняя полость которого заполнена веществом, аккумулирующим тепло, входное отверстие внутренней полости контейнера соединено через теплопровод с теплообменником, смонтированным на двигателе внутреннего сгорания автомобиля, при этом внутри теплопровода перед входным отверстием контейнера установлен тепловой диод.
Недостатком устройства является необходимость изготовления теплопровода от теплообменника.
Более близким к предлагаемому изобретению является аккумулятор для поддержания пусковой температуры двигателя внутреннего сгорания (ДВС) строительной машины в период межсменной стоянки, представляющий собой чехол, закрепленный на рубашке и поддоне двигателя. Чехол (тепловая рубашка) состоит из первого, второго и третьего слоев. Первый слой представляет собой материал из прочной армирующей сетки нитей полиэстера с закрепленными ячейками, на которую с обеих сторон нанесен слой пластифицированного поливинилхлорида. Второй слой выполнен на основе вспененного полиэтилена, покрытого алюминиевой фольгой и к нему прикреплен третий слой, представляющий собой отдельные секции, заполненные фазопереходным теплоаккумулирующим материалом [Патент РФ №2431056, МПК F02N 19/00, 2011].
Недостатки известного теплового аккумулятора следующие: 1) жесткая конструкция первого слоя чехла, выполненного из прочной армирующей сетки нитей полиэстера с закрепленными ячейками, на которую с обеих сторон нанесен слой пластифицированного поливинилхлорида, которая не позволяет его использовать для покрытия небольших по размеру гальванических элементов и аккумуляторов; 2) применение одного слоя, заполненного фазопереходным материалом, что снижает температурный интервал тепловой защиты аккумулятора и его морозоустойчивость.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение морозоустойчивости аккумулятора.
Технический результат достигается применением фазопереходной тепловой рубашки для аккумулятора, содержащей наружный слой, граничащий с окружающей средой, выполненный из теплоизоляционного материала, следующие за ним три внутренних слоя, выполненных из крупнопористых материалов, пропитанных фазопереходными, теплоаккумулирующими веществами, состоящими из предельных углеводородов, которые изолированы друг от друга алюминиевой фольгой и последний, примыкающий к аккумулятору, слой электроизоляции с высокой теплопроводностью, причем в качестве фазопереходных веществ в трех внутренних слоях последовательно от наружного к последнему слою используются: додекан, декан и нонан.
Принципиальное устройство фазопереходной тепловой рубашки для аккумулятора приведено на фиг. 1 (на фиг. 1 приведен пример фазопереходной тепловой рубашки, состоящей из трех слоев).
Фазопереходная тепловая рубашка для аккумулятора содержит, примыкающий к окружающей среде наружный слой 1, выполненный из теплоизоляционного материала, внутренний слой 2, выполненный из крупнопористого материала, пропитанного додеканом, внутренний слой 3, выполненный из крупнопористого материала, пропитанного деканом, внутренний слой 4, выполненный из крупнопористого материала, пропитанного нонаном, которые изолированы друг от друга алюминиевой фольгой 5 и последний слой электроизоляции 6 с высокой теплопроводностью.
В основу работы фазопереходной тепловой рубашки для аккумулятора положены физико-химические характеристики веществ, предложенных в качестве фазопереходных теплоаккумулирующих материалов, (таблица 1 на фиг. 2) [Справочник химика, т.1 - М.-Л.: Химия, 1965, 1080 с; Справочник химика, т. 2 - М.-Л.: Химия, 1965, 1168 с] которые показывают, что свойства предельных углеводородов различаются между собой и каждый из них обеспечивает определенный температурный интервал при котором выделяется теплота фазового перехода.
На фиг. 2 в табличной форме представлены физико-химические свойства нонана, декана, додекана.
Характеристики производимого и доступного для использования додекана (синонимы: н-додекан, додекан ХЧ): регистрационный номер СAS NR 112-40-3, ТУ 6-09-4518-77, содержание основного вещества не менее 99,0% [Электронный ресурс: ООО "Кемикал Лайн" (Chemical Line) http://www.chemline.ru/catalog/l/166/?sphrase_id=4377, дата обращения 11.01.2019], [Электронный ресурс: Первый машиностроительный портал информационно-поисковая система http://www.1bm.ru/techdocs/kgs/tu/519/info/97938/, дата обращения 11.01.2019].
Характеристики производимого и доступного для использования декана (синонимы: н-декан, декан ХЧ): регистрационный номер СAS №: 124-18-5, ТУ 2631-154-44493179-13, массовая доля основного вещества, %,
Предложенные предельные углеводороды, используемые в качестве фазопереходных теплоаккумулирующих материалов: нонан, декан и додекан, имеющие относительно высокую теплоту фазового перехода жидкое - твердое, помещенные в отдельных слоях, позволяют получить конструкцию фазопереходной тепловой рубашки для аккумулятора, обеспечивающей нормальную работу аккумулятора в широком температурном интервале от минус 10°С до минус 60°С, т.е. в области низких температур (при температурах выше минус 10°С аккумулятор запускается и работает без потери его емкости и силы тока без подогрева).
Фазопереходную тепловую рубашку аккумулятора изготавливают следующим образом. На лист наружного слоя 1, выполненный из теплоизоляционного материала, накладывают и приклеивают лист внутреннего слоя 2, выполненный из крупнопористого материала [Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия. 1971. с. 595] (крупнопористый материал слоев должен быть выбран исходя из размера молекул углеводородов фазопереходных материалов и условий работы тепловой рубашки), пропитанный фазопереходным веществом - додеканом, который обклеивают листом алюминиевой фольги 5, на которую наклеивают лист внутреннего слоя 3, выполненный из крупнопористого материала, пропитанного фазопереходным веществом - деканом, который обклеивают листом алюминиевой фольги 5, на которую приклеивают лист внутреннего слоя 4, также выполненный из крупнопористого материала, пропитанного фазопереходным веществом - нонаном, который покрывают последним слоем электроизоляции 6 с высокой теплопроводностью. Далее, из полученной многослойной листовой заготовки, изготавливают фазопереходные тепловые рубашки для заданных размеров аккумуляторов. При этом, материал и тепловые характеристики наружного слоя 1 выбирают в зависимости от условий наружной среды расположения аккумулятора, материал, толщину, размеры капилляров внутренних слоев 2, 3, 4 и количество фазопереходных веществ выбирают в зависимости от продолжительности пребывания аккумулятора при отрицательных температурах и определяют расчетно-экспериментальными методами.
Фазопереходная тепловая рубашка аккумулятора работает следующим образом. Защищаемый аккумулятор вставляют в заготовленную рубашку и помещают на рабочее место. При снижении наружной температуры ниже минус 9,6°С начинает замерзать додекан, находящийся в крупных порах листа внутреннего слоя 2 (пористая структура внутренних слоев 2, 3, 4 выбрана из условия равномерного распределения фазопереходного вещества по всему их объему). При замерзании додекан выделяет теплоту фазового перехода в количестве 216,3 кДж/кг, которая, проходя через алюминиевую фольгу 5, слой 3, алюминиевую фольгу 5, слой 4, слой электроизоляции 6, обладающий высокой теплопроводностью, обогревает защищаемый аккумулятор (количество теплоты, теряемой наружу при этом, значительно меньше из-за теплоизоляционных свойств слоя 1). При снижении наружной температуры ниже минус 29,7°С начинает замерзать декан, находящийся в крупных порах листа внутреннего слоя 3. При замерзании декан выделяет теплоту фазового перехода в количестве 164,5 кДж/кг, которая, проходя через алюминиевую фольгу 5, слой 4, слой электроизоляции 6, обладающий высокой теплопроводностью, обогревает защищаемый аккумулятор (количество теплоты, теряемой наружу при этом, значительно меньше из-за теплоизоляционных свойств слоя 1 и теплового сопротивления слоя 2 и алюминиевой фольги 5). При снижении наружной температуры ниже минус 53,7°С начинает замерзать нонан, находящийся в крупных порах листа внутреннего слоя 4. При замерзании нонан выделяет теплоту фазового перехода в количестве 120,26 кДж/кг, которая, проходя через последний слой электроизоляци 6, обладающий высокой теплопроводностью, обогревает защищаемый аккумулятор (количество теплоты, теряемой наружу при этом, значительно меньше из-за теплового сопротивления алюминиевой фольги 5, слоя 3, алюминиевой фольги 5, слоя 2 и теплоизоляционных свойств наружного слоя 1).
Количество внутренних слоев крупнопористого материала, пропитанных фазопереходными веществами и набор этих веществ могут быть увеличены или уменьшены в зависимости от температурного интервала, в котором должна функционировать фазопереходная тепловая рубашка.
Таким образом, в результате использования конструкции фазопереходной тепловой рубашки, выполненной из отдельных слоев фазопереходных теплоаккумулирующих материалов, выполненных из крупнопористого материала, каждый из которых пропитан соответственно додеканом, деканом, нонаном, обладающих своей температурой плавления и теплотой фазового перехода, обеспечивает более широкий температурный интервал морозоустойчивости аккумулятора.