СИСТЕМА ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ
LIQUID COOLING SYSTEM OF THERMAL MACHINE

Изобретение относится к машиностроению и, в частности к системам охлаждения тепловых машин, например двигателей внутреннего сгорания, для повышения их эффективности.
Известна система жидкостного охлаждения тепловой машины [1], схема которой приведена на фиг.1.
Она состоит из двигателя 1, подогревателя 2, радиатора 3, регулирующего органа 4, исполнительного электрического механизма 5, насосов 6 и 7, канала на перепуск 8, утилизационного котла 9, датчика нагрузки 10, датчика температуры 11, блока управления 12, каналов подвода и отвода горячей воды 13, 14.
При работе двигателя, если:
- Т≤80°С - регулирующий орган направляет поток охлаждающей воды на подогреватель 2, где охлаждающая вода подогревается до заданного значения и направляется в двигатель;
- Т-80°С - весь поток охлаждающей воды по каналу 8 направляется в двигатель;
- Т>80°С - часть потока охлаждающей воды направляется по каналу 8 в двигатель, а другая часть - в радиатор, где вода охлаждается и направляется в двигатель.
- При дальнейшем повышении Т охлаждающей воды, например до Т>85°С, весь поток воды направляется на радиатор, охлаждается до 80°С и направляется в ДВС.
Известная система охлаждения [1] тоже предусматривает поддержание повышенного температурного режима во всем диапазоне работы тепловой машины и по достигаемому результату она близка к предлагаемой системе охлаждения и поэтому она принимается в качестве прототипа заявляемой системе.
Недостатками известной системы [1], принятой в качестве прототипа, являются, во-первых то, что схема более сложная (значит и дороже) из-за наличие второго водяного насоса, встроенного в систему охлаждения, наличие котла-утилизатора, встроенного в выпускной тракт тепловой машины.
Во-вторых, снижение экономичности тепловой машины в связи с наличием второго водяного насоса на привод которого необходима энергия, которая берется от тепловой машины.
В-третьих, увеличенное гидравлического сопротивления выпускного тракта из-за наличия в нем котла-утилизатора.
В-четвертых, более частое обслуживание системы охлаждения (а значит увеличение трудоемкости и стоимости эксплуатации тепловой машины) в связи наличием в системе котла-утилизатора, который требует очистки через определенный период времени. Учитывая то, что в данном случае предусматривается работа котла-утилизатора на частичных нагрузках и на холостом ходу, на которых сгорание топлива проходит не достаточно эффективно, то засорение котла утилизатора будет происходить значительно быстрее, нежели при работе тепловой машины на номинальной нагрузки.
В-пятых, не возможен пуск тепловой машины с предварительным подогревом охлаждающей жидкости, что увеличивает время ее пуска.
На основании вышеизложенного можно кратко сформулировать недостатки известной системы охлаждения, а именно: усложнение самой схемы системы охлаждения, а значит и ее стоимости, в связи с наличием дополнительного оборудования, повышенной трудоемкости ее обслуживания и снижение экономичности тепловой машины.
Целью изобретения является повышение эффективности тепловой машины, например двигателей внутреннего сгорания, с предлагаемой системой охлаждения,
Поставленная цель достигается тем, что в системе жидкостного охлаждения тепловой машины, преимущественно двигателей внутреннего сгорания, применяется тепловой аккумулятор, установленный перед водяным насосом и подключаемый к системе охлаждения через вентиль, при этом он выполнен в виде трехходового вентиля с электроприводом и электронным блоком управления его электропривода и отрегулированным на максимально-допустимую температуру охлаждающей жидкости на входе в водяной насос тепловой машины, который в свою очередь также установлен перед водяным насосом, но после места подключения обводного трубопровода с подогревателем перед водяным насосом, который подключен через термостат, отрегулированным на максимально-допустимую температуру охлаждающей жидкости на выходе из тепловой машины (например, 95°С), обеспечивающий полный проход жидкости через радиатор, установленный параллельно тепловой машине.
Отличительными признаками предлагаемой системы охлаждения тепловой машины является то, что в качестве источника тепла для поддержания повышенного температурного режима во всем диапазоне работы тепловой машины (фиг.2) применен тепловой аккумулятор, установленный перед водяным насосом и подключаемый к системе охлаждения через вентиль, при этом он выполнен в виде трехходового вентиля с электроприводом и электронным блоком управления его электропривода и отрегулированным на максимально-допустимую температуру охлаждающей жидкости на входе в водяной насос тепловой машины, который в свою очередь также установлен перед водяным насосом, но после места подключения обводного трубопровода с подогревателем перед водяным насосом, который подключен через терморегулятор, отрегулированным на максимально-допустимую температуру охлаждающей жидкости на выходе из тепловой машины (например 95°С), обеспечивающий полный проход жидкости через радиатор, установленный параллельно тепловой машине.
На фиг.2 представлена предлагаемая система охлаждения тепловой машины.
Система содержит контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий сообщенные между собой при помощи трубопроводов 1, 2, 3 и 4, рубашку охлаждения тепловой машины 5, циркуляционный насос 6 и радиатор 7, перепускной трубопровод 8 с подогревателем 9, термостат 10, установленный в трубопроводе 8, тепловой аккумулятор 11, установленный параллельно трубопроводу 4 через трехходовой вентиль 12, управляемый электронным блоком 13, связанный с датчиком температуры охлаждающей жидкости на выходе из тепловой машины 14, вентилятор 15, управляемый электронным блоком 13.
Предлагаемая система жидкостного охлаждения тепловой машины работает следующим образом.
После запуска тепловой машины 5 после длительной стоянки (например, более месяца), охлаждающая жидкость по трубопроводу 1 поступает на термостат 10, откуда она направляется по обводному трубопроводу 8 через подогреватель 9 по трубопроводу 4 на всасывание водяного насоса 6, нагнетающий патрубок которого соединен с тепловой машиной 5. При этом термостат 10 отрегулирован на максимально допустимую температуру на выходе из тепловой машины (например, 90-95°С, либо режим высокотемпературного охлаждения 105-120°С) направляет весь поток охлаждающей жидкости через подогреватель 9, где она и нагревается (например, от теплоты охлаждающей жидкости рядом работающей тепловой машины, электронагревателями от постороннего источника энергоснабжения, горячей воды от постороннего источника и т.д.) до заданной величины, после чего прекращается подогрев охлаждающей жидкости в подогревателе 9.
Далее с увеличением мощности самой тепловой машины 5 увеличивается и тепло отдаваемое в систему охлаждения, открывается трехходовой вентиль 12 по сигналу блока управления и охлаждающая жидкость поступает в тепловой аккумулятор 11, при этом происходит накопление тепловой энергии - его «зарядка» при данной температуре охлаждающей жидкости. Теплоаккумулирующий материал теплового аккумулятора подбирается из соображения необходимой температуры охлаждающей жидкости на выходе из тепловой машины (например, 90-95°С либо режим высокотемпературного охлаждения 105-120°С).
После «зарядки» теплового аккумулятора 11 и дальнейшем увеличении мощности тепловой машины открывается термостат 10 и охлаждающая жидкость по трубопроводу 2 поступает на радиатор 7, где и происходит ее охлаждение. При необходимости вступает в работу вентилятор 15, управляемый электронным блоком 13 (изменяет частоту вращения лопастей вентилятора и расход воздуха продуваемый через радиатор 15), который обеспечивает поддержание заданной температуры охлаждающей жидкости на выходе из тепловой машины по датчику температуры 14.
При работе тепловой машины 5 в зоне малых нагрузок и холостого хода, когда теплота, отводимая в систему охлаждения от тепловой машины, будет меньше необходимой для поддержания повышенного температурного режима, вступает в работу тепловой аккумулятор 11, отдавая тепло в систему охлаждения, тем самым «разряжаясь» и поддерживая повышенный температурный режим.
Далее, при повышенной мощности тепловой машины 5 тепловой аккумулятор 11 вновь «заряжается», причем «зарядку» теплового аккумулятора осуществляется в первую очередь, используя трехходовой вентиль 12 и блок управления 13, а затем только сброс теплоты в радиаторе 15.
Необходимую тепловую мощность (массу теплоаккумулирующего материала) теплового аккумулятора 11 можно рассчитать исходя из режимов работы конкретной тепловой машины с учетом ее назначения и внешних атмосферных условий (температуры наружного воздуха).
С целью снижения тепловых потерь при работе тепловой машины в зоне малых нагрузок и холостого хода обводной трубопровод, состоящий из трубопроводов 1, 4, 8, подогреватель 9, термостат 10, тепловой аккумулятор 11, трехходовой вентиль 12 выполнены с термоизоляцией.
После запуска тепловой машины 5 после кратковременной стоянки (например, сутки, двое), при сохранении теплоты в тепловом аккумуляторе, происходит циркуляция охлаждающей жидкости по обводному трубопроводу, состоящий из трубопроводов 1, 4, 8, и теплового аккумулятора 11 через трехходовой вентиль 12, что обеспечивает пуск тепловой машины с предварительно подогретой охлаждающей жидкостью, обеспечивая более надежный сам пуск и дальнейшее снижение времени прогрева тепловой машины, что так же обеспечивает повышение эксплуатационной экономичности установки с данной тепловой машиной.
Изложенное позволяет сделать вывод, что предложенная система жидкостного охлаждения тепловой машины позволяет увеличить эффективность тепловой машины с предлагаемой системой жидкостного охлаждения (фиг.2), преимущественно двигателей внутреннего сгорания, по сравнению с известно системой (фиг.1).
В результате использования этого изобретения на машиностроительных предприятиях страны (ООО «Уральский дизель - моторный завод» г.Екатеринбург, ОАО "Волжский дизель им. Маминых", г.Балаково, и др.) например на дизелях 6ДМ 21 и 6ЧН21/21, создается положительный эффект - поддержание повышенного температурного режима в зоне малых нагрузок тепловой машины и повышения эксплуатационной экономичности за счет снижения расхода топлива в зоне малых нагрузок, снижения износа цилиндре - поршневой группы [1, 3, 4, 5].
Литература
1. Л.В. Тузов, В.Н. Тимофеев. Повышение эффективности ДВС путем совершенствования систем охлаждения // Двигателестроение №1, 2003, с.26-29.
2. Разуваев А.В. Поршневые двигатели внутреннего сгорания с высокотемпературным охлаждением. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т. - 2001. - 128 с.
3. Агафонов А.Н., Разуваев А.В. Совершенствование характеристик энергетических установок на базе двигателей ЧН 21/21 объектов малой энергетики. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т. - 2006. - 148 с.
4. Разуваев А.В., Разуваева Е.А., Соколова Е.А. Повышение эффективности энергетических установок // ВЕСТНИК Саратовского государственного технического университета №3 Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010. С 150-159.
5. Разуваев А.В. Система высокотемпературного охлаждения двигателей внутреннего сгорания. // Турбины и Дизели. - 2010. - №3(30). С.47-49.
6. Разуваев А.В., Соколова Е.А., Воронов И.М., Разуваева Е.А. Повышение эксплуатационной экономичности энергетических установок. // Нефть и Газ. - 2008. - №5/Н (73). С.95-97.
7. Патент №94026928. Ластовепкий Л.Е. Степанов В.Е. СПОСОБ И СИСТЕМА ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.
8. Патент №94029663. Йосиказу Кузе [JP]. СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.
9. Патент №93025298. Кухарев М.Н. Бурдыкин В.Д. СИСТЕМА ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.