СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ

Полезная модель относится к области энергетического машиностроения, в частности, к системам охлаждения тепловых машин, и может быть использована в качестве системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания с утилизацией тепла охлаждающей жидкости и выхлопных газов.
Существующие системы охлаждения защищают двигатель от перегрева за счет переноса неиспользованного тепла топлива в окружающую среду или в тепловые сети потенциального потребителя тепла. Рекуперированное тепло может использоваться для различных муниципальных и промышленных нужд, - например, для отопления, охлаждения, сушки зерна, молока, фруктов и других продуктов и т.п.
Регулирование количества передаваемого в сети потребителя тепла и его параметров в некоторых системах осуществляется с помощью приводных заслонок выхлопных газов и перепускных клапанов. Такое решение использовано, например, в устройствах по патентам РФ №1386728 А1, МПК F 02 G 5/04, приор. от 07.04.1988 г. и №2200242 С1, МПК F 02 G 5/04, приор. от 10.03.2003 г.
В других системах охлаждения рекуперация тепла производится с помощью сложных встроенных устройств с датчиками температур, электронными схемами и специальными механизмами. Это, например:
- «Устройство для регулирования системы, использующей отбросное тепло» по патенту JP 6033730 В4, приор. от 20.10.1987 г., МПК F 02 G 5/04, оп. 02.05.1994 г.;
- «Автомобиль с теплообменником, использующим теплоту отработавших газов двигателя» по патенту DE 19537801 А1, приор. от 11.10.1995 г., МПК F 02 G 5/02, оп. 25.04.1996 г.;
- «Способ утилизации отходящей теплоты отработавших газов ДВС для системы кондиционирования и отопления» по патенту DE 19957690 А1, приор. от 30.11.1999 г., МПК F 02 G 5/02, оп. 31.05.2001 г.;
- «Контур и устройство для использования отходящего тепла в ДВС» по патенту DE 10114062 А1, приор. от 22.03.2001 г., МПК F 02 G 5/04, оп. 26.09.2002 г.;
- «Система использования тепловой энергии» по патенту WO 2090747 А2, приор. от 07.05.2002, МПК F 02 G 5/02, оп. 14.11.2002 г.;
- «Устройство для использования отходящего тепла двигателя» по патенту ЕР 1273785 А2, приор. от 01.07.2002 г., МПК F 02 G 5/02, оп. 08.01.2003 г.
- «Системы охлаждения ДВС» по патентам РФ на полезную модель №43915, приор. от 16.08.2004 г., МПК F 01 P 3/20, оп. 10.02.2005 г.; №43593, приор. от 20.09.2004 г., МПК F 01 P 3/20, оп. 27.01.2005 г.; №23086, приор. от 30.01.2001 г., МПК F 01 P 11/08, оп. 20.05.2002 г.
Регулировочные механизмы в названных системах работают в агрессивной среде выхлопных газов при высокой температуре, при наличии отложений сажи и твердых остатков топлива и либо работают ненадежно и не обеспечивают герметичности системы, либо надежность и герметичность достигается резким усложнением конструкции с использованием энергоемких приводов.
При этом в режиме передачи тепла потребителю часть тепла выхлопных газов выпускается в окружающую среду, а когда потребление тепла нежелательно, часть тепла выхлопных газов неконтролируемо все-таки передается в сеть потребителя. При отсутствии самого потребителя нарушается рабочий процесс двигателя, снижается его надежность.
Наиболее близким к предлагаемому решению можно считать устройство, состав и схема которого описаны в патенте РФ на изобретение №2168642 «Система жидкостного охлаждения тепловой машины» (МПК F 02 G 5/04 и F 01 Р 7/16, приоритет от 22.11.1999 г., оп. 10.06.2001 г.).
В прототипе система, передающая потребителю тепло двигателя, содержит контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий сообщенные между собой при помощи верхнего и нижнего трубопроводов циркуляционный насос, который обеспечивает движение жидкости в контуре, рубашку охлаждения машины, радиатор, два термостата с перепускными трубопроводами каждый и утилизационный теплообменник.
Повышение эффективности процесса утилизации тепла от охлаждающей жидкости в прототипе обеспечивается за счет того, что утилизационный теплообменник включен последовательно с радиатором и расположен между двумя термостатами. При этом один из термостатов отрегулирован на открытие при минимальной температуре охлаждающей жидкости (для приема нагрузки), а другой, установленный перед радиатором, - при максимально допустимой температуре (на выходе из тепловой машины). Утилизационный теплообменник имеет постоянный подвод тепла от охлаждающей жидкости тепловой машины.
В результате использования данного устройства достигается положительный эффект в виде передачи тепла охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания теплоносителю потребителя (например, воде) для последующего использования его в тепловых сетях потребителя.
К недостаткам прототипа можно отнести:
- отсутствие механизма регулирования количества передаваемого тепла от двигателя к потребителю и температуры теплоносителя, так как система предназначена для работы в узком диапазоне температур охлаждающей жидкости - около ±10°С между рабочей температурой и максимально допустимой температурой;
- невозможность регулирования параметров теплоносителя и охлаждающей жидкости двигателя при передаче теплоносителю тепла выхлопных газов двигателя.
Задачей предлагаемого решения является повышение качества и надежности работы системы охлаждения за счет регулирования количества и параметров передаваемого потребителю от тепловой машины тепла охлаждающей жидкости и выхлопных газов.
Для решения поставленной задачи в систему охлаждения тепловой машины, содержащей контур циркуляции охлаждающей жидкости двигателя, который состоит из сообщенных между собой при помощи трубопроводов рубашки охлаждения машины, жидкостного утилизациовного теплообменника, циркуляционного насоса, который обеспечивает движение жидкости в контуре, радиатора, двух параллельно установленных термостатов с перепускными трубопроводами и с разными температурами настройки, причем, жидкостный утилизационный теплообменник подключен к контуру циркуляции жидкости последовательно с радиатором и расположен между двумя термостатами, введен второй контур циркуляции теплоносителя. Этот второй контур связан с контуром циркуляции охлаждающей жидкости через жидкостный утилизационный теплообменник и содержит последовательно соединенные между собой трубопроводами второй циркуляционный насос с клапаном регулирования производительности, утилизационный теплообменник выхлопных газов, второй радиатор с электроприводным вентилятором и сетевой теплообменник.
Совместно со вторым радиатором может быть установлен воздушный клапан (или жалюзи) для регулирования потока воздуха и исключения теплообмена естественной конвекцией воздуха через радиатор.
Возможен вариант, когда утилизационный теплообменник выхлопных газов может быть снабжен другим механизмом регулирования расхода выхлопных газов, - например, типа электроприводной заслонки.
Введение дополнительных элементов и связей в систему охлаждения не уменьшает преимуществ технического решения, отмеченных в прототипе, и, кроме того, дополнительно позволяет:
- кроме утилизации тепла охлаждающей жидкости, использовать и тепло выхлопных газов не ухудшая при этом режим работы тепловой машины;
- включением электроприводного вентилятора во втором контуре циркуляции осуществлять регулирование количества и параметры передаваемого потребителю тепла посредством переноса невостребованного тепла в окружающую среду через второй радиатор;
- увеличить количество передаваемого тепла выхлопных газов исключением их перепуска в окружающую среду через автоматические и ручные механизмы регулирования, работающие ненадежно и негерметично в среде выхлопных газов двигателя;
- повысить качество и надежность работы системы охлаждения в целом.
На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемой системы охлаждения тепловой машины.
Система содержит контур циркуляции охлаждающей жидкости двигателя, состоящий из сообщенных между собой при помощи трубопроводов рубашки охлаждения машины 1, циркуляционного насоса 2, двух параллельно установленных термостатов 3-1 и 3-2 с перепускными трубопроводами, жидкостного утилизационного теплообменника 4 и радиатора 5 охлаждения двигателя. При этом жидкостный утилизационный теплообменник 4 подключен
к контуру циркуляции жидкости последовательно с радиатором 5 и расположен между двумя термостатами 3-1 и 3-2, первый из которых отрегулирован на открытие при минимальной рабочей температуре охлаждающей жидкости, а второй - при максимально допустимой.
Введенный в устройство второй контур циркуляции теплоносителя содержит соединенные между собой трубопроводами второй циркуляционный насос 6 с клапаном 7 регулирования производительности насоса 6, газожидкостный утилизационный теплообменник выхлопных газов 8, второй радиатор 9 с электроприводным вентилятором 10 и сетевой теплообменник 11. При этом второй радиатор 9 установлен в трубопроводе между утилизатором тепла выхлопных газов 8 и сетевым теплообменником 11, а второй контур циркуляции теплоносителя связан с первым контуром циркуляции охлаждающей жидкости через жидкостный утилизационный теплообменник 4.
Второй радиатор 9 дополнен воздушным клапаном 12, который выполняет функции жалюзи для исключения теплообмена конвекцией при остановке вентилятора 10. Возможен вариант, когда утилизационный теплообменник 8 снабжен электроприводной заслонкой 13 в качестве механизма регулирования выхлопных газов машины (на фиг.1 показана условно).
На фиг.1 показаны также устройства, устанавливаемые для обеспечения работоспособности любой системы охлаждения тепловой машины, работающей с рекуперацией тепла двигателя:
- расширительный бак 14, соединенный с контуром циркуляции жидкостного теплоносителя и предназначенный для компенсации потерь жидкостного теплоносителя и изменения его объема, связанного с разогревом или охлаждением теплоносителя при запуске и остановке двигателя;
- кран 15 слива конденсата выхлопных газов, установленный на выходе утилизатора тепла выхлопных газов 8;
- краны 16 отключения тепловой сети потребителя, подключенные к сетевому теплообменнику 11.
Предлагаемая система охлаждения тепловой машины работает следующим образом.
После запуска и прогрева тепловой машины 1 (например, двигателя) открывается термостат 3-1 двигателя и пропускает охлаждающую жидкость первого контура охлаждения двигателя на жидкостный утилизационный теплообменник 4. В теплообменнике 4 охлаждающая жидкость, охлаждаясь, нагревает теплоноситель второго циркуляционного контура. Охлаждающая жидкость контура охлаждения двигателя через циркуляционный насос 2 возвращается в двигатель. При этом, если охлаждающая жидкость контура двигателя не охладилась в жидкостном теплообменнике 4, то она термостатом 3-2 подается на радиатор 5 для охлаждения.
Нагретый в жидкостном теплообменнике 4 теплоноситель второго контура циркуляционным насосом б подается в газо-жидкостный теплообменник 8, где он дополнительно нагревается за счет тепла выхлопных газов двигателя. Поступив в сетевой теплообменник 11, теплоноситель второго контура охлаждается, передавая тепло сетевой воде потребителя через краны 14 подключения/отключения сети потребителя тепла.
Параметры сетевой воды и количество теплового потока потребителю регулируются во втором радиаторе 9 посредством включения вентилятора 10 и открытия/закрытия воздушного клапана (жалюзи) 13. Жалюзи 13 открывается при включении вентилятора 10 и закрывается возвратной пружиной (условно на фиг.1 не показана) при его остановке.
Включением вентилятора 10 осуществляется регулирование количества и параметров передаваемого потребителю тепла двигателя и выхлопных газов посредством переноса тепла двигателя и тепла выхлопных газов в окружающую среду через радиатор 9. Использование механизма регулирования тепла с помощью второго радиатора 9 позволяет исключить стандартное, но ненадежное устройство, каковым является электроприводная заслонка 13. Такое решение позволит увеличить количество передаваемого тепла выхлопных газов и повысить надежность работы системы охлаждения в целом.
Предлагаемые изменения, дополнения и усовершенствования системы охлаждения тепловой машины за счет регулирования количества и параметров передаваемого потребителю от тепловой машины тепла охлаждающей жидкости и выхлопных газов с помощью радиатора с электроприводным вентилятором, который по сути является водо-воздушным теплообменником, способствуют решению поставленной задачи повышения качества и надежности работы системы и позволяют расширить класс тепловых машин, где она может быть использована.
Следует отметить, что дальнейшее усовершенствование двигателей последнего поколения, уже обладающих высокой степенью совершенства рабочего процесса и конструкции, вызывает значительные трудности, поэтому экономический эффект может быть получен только при условии использования даже незначительных резервов. Совершенствование таких двигателей приводит, в частности, и к усложнению их системы охлаждения и, как следствие, к удоражанию.
Поэтому простота предлагаемого решения позволяет разработать конструкцию надежного и сравнительно недорогого устройства, рекуперирующего тепло работающих машин, увеличить ассортимент изделий данного профиля и расширить крут потребителей, работающих в различных областях и заинтересованных в подобных системах охлаждения, - например, для теплоснабжения промышленных, горнодобывающих, коммунально-бытовых и других предприятий.