Термоаккумулятор транспортного средства
VEHICLE THERMAL ACCUMULATOR

Изобретение относится к энергетическому и транспортному машиностроению и может быть использовано на транспортных средствах и в их энергетических установках для рекуперации и регенерации тепловой и механической энергии.
Патент СССР №1657891 А1, опубл. 23.06.1991, кл. F24H7/00 содержащий корпус с изоляцией и твердым теплоаккумулирующим материалом, внутри которого расположены подводящий и отводящий трубопроводы в виде змеевиков. Однако представленный аккумулятор имеет серьезный недостаток, связанный с тем, что процесс теплопередачи между теплоносителями и теплоаккумулирующим материалом не достаточно интенсивен в связи с ламинарным потоком теплоносителя в тонком пристенном слое, характеризующемся наличием значительных градиентов скорости, см. Л. Ландау, Е. Лифшиц. Механика сплошных сред. М.: Полиграфкнига, 1944, 623 с., глава VI “Пограничный слой”, § 32. Ламинарный пограничный слой.
Известен патент РФ 2187049 С1, МКИ 7 F24Н7/00 устройство в виде теплового аккумулятора фазового перехода, состоящего из теплоизолированного вакуумированного цилиндрического корпуса, съемной крышки, входного и выходного отверстий. В эти отверстия запрессованы впускная и выпускная трубы. Внутри корпуса находится теплообменник, состоящий из коаксиально расположенных цилиндрических капсул. Капсулы заполнены теплоаккумулирующим материалом. Теплообменник монтируется на съемной крышке при помощи болтового соединения и приваривается к корпусу. Указанное устройство имеет существенный недостаток, оно не предусматривает поддержания в течение длительного промежутка времени требуемой температуры теплоносителя при неработающем (выключенном) ДВС в условиях низких температур окружающей среды.
Кроме того, известно устройство (см. Патент РФ №2187049) в виде аккумулятора фазового перехода, содержащем теплоизолированный вакуумированный цилиндрический корпус со съемной крышкой, имеющей входное и выходное отверстия с запрессованными в них впускной и выпускной трубами, блок капсул заполнен изменяющим агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур теплоаккумулирующим материалом, а капсулы выполнены из коаксиально расположенных цилиндров с образованием между ними кольцевых зазоров для прохода жидкого теплоносителя. Данное изобретение имеет ряд недостатков: отсутствие теплоизоляционной оболочки, которая в свою очередь уменьшает нагревательную способность устройства, а так же его теплоудержание. Корпус устройства является вакуумированным, что усложняет изготовление и ремонт конструкции, то есть приводит к дополнительным затратам денег.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является патент РФ №2506503, кл. F24H7/00, в котором описан тепловой аккумулятор фазового перехода, содержащий теплоизолированный вакуумированный цилиндрический корпус со съемной крышкой, имеющей входное и выходное отверстия с запрессованными в них впускной и выпускной трубами, капсулы, заполненные изменяющим агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур теплоаккумулирующим материалом, выполненные из коаксиально расположенных цилиндров. Недостатками данного устройства является: сложность конструкции, за счет создания множества цилиндрических капсул, щелевых зазоров и необходимостью подвода к нему электропитания. Выпускная труба размещена не рационально, так как поток горячих газов, идущий из противоположной стороны, успевает терять часть температуры и теряет свою скорость
Цель изобретения - разработка термоаккумулятора совмещенного с энергогенератором способным накапливать тепловую энергию энергетических установок (двигателей внутреннего сгорания) транспортных средств, а также преобразования накопленной энергии в электрическую или тепловую с последующим повторным использованием ее в транспортных средствах.
Термоаккумулятор содержит корпус, теплоизоляционный слой, цилиндр со съемными крышками, имеющими входной и выходной патрубки, полость, заполненную изменяющим агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур теплоаккумулирующим материалом и устройством электроподогрева с саморегулирующимися нагревательными элементами на позисторной керамике, работающими от внешнего источника питания или электрической сети машины при выключенном двигателе. Термоаккумулятор также содержит змеевиковый теплообменный аппарат, через который проходят отработавшие газы от двигателя внутреннего сгорания и нагревают полость содержащую хлорид кальция, который в результате плавления накапливает тепловую энергию и при необходимости может ее отдавать металлическим стержням, засыпанным хлоридом кальция и расположенным по центру витков змеевикового теплообменного аппарата, и передать накопленное тепло пластине, которая нагревает поверхность модуля Пельтье, или термогенертора, или газа, или жидкости в полости энергогенерации и регенерирует или рекуперирует тепловую энергию накопленную в термоаккумуляторе хлоридом кальция.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. Термоаккумулятор состоит из (фиг.): впускного патрубка 1; змеевикового теплообменного аппарата 2; полости с хлоридом кальция 3; цилиндра 4; выпускного патрубка 5; теплоизоляционного слоя 6; корпуса 7; уплотнительных колец 8; нижней оребренной крышки 9; верхней крышке 10; крепежных винтов 11; полости энергогенерации 12; днища корпуса 13; съемного теплоизолятора 14; нагревательной пластины 15; металлических стержней 16; впускного и выпускного штуцеров 17 и 18; перепускного клапана 19.
Термоаккумулятор работает следующим образом. Отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания через впускной патрубок 1 поступают в змеевиковый теплообменный аппарат 2, где отдав свое тепло в полость хлорида кальция 3, заполняющего внутреннюю полость цилиндра 4, газы удаляются из змеевикового теплообменного аппарата через выпускной патрубок 5. В ходе движения газа по змеевиковому теплообменному аппарату отработавшие газы, имеющие температуру 900…1000°С по средствам теплопередачи отдают тепло хлориду кальция. При достижении хлоридом кальция температуры плавления равной 772°С он начинает плавиться (теплота плавления 175 кДж/кг) в результате чего термоаккумулятор начнет накапливать тепловую энергию - заряжаться. Например, при работе бензинового двигателя внутреннего сгорания, имеющего эффективную мощность 56 кВт, внутри цилиндра двигателя при сгорании топлива выделяется 200…210 кДж/с из которых 30…50 кДж/с уносится в атмосферу с отработавшими газами. Использование теплоты отработавших газов в термоаккумуляторе позволяет за счет термогенерации вернуть от 8 до 14 кВт электроэнергии транспортному средству.
Потерям тепла в окружающую среду (в течении 48 часов) препятствует теплоизоляционный слой 6 представляющей воздушную прослойку находящуюся между цилиндром 4 и корпусом 7 термоаккумулятора. Герметичность цилиндра 4 и корпуса 7 термоаккумулятора достигается установкой уплотнительных колец 8, которые уплотняют стыки между верхней и нижней торцевой поверхностью цилиндра, путем затяжки верхней крышки 10 к корпусу 7 с помощью крепежных винтов 11.
Преобразование тепловой энергии расплавленного хлорида кальция в электрическую энергию осуществляется с помощью модуля Пельтье или термогенератора 12 установленного в нижней части термоаккумулятора между днищем корпуса 13 и нижней оребренной крышкой 9 в полости энергогенерации 12. Разогрев нагревательной пластины 15 осуществляется от металлических стержней 16, засыпанных хлоридом кальция и расположенных по центру витков змеевикового теплообменного аппарата. Тепло от нагревательной пластины 15 передается модулю Пельтье или термогенератору, которые вырабатывают термо-ЭДС в результате взаимодействия горячей нагревательной пластины 15 и холодной нижней оребренной крышки 9 термоаккумулятора.
Передача накопленной тепловой энергии газу или жидкости происходит посредством пропускания жидкости или газа через полость энергогенерации 12 через впускной и выпускной штуцера 17 и 18. При этом холодный газ или жидкость омывают нагретую от металлических стержней 16 нагревательную пластину 15, а съемный термоизолятор 14 предотвращает потери тепла в нижнюю оребренную крышку 9. В результате конвективного теплообмена жидкость или газ нагреваются внутри полости энергогенерации 12 и поступают в транспортное средство для повторного использования.
Так как в ходе работы термоаккумулятора и плавления хлорида кальция в верхней части цилиндра 4 происходит образование пустого вакууммированного пространства, в целях проведения ремонтно-обслуживающих работ, в верхней крышке установлен перепускной клапан 18, соединяющий полость хлорида кальция 3 термоаккумулятора с атмосферой.