CZ306909B6

CZ306909B6 - Chemický akumulátor tepla, zejména pro motory, a způsob akumulace a uvolňování tepla

Info

Publication number: CZ306909B6
Application number: CZ2016-425A
Authority: CZ
Inventors: Ĺuboslav Kollár; Guillaume Hébert; Jiří Bazala; Ondřej Křápek; Ivo Vaverka
Original assignee: Hanon Systems
Priority date: 2016-07-12
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2017-09-06
Also published as: CZ2016425A3

Abstract

Chemický akumulátor tepla, zejména pro motory, obsahuje reakční zónu (1) pro akumulaci a uvolňování tepla obsahující chemickou látku vykazující exotermní hydratační reakci, jejíž produkt vlivem tepla podléhá endotermní dehydratační reakci a dále obsahuje chladicí zónu (2) a nádobu (3) na vodu. Mezi reakční zónou (1) a chladicí zónou (2) je umístěn deflektor (4), a reakční zóna (1) a chladicí zóna (2)jsou vzájemně v kontaktu prostřednictvím otvorů v deflektoru (4), přičemž chladicí zóna (2) a nádrž (3) na vodu jsou vzájemně spojeny prostřednictvím kanálku se škrticím ventilem (5).

Description

Oblast techniky

Předkládaný vynález se týká chemického akumulátoru tepla, vhodného zejména pro motory, a způsobu akumulace a uvolňování tepla.

Dosavadní stav techniky

Při provozu vozidel často způsobuje problémy nízká teplota motoru při startu a po startu motoru. Nízká teplota je problémem pro zážeh paliva a vede k vyššímu uvolňování emisí. Dokud motor nedosáhne optimální teploty, obvykle spotřebovává vyšší množství paliva kvůli vyšším ztrátám třením součástek motoru. Rovněž nedovoluje temperovat kabinu vozidla na příjemnou teplotu. Při krátkých jízdách se často motor nestihne dostatečně zahřát na to, aby bylo dosaženo optimální teploty pro provoz.

Přestože při nastartování a po nastartování motoru teplo chybí, při delším běhu motoru a zejména po zhasnutí motoru je tepla v systému přebytek. Bylo by tedy vhodné toto teplo akumulovat a následně použít pro urychlení zahřátí systému při startu a po startu motoru. K tomu lze použít jednotky pro ukládání latentního tepla, ale ty jsou schopny skladovat toto teplo pouze po krátkou dobu. Tepelná izolace může tuto dobu prodloužit, ale nevýhodou je, že významně zvyšuje objem jednotky pro ukládání tepla.

Možnou alternativou je chemický akumulátor tepla, umožňující přeměnit teplo na chemicky vázanou energii, a znovu jej z chemicky vázané energie uvolnit v okamžiku, kdy je toho zapotřebí.

Chemický akumulátor tepla obsahující jednu reakční nádobu naplněnou oxidem kovu alkalických zemin a vodní nádrž obsahující vodu je znám například z dokumentu US 5653106. Voda je dodávána z nádrže do reakční nádoby, a teplo generované hydratační reakcí se pak dále využívá k ohřívání dalšího objektu. V takovémto tepelném akumulátoru je téměř nemožné generovat hydratační reakcí vyšší teploty, protože za takových podmínek se voda v reakční nádobě přemění na superkritickou tekutinu a tlak v systému extrémně vzroste. Takovýto akumulátor tepla pak má nízkou teplosměnnou kapacitu a je rozměrný.

US 2012/0251394 popisuje zlepšený chemický tepelný akumulátor, který obsahuje nádrž s vodou a alespoň dvě reakční nádoby, přičemž v první reakční nádobě dochází k exotermní hydrataci chemické sloučeniny a vznikající vodní pára přechází do druhé reakční nádoby, kde dochází k exotermní hydrataci další frakce chemické sloučeniny. Takto se zabrání tvorbě superkritické tekutiny a sníží se tlak v systému. Takto konstruovaný akumulátor je však konstrukčně poměrně složitý, obsahuje poměrně velké množství ventilů, na jejichž těsnost jsou kladeny velké nároky. Dále tento systém nepředpokládá přítomnost dalšího teplosměnného média.

Předkládaný vynález si klade za cíl zlepšit konstrukci chemického akumulátoru tepla pro usnadnění jeho použití pro ukládání a následné uvolňování tepla do motoru vozidla.

Podstata vynálezu

Předkládaný vynález poskytuje chemický akumulátor tepla, zejména pro motory, obsahující reakční zónu pro akumulaci a uvolňování tepla, schopnou pracovat za vysokých teplot, chladicí zónu a nádobu na vodu, přičemž mezi reakční zónou a chladicí zónou je umístěn deflektor pro tepelnou izolaci, a reakční zóna a chladicí zóna jsou vzájemně v kontaktu prostřednictvím otvorů

- 1 CZ 306909 B6 v deflektoru, a přičemž chladicí zóna a nádrž na vodu jsou vzájemně spojeny prostřednictvím kanálku se škrticím ventilem.

Reakční zóna obsahuje chemickou látku vykazující exotermní hydratační reakci, jejíž produkt vlivem tepla podléhá endotermní dehydratační reakci, uloženou v kanálcích, zejména plochých kanálcích, dále obsahuje kanálky pro vedení plynného nebo kapalného zdroje tepla, přičemž kanálky obsahující chemickou látku a kanálky pro vedení zdroje tepla jsou uspořádány tak, že mohou směňovat teplo, například tak, že jsou jejich stěny v kontaktu. Kanálky obsahující chemickou látku dále obsahují přívod a odvod vody a/nebo páry, například v podobě distančních kanálků. Kanálky pro vedení zdroje tepla obsahují vstup a výstup zdroje tepla, vstupy ústí do kanálu přivádějícího zdroj tepla a výstupy do kanálu odvádějícího zdroj tepla.

Oddělení reakční a chladicí zóny umožňuje kondenzaci vodní páry na kapalinu a oddělení zkondenzované vody od reakční zóny.

Deflektor je přepážka s otvory na usměrnění a vedení vodní páry.

Chemickou látkou vykazující exotermní hydratační reakci, jejíž produkt vlivem tepla podléhá endotermní dehydratační reakci, je s výhodou oxid kovu alkalických zemin, například oxid vápenatý. Oxid vápenatý podléhá exotermní hydratační reakci na hydroxid vápenatý. Hydroxid vápenatý teplem snadno dehydratuje za vzniku oxidu vápenatého.

Plynným nebo kapalným zdrojem tepla mohou být výfukové plyny.

V chladicí zóně je tepelný výměník pro výměnu tepla mezi vodní párou přicházející z reakční zóny a teplosměnným médiem motoru. Vodní pára z reakční zóny vstupuje do chladicí zóny otvory v deflektoru a kondenzuje na stěnách tepelného výměníku. Oddělení reakční a chladicí zóny umožňuje oddělení teplosměnného média motoru od horké reakční zóny a předejití přehřátí a varu tohoto teplosměnného média.

Škrticí ventil dovoluje zkondenzované vodě z chladicí zóny přecházet do nádoby s vodou, přičemž je udržováno oddělení nasycené páry v chladicí zóně od kapalné vody v nádrži.

Nádoba na vodu shromažďuje zkondenzovanou vodu produkovanou dehydratační reakcí. Nádoba na vodu je oddělena od chladicí zóny škrticím ventilem. Obsahuje tepelný výměník pro výměnu tepla mezi teplosměnným médiem motoru a vodou, spojený se stěnou reakční zóny prostřednictvím teplosměnná podložky.

Teplosměnné médium motoru je obvykle chladicí tekutina, zejména chladicí kapalina.

Celý systém je s výhodou vzduchotěsně uzavřen a obsahuje pouze látky potřebné pro termochemickou reakci.

Předkládaný vynález dále poskytuje způsob akumulace a uvolňování tepla, obsahující:

- fázi uvolňování tepla, která obvykle probíhá před startem nebo při startu motoru, kdy jsou teplosměnné médium motoru, výfukové plyny, olej a blok motoru studené. Na začátku této fáze je chemická látka v reakční zóně dehydratovaná, veškerá voda přítomná v systému jev nádobě na vodu, a škrticí ventil je uzavřený. Nejprve se otevře škrticí ventil, tím se iniciuje odpařování vody do chladicí a reakční zóny, odpařená voda v reakční zóně se exotermicky slučuje s chemickou látkou a produkované teplo se převádí prostřednictvím teplosměnné podložky do vody v nádobě, což urychluje odpařování vody, a prostřednictvím tepelného výměníku se produkované teplo převádí do teplosměnného média motoru. Teplosměnné médium motoru pak přenáší chemicky uvolněné teplo do bloku motoru a oleje, tím se dosahuje rychleji teplotně stabilního běhu.

-2CZ 306909 B6

- fázi akumulace tepla, která obvykle probíhá v režimu, kdy je motor již v teplotně optimálním režimu, výfukové plyny a blok motoru jsou horké a vyžadují chlazení. V této chvíli již chemický akumulátor tepla nejspíše předal všechnu akumulovanou energii a je připraven znovu přejít do akumulačního režimu. Výfukové plyny jako zdroj tepla se provádí kanálky pro vedení zdroje tepla v reakční zóně a předávají teplo hydratované chemické látce, tím dochází k její dehydrataci. Teplosměnné médium se obvykle provádí tepelnými výměníky v chladicí zóně a v nádobě na vodu, tím napomáhají zahřátí systému a rychlejší dehydrataci. Dehydratací se uvolňuje voda v podobě ohřáté páry, která se provádí distančními kanálky do chladicí zóny, kde se zchlazuje, kondenzuje a přechází škrticím ventilem do nádoby na vodu. Po ukončení dehydratace se škrticí ventil uzavře.

Objasnění výkresů

Obr. 1 je pohled shora v řezu na chemický akumulátor tepla. Obr. 2 je pohled ze strany v řezu na chemický akumulátor tepla. Obr. 3 znázorňuje fázi uvolňování tepla.

Obr. 4 znázorňuje fázi akumulace tepla.

Příklady uskutečnění vynálezu

S odvoláním na přiložené výkresy (Obr. 1, Obr. 2) je dále popsán chemický akumulátor tepla. Chemický akumulátor tepla obsahuje reakční zónu I pro akumulaci a uvolňování tepla, schopnou pracovat za vysokých teplot, chladicí zónu 2 a nádobu 3 na vodu, přičemž mezi reakční zónou i a chladicí zónou 2 je umístěn deflektor 4 pro tepelnou izolaci. Reakční zóna 1 a chladicí zóna 2 jsou vzájemně v kontaktu prostřednictvím otvorů v deflektoru 4. Chladicí zóna 2 a nádrž 3 na vodu jsou vzájemně spojeny prostřednictvím kanálku se škrticím ventilem 5.

Reakční zóna I obsahuje chemickou látku vykazující exotermní hydratační reakci, jejíž produkt vlivem tepla podléhá endotermní dehydratační reakci, uloženou v plochých kanálcích 7, dále obsahuje kanálky 6 pro vedení plynného nebo kapalného zdroje tepla, přičemž kanálky 7 obsahující chemickou látku a kanálky 6 pro vedení zdroje tepla jsou uspořádány tak, že mohou směňovat teplo, tj. tak, že jsou jejich stěny v kontaktu. Kanálky 7 obsahující chemickou látku dále obsahují přívod a odvod vody a/nebo páry v podobě distančních kanálků 8. Kanálky 6 pro vedení zdroje tepla obsahují vstup a výstup zdroje tepla, vstupy ústí do kanálu přivádějícího zdroj tepla ZT a výstupy do kanálu odvádějícího zdroj tepla ZT.

V chladicí zóně 2 je tepelný výměník 10 pro výměnu tepla mezi vodní párou přicházející z reakční zóny 1 a teplosměnným médiem TM motoru. Vodní pára z reakční zóny i vstupuje do chladicí zóny 2 otvory v deflektoru 4 a kondenzuje na stěnách tepelného výměníku 10.

Nádoba 3 na vodu je oddělena od chladicí zóny 2 škrticím ventilem 5. Obsahuje tepelný výměník H pro výměnu tepla mezi teplosměnným médiem TM motoru a vodou, spojený se stěnou reakční zóny i prostřednictvím teplosměnné podložky 9.

S odvoláním na Obr. 3 a Obr. 4 je dále popsán způsob akumulace a uvolňování tepla, obsahující:

-3 CZ 306909 B6

- fázi uvolňování tepla (Obr. 3), která obvykle probíhá před startem nebo při startu motoru, kdy jsou teplosměnné médium motoru, výfukové plyny, olej a blok motoru studené. Na začátku této fáze je chemická látka v reakční zóně 1 dehydratovaná, veškerá voda přítomná v systému je v nádobě 3 na vodu, a škrticí ventil 5 je uzavřený. Nejprve se otevře škrticí ventil 5, tím se iniciuje odpařování vody do chladicí 2 a reakční zóny 1, odpařená voda v reakční zóně 1 se exotermicky slučuje s chemickou látkou a produkované teplo se převádí prostřednictvím teplosměnné podložky 9 do vody v nádobě 3, což urychluje odpařování vody, a prostřednictvím tepelného výměníku 10, J_L se produkované teplo převádí do teplosměnného média motoru. Teplosměnné médium motoru pak přenáší chemicky uvolněné teplo do bloku motoru a oleje, tím se dosahuje rychleji teplotně stabilního běhu.

- fázi akumulace tepla (Obr. 4), která obvykle probíhá v režimu, kdy je motor již v teplotně optimálním režimu, výfukové plyny a blok motoru jsou horké a vyžadují chlazení. V této chvíli již chemický akumulátor tepla nejspíše předal všechnu akumulovanou energii a je připraven znovu přejít do akumulačního režimu. Výfukové plyny jako zdroj tepla se provádí kanálky 6 pro vedení zdroje tepla v reakční zóně i a předávají teplo hydrátované chemické látce, tím dochází k její dehydrataci. Teplosměnné médium se obvykle provádí tepelnými výměníky 10, JJ_ v chladicí zóně a v nádobě na vodu, tím napomáhají zahřátí systému a rychlejší dehydrataci. Dehydratací se uvolňuje voda v podobě ohřáté páry, která se provádí distančními kanálky 8 do chladicí zóny 2, kde se zchlazuje, kondenzuje a přechází škrticím ventilem 5 do nádoby na vodu. Po ukončení dehydratace se škrticí ventil 5 uzavře, a také výfukové plyny jsou pak vedeny mimo chemický akumulátor tepla.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Chemický akumulátor tepla, zejména pro motory, obsahující

- reakční zónu (1) pro akumulaci a uvolňování tepla obsahující chemickou látku vykazující exotermní hydratační reakci, jejíž produkt vlivem tepla podléhá endotermní dehydratační reakci,

- chladicí zónu (2) a

- nádobu (3) na vodu, vyznačený tím, že mezi reakční zónou (1) a chladicí zónou (2) je umístěn deflektor (4), a reakční zóna (1) a chladicí zóna (2) jsou vzájemně v kontaktu prostřednictvím otvorů v deflektoru (4), a přičemž chladicí zóna (2) a nádoba (3) na vodu jsou vzájemně spojeny prostřednictvím kanálku se škrticím ventilem (5).
2. Chemický akumulátor tepla podle nároku 1, vyznačený tím, že reakční zóna (1) obsahuje chemickou látku vykazující exotermní hydratační reakci, jejíž produkt vlivem tepla podléhá endotermní dehydratační reakci, uloženou v kanálcích (7), dále obsahuje kanálky (6) pro vedení plynného nebo kapalného zdroje tepla, přičemž kanálky (7) obsahující chemickou látku a kanálky (6) pro vedení zdroje tepla jsou uspořádány tak, že mohou směňovat teplo, přičemž kanálky (7) obsahující chemickou látku dále obsahují přívod a odvod vody a/nebo páry, například v podobě distančních kanálků (8).
3. Chemický akumulátor tepla podle nároku 1 nebo 2, vyznačený tím, že v chladicí zóně (2) je tepelný výměník (10) pro výměnu tepla mezi vodní párou přicházející z reakční zóny (1) a teplosměnným médiem motoru.
4. Chemický akumulátor tepla podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačený tím, že nádoba (3) na vodu obsahuje tepelný výměník (11) pro výměnu tepla mezi teplosměn-4CZ 306909 B6 ným médiem motoru a vodou, spojený se stěnou reakční zóny (1) prostřednictvím teplosměnné podložky (9).
5. Způsob akumulace a uvolňování tepla v motoru, vyznačující se tím že zahrnuje 5 - fázi uvolňování tepla, na jejímž začátku je chemická látka v reakční zóně dehydratovaná, veškerá voda přítomná v systému je v nádobě (3) na vodu, a škrticí ventil (5) je uzavřený, přičemž nejprve se otevře škrticí ventil (5), tím se iniciuje odpařování vody do chladicí (1) a reakční zóny (2), odpařená voda v reakční zóně (1) se exotermicky slučuje s chemickou látkou a produkované teplo se převádí prostřednictvím teplosměnné podložky (9) do vody v nádobě (3), a prostřednicío tvím tepelného výměníku (10, 11) se produkované teplo převádí do teplosměnného média motoru; a

- fázi akumulace tepla, kdy se výfukové plyny jako zdroj tepla provádí kanálky (6) pro vedení zdroje tepla v reakční zóně (1) a předávají teplo hydratované chemické látce, tím dochází k její dehydrataci, dehydratací se uvolňuje voda v podobě ohřáté páry, která se provádí distančními

15 kanálky (8) do chladicí zóny (2), kde se zchlazuje, kondenzuje a přechází škrticím ventilem (5) do nádoby (3) na vodu, přičemž po ukončení dehydratace se škrticí ventil (5) uzavře.