HUT67832A

HUT67832A - Heat accumulator for motor vehicles

Info

Publication number: HUT67832A
Application number: HU9402048A
Authority: HU
Inventors: Hartmut Boltz; Karl-Josef Jakobi
Original assignee: Fritz Werner Praezismaschbau
Priority date: 1993-07-09
Filing date: 1994-07-08
Publication date: 1995-05-29
Also published as: DE4322899C1; JPH07167574A; SK81594A3; EP0633154A1; RU94026290A; PL304194A1; CZ164294A3; HU9402048D0

Description

A találmány tárgya gépjármű-hőtároló, egy belső tartállyal, egy külső tartállyal, valamint egy a belső tartály és a külső tartály közötti hőszigetelő térrel, ahol a belső tartályban vékony lemezből készült, alaprajzukat tekintve téglalap alakú lapos latenshőtároló cellák csoportja van elrendezve, az egyes latenshőtároló cellák között pedig távtartó rácsok által képzett elválasztó térközök vannak kialakítva, amelyeken keresztül üzemi állapotban hőhordozó közegként hűtővíz van átáramoltatva, ugyanakkor a latenshőtároló cellákban hőtároló közeg van elrendezve.

Az ilyen felépítésű gépjármű-hőtárolók különféle kiviteli alakokban már ismertek és tulajdonképpen a gyakorlatban is beváltak. Ezek a hőtárolók arra szolgálnak, hogy eltárolják azt a hőt, amelyet a hűtővíz vesz fel egy gépjármű üzemelése során, hogy azután ezt a tárolt hőt a gépjármű beindításakor, különösen hideg égtájakon vagy évszakokban rövid időn belül ismét leadják a hűtővízen keresztül a felmelegítést igénylő gépjárműrészeknek. Szigorúan véve itt természetesen hőmennyiségekről kellene beszélni. A gyakorlati üzemelés szempontjából viszont az a lényeg, hogy nagy hőtároló kapacitást lehessen egy kis térfogatú gépjármű-hőtárolóban biztosítani, a latenshőtároló cellákat pedig nagyon rövid időközönként lehessen kisütni, hogy a hűtővíz a kisütött tárolt hőt rövid időn belül oda továbbítsa, ahol arra szükség van, ugyanakkor a latenshőtároló cellákat rövid időn belül fel is kell tudni tölteni teljes tárolókapacitásukra. La tenshőtároló cellák alatt olyan hőtároló cellákat értünk, amelyek a feltöltésükhöz és a kisütésükhöz a hőtároló közeg halmazállapot-változását használják ki. Mindez egy fizikailag komplex problémakörhöz vezet, amelyet még gyártástechnológiai peremfeltételek is bonyolítanak, amikor arról van szó, hogy a gépjármű-hőcserélőket egy lehetőleg rugalmas, automatikus gyártási eljárás során nagy darabszámban, nagy pontossággal és minden igényt kielégítő módon kell előállítani .

A találmány ebből a fentiekben vázolt komplex problémakörből indul ki, és az ennek alapján kitűzött feladatot egyszerű módon oldja meg.

A vázolt problémakör megoldását a bevezetőben ismertetett felépítésű gépjármű-hőcserélőből kiindulva a találmány értelmében az alábbi jellemzők kombinációja biztosítja:

a) az elválasztó térközök résszélessége 1-3 mm,

b) a latenshőtároló cellák cellavastagsága 5-8 mm és külső oldaluk csekély érdességű sima felülettel van kialakítva,

c) a latenshőtároló cellák csoportjának tárolókapacitása legalább 400 wattóra, legalább 70 °C tárolási hőmérséklet mellett,

d) a távtartó rácsok a latenshőtároló cellákon felfekvő és a hűtővíz áramlási irányában húzódó rácselemekből, valamint ezekre keresztirányban húzódó szabad rácselemekből állnak, ahol emellett a résszélesség és a cellavastagság úgy van egymással összeegyeztetve, hogy a latenshőtároló a tárolási hőmérsékletről legalább 100 wattóra/perc kisülési sebességgel süljön ki, ezenkívül a szabad rácselemek úgy vannak elrendezve, hogy a hűtővíz adott kisülési sebességhez tartozó áramlási sebességénél a szabad rácselemeken turbulens áramlás jön létre, ugyanakkor a latenshőtároló cellákon felfekvő rácselemek a latenshőtároló celláknak a hőtároló közeg halmazállapot-változásából eredő térfogatváltozásait a szabad rácselemeken jelentkező turbulenciaképződés zavarása nélkül, kiegyenlítőleg veszik fel. A latenshőtároló cellák cellavastagsága előnyösen több mint 6 mm. A kisülési sebesség előnyösen 100 és 150 wattóra/perc közé esik, például 125 wattóra/perc.

A találmány egyik előnyös kiviteli alakja értelmében kisülésekor két perc alatt a tárolt hőmennyiség legalább 50%-a átadódik a hűtővíznek. Magától értetődik, hogy ez az állítás a maximális eltárolt hőmennyiségre vonatkozik. A találmány keretein belül a legkülönbözőbb hőtároló közegeket alkalmazhatjuk, amelyek a hűtővíz-hőmérséklet által meghatározott hőmérséklet-tartományban halmazállapot-változás útján működnek, amint azt az 1. igénypontban, főként pedig az 1. és 2. igénypontban definiáltuk. Az egyik igen jól bevált kiviteli alaknál a latenshőtároló cellák báriumhidroxid-oktahidrátot vagy ezen alapuló keverékeket tartalmaznak hőtároló közeg ként.

A találmány alapja az a felismerés, hogy egy latens hőtároló rövid idő alatti kisülése nemcsak attól függ, hogy a tárolókapacitás hozzá van-e igazítva a latenshőtárolón a kisülési folyamat során átfolyó hűtővíz-tömegáramhoz. Sokkal inkább a gépjármű latenshőtárolójában áramló hűtővíz hidrodinamikai feltételeit, a hőtároló közeg halmazállapot-változását és a halmazállapot-változás során a latenshőtároló cellában felszabaduló állapotváltozási hő hőátmenetét kell megfelelő módon biztosítani. Mindezt a találmány a főigénypont a), b) és c) jellemzőinek kombinációja révén éri el, amelyek a maguk részéről a tárolókapacitástól és a különböző hőátmenetek termodinamikai potenciáljaitól függenek. A cellavastagságot és ezzel a hőtároló közeg térfogatát az egyes latenshőtároló cellákban úgy választjuk meg, hogy a latenshőtároló cellák száma a gépjármű-hőtárolóban minél kisebb legyen, mindazonáltal azonban a hőtároló közeg kisülés során bekövetkező halmazállapot-változásánál a felszabaduló hőnek kellő gyorsasággal kell a latenshőtároló cellák felületére jutnia és ott átadódnia a hűtővíznek. Ennek megfelelően a cellavastagságot a b) jellemző szerint, azaz 5-8 mm nagyságúra kell megválasztani. Ehhez azonban a hűtővíz kellően nagy térfogatáramának kell az elválasztó térközökben átáramolnia. Az elválasztó térközök résszélessége ezért az a) jellemzővel összhangban nem lehet túl kicsi. Hogy mindazonáltal biztosítsuk a hűtővíz hőátmenet szempontjából kedvező turbulens áramlását az elválasztó térközökben, a szabad rácselemek Kármán-féle turbulencia-gerjesztőkként vannak kialakítva, amelyeken úgynevezett Kármán-féle örvényutak jönnek létre. A hidrodinamikai szempontokra való tekintettel a turbulens áramlást a halmazállapot-változás ideje alatt is fenn kell tartani, mivel a turbulens áramlás a latenshőtároló cellák lehetőleg minél simább felülete mellett lényegesen javítja a hőátmenetet a latenshőtároló cellákból a hűtővízre és fordítva, és éppen a halmazállapot-változásnál szabadul fel az az állapotváltozási hő, amelyet a szükséges helyekre el kell vezetni. Következésképpen a hőátmenetet nem szabad, hogy hátrányos módon befolyásolja egy zavaró lamináris pászmaképződés a hűtővízben a latenshőtároló cellák felületeinek tartományában. A latenshőtároló cellák felületét olyan simára alakítjuk ki, hogy ott nem alakulhat ki a hűtővíz egyenletesen rátapadó rétege, mivel ez károsan befolyásolná a hőátmenetet. A hőtároló közeg és ezzel együtt a latenshőtároló cellák halmazállapot-változásnál fellépő térfogatváltozásai, amelyek általában 10%-ot tesznek ki, nem befolyásolhatják zavaró módon az elválasztó térközökben áramló hűtővíz turbulenciáját. Ez akkor fordulna elő, ha a felfekvő rácselemek elválnának a latenshőtároló cellák felületeitől és ennek következtében a hűtővíz egy részárama a turbulencia-gerjesztőkként kialakított szabad rácselemek mellett elfolyhatna. Mindezt a találmány a főigénypont további jellemzőivel kombinálva és a d) jellemző megfelelő alkalmazásával éri el. Ez utóbbit egy szakember a találmány szerinti kitanítás alapján laborkísérletekkel minden nehézség nélkül meghatározhatja. Meglepő módon a gépjármű hűtőkörébe beépített hűtővíz-szivattyú teljesítménye általában elegendő azon nyomásveszteség legyőzéséhez is, amely a találmány szerinti gépjármű-hőcserélőben szokásosan fellép.

A részleteket tekintve a találmány keretein belül számos lehetőség van egy találmány szerinti gépjármű-hőtároló szerkezeti kialakítására. így például a latenshőtároló cellák a belső tartályban célszerűen lényegében vízszintesen vannak elrendezve. A latenshőtároló cellák célszerűen vékony rézlemezből készülnek, amely a halmazállapot-változásból eredő deformációkat minden további nélkül követi. Kisebb vagy nagyobb, mindazonáltal szokásos teljesítményű személygépkocsiknál bevált, hogy a számszerű paramétereket a 6-10. igénypontokban foglaltak szerinti állítsuk be.

A fentebb ismertetettekből kitűnik, hogy a hűtővíz áramlási viselkedésének az elválasztó térközökben különleges jelentősége van. Ebben az összefüggésben ajánlatos a szabad rácselemeket úgy kialakítani és elrendezni, hogy a hűtőfolyadékban a gépjármű-hőtárolón való átáramlás során homogén izotróp turbulencia spektruma alakuljon ki. Ezalatt azt értjük, hogy a szabad rácselemeken Kármán-féle örvényutakként létrejövő örvényekhez hasonló örvények azonos átmérőjű örvénygömböket tartalmaznak, amelyek ugyan a hűtővíz áramában energetikailag lecsengenek és eközben átmérőjük lecsökken, azonban a szabad rácselemeken mindig újraképződnek, így a statisztikai eloszlásuk állandó. Előnyös továbbá az az elrendezés, ahol a szabad rácselemek, valamint a felfekvő rácselemek kerek keresztmetszetekkel és/vagy lekerekített sarkú négyszögletes keresztmetszetekkel rendelkeznek, ugyanakkor a szabad rácselemek és a felfekvő rácselemek keresztezés! pontjaiban a sarkok szintén lekerekítésekkel vannak ellátva. Ily módon biztosítjuk azt, hogy a hűtőfolyadék áramában az elválasztó térközökben ne alakulhassanak ki hőátmeneti zavarokat okozó fészkek, pontosabban áramlási holtterek.

A találmányt részletesebben egy kiviteli példa kapcsán, a csatolt rajz alapján ismertetjük.

A rajzon az 1. ábra egy találmány szerinti gépjármű-hőtároló hosszmetszete, a latenshőtároló cellákkal párhuzamos irányból nézve, a 2. ábra az 1. ábra szerinti gépjármű-hőtároló A-A vonal szerinti keresztmetszete, a 3. ábra a 2. ábra B részlete, a 2. ábrához képest jelentősen felnagyítva, a 4. ábra az 1. ábra szerinti gépjármű-hőtároló távtartó rácsának felülnézete, míg az 5. ábra egy a találmány szerinti gépjármű-hőtárolónál jelentkező termodinamikai összefüggéseket szemléltető grafikon.

Az ábrákon bemutatott találmány szerinti gépjármű-hőtároló egy latenshőtároló, amely egy 1 b első tartályt, egy 2 külső tartályt, valamint egy az 1 belső tartály és a 2 külső tartály között kialakított 3 hőszigetelő teret tartalmaz. Magától értetődik, hogy az 1 belső tartály a 2 külső tartályban mechanikusan rögzítve van. Ezt az ábrákon részletesebben nem tüntettük fel. A hőszigetelés adott esetben vákuumos hőszigetelésként lehet kialakítva. Az 1-3. ábrák öszszevetéséből kitűnik, hogy az 1 belső tartályban vékony lemezből készült, alaprajzukat tekintve téglalap alakú, lapos 4 latenshőtároló cellák csoportja van elrendezve és az egyes 4 latenshőtároló cellák között 5 távtartó rácsok segítségével 6 elválasztó térközök vannak kialakítva. Ennek kapcsán utalunk a 4. ábrára is. A 6 elválasztó térközökben üzemi állapotban hőhordozóként hűtővíz áramlik keresztül. A 4 latenshőtároló cellák hőtároló közeget tartalmaznak. A 6 elválasztó térközök 7 résszélessége 1-3 mm, célszerűen kb.

1,5 mm. A 4 latenshőtároló cellák 8 cellavastagsága 5-8 mm, célszerűen kb. 6,5 mm. A 4 latenshőtároló cellák külső oldala csekély érdességű sima felülettel van kialakítva. A 4 latenshőtároló cellák csoportjának kellő tárolókapacitással kell rendelkezniük, ami legalább 400 wattóra, legalább 70°C tárolási hőmérséklet mellett. A 3. és 4. ábra összevetéséből kitűnik, hogy az 5 távtartó rácsok a 4 latenshőtároló cellákon felfekvő és a hűtővíz áramlási irányában húzódó 9 rácselemekből, valamint ezekre keresztirányban húzódó szabad 10 rácselemekből állnak.

Emellett egyébként az említett elemek egy különleges összhangba hozását valósítjuk meg. A 7 résszélességet és a 8 cellavastagságot úgy egyeztetjük össze egymással, hogy a latenshőtároló a tárolási hőmérsékletről legalább 100 wattóra/perc kisülési sebességgel süljön ki, ezenkívül a szabad 10 rácselemek úgy vannak elrendezve, hogy a hűtővíz adott kisülési sebességhez tartozó áramlási sebességénél a szabad 10 rácselemeken turbulens áramlás jöjjön létre, ugyanakkor a 4 latenshőtároló cellákon felfekvő 9 rácselemek a 4 latenshőtároló celláknak a hőtároló közeg halmazállapot-változásából eredő térfogatváltozásait a szabad 10 rácselemeken jelentkező turbulenciaképződés zavarása nélkül, kiegyenlítőleg vegyék fel. Előnyösen olyan elrendezést alkalmazunk, hogy kisüléskor két perc alatt a tárolt hőmennyiség legalább 50 %-a átadódjon a hűtővíznek. A kiviteli példában szereplő gépjármű-hőcserélő lehet adott esetben egy olyan szerkezet, amelynél a 4 latenshőtároló cellák báriumhidroxid-oktahidrátot vagy ezen alapuló keverékeket tartalmaznak hőtároló közegként.

A bemutatott kiviteli példában és a találmány előnyös kiviteli alakja értelmében a 4 latenshőtároló cellák az 1 belső tartályban lényegében vízszintesen vannak elrendezve. A 4 latenshőtároló cellák célszerűen 0,1-0,15 mm vastagságú vékony rézlemezből készülnek. így elérhető, hogy a kisülési sebesség legalább 120 wattóra/perc legyen.

Amint azt már említettük, a szabad 10 rácselemek turbulencia-gerjesztőkként vannak kialakítva. Az ábrákból kivehető szimmetria következtében elérhető, hogy a hűtőfolyadékban homogén izotróp turbulencia spektruma alakuljon ki, amelynek örvénygömbjei a Kármán-féle örvényutakhoz hasonlóan mindig újraképződnek a szabad 10 rácselemeken. Ez a hőátmenet szempontjából különösen kedvező. A szabad 10 rácselemek, valamint a felfekvő 9 rácselemek kerek keresztmetszettel, vagy amint az a rajzon is látható, lekerekített sarkú négyszögletes keresztmetszettel rendelkeznek. A szabad 10 rácselemek és a felfekvő 9 rácselemek keresztezési pontjaiban a sarkok szintén 11 lekerekítésekkel vannak ellátva, hogy kiküszöböljük a hőátmenetet hátrányosan befolyásoló áramlási holttereket.

A találmány szerinti gépjármű-hőtárolóval kapcsolatos termodinamikai összefüggéseket az 5. ábrán látható grafikon szemlélteti, csupán egyetlen példa alapján. Az abszcisszatengelyre az idő van felvezetve, mégpedig lineáris osztásban. Az abszcisszatengely hossza például egy 25 perces időszakasznak felelhet meg. Az ordinátatengelyre, szintén lineárisan, a hőmérsékletet vittük fel. Az ordinátatengely hoszsza például 100 °C-nak felelhet meg. A grafikus ábrázolás összességében leírja egy találmány szerinti gépjármű-hőtároló viselkedését egy feltöltésből és kisülésből álló folyamatban. A folyamatos vonallal rajzolt görbe a beérkező forró víz hőmérsékletét tükrözi. A pontvonalazott görbe az S pon- 12 tig a gépjármű-hőtároló feltöltését szemlélteti, wattórában megadva. Az S pontnál kb. 600 wattórára történő feltöltést értünk el, amivel a tárolókapacitás kimerült. A gépjármű-hőtároló a megfelelő hőmennyiséget a beérkező forró vízből vette fel. A szaggatott vonallal rajzolt görbe a gépjárműhőtárolóból a kisüléskor kilépő víz hőmérsékletét adja meg. Látható, hogy ez a görbe a belépési hőmérséklettől a feltöltés beindításával először gyorsan, majd lassabban emelkedik a tárolt hőmennyiség hőmérsékletéig, ami gyakorlatilag megegyezik a feltöltéshez bevezetett forró víz hőmérsékletével. Ez a teljes tartomány a halmazállapot-változás tartománya a gépjármű-hőtárolóban. A gépjármű-hőtárolóból a kisülés során kilépő víz hőmérséklete ezután meredeken lecsökken. A pontvonalazott görbe ennél a kisülésnél az előző szakasz inverzeként tekinthető. A halmazállapot-változás után megmaradó maradék hőmennyiség, valamint a gépjármű-hőtárolóból kilépő víz hőmérséklete a halmazállapot-változás után meredeken le esik.

Claims

1. Gépjármű-hőtároló, egy belső tartállyal, egy külső tartállyal, valamint egy a belső tartály és a külső tartály közötti hőszigetelő térrel, ahol a belső tartályban vékony lemezből készült, alaprajzukat tekintve téglalap alakú lapos latenshőtároló cellák csoportja van elrendezve, az egyes latenshőtároló cellák között pedig távtartó rácsok által képzett elválasztó térközök vannak kialakítva, amelyeken keresztül üzemi állapotban hőhordozó közegként hűtővíz van átáramoltatva, ugyanakkor a latenshőtároló cellákban hőtároló közeg van elrendezve, azzal jellemezve, hogy

a) az elválasztó térközök (6) résszélessége 1-3 mm,

b) a latenshőtároló cellák (4) cellavastagsága 5-8 mm és külső oldaluk csekély érdességű sima felülettel van kialakítva,

c) a latenshőtároló cellák (4) csoportjának tárolókapacitása legalább 400 wattóra, legalább 70 °C tárolási hőmérséklet mellett,

d) a távtartó rácsok (5) a latenshőtároló cellákon (4) felfekvő és a hűtővíz áramlási irányában húzódó rácselemekből (9), valamint ezekre keresztirányban húzódó szabad rácselemekből (10) állnak, ahol emellett a résszélesség (7) és a cellavastagság (8) úgy van egymással összeegyeztetve, hogy a latenshőtároló a tárolási hőmérsékletről legalább 100 wattóra/perc kisülési sebességgel süljön ki, ezenkívül a szabad rácselemek (10) úgy vannak elrendezve, hogy a hűtővíz adott kisülési sebességhez tartozó áramlási sebességénél a szabad rácselemeken (10) turbulens áramlás jön létre, ugyanakkor a latenshőtároló cellákon (4) felfekvő rácselemek (9) a latenshőtároló celláknak (4) a hőtároló közeg halmazállapot-változásából eredő térfogatváltozásait a szabad rácselemeken (10) jelentkező turbulenciaképződés zavarása nélkül, kiegyenlítőleg veszik fel.

2. Az 1. igénypont szerinti gépjármű-hőtároló, azzal jellemezve, hogy kisüléskor két perc alatt a tárolt hőmennyiség legalább 50%-a átadódik a hűtővíznek.

3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti gépjármű-hőtároló, azzal jellemezve, hogy a latenshőtároló cellák (4) hőtároló közegként báriumhidroxid-oktahidrátot vagy ezen alapuló keverékeket tartalmaznak.

4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti gépjármű-hőtároló, azzal jellemezve, hogy a latenshőtároló cellák (4) a belső tartályban (1) lényegében vízszintesen vannak elrendezve.

5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti gépjármű-hőtároló, azzal jellemezve, hogy a latenshőtároló cellák (4) vékony rézlemezből vannak kialakítva.

6. Az 1-5. igénypontok bármelyike szerinti gépjármű-hőtároló, azzal jellemezve, hogy a latenshőtároló cellák (4) a hűtővíz áramlási irányában maximum

500 mm hosszúságúak és 0,1-0,15 mm vastagságú lemezből vannak kialakítva.

7. Az 1-6. igénypontok bármelyike szerinti gépjármű-hőtároló, azzal jellemezve, hogy az egyes elválasztó térközök (6) résszélessége (7) kb. 1,5 mm.

8. Az 1-7. igénypontok bármelyike szerinti gépjármű-hőtároló, azzal jellemezve, hogy a cellavastagság (8) kb. 6,5 mm.

9. Az 1-8. igénypontok bármelyike szerinti gépjármű-hőtároló, azzal jellemezve, hogy az egyes latenshőtároló cellák (4) tárolókapacitása 30-70 wattóra.

10. Az 1-9. igénypontok bármelyike szerinti gépjárműhőtároló, azzal jellemezve, hogy a kisülési sebesség kb. 120 wattóra/perc.

11. Az 1-10. igénypontok bármelyike szerinti gépjárműhőtároló, azzal jellemezve, hogy a szabad rácselemek (10) a hűtőfolyadékban homogén izotróp turbulencia spektrumát létrehozó módon vannak elrendezve.

12. Az 1-10. igénypontok bármelyike szerinti gépjárműhőtároló, azzal jellemezve, hogy a szabad rácselemek (10) , valamint a felfekvő rácselemek (9) kerek keresztmetszetekkel és/vagy lekerekített sarkú négyszögletes keresztmetszetekkel rendelkeznek, a szabad rácselemek (10) és a felfekvő rácselemek (9) keresztezés! pontjaiban levő sarkok pedig szintén lekerekítésekkel (11) vannak ellátva.