RU2822779C1 - Рекуператор теплоты отработавших газов двигателя внутреннего сгорания - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в системах утилизации теплоты отработавших газов (ОГ), в частности, двигателей внутреннего сгорания (ДВС), и предназначено для рекуперации бросовой теплоты ДВС, рассеиваемой в атмосферу с ОГ. Рекуператор теплоты отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС), содержащий кожух, в котором расположены теплообменные трубы, патрубки подвода и отвода внутритрубной среды нагреваемого теплоносителя, газовую заслонку с механизмом привода и датчиком температуры нагреваемого теплоносителя, дополнительно снабжен модулем глушения шума выпускной системы ДВС с патрубком подвода ОГ к модулю глушения шума и патрубком отвода ОГ от модуля глушения шума выпускной системы ДВС, патрубком подвода ОГ к модулю рекуперации теплоты ОГ, патрубком отвода ОГ от модуля рекуперации теплоты ОГ, блоком управления приводом газовой заслонки, при этом газовая заслонка установлена с возможностью закрытия патрубка подвода ОГ к рекуператору и направления ОГ в модуль глушения шума. Технический результат - обеспечение автоматического процесса теплообмена и функции глушителя выхлопной системы ДВС путем поддержания температуры нагреваемого теплоносителя в диапазоне 70-80 градусов Цельсия в автоматическом режиме. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к области теплообмена и может быть использовано преимущественно в системах утилизации теплоты отработавших газов (ОГ), в частности двигателей внутреннего сгорания (ДВС), и предназначено для рекуперации бросовой теплоты ДВС, рассеиваемой в атмосферу с ОГ.

Известно, что эксплуатация машинно-тракторного парка (МТП) на открытом воздухе сопряжена с негативным влиянием климатических и погодных явлений и факторов, существенно снижающих эффективность применения МТП по назначению. Наиболее сильное негативное воздействие на технические системы оказывает низкая температура окружающего воздуха. Результатом такового воздействия является значительное понижение теплового режима узлов силовой передачи, трансмиссии и гидросистемы навесного устройства, что приводит к возрастанию вязкости масла в этих узлах и системах, которое, в свою очередь, вызывает соответствующее повышение потерь мощности ДВС на прокручивание шестерен и валов в редукторах, а также на привод гидравлических насосов. Основная доля потерь мощности ДВС приходится на узлы трансмиссии и сопровождается повышенным износом кинематических пар, увеличением расхода топлива, снижением производительности самоходной машины и, как следствие, увеличением себестоимости производимой продукции.

Одним из способов решения указанной проблемы является принудительный разогрев масла в основных узлах самоходной машины и дальнейшее его поддержание в заданном температурном диапазоне при помощи специально установленных систем. Источником теплоты в таких системах служит ДВС самоходной машины, а точнее, вторичные энергетические ресурсы в виде бросовой теплоты двигателя, рассеиваемой с ОГ или посредством радиаторов систем охлаждения и смазки.

Примером такой системы может быть система поддержания заданного температурного режима в основных узлах и прицепном агрегате самоходной машины (патент RU №2788019 опубликован 16.01.2023). В указанной системе в качестве источника теплоты используется бросовая теплота ДВС, рассеиваемая в атмосферу с ОГ. Другим примером использования бросовой теплоты ДВС, рассеиваемой с ОГ, могут служить когенерационные установки предназначенные для выработки электричества и теплоты (патент RU №75224 опубликован 27.07.2008, патент RU №2630284 опубликован 06.09.2017, патент RU №2758020 опубликован 25.10.2021 и др.).

Рекуперация теплоты в системах и установках, описанных в приведенных патентах, осуществляется посредством котла-утилизатора или рекуператора, который в общем виде представляет из себя газожидкостный теплообменный аппарат. Для когенерационных установок котлы-утилизаторы серийно производятся промышленностью и подбираются исходя из необходимой мощности установки.

Для систем рекуперации и использования теплоты ОГ ДВС в узлах самоходных машин серийно выпускаемых рекуператоров нет. Это связано, в первую очередь, с отсутствием готовых решений по оборудованию самоходных машин подобными системами даже для регионов с жесткими климатическими условиями. Однако работа в этом направлении активно ведется как в РФ, так и за рубежом. Примерами разработок в этой области могут служить патенты RU №52108 опубликован 10.03.2006, RU №2395774 опубликован 27.07.2010, RU №123905 опубликован 10.01.2013 и др.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков техническим решением, принятым за прототип, является газожидкостный кожухотрубный теплообменник с автоматической системой управления процессом теплообмена (Патент RU 2523454 С1, МПК F28D 7/00, F28D 27/00).

Газожидкостный кожухотрубный теплообменник с автоматической системой управления процессом теплообмена содержит кожух из двух концентрично расположенных цилиндров, между которыми расположены теплообменные трубы, в верхней части центральной трубы установлена газовая заслонка, выходной конец оси которой соединен с механизмом привода, представляющим собой рычаг, соединенный с терморегулятором при помощи тяги.

К недостаткам прототипа следует отнести размещение газовой заслонки внутри теплообменника, что усложняет конструкцию терморегулятора и механизма привода заслонки, а также способствует тому, что независимо от режима работы теплообменника, втулки оси заслонки будут постоянно омываться ОГ и загрязняться сажей и другими продуктами сгорания топлива. Данное обстоятельство будет приводить к тому, что данный узел будет требовать повышенного внимания во избежание заклинивания оси заслонки. Следующий недостаток также связан с местом размещения газовой заслонки. Такое расположение данного узла не позволяет полностью перекрыть поступление горячих ОГ в межтрубное пространство теплообменника через отверстия в центральной трубе, которые выполняют функцию патрубка подвода межтрубной среды. Этот негативный эффект будет происходить из-за турбулентного течения потока ОГ и сопротивления потоку, создаваемого заслонкой, даже если она находится в открытом состоянии. Это может привести к перегреву и закипанию нагреваемого теплоносителя. Другой недостаток связан с использованием одной трубы для подвода ОГ к теплообменнику и последующего их отвода в атмосферу. Такая конструкция позволяет использовать данный теплообменник в качестве глушителя только при закрытой газовой заслонке, т.е. при прохождении ОГ через межтрубное пространство в процессе теплообмена, а когда газовая заслонка, согласно алгоритму работы, открывается, то центральная труба теплообменника превращается в прямоточную выхлопную трубу, что может приводить к акустическому загрязнению окружающей среды.

Задачей, которая решается в заявляемом изобретении, является создание конструкции теплообменника-рекуператора теплоты ОГ ДВС способной эффективно выполнять функцию рекуператора теплоты ОГ с автоматическим процессом теплообмена и функцию глушителя выхлопной системы ДВС самоходной машины при работе системы рекуперации и использования теплоты ОГ ДВС на различных режимах.

Поставленная задача решается путем введения новых конструктивных и функциональных элементов и изменением характера взаимосвязи между существующими и новыми элементами.

Технический результат изобретения - повышение эффективности и надежности функционирования рекуператора теплоты ОГ ДВС самоходной машины, упрощение его теплового расчета, изготовления, обслуживания и ремонта.

Рекуператор теплоты ОГ ДВС отличается от прототипа тем, что, согласно изобретению, он дополнительно снабжен модулем глушения шума выпускной системы ДВС, датчиком температуры нагреваемого теплоносителя, патрубками подвода и отвода ОГ модуля глушения и модуля рекуперации теплоты ОГ, блоком управления приводом газовой заслонки, пневматическим приводом газовой заслонки. Привод газовой заслонки также может быть электромагнитным, электромеханическим или гидравлическим.

Сущность изобретения поясняется следующими иллюстрациями:

Фиг. 1. Устройство рекуператора в разрезе.

Фиг. 2. Принципиальная схема работы на режиме рекуперации теплоты ОГ.

Фиг. 3. Принципиальная схема работы в режиме глушителя.

Рекуператор теплоты ОГ ДВС состоит: 1 - модуль глушения шума выпускной системы ДВС; 2 - выходной патрубок ОГ модуля глушения шума выпускной системы ДВС; 3 - трубы отвода ОГ в атмосферу; 4 - выходного патрубка ОГ модуля рекуперации теплоты ОГ; 5 - модуля рекуперации теплоты ОГ; 6 - теплообменные трубы; 7 - трубные решетки; 8 - кожух; 9 - патрубок подвода нагреваемого теплоносителя к модулю рекуперации теплоты ОГ; 10 - патрубок отвода нагреваемого теплоносителя от модуля рекуперации теплоты ОГ; 11 - блок управления с механизмом привода газовой заслонки; 12 - датчик температуры нагреваемого теплоносителя; 13 - патрубок подвода ОГ к модулю рекуперации теплоты ОГ; 14 - трубы подвода ОГ от ДВС к рекуператору; 15 - фланец; 16 - газовая заслонка; 17 - патрубок подвода ОГ к модулю глушения шума выпускной системы ДВС.

На фиг. 2, 3 дополнительно изображены: 18 - вход нагреваемого теплоносителя в модуль рекуперации теплоты ОГ; 19 - выход нагреваемого теплоносителя из модуля рекуперации теплоты ОГ; 20 - вход ОГ в рекуператор теплоты ОГ; 21 - выброс ОГ в атмосферу.

Рекуператор теплоты ОГ ДВС монтируется вместо штатного глушителя самоходной машины и работает следующим образом. В исходном состоянии, перед запуском ДВС, газовая заслонка 16 находится в положении, перекрывающем патрубок подвода ОГ к модулю рекуперации теплоты ОГ 13. После запуска ДВС сигнал с датчика температуры нагреваемого теплоносителя 12 поступает в блок управления приводом газовой заслонки 11 где, в соответствии с алгоритмом работы, формируется команда на дальнейшее действие. Работа блока управления зависит только от температуры нагреваемого теплоносителя. Алгоритм работы следующий. Если после пуска ДВС температура нагреваемого теплоносителя менее 70°С, тогда дается команда на открытие газовой заслонки 16 и ОГ поступают по патрубку 13 в модуль рекуперации теплоты ОГ 5 (фиг. 2). Начинается процесс теплообмена между ОГ и нагреваемым теплоносителем. Если после пуска ДВС температура нагреваемого теплоносителя более 70°С, тогда команда на открытие газовой заслонки 16 не дается и ОГ поступают по патрубку 17 в модуль глушения шума выпускной системы ДВС 1 (фиг. 3). При охлаждении нагреваемого теплоносителя в следствие теплообмена до 70°С блок управления дает команду на открытие патрубка 13 и ОГ поступают в модуль рекуперации теплоты ОГ 5. Теплообмен возобновляется. При нагреве внутритрубного теплоносителя до 80°С, блок управления дает команду на закрытие патрубка подвода ОГ к модулю рекуперации теплоты ОГ 13 и ОГ направляются в модуль глушения шума выпускной системы ДВС 1. Таким образом алгоритм работы блока управления приводом газовой заслонки обеспечивает поддержание температуры нагреваемого теплоносителя в диапазоне 70…80°С в автоматическом режиме. Диапазон температур может программироваться в зависимости от вида самоходной машины и специфики ее функционирования, однако стоит учитывать то, что модуль рекуперации имеет тепловую инерцию, т.е. после прекращения в него подачи ОГ нагрев теплоносителя в теплообменных трубах 6 еще некоторое время будет продолжаться. Механизм привода газовой заслонки 16, в зависимости от типа самоходной машины, может быть пневматическим, электромагнитным, электромеханическим или гидравлическим. В качестве модуля глушения могут использоваться элементы стандартного глушителя, интегрированные в рекуператор. Модуль рекуперации теплоты ОГ представляет из себя многоходовой кожухотрубный теплообменник, мощность и конструкция которого рассчитывается и проектируется в зависимости от вида самоходной машины и системы утилизации теплоты ОГ.

Заявленный рекуператор теплоты ОГ ДВС может быть использован в качестве котла-утилизатора систем, использующих бросовую теплоту ДВС в виде теплоты ОГ для обеспечения оптимальных температур в основных узлах самоходной машины и (или) прицепном агрегате. Применение его позволит максимально повысить эффективность функционирования указанных систем.

Claims (5)

1. Рекуператор теплоты отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС), содержащий кожух, в котором расположены теплообменные трубы; патрубки подвода и отвода внутритрубной среды нагреваемого теплоносителя; газовую заслонку с механизмом привода и датчиком температуры нагреваемого теплоносителя отличающийся тем, что он дополнительно снабжен модулем глушения шума выпускной системы ДВС с патрубком подвода ОГ к модулю глушения шума и патрубком отвода ОГ от модуля глушения шума выпускной системы ДВС; патрубком подвода ОГ к модулю рекуперации теплоты ОГ, патрубком отвода ОГ от модуля рекуперации теплоты ОГ; блоком управления приводом газовой заслонки, при этом газовая заслонка установлена с возможностью закрытия патрубка подвода ОГ к рекуператору и направления ОГ в модуль глушения шума.

2. Рекуператор по п. 1, отличающийся тем, что привод газовой заслонки выполнен электромагнитным.

3. Рекуператор по п. 1, отличающийся тем, что привод газовой заслонки выполнен электромеханическим.

4. Рекуператор по п. 1, отличающийся тем, что привод газовой заслонки выполнен гидравлическим.

5. Рекуператор по п. 1, отличающийся тем, что привод газовой заслонки выполнен пневматическим.