WO2020139144A1 - Отопительная установка со встроенным термогенератором - Google Patents

Отопительная установка со встроенным термогенератором Download PDF

Info

Publication number
WO2020139144A1
WO2020139144A1 PCT/RU2019/000909 RU2019000909W WO2020139144A1 WO 2020139144 A1 WO2020139144 A1 WO 2020139144A1 RU 2019000909 W RU2019000909 W RU 2019000909W WO 2020139144 A1 WO2020139144 A1 WO 2020139144A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
tgm
heat exchanger
heat
heating
control unit
Prior art date
Application number
PCT/RU2019/000909
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Леонид Владимирович Алексеев
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Цирит Термо"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Цирит Термо" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Цирит Термо"
Publication of WO2020139144A1 publication Critical patent/WO2020139144A1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N19/00—Starting aids for combustion engines, not otherwise provided for
    • F02N19/02—Aiding engine start by thermal means, e.g. using lighted wicks
    • F02N19/04—Aiding engine start by thermal means, e.g. using lighted wicks by heating of fluids used in engines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M14/00—Electrochemical current or voltage generators not provided for in groups H01M6/00 - H01M12/00; Manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines

Definitions

  • thermoelectric energy in particular to thermoelectric devices based on the Seebeck effect, and can be used as a heating installation on hydrocarbon fuel:
  • - in vehicles namely in systems designed for heating the passenger compartment, heating and maintaining the starting temperature conditions of internal combustion engines in conditions of negative ambient temperatures and can be used in all vehicles, including electric vehicles (electric buses ) as a heater for the driver’s cabin / saloon, traction batteries that do not give the necessary energy at low temperatures, as a means of accelerating the preparation of batteries for charging, in mobile diesel power plants, for heating mobile campsites, small vessels;
  • electric vehicles electric buses
  • traction batteries that do not give the necessary energy at low temperatures
  • the battery With frequent use of the heater, the battery is gradually discharged, as it does not have time to restore the capacity during the operation of the internal combustion engine from the generator. In cold weather, the battery must be periodically recharged from an external charger in warm conditions. For electric vehicles (electric buses), in the cold season, there is a problem of reducing traction batteries (respectively, and vehicle run-out), since it is necessary to heat the driver’s cab / passenger compartment, traction batteries.
  • the circulation pump When heating rooms, buildings with local heating systems for the operation of automation, the circulation pump requires an external source of electricity. In the event of a power outage, the heating system stops working and the building cools.
  • thermoelectric power generator heating boiler devices containing thermoelectric modules located between cold and hot heat exchangers, and a burner for gas or liquid organic fuel
  • a hot heat exchanger consists of individual heat exchangers for each thermoelectric module, located one above the other in at least two horizontal rows, one of the surfaces of these heat exchangers contains vertical fins located in a stream of hot gases coming separately from the burner, the second surface has thermal contact with the hot side of the thermoelectric module
  • the cold heat exchanger is made in the form of a base, on the one hand, N planes with thermoelectric modules located on them, and on the other, cooling fins, have thermal contact with the liquid coolant circulating in the boiler.
  • thermogenerator modules hereinafter referred to as TGM.
  • TGM thermogenerator modules
  • thermoelectric power source (patent for the invention of Ukraine N 2 UA102303 dated 11.28.2011) based on a heat source based on hydrocarbon fuel, which consists of hot and cold heat exchangers, thermoelectric modules located between heat exchangers and auxiliary devices for supplying fuel and air, a hot heat exchanger power supply has the form a hollow cylindrical or square pipe, at one of the ends of which a heat source for burning liquid or gaseous fuel and an air supply fan are arranged in series, and the second end is connected to a gas manifold at the outlet of which an exhaust pipe is installed;
  • a cold heat exchanger consists of a series of liquid individual heat exchangers for each thermoelectric module, which are connected to one hydraulic circuit containing a circulation pump and connected to a car cooling system.
  • thermogenerator modules hereinafter referred to as TGM.
  • TGM thermogenerator modules
  • a cooling radiator with cavities for pumping liquid carries out less heat extraction from the cold side of the TGM than a radiator with fins completely immersed in the liquid, respectively, the temperature of the cold side of the TGM will be higher, and the already low efficiency will decrease;
  • thermoelectric power source (patent for utility model of Ukraine N ° UA72304 from 08/10/2012) based on a heat source based on hydrocarbon fuel containing a thermoelectric fuel evaporation and combustion chamber modules, heat exchangers for supplying and removing heat from modules, devices for supplying fuel, air and liquid heat carrier
  • the hot heat exchanger is made in the form of a pipe, one end of which is closed, and an air fan and a heat source with an evaporation chamber and a combustion chamber are installed in series on the second end
  • longitudinal ribs are made on the inner surface of the hot heat exchanger, and on the outer surface are planes on which thermoelectric modules are located, the hot side of which has thermal contact with these planes, and the cold side with liquid heat exchangers in which the liquid coolant circulates.
  • thermogenerator modules hereinafter referred to as TGM.
  • TGM thermogenerator modules
  • a cooling radiator with cavities for pumping liquid carries out less heat extraction from the cold side of the TGM than a radiator with fins completely immersed in the liquid, respectively, the temperature of the cold side of the TGM will be higher, and the already low efficiency will decrease;
  • the end surface of the heat exchanger is not used to install the TGM.
  • the task of the invention is to remedy the above disadvantages.
  • the technical result, the achievement of which the present invention is directed, is to ensure uniform distribution of heat from the heat exchanger, the maximum temperature gradient between the cold and hot sides of the TGM (at least 100 ° C), increase the efficiency of the heat generator and provide the possibility of a significant reduction in its dimensions.
  • a heating installation with an integrated heat generator comprising a combustion chamber with a fuel ignition source, an air supply device and a fuel pump connected on one side to the engine fuel tank and, on the other hand, to a combustion chamber, an electronic control unit, thermal generator modules (TGM) with hot and cold junctions, electrically connected through a matching pulse, voltage / current stabilizing DC-DC converter and battery control unit, TGM heating heat exchanger and coolant heat exchanger, temperature sensors, combustion sensors connected to the inputs of the electronic control unit, drives of the fuel pump, coolant pump, air supply devices, electrically connected to the voltage converter of the thermoelectric generator with the possibility of their regulation, and the thermogenerator modules with the hot side are mounted on the design of the heat exchanger T GM, which is a capacity (tank) of heat-conducting alloys with a thermal conductivity of at least 200 W / (m * K), liquid-cooled radiators are installed on the opposite side of the heat-generating modules, while the heat exchanger is equipped with hot
  • the modules can be installed around the perimeter and from the end of the structure.
  • a sealant with a thickness of at least 3 mm and a thermal conductivity of not more than 0.1 W / (m * K) can be used. Since the bulk of the heat power is removed from the end of the heat exchanger, where the direct flow of high-temperature hot gases is directed, the heat exchanger design must be made as a “blank glass” of heat-conducting alloys or a heat pipe with a heat conductivity of at least 200 W / (m * K). Ribs may be provided on the inside to improve heat transfer with the flow of hot gases.
  • the wall thickness of the metal heat exchanger should ensure uniform temperature distribution over the heat exchanger, to ensure that there are no cracks near the holes for mounting the TGM.
  • the outer surface may be a polyhedron for flat TGM or another shape coinciding with the surface of the TGM. The following description of the design is given for flat TMG.
  • Thermogenerator modules with cooling radiators are located on the faces of a polyhedron with a platform width exceeding the size of the used TGM and from the end of the TGM heat exchanger.
  • liquid coolants having a high specific heat capacity are used.
  • a cooling radiator mounted on the cold side of the TGM may have cooling fins.
  • the flow of cold coolant should be directed to the end face of the TGM heat exchanger with subsequent uniform distribution of the flow along the faces of the polyhedron.
  • TGM is uniformly pressed against the TGM heat exchanger using screw connections with special springs or another clamp design providing the necessary pressing force.
  • the free surface of the TGM heat exchanger is poured with a special material with low thermal conductivity for the following purposes:
  • TGM can be placed on special areas of the heat exchanger and radiator, protruding above the plane, having the size of the applied TGM. These sites should be made in accordance with the requirements for the plane and roughness shown for the installation of TGM.
  • the remaining surface of the heat exchanger and cooling radiators has an increased roughness.
  • TGMs on the polyhedron are located at the end and on the faces sequentially one after another in a coolant flow. Since the flow of coolant flows sequentially, starting from the end, the temperature of the coolant after passing through each radiator increases and, accordingly, the efficiency of the TGM decreases due to a decrease in the temperature difference between the cold and hot sides.
  • the heating rate of the coolant depends mainly on the power of the heat flow through the TGM and the flow rate of the coolant, the heat capacity of the coolant. If the rate of heating of the coolant exceeds the specified tolerances, then a parallel supply of coolant from the end and each face of the heat exchanger to the second and subsequent rows of TGM can be applied.
  • the shape of the cooling jacket at the point of supply of the additional flow of coolant should have an enlarged section to reduce the hydrostatic pressure below the supply pressure of the additional flow.
  • An increase in the number of installed TGMs, if necessary, in a specific design can be achieved by increasing the number of faces of the TGM heat exchanger and the location of additional TGMs from the end of the heat exchanger with increasing diameter of the heat exchanger.
  • thermogenerator for generating a given power for a given voltage is performed according to the generated heat power in the minimum mode and with the minimum temperature gradient for this design;
  • a pulse-stabilizing voltage / current DC-DC converter is installed with control from the control unit, with an efficiency of at least 90% on average.
  • the required area of the heat exchanger used to heat the coolant to the required temperature after passing through the heat generator is calculated on the basis of the total heat power that the heater (heater) must provide, and the heat power supplied by the heat generator is calculated from the number of installed TGMs, their thermal characteristics , and heat transfer through heat-insulating sealant.
  • the figure 1 shows a heating system with a built-in heat generator in the context
  • the figure 2 shows an air heater, the design of which is based on a heating system with a built-in heat generator, where:
  • the heating installation contains heat exchangers for heating the coolant (13) and heating the TGM (15), inside which there is a combustion chamber (8) with a spark plug (19), an air supercharger (7), a suction pipe of the supercharger (21), a pipe exhaust gas (24), the suction pipe of the coolant (1 1), the pipe outlet of the coolant (22).
  • TGMs (17) are placed, on the opposite surface of which, on cold junctions, cooling radiators are installed (16). Hydro and heat insulation of TGM (17) and free surfaces of the TGM heating heat exchanger (15) is carried out by a special sealant (14).
  • the TGM heating heat exchanger (15) is equipped with temperature sensors (18), and the combustion chamber (8) is equipped with a combustion sensor (20).
  • the temperature of the liquid coolant (25) is controlled by the inlet temperature sensor (10) and the outlet sensor (24).
  • the device is enclosed in a housing (12).
  • the fuel pump (5) from the fuel tank delivers fuel to the combustion chamber (8).
  • the circulation pump (9) circulates the liquid coolant.
  • Spark plug (glow plug) (19), outputs of all temperature sensors (10), (23), combustion sensor (20) are connected to the electronic control unit (2), which controls the entire process using the control panel (3).
  • the outputs from the TGM through a matching pulse, stabilizing voltage / current DC-DC converter are fed to the electronic control unit (2).
  • the battery (1) is also charged according to the program of the electronic control unit (2).
  • the described device can be used as the basis for the design of an air heater used to heat rooms and buildings.
  • a stand-alone air heater in addition to the design of the heating installation, contains a hose 26 for supplying coolant to the cooling radiator 27.
  • the device is turned on and brought to the operating mode in a similar way as in the known devices, due to the electric power of the battery (1) controlled by the electronic unit (2) via the control panel (3).
  • the air blower (7) starts, then the fuel pump (5) is turned on, which delivers fuel from the fuel tank (4) to the combustion chamber (8), where the initial ignition of the fuel is carried out using an spark plug (glow plug) (19).
  • the glow plug (19) ignition is turned off by command from the electronic control unit (2) after establishing stable combustion in the combustion chamber (8), which is determined by the readings of the combustion sensor (20).
  • the required temperature of the coolant (25) and the temperature of the TGM heat exchanger (15) are regulated to ensure optimal operation of the TGM (17) using the electronic control unit (2) based on the set temperature control panel (3) taking into account the readings of the temperature sensors (18) of the heated medium by changing the quantity fuel supplied to the combustion chamber 8, the amount of air pumped by the supercharger (7), the pumping rate of the coolant (25) through the heat exchanger (15) based on the readings of the sensors (23,10).
  • the outputs from the TGM (15) through a matching pulse, stabilizing voltage / current DC-DC converter are fed to the electronic control unit (2).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Air-Conditioning For Vehicles (AREA)

Abstract

Изобретение относится к отопительной установке со встроенным термогенератором. Отопительная установка содержит камеру сгорания с источником воспламенения топлива, устройство подачи воздуха и топливный насос, соединенный с одной стороны с топливным баком двигателя, а с другой стороны с камерой сгорания, электронный блок управления, теплообменник нагрева с горячим и холодным спаями, стабилизатор, блок управления, питаемый энергией от аккумуляторной батареи, и теплообменник охлаждающей жидкости, датчики температуры, горения, соединенные с входами электронного блока управления, приводы топливного насоса, насоса охлаждающей жидкости, устройства подачи воздуха, с возможностью их регулирования, причем теплообменник нагрева горячей стороной установлен на конструкции теплообменника в виде резервуара из теплопроводящих сплавов, с противоположной стороны установлены радиаторы с жидкостным охлаждением, при этом теплообменник снабжен датчиками температуры горячей стороны, связанными с электронным блоком управления. Обеспечение равномерного распределения тепла от теплообменника между холодной и горячей сторонами термогенераторного модуля и повышение КПД термогенератора является техническим результатом изобретения.

Description

ОТОПИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА СО ВСТРОЕННЫМ
ТЕРМОГЕНЕРАТОРОМ
Изобретение относится к термоэлектрической энергетике, в частности к термоэлектрическим приборам, основанным на эффекте Зеебека, и может быть использовано в качестве отопительной установки на углеводородном топливе:
- в транспортных средствах, а именно в системах, предназначенных для отопления салона, подогрева и поддержания предпусковых температурных условий двигателей внутреннего сгорания в условиях отрицательных температур окружающей среды и может быть использовано во всех транспортных средствах, в том числе и для электрических транспортных средств (электрических автобусов) в качестве обогревателя кабины водителя / салона, тяговых батарей, которые не отдают необходимую энергию при отрицательных температурах, в качестве средства ускорения подготовки батарей для зарядки, в передвижных дизель-электростанциях, для отопления передвижных кемпингов, маломерных судов;
- для обогрева помещений и зданий.
Существующие автономные автомобильные отопители (подогреватели) на углеводородном топливе не являются, по сути, полностью автономными. Они потребляют от аккумулятора электроэнергию (100-200 Ватт в зависимости от модели отопителя), которая необходима для работы электробензонасоса, электропомпы, осуществляющей циркуляцию охлаждающей жидкости, и воздушного электронагнетателя, используемого для подачи воздуха в горелку. Основной недостаток данных устройств заключается в потреблении ими электроэнергии от аккумулятора в течение всего времени работы, которое существенно ограничивается резервной емкостью аккумуляторной батареи, необходимой для запуска двигателя внутреннего сгорания, и составляет от 30 минут до нескольких часов. При отрицательных температурах емкость аккумулятора уменьшается примерно линейно. Чем меньше температура, тем меньше остается емкости аккумулятора для работы существующих автономных отопителей. При отрицательных температурах самого аккумулятора, он плохо принимает заряд от генератора. Практически все типы аккумуляторов не берут заряд ниже -20°С. При заряде литий-ионного аккумулятора ниже -20°С происходит ускоренная их деградация, выход из строя. (Патенты РФ по поддержанию тепла аккумулятора за счет энергии батарей N2RU2589530, jsfoRU2611592)
При частом использовании отопителя, аккумуляторная батарея постепенно разряжается, так как не успевает восстановить емкость за время работы двигателя внутреннего сгорания от генератора. Аккумулятор необходимо в холодное время года периодически дополнительно подзаряжать от внешнего зарядного устройства в теплых условиях. Для электрических транспортных средств (электрических автобусов), в холодное время года, существует проблема уменьшения заряда тяговых аккумуляторных батарей (соответственно и выбега транспортного средства), так как необходим обогрев кабины водителя / салона, тяговых аккумуляторных батарей.
При обогреве помещений, зданий локальными отопительными установками для работы автоматики, циркуляционного насоса требуется внешний источник электроэнергии. В случае пропадания электроэнергии отопительная установка прекращает работу и здание охлаждается.
Известен термоэлектрический генератор питания устройств отопительных котлов (патент на изобретение Украины N2UA87034 от 03.09.2007), содержащий термоэлектрические модули, расположенные между холодным и горячим теплообменниками, и горелку на газовом или жидком органическом топливе, горячий теплообменник состоит из индивидуальных для каждого термоэлектрического модуля теплообменников, расположенных друг над другом по крайней мере в двух горизонтальных рядах, одна из поверхностей этих теплообменников содержит вертикальные ребра, расположенные в потоке горячих газов, поступающих отдельно от горелки, вторая поверхность имеет тепловой контакт с горячей стороной термоэлектрического модуля, холодный теплообменник выполнен в виде основания, имеет с одной стороны N плоскостей, с расположенными на них термоэлектрическими модулями, а с другой - ребра охлаждения, имеют тепловой контакт с циркулирующим в котле жидким теплоносителем.
Недостатками известного устройства являются:
- ограничение мощности отопителя, передаваемой от горелки в теплоноситель, из-за того, что весь тепловой поток проходит только через термогенераторные модули (далее ТГМ). Использование части теплового потока для генерации необходимой мощности электроэнергии с помощью ТГМ, а оставшейся части только для нагрева теплоносителя, не предусмотрено заявленной конструкцией;
- отсутствие датчика(ов) температуры горячей стороны ТГМ для автоматического контроля температуры, ее регулировки, защиты ТГМ от перегрева;
- отсутствие возможности выравнивания температуры горячей стороны для всех ТГМ при неравномерном нагреве теплообменника;
- не предусмотрено применение преобразователя напряжения с высоким КПД в среднем не менее 90%, который позволит работать в широком диапазоне изменения тепловой мощности и соответственно изменения выходного напряжения ТГМ ниже и выше номинального.
Известен также термоэлектрический источник питания (патент на изобретение Украины N2UA102303 от 28.11.2011) на основе источника тепла на углеводородном топливе, который состоит из горячего и холодного теплообменников, термоэлектрических модулей, расположенных между теплообменниками и вспомогательными устройствами подачи топлива и воздуха, горячий теплообменник источника питания имеет форму пустотелой цилиндрической или квадратной трубы, на одном из торцов которой последовательно расположены источник тепла для сжигания жидкого или газообразного топлива и вентилятор подачи воздуха, а второй торец соединен с газовым коллектором, на выходе которого установлена выхлопная труба; холодный теплообменник состоит из ряда жидкостных индивидуальных для каждого термоэлектрического модуля теплообменников, которые соединены в один гидравлический контур, содержащий циркуляционный насос и подключен к системе охлаждения автомобиля.
Недостатками известного устройства являются:
- ограничение мощности отопителя, передаваемой от горелки в теплоноситель, из-за того, что весь тепловой поток проходит только через термогенераторные модули (далее ТГМ). Использование части теплового потока для генерации необходимой мощности электроэнергии с помощью ТГМ, а оставшейся части только для нагрева теплоносителя, не предусмотрено заявленной конструкцией;
- отсутствие датчика(ов) температуры горячей стороны ТГМ для автоматического контроля температуры, ее регулировки, защиты ТГМ от перегрева;
- отсутствие возможности выравнивания температуры горячей стороны для всех ТГМ при неравномерном нагреве теплообменника;
- не предусмотрено применение преобразователя напряжения с высоким КПД, в среднем не менее 90%, который позволит работать в широком диапазоне изменения тепловой мощности и соответственно изменения выходного напряжения ТГМ ниже и выше номинального;
- радиатор охлаждения с полостями для прокачки жидкости осуществляет меньший отбор тепла с холодной стороны ТГМ, чем полностью погруженный в жидкость радиатор с ребрами, соответственно, температура холодной стороны ТГМ будет выше, а и без того малый КПД снизится;
- наличие сложной гидравлической системы охлаждения ТГМ, требующей изготовления полостей для прокачки жидкости в радиаторе, индивидуальный подвод к каждому радиатору подводящих и отводящих патрубков;
- при самостоятельной замене жидкости теплоносителя в полевых условиях возможно появление воздуха в части гидравлической системы охлаждения и паровых пробок, что приведет к перегреву ТГМ и выходу его из строя;
- большие габаритные размеры, масса.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является автомобильный обогреватель с термоэлектрическим источником питания (патент на полезную модель Украины N°UA72304 от 10.08.2012) на основе источника тепла на углеводородном топливе, содержащем камеру испарения и сгорания топлива, термоэлектрических модулей, теплообменников для подвода и отвода тепла от модулей, устройств для подачи топлива, воздуха и жидкого теплоносителя, горячий теплообменник изготовлен в виде трубы, один торец которой закрыт, а на втором торце последовательно установлены воздушный вентилятор и источник тепла с испарительной камерой и камерой сгорания, на внутренней поверхности горячего теплообменника сделано продольные ребра, а на внешний - плоскости, на которых расположены термоэлектрические модули, горячая сторона которых имеет тепловой контакт с этими плоскостями, а холодная сторона - с жидкостными теплообменниками, в которых циркулирует жидкий теплоноситель.
Недостатками прототипа являются:
- ограничение мощности отопителя, передаваемой от горелки в теплоноситель, из-за того, что весь тепловой поток проходит только через термогенераторные модули (далее ТГМ). Использование части теплового потока для генерации необходимой мощности электроэнергии с помощью ТГМ, а оставшейся части только для нагрева теплоносителя, не предусмотрено заявленной конструкцией;
- отсутствие датчика(ов) температуры горячей стороны ТГМ для автоматического контроля температуры, ее регулировки, защиты ТГМ от перегрева;
- отсутствие возможности выравнивания температуры горячей стороны для всех ТГМ при неравномерном нагреве теплообменника;
- не предусмотрено применение преобразователя напряжения с высоким КПД, в среднем не менее 90%, который позволит работать в широком диапазоне изменения тепловой мощности и соответственно изменения выходного напряжения ТГМ ниже и выше номинального;
- радиатор охлаждения с полостями для прокачки жидкости осуществляет меньший отбор тепла с холодной стороны ТГМ, чем полностью погруженный в жидкость радиатор с ребрами, соответственно, температура холодной стороны ТГМ будет выше, а и без того малый КПД снизится;
- наличие сложной гидравлической системы охлаждения ТГМ, требующей изготовления полостей для прокачки жидкости в радиаторе, индивидуальный подвод к каждому радиатору подводящих и отводящих патрубков;
- при самостоятельной замене жидкости теплоносителя в полевых условиях возможно появление воздуха в части гидравлической системы охлаждения или паровых пробок, что приведет к перегреву ТГМ и выходу его из строя;
- большие габаритные размеры, масса;
- торцевая поверхность теплообменника не используется для установки ТГМ.
Задачей заявляемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков. Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в обеспечении равномерного распределения тепла от теплообменника, максимального градиента температур между холодной и горячей сторонами ТГМ (не менее 100 °С), повышение КПД термогенератора и обеспечение возможности существенного уменьшения его габаритов.
Для достижения указанного технического результата предлагается отопительная установка со встроенным термогенератором, содержащая камеру сгорания с источником воспламенения топлива, устройство подачи воздуха и топливный насос, соединенный с одной стороны с топливным баком двигателя, а с другой стороны с камерой сгорания, электронный блок управления, термогенераторные модули (ТГМ) с горячим и холодным спаями, электрически связанные через согласующий импульсный, стабилизирующий напряжение/ток DC-DC преобразователь и блок управления с аккумуляторной батарей, теплообменник нагрева ТГМ и теплообменник охлаждающей жидкости, датчики температуры, горения, соединенные с входами электронного блока управления, приводы топливного насоса, насоса охлаждающей жидкости, устройства подачи воздуха, электрически связанные с преобразователем напряжения термоэлектрического генератора с возможностью их регулирования, причем термогенераторные модули горячей стороной установлены на конструкции теплообменника ТГМ, представляющей собой емкость (резервуар) из теплопроводящих сплавов с теплопроводностью не менее 200 Вт/(м*К), с противоположной стороны термогенераторных модулей установлены радиаторы с жидкостным охлаждением, при этом, теплообменник снабжен датчиками температуры горячей стороны, связанными с электронным блоком управления, термогенераторные модули при этом выполнены низкотемпературными, кроме того, теплообменник ТГМ рассчитан на установку, по меньшей мере, одного термогенераторного модуля, нижняя поверхность которого находится в одной плоскости с поверхностью теплообменника ТГМ, а его верхняя поверхность лежит в одной плоскости с нижней поверхностью радиатора охлаждения, при этом на поверхности упомянутого теплообменника установлено, по меньшей мере, два ТГМ, а свободная поверхность теплообменника ТГМ залита материалом с низкой теплопроводностью, который одновременно обеспечивает герметизацию торцов ТГМ от попадания охлаждающей жидкости внутрь.
На поверхности теплообменника ТГМ модули могут быть установлены по периметру и с торца конструкции.
В качестве материала с низкой теплопроводностью может быть использован герметик толщиной не менее 3 мм с коэффициентом теплопроводности не более 0,1 Вт/(м*К). Так как основная часть тепловой мощности снимается с торца теплообменника, куда направлен прямой поток высокотемпературных горячих газов, то конструкция теплообменника должна быть выполнена по типу «глухой стакан» из теплопроводящих сплавов или тепловой трубы с теплопроводностью не менее 200 Вт/(м*К). На внутренней стороне могут быть выполнены ребра для улучшения теплообмена с потоком горячих газов. Толщина стенки металлического теплообменника должна обеспечивать равномерное распределение температур по теплообменнику, гарантировать отсутствие трещин около отверстий для крепления ТГМ. Наружная поверхность может быть многогранником для плоских ТГМ или другой формы совпадающей с поверхностью ТГМ. Далее описание конструкции приводится для плоских ТМГ.
Термогенераторные модули с радиаторами охлаждения располагаются на гранях многогранника с шириной площадки превышающий размер применяемого ТГМ и с торца теплообменника ТГМ.
В качестве охлаждающего теплоносителя применяются только жидкие теплоносители, имеющие высокую удельную теплоемкость.
Для улучшения теплоотвода радиатор охлаждения, установленный на холодной стороне ТГМ может иметь ребра охлаждения.
Поток холодной охлаждающей жидкости должен быть направлен в торец теплообменника ТГМ с последующим равномерным распределением потока вдоль граней многогранника.
ТГМ равномерно прижимают к теплообменнику ТГМ с помощью винтового соединения со специальными пружинами или другой конструкцией прижима обеспечивающей необходимое усилие прижатия.
Свободная поверхность теплообменника ТГМ заливается специальным материалом с низкой теплопроводностью для следующий целей:
- обеспечить герметизацию торцов ТГМ от попадания охлаждающей жидкости внутрь (до сих пор для герметизации ТГМ использовали специальный чехол из тонкого листа нержавейки, который создавал дополнительное тепловое сопротивление и сильно уменьшал КПД, такой чехол существенно увеличивает габариты термогенератора);
- направить основной тепловой поток через ТГМ;
Для улучшения агдезии при заливке герметиком, ТГМ могут располагать на специальных площадках теплообменника и радиатора, выступающих над плоскостью, имеющие размер применяемого ТГМ. Эти площадки должны быть выполнены в соответствии с требованиями к плоскости и шероховатости предъявляемыми для установки ТГМ. Остальная поверхность теплообменника и радиаторов охлаждения имеет повышенную шероховатость. ТГМ на многограннике располагаются с торца и на гранях последовательно друг за другом в потоке охлаждающей жидкости. Так как поток охлаждающей жидкости течет последовательно, начиная с торца, то температура охлаждающей жидкости после прохождения каждого радиатора увеличивается и соответственно уменьшается эффективность ТГМ за счет уменьшения разности температур между холодной и горячей стороной. Скорость нагрева охлаждающей жидкости зависит в основном от мощности теплового потока через ТГМ и скорости протекания охлаждающей жидкости, теплоемкости охлаждающей жидкости. Если скорость нагрева охлаждающей жидкости превышает заданные допуски, то может быть применена параллельная подача охлаждающей жидкости с торца и каждой грани теплообменника ко второму и последующим рядам ТГМ. Форма рубашки охлаждения в месте подачи дополнительного потока охлаждающей жидкости должна иметь увеличенное сечение, чтобы уменьшить гидростатическое давление ниже давления подачи дополнительного потока.
Увеличение числа установленных ТГМ, при необходимости, в конкретной конструкции может достигаться за счет увеличения числа граней теплообменника ТГМ и расположения дополнительных ТГМ с торца теплообменника при увеличении диаметра теплообменника.
Для более устойчивой работы термогенератора в разных режимах от малого до полного во всем диапазоне тепловой мощности могут быть применены следующие решения:
а) расчет необходимого числа ТГМ в термогенераторе для генерации заданной мощности на заданное напряжение производится по вырабатываемой тепловой мощности в минимальном режиме и с минимально допустимым градиентом температур для данной конструкции;
б) для согласования значений изменения выходного напряжения ТГМ ниже и выше номинального во всем диапазоне тепловой мощности устанавливается импульсный, стабилизирующий напряжение/ток DC-DC преобразователь с управлением от блока управления, с КПД, в среднем не менее 90%.
в) необходимая площадь теплообменника, используемая для подогрева охлаждающей жидкости до требуемой температуры после прохождения через термогенератор, рассчитывается исходя из общей тепловой мощности, которую должен обеспечить подогреватель (отопитель), а тепловая мощность, отдаваемая термогенератором, рассчитывается из количества установленных ТГМ, их тепловых характеристик, и передачей тепла через теплоизолирующий герметик.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На фигуре 1 представлена отопительная установка со встроенным термогенератором в разрезе, на фигуре 2 представлен воздушный отопитель, в основе конструкции которого лежит отопительная установка со встроенным термогенератором, где:
1 - аккумуляторная батарея;
2 - блок управления;
3 - пульт управления;
4 - топливный бак;
5 - топливный насос;
6— импульсный DC-DC преобразователь;
7— нагнетатель воздуха;
8 - камера сгорания;
9 - циркуляционный насос;
10 - датчик температуры холодного жидкостного теплоносителя;
11 - всасывающий патрубок охлаждающей жидкости;
12 - корпус;
13 - теплообменники нагрева охлаждающей жидкости;
14 - герметик;
15 - теплообменники нагрева ТГМ;
16 - радиаторы охлаждения;
17 - ТГМ;
18 - датчик температуры теплообменника нагрева ТГМ;
19 - свеча зажигания;
20 - датчик горения;
21 - всасывающий патрубок нагнетателя воздуха;
22 - патрубок вывода охлаждающей жидкости;
23 - датчик температуры горячего жидкостного теплоносителя;
24 - патрубок выхлопных газов;
25 - жидкостный теплоноситель;
26 - шланг подачи охлаждающей жидкости на радиатор охлаждения
27 - радиатор охлаждения;
28 - дополнительный внешний корпус воздушного канала;
29 - нагнетающие лопасти вентилятора наддува;
30 - передний обтекатель;
31 - задний обтекатель;
32 - термоизолирующее покрытие.
Отопительная установка содержит теплообменники для нагрева охлаждающей жидкости (13) и нагрева ТГМ (15), внутри которого расположена камера сгорания (8) со свечой зажигания (накаливания) (19), нагнетатель воздуха (7), всасывающий патрубок нагнетателя (21), патрубок выхлопных газов (24), всасывающий патрубок охлаждающей жидкости (1 1), патрубок вывода охлаждающей жидкости (22). На поверхности теплообменника (15), горячими спаями к ней, размещены ТГМ (17), на противоположной поверхности которых, на холодных спаях, установлены радиаторы охлаждения (16). Гидро и тепло изоляция ТГМ (17) и свободных поверхностей теплообменника нагрева ТГМ (15) осуществляется специальным герметиком (14). Теплообменник нагрева ТГМ (15) снабжен датчикам температуры (18), а камера сгорания (8) - датчиком горения (20). Температуру жидкостного теплоносителя (25) контролирует датчик температуры на входе (10) и датчик на выходе (24). Устройство заключено в корпус (12). Топливный насос (5) из топливного бака подает топливо в камеру сгорания (8). Циркуляционный насос (9) производит циркуляцию жидкостного теплоносителя. Свеча зажигания (накаливания) (19), выходы всех датчиков температур (10), (23), датчика горения (20) связаны с электронным блоком управления (2), управляющим всем процессом с помощью пульта управления (3). Выходы от ТГМ через согласующий импульсный, стабилизирующий напряжение/ток DC-DC преобразователь подаются на электронный блок управления (2). Подзарядка аккумуляторной батареи (1) осуществляется также по программе электронного блока управления (2).
Описанное устройство может быть использовано в качестве основы конструкции воздушного отопителя, используемого для обогрева помещений и зданий. Автономный воздушный отопитель, дополнительно к конструкции отопительной установки, содержит шланг 26 подачи охлаждающей жидкости на радиатор охлаждения 27. Дополнительный внешний корпус воздушного канала 28, нагнетающие лопасти вентилятора наддува 29, передний 30 и задний 31 обтекатели, термоизолирующее покрытие 32.
Установка со встроенным термогенератором работает следующим образом.
Включение устройства и вывод его на рабочий режим происходит аналогично, как и в известных устройствах, за счет электроэнергии аккумуляторной батареи (1), управляемой электронным блоком (2) через пульт управления (3). Сначала запускается нагнетатель воздуха (7), затем включается топливный насос (5), который подает топливо из топливного бака (4) в камеру сгорания (8), где первоначальный поджог топлива осуществляют с помощью свечи зажигания (свечи накаливания) (19). Выключение свечи накаливания (19) (зажигания) осуществляют по команде с электронного блока управления (2) после установления устойчивого горения в камере сгорания (8), которое определяют по показаниям датчика горения (20). Регулирование требуемой температуры теплоносителя (25) и температуры теплообменника ТГМ (15) для обеспечения оптимальной работы ТГМ (17) осуществляют с помощью электронного блока управления (2) на основании заданной пульту управления (3) температуры с учетом показаний датчиков температуры (18) нагреваемой среды путем изменения количества подаваемого топлива в камеру сгорания 8, количеством нагнетаемого воздуха нагнетателем (7), скоростью прокачки теплоносителя (25) через теплообменник (15) на основании показаний датчиков (23,10). Выходы от ТГМ (15) через согласующий импульсный, стабилизирующий напряжение/ток DC-DC преобразователь подаются на электронный блок управления (2).
Анализ патентной и научно-технической литературы не выявил технических решений с подобной совокупностью существенных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» заявляемого изобретения.
Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Отопительная установка со встроенным термогенератором, содержащая камеру сгорания с источником воспламенения топлива, устройство подачи воздуха и топливный насос, соединенный с одной стороны с топливным баком двигателя, а с другой стороны с камерой сгорания, электронный блок управления, термогенераторные модули (ТГМ) с горячим и холодным спаями, электрически связанные через согласующий, стабилизирующий напряжение/ток DC-DC преобразователь и блок управления с аккумуляторной батарей, теплообменник нагрева ТГМ и теплообменник охлаждающей жидкости, датчики температуры, горения, соединенные с входами электронного блока управления, приводы топливного насоса, насоса охлаждающей жидкости, устройства подачи воздуха, электрически связанные с блоком управления, отличающаяся тем, что термогенераторные модули горячей стороной установлены на конструкции теплообменника ТГМ, представляющей собой резервуар из теплопроводящих сплавов с теплопроводностью не менее 200 Вт/(м*К), с противоположной стороны термогенераторных модулей установлены радиаторы с жидкостным охлаждением, при этом, теплообменник снабжен датчиками температуры горячей стороны, связанными с электронным блоком управления, кроме того, теплообменник ТГМ рассчитан на установку, по меньшей мере, одного термогенераторного модуля, нижняя поверхность которого находится в одной плоскости с поверхностью теплообменника ТГМ, а его верхняя поверхность лежит в одной плоскости с нижней поверхностью радиатора охлаждения, при этом на поверхности упомянутого теплообменника установлено, по меньшей мере, два ТГМ, а свободная поверхность теплообменника ТГМ залита материалом с низкой теплопроводностью.
2. Отопительная установка со встроенным термогенератором по п.1, отличающаяся тем, что в качестве материала с низкой теплопроводностью используют герметик толщиной не менее 3 мм с коэффициентом теплопроводности не более 0,1 Вт/(м*К).
3. Отопительная установка со встроенным термогенератором по п.1, отличающаяся тем, что на поверхности теплообменника нагрева ТГМ термогенераторные модули могут быть установлены по периметру и с торца конструкции.
4. Отопительная установка со встроенным термогенератором по п.1, отличающаяся тем, что наружная поверхность теплообменника нагрева ТГМ является многогранником.
5. Отопительная установка со встроенным термогенератором по п.1, отличающаяся тем, что термогенераторные модули с радиаторами охлаждения располагаются на гранях поверхности теплообменника нагрева ТГМ, с шириной грани превышающей размер применяемого ТГМ, и с торца теплообменника нагрева ТГМ.
6. Отопительная установка со встроенным термогенератором по п.1, отличающаяся тем, что радиатор охлаждения, установленный на холодной стороне ТГМ, имеет ребра охлаждения.
7. Отопительная установка со встроенным термогенератором по п.1, отличающаяся тем, что импульсный, стабилизирующий напряжение/ток DC-DC преобразователь имеет КПД в среднем не менее 90%.
8. Отопительная установка со встроенным термогенератором по п.1, отличающаяся тем, что подача охлаждающей жидкости обеспечена одновременно с торца и к каждой грани теплообменника нагрева ТГМ ко второму и последующим рядам ТГМ.
PCT/RU2019/000909 2018-12-28 2019-12-06 Отопительная установка со встроенным термогенератором WO2020139144A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018147604A RU2699757C1 (ru) 2018-12-28 2018-12-28 Отопительная установка со встроенным термогенератором
RU2018147604 2018-12-28

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020139144A1 true WO2020139144A1 (ru) 2020-07-02

Family

ID=67851977

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2019/000909 WO2020139144A1 (ru) 2018-12-28 2019-12-06 Отопительная установка со встроенным термогенератором

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2699757C1 (ru)
WO (1) WO2020139144A1 (ru)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU199735U1 (ru) * 2020-02-14 2020-09-17 Дмитрий Вадимович Сентюрин Отопительная установка
RU2767007C2 (ru) * 2020-08-03 2022-03-16 Сергей Витальевич Пономарев Термоэлектрический генератор бытовой

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010007911A1 (de) * 2010-02-13 2011-08-18 MAN Truck & Bus AG, 80995 Kombination von Wärmerückgewinnungssystem und APU-Anlage
UA72304U (ru) * 2012-02-23 2012-08-10 Институт Термоэлектричества Национальной Академии Наук И Министерства Образования И Науки Украины Автомобильный обогреватель с термоэлектрическим источником питания
EA201650043A1 (ru) * 2016-11-24 2018-06-29 Общество С Ограниченной Ответственностью Инжиниринговый Центр "Цирит" Автономный подогреватель транспортного средства

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3246515B2 (ja) * 1992-02-17 2002-01-15 日本電信電話株式会社 燃料電池システム
DE102007055937A1 (de) * 2007-12-31 2009-07-30 Beck, Wolfgang, Dr.-Ing. Thermischer Transmitter zur energetischen Nutzung von Wärmestrahlungen und Konvektion
RU92247U1 (ru) * 2009-12-07 2010-03-10 Виталий Никифорович Тимофеев Судовой термоэлектрический генератор
RU2435281C1 (ru) * 2010-11-08 2011-11-27 Владимир Степанович Григорчук Генераторная установка

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010007911A1 (de) * 2010-02-13 2011-08-18 MAN Truck & Bus AG, 80995 Kombination von Wärmerückgewinnungssystem und APU-Anlage
UA72304U (ru) * 2012-02-23 2012-08-10 Институт Термоэлектричества Национальной Академии Наук И Министерства Образования И Науки Украины Автомобильный обогреватель с термоэлектрическим источником питания
EA201650043A1 (ru) * 2016-11-24 2018-06-29 Общество С Ограниченной Ответственностью Инжиниринговый Центр "Цирит" Автономный подогреватель транспортного средства

Also Published As

Publication number Publication date
RU2699757C1 (ru) 2019-09-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN206461037U (zh) 一种燃料电池系统以及燃料电池汽车
US8377581B2 (en) Battery pack for a vehicle
CN204407446U (zh) 一种具有加热功能的动力电池热管理系统
CN108232238B (zh) 一种燃料电池系统、控制方法以及燃料电池汽车
CN106033827A (zh) 一种具有高效散热和加热功能的动力电池热管理系统
RU2699757C1 (ru) Отопительная установка со встроенным термогенератором
CN106567769B (zh) 一种基于温差发电技术的车用发动机热管理系统及方法
CN111416180A (zh) 一种锂电池恒温控制热管理系统及使用方法
CN109638386A (zh) 一种汽车和供暖与动力电池加热系统及方法
CN203730199U (zh) 环保型太阳能储热式汽车预热装置
RU2268393C1 (ru) Устройство для облегчения запуска двигателя внутреннего сгорания
CN105370436A (zh) 一种基于斯特林发动机的汽车尾气余热回收系统
CN108544901A (zh) 一种热能综合利用的新能源汽车
CN108539224A (zh) 一种氢燃料电池冷却系统及采用其的燃料电池车
EA030917B1 (ru) Автономный подогреватель транспортного средства
CN106812625A (zh) 一种车用冷却水箱温差发电装置
RU175682U1 (ru) Устройство для обогрева аккумуляторной батареи транспортного средства
CN103612553A (zh) 一种汽车温度调节及预热系统
Anatychuk et al. Experimental research on thermoelectric automobile starting pre-heater operated with diesel fuel
Mykhailovsky et al. Computer design of thermoelectric automobile starting pre-heater operated with diesel fuel
KR20120062378A (ko) 연료전지 차량용 난방장치 및 이의 구동 방법
CN206194918U (zh) 一种内外结合的热管散热型锂电池
CN208053045U (zh) 一种纯电动车用电加热系统
IES20120381A2 (en) A heating system
RU219352U1 (ru) Устройство для тепловой подготовки узлов автотранспортных средств

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19904908

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19904908

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1