Термоелектричне джерело живлення для автомобіля

Реферат: Винахід належить до області енергетики, зокрема термоелектричних генераторів теплової та електричної енергії, і може використовуватись для забезпечення транспортних засобів (легкових, вантажних автомобілів, автобусів, військової техніки, яхт, катерів) теплом та електрикою за різних режимів їх експлуатації. Термоелектричне джерело живлення на основі джерела тепла на вуглеводневому паливі складається з гарячого та холодного теплообмінників, термоелектричних модулів, розташованих між теплообмінниками і допоміжними пристроями подачі палива і повітря, в якому гарячий теплообмінник джерела живлення має форму пустотілої циліндричної або квадратної труби, на одному з торців якої послідовно розташовані джерело тепла для спалювання рідкого або газового палива і вентилятор подачі повітря, а другий торець з'єднаний з газовим колектором, на виході якого встановлена вихлопна труба; холодний теплообмінник складається з ряду рідинних індивідуальних для кожного термоелектричного модуля теплообмінників, які з'єднані в один гідравлічний контур, що містить циркуляційний насос і під'єднаний до системи охолодження автомобіля. UA 102303 C2 (12) UA 102303 C2 UA 102303 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області енергетики, зокрема термоелектричних генераторів теплової та електричної енергії і може використовуватись для забезпечення транспортних засобів (легкових, вантажних автомобілів, автобусів, військової техніки, яхт, катерів) теплом та електрикою за різних режимів їх експлуатації. Відомий автономний обігрівач для автомобілів, для функціонування якого використовується електрична енергія акумулятора [1]. Обігрівач містить електричні нагрівні елементи, вентилятор для примусової подачі нагрітого повітря у салон або кабіну автомобіля і систему каналів для подачі нагрітого повітря. Режим роботи та нагріву повітря забезпечується датчиком, який призначений для автоматичного включення і виключення електричних нагрівачів. До недоліків обігрівача належить необхідність використання автомобільного акумулятора для одержання теплової енергії. Наслідком цього є потреба постійно заряджати акумулятор від окремого джерела електричної енергії, а при його відсутності - запускати для зарядки акумулятора холодний двигун автомобіля. Використання такого обігрівача не дозволяє здійснити попередній прогрів двигуна у холодну пору року. Це призводить до збільшеної витрати пального і зменшення ресурсу роботи двигуна автомобіля. Відомий обігрівач для автомобіля, у якому для отримання теплової енергії використовується газове паливо [2]. Обігрівач розташовується у багажному відділенні автомобіля і містить інжекторний пальник для полум'яного спалювання газу. Пальник розташований у корпусі, який має патрубки для забору холодного повітря і подачі в салон теплого. Стабільна температура в салоні автомобіля підтримується автоматичними регуляторами. Недоліком такого обігрівача є те, що експлуатація полум'яного пальника в багажному відділенні автомобіля небезпечна. При використанні такого обігрівача у бензинових і дизельних автомобілях виникає необхідність додаткового оснащення автомобіля газовим балоном. Окрім цього обігрівач не призначений для попереднього підігріву двигуна перед його запуском. Відомий нагрівний пристрій для автомобіля з автономним джерелом електричної енергії [3]. Він містить джерело тепла (пальник) на рідкому паливі, вентилятор для подачі нагрітого повітря, паливний насос для подачі палива в камеру згоряння, гарячий радіатор, термоелектричні модулі і холодний повітряний радіатор для відведення тепла від модулів шляхом примусової конвекції повітря. Примусова подача повітря до холодного радіатора здійснюється електричним вентилятором. Теплова енергія для обігріву салону автомобіля генерується шляхом спалювання рідкого палива у пальнику. Отримане тепло нагріває повітря, яке далі за допомогою вентилятора надходить до салону і кабіни автомобіля. Частина генерованого у пальнику тепла використовується для одержання електричної енергії за допомогою термоелектричних модулів. Отримана енергія використовується для живлення електричних споживачів нагрівника: вентиляторів і паливного насоса, а також для зарядки акумулятора автомобіля. Недоліком нагрівного пристрою є те, що він призначений для нагріву тільки салону або кабіни автомобіля. Для попереднього підігріву двигуна у холодну пору року такий нагрівник не придатний. Найбільш близьким до запропонованоговинаходу є термоелектричний автомобільний генератор теплової та електричної енергії [4]. Генератор складається з декількох секцій, розташованих в одному корпусі. Кожна з секцій містить два пористі каталітичні шари, гарячий теплообмінник і холодний рідинний теплообмінник для відведення тепла від модулів, які розташовані між цими теплообмінниками. Для прокачування теплоносія через холодні теплообмінники використано циркуляційний насос, для подачі палива до каталізатора - насосдозатор. Горіння рідкого палива здійснюється на пористих шарах каталізатора, а підведення тепла від каталізатора до гарячого радіатора шляхом випромінювання. Тепло, отримане внаслідок каталітичного згоряння палива, надходить до термоелектричних модулів і відводиться рідким теплоносієм, який циркулює у системі генератор-двигун-радіатори опалення автомобіля. Недоліком описаного генератора є його низька ефективність і великі габаритні розміри. Так, ефективність перетворення тепла в електрику не перевищує 2 %, а для одержання, наприклад, 2 3 кВт теплової енергії площа каталітичних пластин повинна складати не менше 0,2 м . Окрім цього, внаслідок великої площі каталізатора його робочі параметри, а відповідно і параметри генератора досягаються протягом тривалого часу (18-20 хв.), що не дозволяє швидко обігріти салон і нагріти двигун при експлуатації автомобіля у холодну пору року. Тому актуальною є задача створення компактного швидкодіючого джерела теплової та електричної енергії, яким забезпечується підвищена комфортність транспортних засобів у зимовий період експлуатації як у режимі їх руху, так і за умови зупинки або стоянки. Поставлена задача вирішується тим, що у термоелектричному джерелі живлення теплової і електричної енергії на основі джерела тепла на вуглеводневому паливі, гарячого та холодного теплообмінників, термоелектричних модулів, розташованих між теплообмінниками і 1 UA 102303 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 допоміжними пристроями подачі палива і повітря, гарячий теплообмінник джерела живлення має форму пустотілої циліндричної або квадратної труби, на одному з торців якої послідовно розташовані джерело тепла для спалювання рідкого або газового палива і вентилятор подачі повітря, а другий торець з'єднаний з газовим колектором, на виході якого встановлена вихлопна труба; холодний теплообмінник складається з ряду рідинних індивідуальних для кожного термоелектричного модуля теплообмінників, які з'єднані в один гідравлічний контур, що містить циркуляційний насос і під'єднаний до системи охолодження автомобіля. Відповідність критерію "новизна" запропонованому пристрою забезпечує та обставина, що заявлена сукупність ознак не міститься ні в одному з об'єктів існуючого рівня техніки. У винаході запропоновано нове рішення для термоелектричного джерела живлення теплової і електричної енергії на основі джерела тепла на вуглеводневому паливі, гарячого та холодного теплообмінників, термоелектричних модулів, розташованих між теплообмінниками і допоміжними пристроями подачі палива і повітря, яке полягає в тому, що гарячий теплообмінник джерела живлення має форму пустотілої циліндричної або квадратної груби, на одному з торців якої послідовно розташовані джерело тепла для спалювання рідкого або газового палива і вентилятор подачі повітря, а другий торець з'єднаний з газовим колектором, на виході якого встановлена вихлопна труба; холодний теплообмінник складається з ряду рідинних індивідуальних для кожного термоелектричного модуля теплообмінників, які з'єднані в один гідравлічний контур, що містить циркуляційний насос і під'єднаний до системи охолодження автомобіля. Тому ознака, яка не зустрічається ні в одному з аналогів - гарячий теплообмінник джерела живлення має форму пустотілої циліндричної або квадратної труби, на одному з торців якої послідовно розташовані джерело тепла для спалювання рідкого або газового палива і вентилятор подачі повітря, а другий торець з'єднаний з газовим колектором, на виході якого встановлена вихлопна труба; холодний теплообмінник складається з ряду рідинних індивідуальних для кожного термоелектричного модуля теплообмінників, які з'єднані в один гідравлічний контур, що містить циркуляційний насос і під'єднаний до системи охолодження автомобіля - забезпечує заявленому пристрою необхідний "винахідницький рівень". Промислове використання запропонованого винаходу не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, його реалізація можлива на існуючих підприємствах приладобудівного напрямку. Суть винаходу пояснюється рисунками. На фіг. 1 і 2 представлено вертикальні перерізи запропонованого термоелектричного джерела живлення у двох взаємно перпендикулярних напрямках. Термоелектричне джерело живлення складається (фіг. 1, 2) з гарячого теплообмінника 1, який має форму пустотілої циліндричної або квадратної труби, на одному з торців якої послідовно розташовані джерело тепла 2 для полум'яного спалювання рідкого або газового палива і вентилятор подачі повітря 3 для горіння палива. Повітря до вентилятора 3 надходить через отвори 4. Джерело тепла 2 оснащено насосом 5 (для варіанту пальника на рідкому паливі), яким здійснюється подача рідкого палива до джерела тепла 2. Гарячий теплообмінник 1 має на внутрішній поверхні повздовжні ребра, а на зовнішній - дві або більше площин, на яких розташовані термоелектричні модулі 6. Гаряча сторона модулів 6 має тепловий контакт з цими площинами, а холодна сторона - з індивідуальними для кожного модуля рідинними теплообмінниками 7, які з'єднані в один гідравлічний контур, оснащений циркуляційним насосом 8. Гідравлічний контур термоелектричного джерела живлення за допомогою штуцерів 9, 10 під'єднаний до системи охолодження автомобіля. Тепловий контакт між теплоприймальними та тепловиділяючими поверхнями модулів і відповідних теплообмінників створюється спеціальним пристроєм, який містить еластичну прокладку 11, розташовану у корпусі 12, притискну планку 13 та гвинти 14. Другий торець гарячого теплообмінника 1 з'єднаний з газовим колектором 15, на виході якого встановлена вихлопна труба з глушником 16. Газовий колектор 15 містить стабілізатор полум'я і швидкості потоку вихлопних газів 17, який виготовлений у вигляді двох паралельно розташованих перфорованих дисків, встановлених на виході продуктів згоряння з гарячого теплообмінника. Отвори у перфорованих дисках стабілізатора мають однаковий діаметр, центри отворів у одному з дисків зміщені відносно центрів отворів другого диска на величину діаметра отвору, а сумарна площа отворів кожного диска більша або рівна площі поперечного перерізу вихлопної труби. Гарячий та холодний теплообмінники 1, 7, між якими розташовані модулі 6 разом з притискним пристроєм 11-14, розташовані у корпусі 18, вільний об'єм між гарячим та холодним теплообмінниками заповнено теплоізоляцією 19. Для запалювання паливо-повітряної суміші джерело тепла оснащене електродом запалювання горючої суміші 20. Запуск та регулювання 2 UA 102303 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 роботи всіх пристроїв нагрівника (вентилятор, циркуляційний та паливний насос, запалювальний електрод) здійснюється за допомогою електронного блока 21. Режим горіння палива контролюється датчиком 22, який розташований у гарячому теплообміннику 1. Працює термоелектричне джерело тепла та електрики наступним чином. Від акумулятора автомобіля приводяться в дію елементи термоелектричного джерела тепла та електрики: вентилятор подачі повітря 3, паливний насос 5, циркуляційний насос 8 та електрод запалювання горючої суміші 20. Сформована за допомогою вентилятора та паливного насоса горюча суміш згорає у внутрішньому об'ємі теплообмінника 1, а продукти згоряння відводяться через газовий колектор 15 і глушник 16 в навколишнє середовище. Теплова енергія, отримана внаслідок згоряння палива, надходить до термоелектричних модулів і відводиться від них теплообмінниками 7, в яких циркулює рідкий теплоносій системи охолодження двигуна. Внаслідок різниці температур між гарячою та холодною сторонами, модулі генерують електричний струм. Після 1,5-2 хв. роботи джерела тепла електричне живлення від акумулятора вимикається і подальша робота електричних компонентів (вентилятора, паливного та циркуляційного насосів) здійснюється від термоелектричного генератора. При цьому частина отриманої електричної енергії використовується для зарядки акумулятора автомобіля. Таким чином, теплова енергія згоряння вуглеводневого палива нагріває рідкий теплоносій, що циркулює у системі охолодження, відповідно нагрівається двигун, радіатори опалення салону та кабіни автомобіля. Використання термоелектричних джерел тепла та електрики забезпечує ефективний обігрів автомобіля у зимову пору року, суттєво збільшує термін роботи двигуна і дозволяє економити значну частину палива порівняно з обігрівом автомобіля шляхом запуску двигуна на холостому ходу. Розрахунки показують, що для автомобіля з бензиновим двигуном об'ємом 2 л економія палива за зимовий сезон при використанні такого термоелектричного джерела тепла та електрики складає 900-950 л. При цьому для попереднього прогріву двигуна і опалення салону автомобіля не використовується енергія акумулятора і він завжди знаходиться у зарядженому стані. Електрична потужність запропонованого джерела тепла та електрики складає 25-32 Вт за напруги 12 В. Час досягнення робочих параметрів запропонованого джерела порівняно з прототипом у 10 разів менший і складає 1,5-2 хв., що важливо для досягнення швидкого обігріву двигуна та салону автомобіля у холодну пору року. Джерела інформації: 1. Пат. US 4232211, МКИ: В60 Н 1/02; F24 Н 3/02; Н05 В3/00. Automobile auxiliary heater/ Hill, Johnie L. (US). - Опубл. 4.11.78. 2. Пат. US 3690549, МКИ: В60 H 1/14. Auxiliary heating system for automobile vehicles/ Harde, Warren Frank. (US). - Опубл. 12.09.72. 3. Пат. US 6,527,548 B1, МКИ: F24 H 1/00. Self powered electric generating space heater/ Alecsander S., Kushch, Poway CA (US); Daniel Allen, La Jolla CA (US). - Опубл. 4.03.2003. 4. Пат. UA 29866, МПК: B60K6/00, B60H1/02, H01 35/00, H05B3/22. Термоелектричний автомобільний генератор теплової та електричної енергії/ Анатичук Л.І. (UA), Струтинська Л.Т. (UA), Михайловський В.Я. (UA). - Опубл. 25.01.2008. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 1. Термоелектричне джерело живлення на основі джерела тепла на вуглеводневому паливі, яке складається з гарячого та холодного теплообмінників, термоелектричних модулів, розташованих між теплообмінниками і допоміжними пристроями подачі палива і повітря, яке відрізняється тим, що гарячий теплообмінник джерела живлення має форму пустотілої циліндричної або квадратної труби, на одному з торців якої послідовно розташовані джерело тепла для спалювання рідкого або газового палива і вентилятор подачі повітря, а другий торець з'єднаний з газовим колектором, на виході якого встановлена вихлопна труба; холодний теплообмінник складається з ряду рідинних індивідуальних для кожного термоелектричного модуля теплообмінників, які з'єднані в один гідравлічний контур, що містить циркуляційний насос і під'єднаний до системи охолодження автомобіля. 2. Термоелектричне джерело живлення за п. 1, яке відрізняється тим, що гарячий теплообмінник циліндричної або квадратної форми має на внутрішній поверхні повздовжні ребра, а на зовнішній - щонайменше дві площини, на яких розташовані термоелектричні модулі, гаряча сторона яких має тепловий контакт з цими площинами, а холодна - з індивідуальними рідинними теплообмінниками гідравлічного контуру. 3 UA 102303 C2 5 3. Термоелектричне джерело живлення за п. 1, яке відрізняється тим, що газовий колектор містить стабілізатор полум'я і швидкості потоку вихлопних газів, виготовлений у вигляді двох паралельно розташованих перфорованих дисків, які встановлені на виході продуктів згоряння з гарячого теплообмінника. 4. Термоелектричне джерело живлення за п. 3, яке відрізняється тим, що отвори у перфорованих дисках мають однаковий діаметр, центри отворів у одному з дисків зміщені відносно центрів отворів другого диска на величину діаметра отвору, а сумарна площа отворів кожного диска більша або рівна площі поперечного перерізу вихлопної труби. 4 UA 102303 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5