Автомобільний обігрівач з термоелектричним джерелом живлення

Реферат: Автомобільний обігрівач з термоелектричним джерелом живлення на основі джерела тепла на вуглеводневому паливі, що містить камеру випаровування і згоряння палива, термоелектричних модулів, теплообмінників для підведення та відведення тепла від модулів, пристроїв для подачі палива, повітря і рідкого теплоносія, причому гарячий теплообмінник виготовлений у вигляді труби, один торець якої закритий, а на другому торці послідовно встановлено повітряний вентилятор і джерело тепла з випаровувальною камерою та камерою згоряння, на внутрішній поверхні гарячого теплообмінника зроблено повздовжні ребра, а на зовнішній - площини, на яких розташовані термоелектричні модулі, гаряча сторона яких має тепловий контакт з цими площинами, а холодна сторона - з рідинними теплообмінниками, у яких циркулює рідкий теплоносій. UA 72304 U (54) АВТОМОБІЛЬНИЙ ОБІГРІВАЧ З ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИМ ДЖЕРЕЛОМ ЖИВЛЕННЯ UA 72304 U UA 72304 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області енергетики, зокрема до автомобільних обігрівачів на органічному паливі і може використовуватись для забезпечення тепловою, а в ряді випадків і електричною енергією легкових та вантажних автомобілів, автобусів, військової техніки, яхт, катерів. Відомий автомобільний повітряний обігрівач [1], який містить пальник на органічному паливі з камерою випаровування та горіння, вентилятор для подачі повітря, насос для подачі палива у камеру згоряння та теплообмінник для нагрівання повітря, яке далі примусово надходить до кабіни салону автомобіля. Недоліком такого нагрівника є те, що він призначений для обігріву теплим повітрям тільки кабіни і салону автомобіля і не може бути використаний для попереднього прогріву двигуна автомобіля. Окрім цього для роботи нагрівника використовується електрична енергія акумулятора автомобіля, що призводить до його розрядки і, як наслідок, до виникнення труднощів при запуску холодного двигуна, зменшення ресурсу його роботи та значного збільшення витрати пального у холодну пору року. Відомий обігрівач для автомобіля [2], який складається з електричних нагрівників, вентилятора і повітропроводів для подачі нагрітого повітря у салон і кабіну автомобіля. Автонагрівач вмикається і вимикається автоматично. Недоліком такого обігрівача є необхідність використання для його роботи електричної енергії акумулятора автомобіля. Це призводить до розрядки акумулятора і необхідності запускати двигун автомобіля для його зарядки. Окрім цього описаний обігрівач призначений для обігріву салону автомобіля і не придатний для попереднього прогріву двигуна. Відомий нагрівний пристрій на органічному паливі, допоміжні пристрої якого живляться від термоелектричного пристрою [3]. Нагрівник містить джерело тепла, вентилятор для подачі повітря у камеру згоряння і нагрітого повітря у салон автомобіля, гарячий і холодний теплообмінники та термоелектричні модулі, розташовані між ними. Тепло необхідне для обігріву автомобіля генерується шляхом спалювання органічного палива. Отримане тепло нагріває повітря, яке примусово надходить до кабіни і салону автомобіля. Частина отриманого тепла використовується для одержання електричної енергії за допомогою термоелектричних перетворювачів. Електрична енергія використовується для живлення допоміжних пристроїв автонагрівача. Недоліком описаного нагрівника є те, що він непридатний для попереднього підігріву двигуна автомобіля і призначений для обігріву тільки кабіни або салону автомобіля. Окрім цього електрична потужність термоелектричного пристрою (~ 20 Вт) недостатня для одночасного живлення допоміжних пристроїв нагрівника (вентилятор, паливний насос) та зарядки акумулятора автомобіля. Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі є генератор теплової та електричної енергії з джерелом тепла на рідкому органічному паливі [4]. Генератор містить ряд каталітичних секцій, кожна з яких містить випарну камеру, каталітичну камеру згоряння, гарячий та холодний теплообмінник і термоелектричні модулі. Холодний теплообмінник - рідинний. Циркуляція теплоносія здійснюється рідинним насосом, який під'єднаний до системи охолодження двигуна автомобіля. Недоліком наведеного джерела тепла та електрики є його низька ефективність, зумовлена недостатньою теплопродуктивністю одиниці об'єму каталізатора, що, в свою чергу, зумовлює великі габарити генератора і тривалий час досягнення його робочих параметрів (~ 20 хв.). Тривалий час запуску генератора тепла та електрики не дозволяє швидко обігріти салон та нагріти двигун перед його запуском у холодну пору року. Низька ефективність (~ 2 %) перетворення тепла в електрику є причиною підвищеної витрати палива при тривалій роботі нагрівника. Тому актуальним є задача створення автомобільного нагрівника, який має власне джерело електричної енергії, придатного для обігріву салону і попереднього нагріву двигуна автомобіля, є компактним, швидкодіючим, що в цілому забезпечує підвищену комфортність автомобілів у зимовий період їх експлуатації. Поставлене задача розв'язується тим, що у автомобільному обігрівачі з термоелектричним джерелом живлення на основі джерела тепла на вуглеводневому паливі, що містить камеру випаровування і згоряння палива, термоелектричних модулів, теплообмінників для підведення та відведення тепла від модулів, пристроїв для подачі палива, повітря і рідкого теплоносія гарячий теплообмінник виготовлений у вигляді труби, один торець якої закритий, а на другому торці послідовно встановлено повітряний вентилятор і джерело тепла з випаровувальною камерою та камерою згоряння, на внутрішній поверхні гарячого теплообмінника зроблено повздовжні ребра, а на зовнішній - площини, на яких розташовані термоелектричні модулі, гаряча сторона яких має тепловий контакт з цими площинами, а холодна сторона - з рідинними теплообмінниками, у яких циркулює рідкий теплоносій. 1 UA 72304 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Відповідність критерію "новизна" запропонованому пристрою забезпечує та обставина, що заявлена сукупність ознак не міститься ні в одному з об'єктів існуючого рівня техніки. У корисній моделі запропоновано нове рішення для автомобільного обігрівача з термоелектричним джерелом живлення на основі джерела тепла на вуглеводневому паливі, що містить камеру випаровування і згоряння палива, термоелектричних модулів, теплообмінників для підведення та відведення тепла від модулів, пристроїв для подачі палива, повітря і рідкого теплоносія, яке полягає в тому, що гарячий теплообмінник виготовлений у вигляді труби, один торець якої закритий, а на другому торці послідовно встановлено повітряний вентилятор і джерело тепла з випаровувальною камерою та камерою згоряння, на внутрішній поверхні гарячого теплообмінника зроблено повздовжні ребра, а на зовнішній - площини, на яких розташовані термоелектричні модулі, гаряча сторона яких має тепловий контакт з цими площинами, а холодна сторона - з рідинними теплообмінниками, у яких циркулює рідкий теплоносій. Тому ознака, яка не зустрічається ні в одному з аналогів - гарячий теплообмінник виготовлений у вигляді труби, один торець якої закритий, а на другому торці послідовно встановлено повітряний вентилятор і джерело тепла з випаровувальною камерою та камерою згоряння, на внутрішній поверхні гарячого теплообмінника зроблено повздовжні ребра, а на зовнішній - площини, на яких розташовані термоелектричні модулі, гаряча сторона яких має тепловий контакт з цими площинами, а холодна сторона - з рідинними теплообмінниками, у яких циркулює рідкий теплоносій - забезпечує заявленому пристрою необхідний "винахідницький рівень". Промислове використання запропонованої корисної моделі не вимагає спеціальних технологій і матеріалів. Реалізація промислового використання можлива на існуючих підприємствах приладобудівної галузі. Суть корисної моделі пояснюється рисунками. На фіг. 1, 2 наведено вертикальні перерізи автомобільного обігрівача у двох взаємно перпендикулярних площинах. Згідно із запропонованою корисною моделлю (фіг.1) обігрівач складається з гарячого теплообмінника 1, який виготовлено у вигляді труби, один торець якої закритий, а на іншому торці послідовно встановлено повітряний вентилятор 2 і джерело тепла з випаровувальною камерою 3 та камерою згоряння 4. На внутрішній поверхні гарячого теплообмінника 1 зроблено повздовжні ребра 5, а на зовнішній поверхні є площини, на яких розташовані термоелектричні модулі 6. Гаряча сторона модулів має тепловий контакт з теплообмінником 1, а холодна - з рідинними теплообмінником 7, які з'єднані послідовно-паралельно в один гідравлічний контур, оснащений циркуляційним насосом 8. Тепловий контакт між гарячими сторонами модулів 6 і теплообмінника 1 та холодними сторонами модулів 6 і рідинних теплообмінників 7 забезпечується пристроєм, що складається з планок 9, еластичних прокладок 10 та гвинтів 11. Випаровувальна камера 3 виготовлена у вигляді двох тонкостінних коаксіально розташованих циліндрів. Торці циліндрів з одного боку закриті диском 12, у центрі якого є отвір 13 для проходження горючої суміші у камеру згоряння. З другого боку торці випаровувальної камери закриті диском 14, який має отвори 15 для проходження повітря, розташовані по колу в проміжку між коаксіальними циліндрами. У центральній частині диска 14 зроблено отвір 16 для проходження повітря у внутрішній циліндр випарника 3. У частині випаровувальної камери 3, яка закрита диском 14 з отворами 15, послідовно розташовані електрод запалювання 17 і вставка 18 у вигляді диска з пористого жаростійкого матеріалу, діаметр якого дорівнює внутрішньому діаметру меншого циліндра випарника 3. У пористій вставці зроблено отвір 19, суміщений з кінцем електроду запалювання 17. У стінках другої частини внутрішнього циліндра зроблені отвори для проходження повітря необхідного для горіння палива. Камера згоряння 4 виготовлена у вигляді перфорованої циліндричної обичайки, один торець якої з'єднаний з торцем випаровувальної камери 3. Другий торець камери згоряння відкритий і розташований з невеликим проміжком до закритого торця гарячого теплообмінника 1. Автомобільний обігрівач оснащений електронним блоком керування 20 з додатковими функціями, за допомогою яких у робочому режимі нагрівника живлення повітряного вентилятора 2, паливного 21 і циркуляційного 8 насосів та зарядка акумулятора автомобіля здійснюється від термоелектричного джерела електричної енергії. Електронний блок також керує роботою цих допоміжних пристроїв у пусковий період запуску нагрівника. 2 UA 72304 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Для контролю температури рідкого теплоносія автомобільний нагрівник оснащений датчиком перегріву 22, який розташований у вихідному патрубку гідравлічного контуру автомобільного нагрівника. Гарячі продукти згоряння органічного палива відводяться у навколишнє середовище через патрубок 23. Автомобільний обігрівач з вентилятором, електронним блоком, теплообмінниками і термоелектричними модулями поміщений у корпус 24. Між корпусом 24 і торцем гарячого теплообмінника 1 розташована теплова ізоляція 25. Працює автомобільний нагрівник наступним чином. В початковий період роботи від автомобільного акумулятора за допомогою електронного блоку здійснюється живлення електричного повітряного вентилятора 2, паливного насосу 21 та циркуляційного насосу 8. При роботі вентилятора повітря, необхідне для згоряння палива, надходить через отвори 15 і отвори меншого циліндра 3 у внутрішній об'єм випарника. Частина повітря через отвір 16 надходить до пористої вставки 18. Паливо за допомогою паливного насосу 21 також надходить до пористої вставки 18. Одночасно з подачею повітря і палива здійснюється живлення електрода запалювання, який нагріває пористу вставку 18 і повітря, що надходить до пористої вставки. При цьому у випаровувальній камері утворюється горюча суміш, яка запалюється від електрода і згоряє у камері 4. Гарячі продукти згоряння надходять через отвори камери згоряння і відкритий торець до гарячого теплообмінника 1, віддають тепло і видаляються через патрубок 23 у навколишнє середовище. Тепло, що виділяється внаслідок згоряння органічного палива, надходить до термоелектричних модулів і відводиться від них теплообмінниками 7, у яких циркулює рідкий теплоносій, що прокачується рідинним насосом 8, під'єднаним до охолоджувального контуру автомобіля. Внаслідок різниці температур між гарячими і холодними сторонами модулі генерують електричний струм. Теплова енергія відведена від термоелектричних модулів нагріває рідкий теплоносій, який циркулює у гідравлічному контурі автомобільний нагрівач система охолодження двигуна. Таким чином здійснюється попередній підігрів двигуна і обігрів салону автомобіля. Після досягнення необхідного температурного режиму (температура гарячого радіатора ~ 300-350 °C) і номінальної електричної потужності термоелектричного джерела електрики електронний блок перемикає живлення допоміжних пристроїв (вентилятор, паливний, циркуляційний насос) і подальша їх робота здійснюється від термоелектричного джерела електрики. При цьому частина електричної енергії, яка генерується термоелектричним пристроєм, використовується для зарядки акумулятора автомобіля. Якщо акумулятор заряджений, то надлишкова електрична енергія може використовуватись для інших потреб, наприклад, освітлення, живлення інших електронних пристроїв, систем сигналізації і т. ін. При тепловій потужності автомобільного обігрівача на рівні 2,5 кВт електрична потужність термоелектричного джерела живлення складає 60-80 Вт при температурі циркулюючого теплоносія 40-70 °C. Електрична потужність генерована термоелектричним джерелом достатня для живлення усіх електричних пристроїв автомобільного обігрівача, а також для зарядки акумулятора автомобіля. Час досягнення обігрівачем робочих параметрів складає ~ 2 хв. Використання автомобільного обігрівача з термоелектричним джерелом живлення забезпечує ефективний обігрів салону та підігрів двигуна перед запуском у холодну пору року. Це суттєво збільшує термін роботи двигуна і дозволяє економити значну частину палива порівняно з обігрівом автомобіля шляхом запуску двигуна на холостому ходу. При цьому автомобільний обігрівач не використовує для роботи електричну енергію акумулятора. Автомобільний обігрівач має невелику вагу (~ 3.5 кг) і малі габаритні розміри. Джерела інформації: 1. Пат. US 6743012, МКИ: F23N 5/00. Heater apparatus for a motor vehicle / Felix Wolf (DE).Опубл. 01.06.2004. 2. Пат. US 4232211, МКИ: B60H 1/02; F24 H 3/02; Н05 В3/00. Automobile auxiliary heater/ Hill, Johnie L. (US). - Опубл. 4.11.78. 3. Пат. US 6527548 B1, МКИ: F24H 1/00. Self powered electric generating space heater/ Kushch Aleksander S., Allen Daniel (US). - Опубл. 4.03.2003. 4. Пат. UA 29866, МПК: B60K 6/00, B60H 1/02, H01 35/00, H05B3/22. Термоелектричний автомобільний генератор теплової та електричної енергії/ Анатичук Л.І., Струтинська Л.Т., Михайловський В.Я. (UA). - Опубл. 25.01.2008. 3 UA 72304 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 25 30 35 1. Автомобільний обігрівач з термоелектричним джерелом живлення на основі джерела тепла на вуглеводневому паливі, що містить камеру випаровування і згоряння палива, термоелектричних модулів, теплообмінників для підведення та відведення тепла від модулів, пристроїв для подачі палива, повітря і рідкого теплоносія, який відрізняється тим, що гарячий теплообмінник виготовлений у вигляді труби, один торець якої закритий, а на другому торці послідовно встановлено повітряний вентилятор і джерело тепла з випаровувальною камерою та камерою згоряння, на внутрішній поверхні гарячого теплообмінника зроблено повздовжні ребра, а на зовнішній - площини, на яких розташовані термоелектричні модулі, гаряча сторона яких має тепловий контакт з цими площинами, а холодна сторона - з рідинними теплообмінниками, у яких циркулює рідкий теплоносій. 2. Автомобільний обігрівач з термоелектричним джерелом живлення за п. 1, який відрізняється тим, що випаровувальна камера виготовлена у вигляді двох коаксіально розташованих тонкостінних циліндрів, торці яких з одного боку закриті диском, у центрі якого є отвір для проходження горючої суміші у камеру згоряння; з другого боку випаровувальної камери торці закриті диском, що має отвори для проходження повітря, розташовані по колу у проміжку між коаксіальними циліндрами та отвір у центрі диску для проходження повітря у внутрішній об'єм циліндра меншого діаметра. 3. Автомобільний обігрівач з термоелектричним джерелом живлення за п. 2, який відрізняється тим, що в частині випаровувальної камери, торці якої закриті диском з отворами для проходження повітря, послідовно розташовано електрод запалювання і вставка у вигляді диска з пористого жаростійкого матеріалу, діаметр якого дорівнює внутрішньому діаметру меншого циліндра випарника, а в стінках другої частини внутрішнього циліндра зроблено отвори для проходження повітря горіння палива. 4. Автомобільний обігрівач з термоелектричним джерелом живлення за п. 1, який відрізняється тим, що камера згоряння виготовлена у вигляді перфорованої циліндричної обичайки один торець якої з'єднаний з торцем випаровувальної камери, а другий розташований з невеликим проміжком до закритого торця гарячого теплообмінника. 5. Автомобільний обігрівач з термоелектричним джерелом живлення за п. 1, який відрізняється тим, що він оснащений електронним блоком керування з додатковими функціями, за допомогою яких у робочому режимі нагрівача живлення повітряного вентилятора, паливного і циркуляційного насосів та зарядка акумулятора автомобіля здійснюється від термоелектричного генератора. 4 UA 72304 U Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 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