RU2573514C1 - Климатическая система транспортного средства - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области теплоэнергетического машиностроения и предназначено в качестве предпусковых и вспомогательных теплоэнергетических установок транспортных средств. Климатическая система содержит детандер, электрогенератор, нагревательное устройство, испаритель, конденсатор, циркуляционный насос с электроприводом, гидролинии, трубопроводы. Система дополнительно содержит теплообменник отопитель кабины, вентилятор конденсатора, воздуховоды, заслонку, ДВС, кондиционер. Система охлаждения ДВС содержит трехходовой кран с электроуправлением. Достигается повышение эффективности системы предпускового подогрева транспортного средства путем прогрева его охлаждающей жидкости и моторного масла, обеспечение его тепловой и электрической энергией во время длительных стоянок в холодное время года, кондиционирование воздуха в рабочей зоне транспортных средств в условиях высоких температур окружающего воздуха, снижение расхода топлива. 1 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области теплоэнергетического машиностроения и предназначено в качестве предпусковых вспомогательных теплоэнергетических установок транспортных средств с возможностью одновременного производства тепла, холода и электроэнергии.

В настоящее время широко известны и имеют массовое применение автономные жидкостные подогреватели-отопители. Автономные жидкостные подогреватели-отопители функционально обеспечивают прогрев охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания и воздуха в кабине транспортных средств. Указанные автономные жидкостные подогреватели-отопители включают в себя: жидкостной котел с системой питания, зажигания, подачи воздуха и удаления отработанных газов; гидролинии, посредством которых жидкостной котел подключается к системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания транспортного средства; циркуляционный насос с электроприводом; электронную систему управления [http://112auto.ru/fluid-heaters/12-webasto-thermo-e200-24-v.html].

Автономные жидкостные подогреватели-отопители имеют один существенный недостаток, а именно значительное потребление электрической энергии от аккумуляторных батарей транспортного средства, в результате чего они интенсивно разряжаются. Причем разрядка аккумуляторных батарей транспортного средства может достигать такого уровня, когда успешный запуск двигателя внутреннего сгорания транспортного средства будет невозможен.

Также известна теплоэнергетическая установка, содержащая двигатель внутреннего сгорания, электрогенератор, теплообменник-утилизатор теплоты отработанных газов, смесительное устройство с электронагревателем, жидкостной насос с электроприводом, обратный клапан, вентили, гидролинии [Патент РФ №2421626, МПК F02G 5/02], которая предназначена для прогрева охлаждающей жидкости (в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания) и воздуха (в кабине) транспортных средств.

К недостаткам указанной теплоэнергетической установки следует отнести высокий уровень шума и вибрации при ее работе, обусловленные наличием двигателя внутреннего сгорания, в котором, кроме всего, надо регулярно менять моторное масло.

В настоящее время известна микросистема для совместной выработки тепла и электроэнергии (выбрана за прототип), реализующая органический цикл Ренкина [Патент РФ №2298666, МПК F01K 17/02], содержащая источник тепла, контуры для циркуляции органического теплоносителя, испаритель, детандер, соединенный с электрогенератором, конденсатор органической среды, насос, предназначенный для обеспечения циркуляции органической среды. Идеология представленной микросистемы для совместной выработки тепла и электроэнергии подходит для применения ее в качестве автономной вспомогательной установки транспортных средств. Представленная микросистема для совместной выработки тепла и электроэнергии могла бы обеспечивать в условиях низких температур окружающего воздуха тепловой и электрической энергией транспортное средство в то время, когда их основной двигатель внутреннего сгорания не работает (при компактном размещении компонентов микросистему соответствующих параметров на борту транспортного средства). Но наряду с тепловой энергией, которая необходима транспортному средству (в условиях низких температур окружающего воздуха), последним требуется холод для кондиционирования воздуха кабины в условиях высоких температур окружающего воздуха. Рассматриваемая микросистема для совместной выработки тепла и электроэнергии не может обеспечить транспортное средство холодом, что определяет главный ее функциональный недостаток.

Задачей изобретения является создание климатической системы транспортного средства, производящей для него тепло, холод и электроэнергию, что в итоге будет представлять универсальную климатическую систему.

Поставленная задача решается следующим образом: в климатической системе транспортного средства, содержащей детандер, электрогенератор, нагревательное устройство, испаритель, конденсатор, циркуляционный насос охлаждающей жидкости с электроприводом, питающий насос органического теплоносителя с электроприводом, гидролинии, трубопроводы для циркуляции органического теплоносителя, дополнительно содержится теплообменник отопитель кабины транспортного средства, обратный клапан, трехходовые краны с электроуправлением, воздушный вентилятор теплообменника отопителя кабины транспортного средства, воздушный вентилятор конденсатора, воздуховоды, заслонка воздуховода, двигатель внутреннего сгорания, кондиционер, при этом циркуляционный насос охлаждающей жидкости с электроприводом последовательно соединен по гидролиниям охлаждающей жидкости с нагревательным устройством, испарителем, теплообменником отопителем кабины транспортного средства и двигателем внутреннего сгорания, также испаритель соединен гидролинией с системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, на которой установлен первый трехходовой кран с электроуправлением, направляющий поток охлаждающей жидкости прямо к испарителю от двигателя внутреннего сгорания или к гидролинии, на которой установлен второй трехходовой кран с электроуправлением, распределяющий потоки охлаждающей жидкости по гидролиниям, подводящим охлаждающую жидкость к двигателю внутреннего сгорания или к нагревательному устройству, обратный клапан установлен между гидролинией, соединяющей испаритель с системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, и гидролинией, подводящей охлаждающую жидкость к теплообменнику отопителю кабины транспортного средства, питающий насос органического теплоносителя с электроприводом по трубопроводу органического теплоносителя подает жидкий органический теплоноситель к испарителю, после которого органический теплоноситель в парообразном состоянии подается к детандеру, соединенному валом с электрогенератором, и далее в конденсатор, после которого в жидком виде обратно подводится к питающему насосу органического теплоносителя с электроприводом, воздушный вентилятор теплообменника отопителя по воздуховоду подает нагретый воздух в кабину транспортного средства, а воздушный вентилятор конденсатора по воздуховодам подает холодный воздух к конденсатору и далее нагретый воздух к заслонке воздуховода, которая распределяет и регулирует поток воздуха между воздуховодом, подводящим его в кабину транспортного средства и в подкапотное пространство двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, кондиционер имеет электрический привод от генератора, соединенный валом с детандером.

На фиг. 1 изображена схема климатической системы транспортного средства.

Климатическая система транспортного средства содержит двигатель внутреннего сгорания транспортного средства 1, обратный клапан 2, теплообменник отопитель кабины транспортного средства 3, воздуховод теплообменника отопителя кабины транспортного средства 4, гидролинии 5, 9, 20, 22, 23, 24, 26, воздушный вентилятор теплообменника отопителя кабины транспортного средства 6, испаритель 7, трубопроводы органического теплоносителя 8, электрогенератор 10, воздуховод конденсатора 11, воздуховод 12, подводящий воздух от конденсатора в кабину транспортного средства, заслонку воздуховода 13, конденсатор 14, воздушный вентилятор конденсатора 15, питающий насос органического теплоносителя с электроприводом 17, нагревающее устройство, циркуляционный насос охлаждающей жидкости с электроприводом 19, трехходовые краны с электроуправлением 21, 25, воздуховод кондиционера 27, кондиционер 28.

Климатическая система транспортного средства работает следующим образом.

При длительной стоянке транспортного средства в условиях низких температур окружающего воздуха, когда его двигатель внутреннего сгорания 1 (фиг. 1) не работает, водитель запускается греющее устройство 18. Греющее устройство 18 вырабатывает тепловую энергию, которая предназначается для предпускового прогрева двигателя внутреннего сгорания транспортного средства 1 и воздуха в его кабине. Греющее устройство 18 представляет собой автономный жидкостный подогреватель, работающий на том же виде топлива, что и двигатель внутреннего сгорания транспортного средства 1. Циркуляционный насос охлаждающей жидкости с электроприводом 19 подает охлаждающую жидкость к греющему устройству 18, в котором она нагревается и далее поступает к испарителю 7, а затем по гидролинии 5 к теплообменнику отопителю кабины транспортного средства 3 и по гидролинии 9 к двигателю внутреннего сгорания транспортного средства 1. В теплообменнике отопителе кабины транспортного средства 3 теплота охлаждающей жидкости передается воздуху, который подается в кабину транспортного средства по воздуховоду 4 воздушным вентилятором теплообменника отопителя кабины транспортного средства 6, нагревая ее пространство. После теплообменника отопителя кабины транспортного средства 3 нагретая охлаждающая жидкость осуществляет предпусковой прогрев двигатель внутреннего сгорания транспортного средства 1. В испарителе 7 нагретая греющим устройством 18 охлаждающая жидкость нагревает, а затем перегревает до сухого насыщенного пара органический теплоноситель. Органический теплоноситель, представляющий собой хладагент типа R134a, подается к испарителю 7 в жидком виде питающим насосом органического теплоносителя с электроприводом 17 по трубопроводу органического теплоносителя 8 от конденсатора 14. После испарителя 7 сухой насыщенный пар органического теплоносителя по трубопроводу органического теплоносителя 8 поступает к детандеру 16, в котором расширяется, в результате чего вырабатывается механическая энергия. Детандер 16 соединен валом с электрогенератором 10, в котором механическая работа преобразуется в электрическую энергию. Электрическая энергия, выработанная генератором 10, предназначена для бортовой сети транспортного средства и в первую очередь для зарядки его аккумуляторов (не показаны), привода: воздушного вентилятора конденсатора 15; воздушного вентилятора теплообменника отопителя кабины транспортного средства 6; циркуляционного насоса охлаждающей жидкости с электроприводом 19; питающего насоса органического теплоносителя с электроприводом 17; кондиционера 28. Из детандера 16 органический теплоноситель выходит также в виде сухого насыщенного пара и по трубопроводу органического теплоносителя 8 поступает в конденсатор 14. В конденсаторе 14 органический теплоноситель охлаждается и конденсируется до жидкого состояния. В результате выполнения процессов в испарителе 7 детандере 16 и конденсаторе 14 реализуется органический цикл Ренкина. Воздух к конденсатору 14 подводится воздушным вентилятором конденсатора 15 из окружающей среды по воздуховоду конденсатора 11. Нагретый воздух в конденсаторе 14 по воздуховоду конденсатора 11 подводится к заслонке воздуховода 13. Заслонка воздуховода 13 регулирует расход воздуха между воздуховодом конденсатора 11 и воздуховодом 12, подводящим воздух от конденсатора в кабину транспортного средства. Привод заслонки воздуховода 13 осуществляется от сервопривода (не показан), который управляется автоматической системой управления и защиты следующим образом. При низкой температуре воздуха в кабине транспортного средства заслонка воздуховода 13 большую часть воздуха, подаваемого воздушным вентилятором конденсатора 15, направляет в воздуховод 12, подводящий воздух от конденсатора в кабину транспортного средства. По мере прогрева воздуха в кабине транспортного средства заслонка воздуховода 13 поворачивается таким образом, чтобы весь поток воздуха, подаваемый воздушным вентилятором конденсатора 15 по воздуховоду конденсатора 11, подавался в подкапотное пространство двигателя внутреннего сгорания транспортного средства 1. В результате подачи воздуха в подкапотное пространство двигателя внутреннего сгорания транспортного средства 1 прогревается масло в его системе смазки. При работе климатической системы транспортного средства с остановленным его двигателем внутреннего сгорания 1 трехходовой кран с электроуправлением 25 направляет поток охлаждающей жидкости (при ее температуре менее 40°C) от него по гидролинии 26 к гидролинии 23 и далее к трехходовому крану с электроуправлением 21 (работой трехходовых кранов с электроуправлением 21, 25 управляет автоматическая система управления и защиты). Трехходовой кран с электроуправлением 21 направляет поток охлаждающей жидкости в гидролинию 20 и далее на вход циркуляционного насоса охлаждающей жидкости с электроуправлением 19. Гидролиния 22 при этом перекрыта. После чего рабочий цикл повторяется до тех пор, пока температура охлаждающей жидкости не достигнет 40°C. После достижения температуры охлаждающей жидкости значения 40°C трехходовой кран с электроуправлением 21 перекрывает гидролинию 23 и направляет поток охлаждающей жидкости по гидролиниям 9 и 22, минуя систему охлаждения двигателя внутреннего сгорания транспортного средства 1, к циркуляционному насосу охлаждающей жидкости с электроприводом 19. Этот же режим можно установить при помощи автоматической системы управления и защиты вручную, когда водитель принимает решение не прогревать двигатель внутреннего сгорания транспортного средства 1, например, с целью экономии топлива.

При работе двигателя внутреннего сгорания (фиг. 1) транспортного средства 1 греющее устройство 18, циркуляционный насос охлаждающей жидкости с электроприводом 19, воздушный вентилятор теплообменника отопителя кабины транспортного средства 6 не работают. Трехходовой кран с электроуправлением 25 перекрывает гидролинию 23 и направляет поток охлаждающей жидкости, подаваемой насосом системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания транспортного средства 1 (не показан), из гидролинии 26 в гидролинию 24 и далее непосредственно в испаритель 7. Далее в испарителе 7 детандере 16 и конденсаторе 14 реализуется органический цикл Ренкина с выработкой механической энергии, которая посредством электрогенератора 10 преобразуется в электрическую энергию. Электрическая энергия, выработанная электрогенератором 10, потребляется компрессором кондиционера 28, имеющим электропривод. В результате работы кондиционера 28 вырабатывается холод, который охлаждает воздух, подаваемый в кабину транспортного средства по воздуховоду 27. Здесь отметим, что все двигатели внутреннего сгорания оборудованы системой охлаждения, которая рассеивает в окружающую среду часть теплоты, введенную с топливом в двигатель. В рассматриваемом изобретении предлагается теплоту системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания утилизировать с выработкой электрической энергии, которая предназначена для привода компрессора кондиционера.

Заявляемая климатическая система транспортного средства может быть использована в качестве вспомогательной энергетической установки на большегрузном автотранспорте, сельскохозяйственных машинах, строительно-дорожных машинах, тепловозах для производства тепловой и электрической энергии, а также холода. Применение ее позволит повысить эффективность системы предпускового подогрева транспортного средства путем прогрева его охлаждающей жидкости и моторного масла, обеспечить его тепловой и электрической энергией во время длительных стоянок в холодное время года, кондиционировать воздух в рабочей зоне транспортных средств в условиях высоких температур окружающего воздуха, снизить расход топлива, а также расширить сервисные возможности при эксплуатации в любых климатических условиях.

Claims (1)

1. Климатическая система транспортного средства, содержащая детандер, электрогенератор, нагревательное устройство, испаритель, конденсатор, циркуляционный насос охлаждающей жидкости с электроприводом, питающий насос органического теплоносителя с электроприводом, гидролинии, трубопроводы для циркуляции органического теплоносителя, отличающая тем, что дополнительно содержит теплообменник отопитель кабины транспортного средства, обратный клапан, трехходовые краны с электроуправлением, воздушный вентилятор теплообменника отопителя кабины транспортного средства, воздушный вентилятор конденсатора, воздуховоды, заслонку воздуховода, двигатель внутреннего сгорания транспортного средства, кондиционер, при этом циркуляционный насос охлаждающей жидкости с электроприводом последовательно соединен по гидролиниям охлаждающей жидкости с нагревательным устройством, испарителем, теплообменником отопителем кабины транспортного средства и двигателем внутреннего сгорания, также испаритель соединен гидролинией с системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, на которой установлен первый трехходовой кран с электроуправлением, направляющий поток охлаждающей жидкости прямо к испарителю от двигателя внутреннего сгорания или к гидролинии, на которой установлен второй трехходовой кран с электроуправлением, распределяющий потоки охлаждающей жидкости по гидролиниям, подводящим охлаждающую жидкость к двигателю внутреннего сгорания транспортного средства или к нагревательному устройству, обратный клапан установлен между гидролинией, соединяющей испаритель с системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, и гидролинией, подводящей охлаждающую жидкость к теплообменнику отопителю кабины транспортного средства, питающий насос органического теплоносителя с электроприводом по трубопроводу органического теплоносителя подает жидкий органический теплоноситель к испарителю, после которого органический теплоноситель в парообразном состоянии подается к детандеру, соединенному валом с электрогенератором, и далее в конденсатор, после которого в жидком виде обратно подводится к питающему насосу органического теплоносителя с электроприводом, воздушный вентилятор теплообменника отопителя по воздуховоду подает нагретый воздух в кабину транспортного средства, а воздушный вентилятор конденсатора по воздуховодам подает холодный воздух к конденсатору и далее нагретый воздух к заслонке воздуховода, которая распределяет и регулирует поток воздуха между воздуховодом, подводящим его в кабину транспортного средства и в подкапотное пространство двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, кондиционер имеет электрический привод от генератора, соединенный валом с детандером.