Использование тепла отработавших газов для отопления салона
9.4. Использование теплоты, уносимой с отработавшими газами
Отработавшие газы двигателя содержат значительное количество тепловой энергии. Ее можно использовать, например, для отопления автомобиля. Подогрев воздуха отработавшими газами в газовоздушном теплообменнике системы отопления опасен из-за возможности прогорания или негерметичности его трубок. Поэтому для переноса теплоты используют масло или другую незамерзающую жидкость, нагреваемую отработавшими газами.
Еще целесообразнее использовать отработавшие газы для привода вентилятора системы охлаждения. При больших нагрузках двигателя отработавшие газы имеют наиболее высокую температуру, а двигатель нуждается в интенсивном охлаждении. Поэтому использование турбины, работающей на отработавших газах для привода вентилятора системы охлаждения, весьма целесообразно и в настоящее время начинает находить применение. Такой привод может автоматически регулировать охлаждение, хотя это достаточно дорого.
Более приемлемым с точки зрения стоимости можно считать эжекционное охлаждение. Отработавшие газы отсасывают из эжектора охлаждающий воздух, который смешивается с ними и отводится в атмосферу. Такое устройство дешево и надежно, так как не имеет никаких движущихся деталей. Пример эжекционной системы охлаждения показан на рис. 82.
Рис. 82. Схема эжекторного охлаждения
Эжекционное охлаждение было с успехом применено в гоночных автомобилях «Татра» и в некоторых специализированных автомобилях. Недостатком системы является высокий уровень шума, так как отработавшие газы необходимо непосредственно подводить в эжектор, а расположение глушителя шума за ним вызывает трудности.
Основным способом использования энергии отработавших газов служит их расширение в турбине, которая наиболее часто используется для привода центробежного компрессора наддува двигателя. Ее можно использовать также и для других целей, например, для упомянутого привода вентилятора; в турбокомпаундных двигателях она непосредственно соединяется с коленчатым валом двигателя.
В двигателях, использующих в качестве топлива водород, теплоту отработавших газов, а также отведенную в систему охлаждения можно использовать для нагревания гидридов, извлекая тем самым содержащийся в них водород. При таком способе эта теплота аккумулируется в гидридах, и при новой заправке гидридных баков водородом она может быть использована в различных целях для нагревания воды, отопления зданий и т. д. Этот способ использования энергии, теряемой при отводе теплоты в окружающую атмосферу, будет рассмотрен далее в гл. 19.
Энергию отработавших газов частично применяют для улучшения наддува двигателя, используя возникающие колебания их давления в выпускном трубопроводе. Использование колебаний давления состоит в том, что после открывания клапана в трубопроводе возникает ударная волна давления, со скоростью звука проходящая до открытого конца трубопровода, отражающаяся от него и возвращающаяся к клапану в виде волны разрежения. За время открытого состояния клапана волна может несколько раз пройти по трубопроводу. При этом важно, чтобы к фазе закрывания выпускного клапана к нему пришла волна разрежения, способствующая очистке цилиндра от отработавших газов и продувке его свежим воздухом. Каждое разветвление трубопровода создает препятствия на пути волн давления, поэтому наиболее выгодные условия использования колебаний давления создаются в случае индивидуальных трубопроводов от каждого цилиндра, имеющих равные длины на участке от головки цилиндра до объединения в общий трубопровод.
Скорость звука не зависит от частоты вращения двигателя, поэтому во всем ее диапазоне чередуются благоприятные и неблагоприятные с точки зрения наполнения и очистки цилиндров условия режима работы: На кривых мощности двигателя Ne и его среднего эффективного давления ре это проявляется в виде «горбов», что хорошо видно на рис. 83, где изображена внешняя скоростная характеристика двигателя гоночного автомобиля фирмы «Порше». Колебания давления используют также и во впускном трубопроводе: приход волны давления к впускному клапану, особенно в фазе ею закрывания, способствует продувке и очистке камеры сгорания.
Рис. 83. Внешняя скоростная характеристика двигателя гоночного автомобиля ‘Порше’ (ФРГ)
Если с общим выпускным трубопроводом соединяется несколько цилиндров двигателя, то число их должно быть не более трех, а чередование работы — равномерным с тем, чтобы выпуск отработавших газов из одного цилиндра не перекрывал и не влиял на процесс выпуска из другого. У рядного, четырехцилиндрового двигателя два крайних цилиндра обычно объединяются в одну общую ветвь, а два средних цилиндра — в другую. У рядного шестицилиндрового двигателя эти ветви образованы соответственно тремя передними и тремя задними цилиндрами. Каждая из ветвей имеет самостоятельный вход в глушитель, или на некотором расстоянии от него ветви объединяются и организуется их общий ввод в глушитель.
Отопительное устройство утилизационного типа для салона транспортного средства
Полезная модель относится к системам отопления транспортных средств, использующим принцип утилизации тепла выхлопных газов двигателя.
Задача предлагаемого технического решения направлена на повышение эффективности работы устройства и культуры эксплуатации путем изменения конструкции отопительного устройства.
Поставленная задача решается тем, что в отопительном устройстве утилизационного типа для салона транспортного средства, использующем в качестве источника тепловой энергии утилизируемое тепло выхлопных газовдвигателя автомобиля, состоящем из газового теплообменника, вентилятора в салоне и соединительных трубопроводов, для нагрева воздуха используем газовый теплообменник без промежуточного теплоносителя, установленный на выхлопной трубе двигателя автомобиля и состоящий из центральной трубы и коробчатого воздухопровода, навитого на трубу по винтовой линии с зазором между соседними витками и присоединенного к воздухопроводам и вентилятору своими фланцами.
При отключении вентилятора отведение избыточного тепла от теплообменника происходит за счет охлаждения наружной поверхности витков спирального трубопровода скоростным напором воздуха при движении автомобиля.
Таким образом, за счет установки теплообменника на выпускном трубопроводе, воздух, продуваемый через кожух теплообменника вентилятором, при контакте с раскаленными ребрами теплообменника нагревается и по системе трубопроводов подается в салон. При этом для отопления используется утилизация тепла, бесполезно рассеиваемого в атмосферу нагретыми деталями выпускной системы двигателя.
Полезная модель относится к системам отопления транспортных средств, использующим принцип утилизации тепла выхлопных газов двигателя.
Для отопления салона автомобиля существует несколько разновидностей отопительных устройств, подающих в салон автомобиля подогретый воздух.
Наиболее широко современный уровень техники в этой области представлен отопительными устройствами салона автомобиля, работа которых основана на использовании избыточного тепла, образующегося при работе двигателя внутреннего сгорания. При этом в качестве теплоносителя используется, как правило, жидкость из системы охлаждения двигателя, циркулирующая по трубопроводам от двигателя через специальный теплообменник-радиатор. Воздух, продуваемый через радиатор, подается вентилятором по системе трубопроводов в салон автомобиля.
Типичными представителями таких отопителей являются конструкции, устанавливаемые на большинстве современных легковых и грузовых автомобилей.
Основной недостаток такого типа системы отопления состоит в следующем: для каждого двигателя внутреннего сгорания существует предельное значение количества тепла, которое необходимо отвести от двигателя через систему охлаждения. При низкой температуре окружающего воздуха поддержание комфортной температуры в салоне приводит к нарушению теплового баланса двигателя, снижению рабочей температуры двигателя и, в конечном итоге, к снижению его мощности.
Компенсировать это явление можно только за счет повышения расхода топлива.
Существуют также автономные отопительные устройства, независимые от системы охлаждения двигателя автомобиля, и использующие в качестве источника тепла жидкое или газообразное топливо, сжигаемое в специальной камере.
Известна конструкция независимого воздушного отопителя (RU, 2233220 С1), работающего на газообразном топливе. При сгорании топлива происходит нагрев теплообменника, в котором, в свою очередь, подогревается воздух, подаваемый в салон автомобиля.
Основным недостатком таких конструкций является дополнительный выброс продуктов сгорания, загрязняющих атмосферу.
В то же время в автомобиле имеется альтернативный источник тепла, который может быть использован для отопления салона. Это система выпуска отработанных газов, представляющая собой систему трубопроводов, соединяющих приемную трубу, резонатор и глушитель. Причем, температура на поверхности деталей системы выпуска при работе двигателя достигает 250-300°С, а выделяющаяся тепловая энергия бесполезно рассеивается в окружающее пространство.
Известны конструкции отопителей, работа которых основана на утилизации избыточного тепла от выпускной системы двигателя автомобиля.
Так, в патенте РФ на полезную модель 
14893 описано отопительное устройство транспортного средства с теплообменником, который размещен на глушителе выхлопной трубы автомобиля, а в качестве теплоносителя используется жидкость, поступающая по системе трубопроводов во вторичный теплообменник, размещенный в обогреваемом салоне автомобиля.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению является система отопления транспортного средства по патенту RU 2187435. Система отопления транспортного средства работает на промежуточном теплоносителе и содержит расширительный бачок, насос прокачки промежуточного теплоносителя, газожидкостный теплообменник, отопитель с вентилятором в салоне транспортного средства и соединительные трубопроводы.
К недостаткам такого типа устройств относятся:
— во-первых, возможность перегрева жидкого теплоносителя при отключении вторичного теплообменника,
— во-вторых, увеличение габаритов и массы глушителя, а также необходимость постоянного контроля уровня жидкого теплоносителя в первичном теплообменнике.
— кроме того, наличие двух теплообменников существенно снижает к.п.д. отопительного устройства.
Анализ рассмотренных конструкций отопительных устройств позволяет сформулировать принципы предлагаемого технического решения следующим образом:
1.Отопительное устройство должно размещаться на выпускном тракте двигателя автомобиля и использовать в качестве источника тепла продукты сгорания топлива, выбрасываемые в атмосферу.
2. Для снижения массы, габаритов и повышения надежности работы отопительное устройство должно работать без промежуточного теплоносителя с подачей подогретого в газовом теплообменнике воздуха в салон автомобиля.
3. Конструкция газового теплообменника должна исключать возможность попадания выхлопных газов в подогреваемый воздух.
4. При отключении подачи подогретого воздуха в салон автомобиля должен обеспечиваться активный отвод тепла от газового теплообменника.
Задача предлагаемого технического решения направлена на повышение эффективности работы устройства и культуры эксплуатации путем изменения конструкции отопительного устройства.
Поставленная задача решается тем, что в отопительном устройстве утилизационного типа для салона транспортного средства, использующем в качестве источника тепловой энергии утилизируемое тепло выхлопных газов двигателя автомобиля, состоящем из газового теплообменника, вентилятора в салоне и соединительных трубопроводов, для нагрева воздуха используем газовый теплообменник без промежуточного теплоносителя, установленный на выхлопной трубе двигателя автомобиля и состоящий из центральной трубы и коробчатого воздухопровода, навитого на трубу по винтовой линии с зазором между соседними витками и присоединенного к воздухопроводам и вентилятору своими фланцами.
При отключении вентилятора отведение избыточного тепла от теплообменника происходит за счет охлаждения наружной поверхности витков спирального трубопровода скоростным напором воздуха при движении автомобиля.
Таким образом, предлагается использовать нагретые детали системы выпуска отработанных газов в качестве источника тепла для системы отопления салона автомобиля.
Полезная модель поясняется следующими чертежами:
Фиг.1 — Схема отопительного устройства утилизационного типа для салона транспортного средства;
Фиг.2 — Теплообменник-утилизатор отопительного устройства утилизационного типа для салона транспортного средства.
Предлагаемое отопительное устройство утилизационного типа для салона транспортного средства состоит из следующих основных частей: газового теплообменника (2), установленного путем врезки на выхлопную трубу (1) двигателя автомобиля и включающего центральную трубу (3), вокруг которой по винтовой линии приварен сплошными швами (для обеспечения полного разобщения газовых полостей теплообменника) двухзаходный шнек, закрытый с наружной винтовой поверхности и образующий винтовую коробчатую полость (4).
При прохождении выхлопных газов по центральной трубе (3) теплообменника (2) происходит нагрев боковых шнековых поверхностей винтовой коробчатой полости (4) с радиальным градиентом температур. Воздух, нагнетаемый по трубопроводу (5) вентилятором (6), проходит по винтовой коробчатой полости (4), нагревается и подается по трубопроводу (7) в салон автомобиля. Для обеспечения теплоотведения от теплообменника (2) при выключенном вентиляторе (6) между витками винтовой коробчатой полости (4) предусмотрены зазоры «А» в осевом направлении, и наружные поверхности витков спирального трубопровода охлаждаются скоростным напором воздуха при движении автомобиля.
Таким образом, за счет установки теплообменника на выпускном трубопроводе, воздух, продуваемый через кожух теплообменника вентилятором, при контакте с раскаленными ребрами теплообменника нагревается и по системе трубопроводов подается в салон. При этом для отопления используется утилизация тепла, бесполезно рассеиваемого в атмосферу нагретыми деталями выпускной системы двигателя.
Отопительное устройство утилизационного типа для салона транспортного средства, использующее в качестве источника тепловой энергии утилизируемое тепло выхлопных газов двигателя автомобиля, состоящее из газового теплообменника, вентилятора в салоне и соединительных трубопроводов, отличающееся тем, что для нагрева воздуха используется газовый теплообменник без промежуточного теплоносителя, установленный на выхлопной трубе двигателя автомобиля и состоящий из центральной трубы и коробчатого воздухопровода, навитого на трубу по винтовой линии с зазором между соседними витками и присоединенного к воздухопроводам и вентилятору.
