ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1995 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к судостроению и может быть использовано в энергетических установках с двигателем с внешним подводом тепла (ДВПТ), предназначенных для использования на транспортных средствах, в том числе на судах.

Известны энергетические установки (ЭУ) транспортных средства (ТС), содержащие двигатель Стирлинга, соединенный системой тепловых труб с тепловым аккумулятором, заполненным веществом-наполнителем, аккумулирующим тепло в виде теплоты плавления, и систему разогрева [1]
Однако в таких ЭУ ТА имеют малое быстродействие, низкие удельные характеристики теплопоглощения и др.

Наиболее близкой к предлагаемой по своим техническим признакам, т.е. прототипом предлагаемого изобретения, является энергетическая установка транспортного средства, содержащая двигатель Стирлинга, имеющий нагреватель, камеру горения, системы подачи горючего и окислителя, холодильник выпускных газов, соединенный трубопроводом с забортным пространством, тепловую трубу с испарительной, транспортной и конденсационной зонами, тепловой аккумулятор, имеющий газовую и теплоаккумулирующие полости, при этом камера горения соединена трубопроводом с холодильником выпускных газов через газовую полость теплового аккумулятора, испарительная зона тепловой трубы встроена в теплоаккумулирующую полость теплового аккумулятора, а нагреватель двигателя установлен в конденсационной зоне тепловой трубы.

В данной ЭУ ТА обладает недостаточной удельной энергоемкостью, малым быстродействием процесса теплопоглощения, а также не обеспечивает требуемой многоцикловости и нетоксичности процессов.

Предлагаемое техническое решение направлено на увеличение удельной энергоемкости, снижение времени процесса теплопоглощения, а также обеспечение многоцикловости и нетоксичности процессов в тепловом аккумуляторе.

Для этого в энергетической установке, содержащей двигатель Стирлинга, соединенный системой тепловых труб с тепловым аккумулятором, состоящим из теплопоглощающих и теплопередающих элементов, газовых полостей с теплоносителем, корпуса с тепловой изоляцией и системой разогрева, теплопоглощающие элементы теплового аккумулятора выполнены из материала с теплоупругими мартенситными превращениями (ТУМП) в рабочем диапазоне температур, причем в теле этих элементов образованы каналы для прохода греющего указанный материал теплоносителя из полости испарительной зоны тепловых труб, при этом поверхности полостей выложены материалом с капиллярно-пористой структурой, пропитанным теплоносителем тепловой трубы.

Существенными отличительными признаками данного решения, направленными на достижение технического результата, являются:
выполнение теплопоглощающих элементов теплового аккумулятора из материала, обладающего в рабочем диапазоне температур свойством термоупругого мартенсивного превращения;
наличие в теле теплопоглощающих элементов каналов для прохода греющего теплоносителя;
наличие полостей для испарительной зоны тепловых труб; выкладка поверхностей полостей испарительной зоны тепловых труб материалом с капиллярно-пористой структурой и пропитка этого материала теплоносителем тепловой трубы;
выполнение теплопоглощающих элементов из твердотельного нетоксичного пожаробезопасного материала на основе никелида титана с широким рабочим диапазоном температур, например от 73 до 1273К при узком (избирательном) температурном гистерезисе, например в диапазоне 15-40^о, быстродействии процессов теплопоглощения (тепловыделения) порядка 10 Гц и многоцикловости не менее 100000 циклов;
наличие теплопроводных элементов, например металлической проволоки, с теплопроводностью, превышающей теплопроводность теплоаккумулирующего материала, контактирующих с испарительной частью системы тепловых труб.

Выполнение теплопоглощающих элементов теплового аккумулятора из материала, обладающего в рабочем диапазоне температур свойством термоупругого мартенситного превращения, например на основе никелида титана, позволяет увеличить удельную энергоемкость материала теплового аккумулятора до 100-200 кВт˙ч/м³, а в перспективе до 600 кВт˙ч/м³, существенно увеличить число циклов зарядка-разрядка (до значений более 100000 циклов), существенно, в несколько раз, улучшить быстродействие процессов теплопоглощения (тепловыделения) (до 10 Гц), исключить токсичность процессов теплопоглощения при работе установки.

Наличие в теле теплопоглощающих элементов каналов для прохода греющего теплоносителя обеспечивает передачу тепловой энергии от систем разогрева в заданное время и в необходимом количестве.

Наличие полостей для испарительной зоны тепловых труб, выкладка поверхностей материалом с капиллярно-пористой структурой, пропитка этих материалов теплоносителем тепловой трубы, а также наличие в теле теплопоглощающих материалов теплопроводящих элементов, например металлической проволоки с теплопроводностью, превышающей теплопроводимость теплоаккумулирующего материала, контактирующих с испарительной частью системы тепловых труб, обеспечивают эффективный отвод тепловой энергии от теплоаккумулирующих элементов и передачу этой энергии рабочему телу ДВПТ.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема энергетической установки с двигателем с внешним подводом тепла и мартенситным тепловым аккмулятором; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1.

Установка содержит двигатель 1 с внешним подводом тепла, работающий по циклу Стирлинга, который механически соединен с электрогенератором. Нагреватель 3 двигателя, представляющий собой конденсационную зону тепловых труб, связан транспортной зоной тепловых труб 4 с испарительной зоной тепловых труб 14, установленной в теле теплопоглощающих элементов 5 тепловго аккумулятора. В теле теплопоглощающих элементов 5 установлены теплопроводные элементы 6, которые с одной стороны связаны с испарительной зоной тепловых труб 14. Теплопоглощающие элементы снабжены каналами 15 для прохода греющего теплоносителя. Тепловой аккумулятор снабжен тепловой изоляцией 7. В качестве греющего теплоносителя используются продукты горения, образующиеся в системе разогрева, содержащей камеру сгорания 9, связанную трубопроводом последовательно с экономайзером 11 и нагнетателем воздуха, который используется в качестве окислителя. В камеру сгорания подается топливо. При его сгорании происходит выделение тепла. Выходной патрубок камеры горения связан газоподводящим трубопроводом 8 с каналами 15, выполненными в теле теплопоглощающих элементов 5 теплового аккумулятора. Теплопоглощающие элементы выполнены из материала, обладающего свойством термоупругого мартенситного превращения. В процессе фазовых (мартенситных) превращений происходит накопление тепловой энергии. Тепловой аккумулятор газоотводным каналом 10 связан с экономайзером 11 и входным патрубком газовой турбины 12.

Энергетическая установка работает следующим образом.

В режиме теплопоглощения теплового аккумулятора воздух поступает из атмосферы в компрессор 13, подогревается в экономайзере 11 и поступает в камеру сгорания 9. В эту камеру подается топливо и при сгорании происходит выделение тепла. Горячие газы подаются через газоподводящие трубопроводы 8 к теплопоглощающим элементам 5 теплового аккумулятора. Для снижения времени разогрева теплопоглощающие элементы ТА оборудованы теплопроводными элементами 6. Часть газов по каналам 10 отводится в экономайзер 11 и поступает на турбину 12, которая приводит во вращение компрессор 13. Режим теплопоглощения ТА заканчивается после завершения процессов фазовых переходов при передаче тепла элементам 5 ТА. При этом по тепловым трубам 4 часть тепла непрерывно подводится к нагревателю 3 ДВПТ 1, вращающего электрогенератор 2. В режиме тепловыделения контур внешнего подвода окислителя (воздуха), включающий компрессор 13, экономайзер 11, камеру сгорания 9, газоподводящие каналы 8 и 10 и турбину 12, отключается. Тепло, накопленное в теплопоглощающих элементах ТА, по тепловым трубам 4 поступает в нагреватель 3 ДВПТ 1, который приводит во вращение электрогенератор 2 при отключенном контуре с внешним подводом окислителя (КВПО).

Проектно-исследовательские проработки и оценочные расчеты показывают, что при мощности на режиме отключения КВПО N=200 кВт, время работы при отключенном КВПО может достигать нескольких часов. Так, ТА из материалов с термоупругими мартенситными превращениями (ТУМП) на основе никелида титана может работать в диапазоне температур от -200 до 1000^оС при температурном гистерезисе 15-40^оС и быстродействии процессов теплопоглощения (тепловыделения) f=10 Гц. При этом число циклов может быть более 100000. Величина коэффициента удельного теплопоглощения для существующих материалов лежит в пределах 100-200 кВт˙ч/м³ и в перспективе может быть увеличена в 1,5-2 и боле раз. Таким образом, при занимаемом ТА объеме порядка нескольких кубометров время работы с отключенным КВПО может достигать 2-5 ч.

По сравнению с прототипом удельная энергоемкость повышается в 1,5-2 раза, быстродействие процессов теплопоглощения увеличивается в 10 и более раз, при этом обеспечивается полная нетоксичность процессов в материалах с ТУМП, а число циклов поглощения-выделения тепла может быть более 100000.

Использование: судостроение, в энергетических установках с двигателем с внешним подводом тепла, предназначенных для использования на транспортных средствах, в том числе на судах. Сущность изобретения: энергетическая установка содержит двигатель 1 с внешним подводом тепла и соединенный с ним через систему тепловых труб 14 тепловой аккумулятор, состоящий из теплопоглощающих 5 и теплопередающих 6 элементов, газовых полостей с теплоносителем, корпуса с тепловой изоляцией 7 и системой разогрева. Теплопоглощающие элементы 5 теплового аккумулятора выполнены из материала с термоупругими мартенситными превращениями в рабочем диапазоне температур, при этом в теле этих элементов образованы каналы 15 для перехода греющего материала с теплоносителя из полости испарительной зоны тепловых труб 14, причем поверхности полостей выложены материалом с капиллярно-пористой структурой, пропитанным теплоносителем тепловой трубы. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, содержащая двигатель с внешним подводом тепла, соединенный системой тепловых труб с тепловым аккумулятором, состоящим из теплопоглощающих и теплопередающих элементов, газовых полостей, корпуса с тепловой изоляцией и системы разогрева, отличающаяся тем, что теплопоглощающие элементы аккумулятора выполнены из материала с термоупругими фазовыми переходами в рабочем диапазоне температур, при этом испарительная зона тепловой трубы размещена в газовой полости подвода тепла, а нагреватель двигателя с внешним подводом тепла установлен в конденсационной полости тепловой трубы. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что теплопоглощающие элементы выполнены из твердотельного нетоксичного пожаробезопасного материала на основе никелида титана. 3. Установка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что в материале теплопоглощающих элементов, обладающем свойством термоупругого мартенситного превращения, установлены теплопроводные элементы. 4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что теплопроводные элементы выполнены в виде металлической проволоки с теплопроводностью, превышающей теплопроводность теплоаккумулирующего материала.