НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА Российский патент 1995 года по МПК F02G1/43 F02G1/55 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и может быть использовано при создании двигателей Стирлинга.

Одной из наиболее остро стоящих проблем перед создателями двигателей Стирлинга является проблема подвода тепла к рабочему газу. В некоторых конструкциях подвод тепла осуществляется непосредственно за счет размещения теплообменных трубок нагревателя в камере сгорания. Такая конструкция характеризуется высокими термическими напряжениями в материале трубок.

Для снижения термических напряжений была разработана нагревательная головка с использованием в качестве теплоносителя жидкого металла (NaK). Это позволило использовать нержавеющую сталь для изготовления теплообменных трубок. Однако проблема термических напряжений была решена только частично, так как перепад температур на одной трубке может достигать нескольких десятков градусов, на соседних более ста.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, которое содержит соединенные между собой испарительную и конденсационную камеры содержащие теплоноситель натрий. Испаритель представляет собой двухстенный термосифон окружающий камеру сгорания с факельной горелкой. В конденсаторе установлен пучок теплообменных труб для прохода рабочего газа. Известная нагревательная головка работает с изменением агрегатного состояния теплоносителя. В испарительной камере натрий переводится в парообразное состояние, транспортируется в конденсационную камеру, где и конденсируется на поверхности теплообменных труб, отдавая тепло рабочему газу. Конденсат затем стекает в испарительную камеру. При этом стабильная температура конденсации теплоносителя (700^оС) позволяет в значительной мере выравнить градиент температур на поверхности теплообменных трубок и таким образом повысить ресурс двигателя.

К недостаткам прототипа относятся сравнительно большие габариты, нестабильные во времени характеристики из-за того, что при конденсации паров натрия из объема на трубках может образоваться пленка из неконденсирующихся газов, выход продуктов сгорания с высокой степенью токсичности в окружающую среду, недостаточная эффективность, связанная со значительным мертвым объемом теплообменника двигателя.

Задача изобретения создание устройства, в значительной мере лишенного вышеперечисленных недостатков.

Для достижения указанного результата нагревательную головку двигателя Стирлинга, содержащую соединенные между собой испарительную и конденсационные камеры, источник тепла, расположенный в испарительной камере и систему параллельных теплообменных элементов для прохода рабочего газа, размещенных в конденсационной камере и соединенных с раздающим и собирающим коллекторами, оснастить нагревательным элементом, выполненным в виде радиационной горелки, установленной в зоне испарения тепловой трубы. При этом теплообменные элементы могут быть выполнены в виде двух концентрически расположенных трубок так, чтобы полость кольцевого зазора была герметично соединена с коллекторами, а внутренняя полость с полостью конденсационной камеры. Радиационная горелка по конструктивному исполнению может быть выполнена многотопливной и многомодульной.

Установка тепловой трубы с размещенной в ее испарительной зоне радиационной горелкой в испарительной камере позволяет избежать осаждения продуктов сгорания на стенках камеры и тем самым стабилизировать во времени характеристики тепловой головки и двигателя в целом. Кроме того, исключается выход продуктов сгорания с высокой степенью токсичности в окружающую среду. Тепловая труба позволяет активизировать процесс теплопереноса и повысить эффективность термодинамического цикла. Выполнение теплообменных элементов в виде двухстенных труб приводит к значительному увеличению поверхности конденсации, а значит к возможному сокращению числа теплообменных элементов и уменьшению габаритов конденсационной камеры. Выполнение радиационной горелки многотопливной и многомодульной позволяет создать универсальный двигатель за счет расширения области использования различных топлив и одновременного применения комбинации из различных топлив. Таким образом достигается указанный технический результат.

На чертеже изображено предлагаемое устройство, где 1 испарительная камера, 2 конденсационная камера, 3 трубопровод для прохода паров натрия, 4 трубопровод для возврата конденсата, 5 натрий (конденсат), 6 тепловая труба, 7 радиационная горелка, 8 канал нагревателя, 9 и 10 раздающий и собирающий коллекторы соответственно, 11 отвод выхлопных газов, 12 подогреватель (испаритель) топлива, 13 преднагреватель воздуха.

Устройство работает следующим образом.

При включении радиационной горелки 7 за счет лучистой энергии происходит разогрев и испарение теплоносителя (натрия) в испарительной камере 1. Пары натрия по трубопроводу 3 транспортируются в конденсационную камеру 2, где на поверхности теплообменных элементов 8 натрий, конденсируясь, передает тепло рабочему газу. Конденсат по трубопроводу 4 возвращается в испарительную камеру, попадает на капиллярно-пористую структуру тепловой трубы 6 и при помощи капиллярных сил подается в зону испарения.

Использование изобретения позволит повысить эффективность двигателя Стирлинга, снизить его габариты и предотвратить загрязнение окружающей среды.

Использование: в машиностроении, в двигателестроении. Сущность изобретения: нагревательная головка состоит из соединенных между собой испарительной и конденсационной камер, частично заполненных теплоносителем, например, натрием. В конденсационной камере расположен пучок теплообменных элементов, соединяющих раздающий и собирающий коллекторы, а в испарительной камере источник тепла. Отличительной особенностью головки является то, что нагревательный элемент выполнен в виде радиационной горелки, установленной в зоне испарения тепловой трубы, а теплообменный элемент выполнен в виде двух концентрически расположенных трубок. Полость кольцевого зазора соединена с коллекторами, а внутренняя полость с полостью конденсационной камеры. Радиационная горелка выполнена многотопливной и многомодульной. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА, содержащая соединенные между собой испарительную и конденсационную камеры, заполненные теплоносителем, например натрием, горелку, расположенную в испарительной камере, и тепловую трубу, соединяющую испарительную и конденсационную камеры, а также систему параллельных теплообменных элементов для прохода рабочего газа, размещенных в конденсационной камере, отличающаяся тем, что горелка выполнена радиационной и установлена внутри тепловой трубы, а теплообменный элемент выполнен в виде двух концентрически расположенных трубок, причем полость кольцевого зазора герметично соединена с коллекторами, а внутренняя полость соединена с полостью конденсационной камеры. 2. Головка по п.1, отличающаяся тем, что радиационная горелка выполнена многотопливной. 3. Головка по п.1, отличающаяся тем, что радиационная горелка выполнена многомодульной.