ТЕПЛООБМЕННИК ДОБРОХОТОВА Российский патент 1997 года по МПК F24J2/04 F28D7/00 

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в различных темплообменных системах, в двигателях внешнего сгорания, а также для выработки электроэнергии.

Известно применение теплообменника в двигателях внешнего сгорания, в котором рабочая среда в трубке, проходящей в камере, нагревается за счет теплоты, выделяемой при сгорании топлива внутри камеры [1] Недостатком такого теплообменника является выброс токсичных продуктов сгорания в атмосферу и, тем самым, ухудшение экологии окружающей среды.

Известен теплообменник, взятый за прототип, содержащий камеру с цилиндрическими стенками из прозрачного материала, трубку, по которой проходит рабочая среда, и концентратор, представляющий собой конусную зеркальную поверхность. Рабочая среда в трубке нагревается за счет тепла сконцентрированной солнечной энергии на поверхности трубки при помощи конусной зеркальной поверхности [2] Недостатками такого теплообменника являются, во-первых, неравномерность нагрева по длине трубки. Во-вторых, для достижения нагрева поверхности трубки порядка 1500^o 2000^oC конус должен быть огромных размеров (радиус основания конуса порядка десятка метров), причем такой нагрев достигается только в сечении основания конуса, а при приближении к вершине конуса величина теплового нагрева уменьшается. Это связано с тем, что величина концентрации солнечной энергии пропорциональна длине окружности, получаемой при сечении конусной поверхности плоскостью, параллельной основанию конуса, а при приближении к вершине конуса радиус окружности в сечении уменьшается, следовательно, уменьшается и длина окружности.

Задачей предложенного изобретения является уменьшение размеров концентратора солнечного излучения при равномерном нагреве поверхности трубки по всей ее длине.

Выполнение задачи достигается тем, что в теплообменнике, имеющем камеру с цилиндрическими стенками из прозрачного материала и торцевыми крышками с патрубками, в полости которой соосно с ней закреплена цилиндрическая трубка для прохождения рабочей среды, применен концентратор солнечного излучения, выполненный в виде системы собирающих линз, установленных параллельно оси камеры по всей ее длине на фокусном расстоянии от поверхности трубки и снабженных механизмом вращения их вокруг камеры, включающим систему слежения за постоянным расположением Солнца, центра каждой линзы и ее фокуса на условной прямой, перпендикулярной к касательной в точке расположения фокуса на поверхности трубки, причем камера установлена с возможностью изменения угла наклона ее относительно земли для обеспечения перпендикулярности упомянутой условной прямой к образующей поверхности трубки в зависимости от месторасположения Солнца на небосводе в течение года.

Цилиндрическая стенка камеры выполнена из прозрачного материала, например стекла, и внутри камера заполнена инертным газом.

Трубка выполнена из тугоплавкого металла, причем для увеличения поверхности съема тепла рабочей средой внутри трубки с контактированием по всей длине ее поверхности установлен стержень из тугоплавкого металла с винтовой нарезкой.

Крышки и патрубки выполнены из теплоизоляционного материала, выдерживающего температуру до 2000^oC.

Такое конструктивное выполнение приводит к тому, что солнечные лучи, проходящие через линзы и прозрачную стенку камеры, фокусируются на поверхности трубки нагревая ее, при этом присутствующая внутри трубки рабочая среда нагревается за счет отбора тепла от стенки трубки и винтовой поверхности стержня. С помощью механизма вращения линз вокруг камеры и следящей системы постоянно располагаем Солнце, центр каждой линзы и ее фокус на условной прямой, перпендикулярной к касательной в точке расположения фокуса на поверхности трубки. Таким образом, добиваемся постоянного расположения фокусов на поверхности трубки и, тем самым, концентрации солнечной энергии на поверхности трубки и ее нагрева в течение дневного времени суточного вращения Земли. Чтобы фокусное пятно не расплывалось на поверхности трубки в зависимости от годового времени расположения Солнца на небосводе, камера установлена с возможностью изменения угла наклона ее относительно земли для обеспечения перпендикулярности упомянутой условной прямой к образующей цилиндрической поверхности трубки путем изменения угла наклона камеры.

Величина температуры нагрева рабочей среды зависит от температуры нагрева поверхности трубки, скорости прохождения ее через трубку, длины трубки, количества и площади выпуклой поверхности линз.

Применение теплообменника с собирающими линзами, механизмом вращения линз вокруг камеры со следящей системой, изменением угла наклона камеры относительно земли позволяет с уменьшенными размерами концентратора солнечного излучения равномерно нагревать трубку по всей ее длине, что является техническим результатом.

Предложенное изобретение представлено на чертеже (фиг. 1). Собирающие линзы 1 вмонтированы в рамку 2, которая с помощью двух юстировочных устройств 3 и 3' соединена с механизмом вращения 5 и 5', закрепленными на металлических манжетах 8 и 8', надетых на патрубки ввода 10 и вывода 11 рабочей среды из теплообменника. Скорость вращения рамки 2 задается следящей системой 4. Камера теплообменника 9, заполненная инертным газом, выполнена из стеклянной стенки 6 в виде цилиндрической поверхности, крышек 13 и 13', трубки 7 из тугоплавкого металла с металлическим стержнем 12 внутри, имеющем винтовую нарезку. На входной части трубки 7 врезан перепускной клапан 14. Металлический манжет 8', надетый на выходной патрубок 11, соединен через шарнирное устройство 15 со стойкой 18, жестко закрепленной на платформе 20. Металлический манжет 8, надетый на входной патрубок 10, опирается на изогнутый металлический стержень 17, проходящий через механизм 16, с помощью которого устанавливаем требуемый угол наклона камеры 9 и, тем самым, трубки 7. При горизонтальном расположении камеры стержень 17 покоится на подставке 21, изготавливаемой из любого твердого материала и установленной на платформе 20. Верхняя поверхность подставки 21 повторяет изогнутость стержня 17 и имеет желоб для его скольжения в нем при изменении положения камеры от горизонтального до вертикального. Механизм 16 установлен на стойках 19, жестко закрепленных на платформе 20. Платформа 20 установлена на четырех ножках 22.

На чертежах (фиг. 2 и 3) показаны взаимное расположение Солнца 1, центра линзы 3 и ее фокуса 4 на условной прямой (пунктирная линия) 2, которая всегда должна быть перпендикулярного к касательной 5 в точке расположения фокуса 4 на поверхности трубки 6 в любое время дня (фиг. 2) и к образующей 7 цилиндрической поверхности трубки 6 в любое время года (фиг. 3). Условная прямая 2 на фиг. 2 и фиг. 3 показана для двух положений Солнца 1 на небосводе в течение дневного времени (фиг. 2) и в течение года (фиг. 3).

С помощью следящей системы 4 на фиг. 1 рамку 2 с собирающимися линзами 1 вручную устанавливаем в положение, при котором фокусы всех линз будут расположены на поверхности трубки, т.е. расположим Солнце, центр каждой линзы и ее фокус на условной прямой, перпендикулярной к касательной в точке расположения фокуса на поверхности трубки 7, после чего следящая система 4 переводится в автоматический режим работы. С помощью механизма 16 устанавливаем угол наклона камеры 9 и, тем самым, угол наклона трубки 7 в положение, при котором обеспечивается перпендикулярность упомянутой условной прямой к образующей цилиндрической поверхности трубки 7. С помощью двух юстировочных устройств 3 и 3' добиваемся наименьших размеров пятен сконцентрированного солнечного света на поверхности трубки 7 (операция фокусировки). После выполнения этих операций сконцентрированная в фокусах собирающих линз солнечная энергия будет максимально нагревать поверхность трубки 7 и находящейся внутри нее стержень 12. Пропуская рабочую среду через трубку 7, нагреваем ее за счет отбора тепла от поверхностей трубки 7 и стержня 12, используя далее нагретую рабочую среду по назначению.

Предложенное изобретение характеризуется тем, что его можно использовать для нагрева как жидких, так и газообразных рабочих сред в различных системах теплообмена, отопительных системах и т.д. Особенно привлекательным является использование данного теплообменника для выработки электроэнергии. Например, при применении в качестве рабочей среды газообразного вещества после нагрева его можно использовать для работы двигателя внешнего сгорания. В случае соединения ротора генератора с вращающимся валом двигателя внешнего сгорания на его выходе можно получать электроэнеригию переменного напряжения.

Использование: в различных теплообменных системах, в двигателях внешнего сгорания, а также для выработки электроэнергии. Сущность изобретения: в теплообменнике, имеющем камеру, внутри которой жестко и соосно с ней закреплена трубка для прохождения в ней рабочей среды, установлены вне камеры вдоль трубки по всей ее длине на фокусном расстоянии от ее поверхности собирающие линзы с механизмом вращения их вокруг камеры. Механизм вращения снабжен системой слежения за постоянным расположением Солнца, а также центра каждой линзы и ее фокуса на условной прямой, перпендикулярной к касательной в точке расположения фокуса на поверхности трубки, причем камера установлена с возможностью вращения ее по углу места для обеспечения перпендикулярности упомянутой условной прямой к образующей цилиндрической поверхности трубки в зависимости от месторасположения Солнца на небосводе в течение года. Цилиндрическая стенка камеры выполнена из прозрачного материала, например, стекла и внутри камеры заполнена инертным газом. Трубка выполнена из тугоплавкого металла, причем для увеличения поверхности съема тепла рабочей средой внутри трубки с контактированием по всей длине ее поверхности установлен стержень из тугоплавкого металла с винтовой нарезкой, достигающей по глубине почти оси стержня. Крышки и патрубки выполнены из теплоизоляционного материала, выдерживающего температуру до 2000^oC. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Теплообменник, содержащий камеру с цилиндрическими стенками из прозрачного материала и торцовыми крышками и патрубками, в полости которой соосно расположена цилиндрическая трубка для прохождения рабочей среды, а также концентратор солнечного излучения, установленный с возможностью изменения его ориентации относительно солнца, отличающийся тем, что концентратор солнечного излучения выполнен в виде системы собирающих линз, установленных параллельно оси камеры по всей ее длине на фокусном расстоянии от поверхности трубки и снабженных механизмом вращения вокруг камеры, включающим систему слежения за постоянным расположением солнца, центра каждой линзы и ее фокуса на условной прямой, перпендикулярной к касательной в точке расположения фокуса на поверхности трубки, причем камера установлена с возможностью изменения угла наклона ее относительно поверхности земли для обеспечения перпендикулярности упомянутой условной прямой к образующей поверхности трубки в зависимости от месторасположения солнца на небосводе в течение года. 2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что внутри камера заполнена инертным газом. 3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что трубка выполнена из тугоплавкого металла. 4. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что внутри трубки установлен стержень из тугоплавкого материала с винтовой нарезкой, контактирующий с внутренней поверхностью трубки по всей ее длине. 5. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что крышки и патрубки выполнены из теплоизоляционного материала, выдерживающего температуру до 2000^oС.