АНАЭРОБНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ДВИГАТЕЛЕМ СТИРЛИНГА И РОТОКЛОННЫМ РЕАКТОРОМ Российский патент 1998 года по МПК F02G1/43 

Изобретение относится к теплоэнергетике и газовым регенеративным машинам, работающим по циклу Стирлинга.

Известно техническое решение об использовании двигателя Стирлинга в качестве преобразователя энергии на атомных электростанциях. Предлагается объединить канал охлаждения реактора с нагревателем двигателя, рабочее тело которого было бы одновременно и теплоносителем в реакторе (Батырев А.Н., Кошеверов В. Д. , Лейкин О.Ю. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. С-Пб.: Судостроение, 1994, с. 209).

Известно устройство ротоклонного реактора, включающее ванну с топливной смесью из расплава солей радиоактивных металлов, каналы для прохода теплоносителя и каплеуловитель. Температура топливной смеси колеблется в пределах 600 - 1500^oC и зависит от концентрации солей. Однако в качестве теплоносителя, проходящего через ванну, необходимо использовать газы, которые не становятся радиоактивными при контакте с расплавом солей радиоактивных металлов, например гелий. (Макшакова С., Рычков В. Ядерная сковородка. Изобретатель и рационализатор, N 2, 1991, с. 9).

Известно устройство двигателя Стирлинга, включающее картер с приводом, цилиндр, рабочий поршень, вытеснитель, холодильник, регенератор, нагреватель, горячую полость и холодную полость. В качестве рабочего тела двигателя обычно используется гелий (Круглов М.Г. Двигатели Стирлинга. М.: Машиностроение, 1977, с. 84).

Недостатками данного устройства двигателя является необходимость наличия камеры сгорания, а также то, что нагревание рабочего тела двигателя в камере сгорания происходит через стенки нагревателя, что приводит к снижению КПД двигателя.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении КПД двигателя, исключении камеры сгорания, возможности работы двигателя без связи с атмосферным воздухом, повышения безопасности использования ядерной энергии.

Для достижения этого технического результата анаэробная энергетическая установка с двигателем Стирлинга и ротоклонным реактором, включающая в себя двигатель Стирлинга, состоящий из картера с приводом, цилиндра, рабочего поршня, вытеснителя, холодильника, регенератора, горячей полости, холодной полости, снабжена кожухом и емкостью, частично заполненной расплавом солей (топливной смесью) радиоактивных металлов, между которыми существует зазор для прохода рабочего тела двигателя, причем емкость оборудована центральным каналом, связанным с полостью над расплавом через каплеуловитель и соединяющим зазор между емкостью и кожухом с горячей полостью двигателя через обратный клапан, а также каналами, начинающимися в верхней части емкости и оканчивающимися в топливной смеси, в виде направляющих и трубопроводами для подачи и слива топливной смеси.

Введение в состав анаэробной энергетической установки кожуха и емкости, частично заполненной расплавом солей радиоактивных металлов, с каналами для движения рабочего тела позволяет получить новое свойство, заключающееся в повышении КПД двигателя за счет контактного теплообмена между рабочим телом и топливной смесью, исключении таких элементов двигателя, как нагреватель и камера сгорания, а также возможности работы установки без связи с атмосферным воздухом и повышение надежности работы атомного реактора при использовании в качестве топлива расплава солей радиоактивных металлов.

На чертеже изображена анаэробная энергетическая установка с двигателем Стирлинга и ротоклонным реактором.

Установка включает в себя двигатель Стирлинга 1, состоящий из рабочего поршня 2, цилиндра 3, холодной полости 4, холодильника 5 с подающим 6 и отводящим 7 трубопроводами, регенератора 8, вытеснителя 9, горячей полости 10, привода (не показан), и ротоклонный реактор 11, расположенным в верхней части двигателя 1 и состоящий из емкости 12, частично заполненной расплавом солей радиоактивных металлов, и кожуха 13, образующего вместе с емкостью 12 зазор 14 для прохода рабочего тела (гелия) двигателя 1. Емкость 12 имеет центральный канал 15 с обратным клапаном 16 в верхней части, соединяющим зазор 14 с горячей полостью 10 двигателя 1, а также каналы 17, начинающиеся в верхней части емкости 12 и заканчивающиеся в топливной смеси в виде направляющих 18. Центральный канал 15 соединяется с полостью над расплавом через каплеуловитель 19, выполненный в виде набора наклонных решеток. Емкость 12 снабжена трубопроводами 20 и 21 для подачи и слива топливной смеси.

Анаэробная энергетическая установка с двигателем Стирлинга и ротоклонным реактором работает следующим образом.

Вытеснитель 9 находится в верхней мертвой точке (ВМТ), рабочий поршень 2, двигаясь из нижней мертвой точки (НМТ) вверх к ВМТ, сжимает холодное рабочее тело в холодной полости 4. Затем вытеснитель 9 при неподвижном рабочем поршне 2 начинает двигаться вниз, переталкивая рабочее тело из полости 4 через холодильник 5, регенератор 8 и ротоклонный реактор 11 в горячую полость 10 двигателя 1. При этом рабочее тело, частично нагреваясь в регенераторе 8, проходит по зазору 14, между кожухом 13 и емкостью 12, в каналы 17, через которые попадает в емкость 12, где, выходя из направляющих 18, захватывает верхний слой расплава топливной смеси, перемешивает и дробит его на капли и пену, нагреваясь до температуры расплава. Затем рабочее тело проходит через каплеуловитель 19, что исключает загрязнение двигателя 1 каплями расплава солей радиоактивных металлов, и поступает по центральному каналу 15 в горячую полость 10. Движению рабочего тела из зазора 14 сразу в центральный канал 15, минуя емкость 12, препятствует обратный клапан 16, который в этом направлении закрыт. Нагреваясь в ротоклонном реакторе 11, рабочее тело расширяется в горячей полости 10, в результате чего вытеснитель 9 и рабочий поршень 2 двигаются вниз к своим НМТ, при этом совершается положительная работа. Достигнув НМТ, вытеснитель 9 двигается вверх, при неподвижном рабочем поршне 2, перемещая рабочее тело из горячей полости 10 через ротоклонный реактор 11, регенератор 8, холодильник 5 в холодную полость 4. При этом в ротоклонном реакторе 11 рабочее тело проходит по центральному каналу 15 и через обратный клапан 16 попадает в зазор 14, минуя емкость 12. Затем цикл работы установки повторяется. Охлаждающая жидкость в холодильник 5 подается по трубопроводу 6 и отводится по трубопроводу 7. Для замены расплава солей в емкости 12 предусмотрены подающий 20 и отводящий 21 трубопроводы.

Использование: энергомашиностроение. Сущность изобретения: в верхней части двигателя Стирлинга 1 установлен ротоклонный реактор 11. При движении рабочего тела (гелия) двигателя 1 из холодной полости 4 через холодильник 5, регенератор 8 и ротоклонный реактор 11 в горячую полость 10 оно, частично нагреваясь в регенераторе 8, проходит по зазору 14 между кожухом 13 и емкостью 12 в каналы 17, через которые попадает в емкость 12, где, выходя из направляющих 18, захватывает верхний слой расплава солей радиоактивных металлов, перемешивает и дробит его на капли и пену, нагреваясь до температуры расплава, и поступает по центральному каналу 15 в горячую полость 10. Каплеуловитель 19 исключает загрязнение двигателя 1 каплями расплава. Движению рабочего тела из зазора 14 сразу в центральный канал 15 препятствует обратный клапан 16. Нагретое рабочее тело расширяется в горячей полости 10, в результате чего совершается положительная работа двигателя 1. В обратном направлении рабочее тело проходит по центральному каналу 15 и через обратный клапан 16 попадает в зазор 14, минуя емкость 12, затем проходит в регенератор 8, холодильник 5 и попадает в холодную полость 4. Затем цикл работы установки повторяется. Для замены расплава топливной смеси в емкости 12 предусмотрены подающий 20 и отводящий 21 трубопроводы. 1 ил.

Анаэробная энергетическая установка с двигателем Стирлинга и ротоклонным реактором, включающая в себя двигатель Стирлинга, состоящий из картера с приводом, цилиндра, рабочего поршня, вытеснителя, холодильника, регенератора, горячей плоскости, холодной плоскости, отличающаяся тем, что снабжена кожухом и емкостью, частично заполненной расплавом солей радиоактивных металлов, между которыми существует зазор для прохода рабочего тела двигателя, причем емкость оборудована центральным каналом, связанным с полостью над расплавом через каплеуловитель и соединяющим зазор, образованный между емкостью и кожухом, с горячей полостью двигателя через обратный клапан, а также каналами, начинающимися в верхней части емкости и оканчивающимися в расплаве в виде направляющих, и трубопроводами для подачи и слива расплава солей радиоактивных металлов.