ТЕПЛОТРУБНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК F01K25/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для утилизации вторичных тепловых энергоресурсов и низкопотенциальной тепловой энергии природных источников, а именно для трансформации тепловой энергии в механическую.

Известна паротурбинная установка, содержащая паровую турбину, конденсатор, соединенный со сливным и напорным трубопроводами и по конденсату с конденсатным насосом, циркуляционные насосы и тепловой аккумулятор [1].

Недостатком известной паротурбинной установки является невозможность при ее эксплуатации использования вторичных тепловых энергоресурсов и природных источников низкопотенциального тепла.

Более близким к предлагаемому изобретению является устройство (тепловой двигатель) для утилизации тепла огнетехнического агрегата, содержащее последовательно соединенные между собой парогенератор (испарительную камеру), подключенный к огнетехническому агрегату (горячей среде), силовую турбину, конденсатор (конденсационную камеру), питательный насос, подогреватель и воздушный теплообменник [2].

Основными недостатками известного устройства (теплового двигателя) являются невозможность утилизации низкопотенциальных вторичных тепловых энергоресурсов, тепловых ресурсов природных источников, громоздкость конструкции и невозможность работы при изменении ориентации в пространстве, что сужает область его применения и, в конечном счете, снижает его эффективность.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, является повышение эффективности теплового двигателя.

Технический результат достигается тем, что в теплотрубном двигателе (ТТД), содержащем последовательно соединенные между собой испарительную камеру, находящуюся в контакте с горячей средой, силовую турбину, конденсационную камеру, находящуюся в контакте с холодной средой, питательный насос, испарительная камера, силовая турбина, конденсационная камера, питательный насос помещены в один корпус, испарительная камера выполнена с торцевой стенкой, внутренняя поверхность которой снабжена канавками и покрыта тонким слоем пористого материала, и с покрытыми изнутри фитилем боковыми стенками и глухой перегородкой с вогнутым перфорированным сепарационным элементом, которой отделена от покрытой изнутри фитилем адиабатно-изоэнтропной камеры, причем через ее боковые стенки и слои фитиля насквозь пропущен вал, на который насажено колесо силовой турбины с лопатками, сообщающейся с испарительной камерой через паровое сопло, соединенное со стыковочной кромкой вогнутого перфорированного сепарационного элемента глухой перегородки, а через патрубок мятого пара - с конденсационной камерой, боковые стенки которой также покрыты фитилем, являющимся продолжением фитиля адиабатно-изоэнтропной камеры, при этом один конец вала силовой турбины соединен с рабочим органом, а на другой насажен ротор питательного насоса, который всасывающим отверстием сообщается с резервуаром рабочей жидкости, выполненным в форме цилиндрической трубы, размещенной в толще фитиля, а напорным трубопроводом, снабженным на конце форсункой, сообщается с испарительной камерой.

На чертеже представлен предлагаемый теплотрубный двигатель (ТТД). ТТД состоит из корпуса 1, внутри которого по ходу движения пара расположены испарительная камера 2, отделенная глухой перегородкой 3 с вогнутым перфорированным сепарационным элементом 4, боковые стенки которой и глухая перегородка 3 покрыты фитилем 5, а внутренняя поверхность торцевой стенки снабжена канавками 6 и покрыта пористым материалом 7. Адиабатно-изоэнтропная камера 8 также покрыта изнутри фитилем 9, отделенным от фитиля 5 глухой перегородкой 3. Через боковые стенки адиабатно-изоэнтропной камеры 8 и слои фитиля 9 насквозь пропущен вал 10, на который насажено колесо 11 турбины с лопатками 12. Турбина 13 сообщается с испарительной камерой 2 через паровое сопло 14, соединенное со стыковочной кромкой вогнутого перфорированного сепарационного элемента 4 и глухой перегородки 3. Через патрубок мятого пара 15 турбина 13 сообщается с конденсационной камерой 16, внутренняя поверхность стенок которой покрыта тем же фитилем 9. Один конец вала 10 соединен с рабочим органом (не показан), а на другой насажен ротор 17 питательного насоса 18, который всасывающим отверстием сообщается с резервуаром рабочей жидкости 19, представляющим собой полость в форме цилиндрической трубы, размещенной в фитиле 9 и сообщающейся с ним через поры в наружной поверхности, по центральной оси которого проходит вал 10, а с испарительной камерой 2 питательный насос 18 соединен напорным трубопроводом 20, снабженным форсункой 21.

В основе работы предлагаемого ТТД лежит основной цикл паросиловой установки - цикл Ренкина, согласно которому положительная работа расширения пара в турбине значительно превышает отрицательную работу насоса по сжатию конденсата [3, с.117], и высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, которые делятся на три участка: зону испарения (подвода теплоты), адиабатную зону (переноса теплоты) и зону конденсации (отвода теплоты), покрытых изнутри фитилем и частично заполненных рабочей жидкостью - переносчиком теплоты, в качестве которой используются вода, спирты, хладоны, жидкие металлы т.д. [4, с.106].

ТТД работает следующим образом.

Предварительно, перед началом работы из камер 2, 8, 16 ТТД удаляют воздух и отдельно закачивают рабочую жидкость, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред, в испарительную камеру 2 и совместно в адиабатно-изоэнтропную и конденсационную камеры 8 и 16 соответственно (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости не показаны) в количестве, достаточном для заполнения объема пор фитилей 5 и 9, покрытия 7 и канавок 6, резервуара рабочей жидкости 19 и насоса 18 с напорным трубопроводом 20, после чего корпус 1 ТТД устанавливают таким образом, чтобы испарительная камера 2 контактировала с горячей средой, а конденсационная камера 16 - с холодной. В результате нагрева торца испарительной камеры 2 происходит испарение рабочей жидкости в канавках 6 пористом материале 7, который предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности торца и таким образом интенсифицирует процесс испарения [5, с.22], образуется пар, создается давление в испарительной камере 2, полученный пар, проходя через вогнутый перфорированный сепарационный элемент 4, освобождается от уносимых капель рабочей жидкости и через сопло 14 поступает на лопатки 12 колеса силовой турбины 11, вращая его совместно с валом 10, который сообщает вращательное движение ротору 17 питательного насоса 18 и вращающий момент М на рабочем конце вала 10, в результате чего в корпусе турбины 13 происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижением его температуры и давления [3, с.331], после чего отработавший пар через патрубок мятого пара 15 попадает в конденсационную камеру 16, давление в которой значительно меньше, чем в испарительной камере 2, конденсируется там за счет контакта наружной поверхности камеры 16 с холодной средой, после чего образовавшийся конденсат всасывается порами фитиля 9 и под воздействием капиллярных сил и разрежения, создаваемого насосом 18, адиабатно [5, с.106] транспортируется в резервуар рабочей жидкости 19, откуда насосом 18 через напорный трубопровод 20 и форсунку 21 под давлением, величина которого определяется рабочим давлением пара в испарительной камере 2, рабочая жидкость разбрызгивается по поверхности пористого материала 7, поглощается им, поступает в канавки 6, где происходит вышеописанный процесс испарения, пар освобождается от капель рабочей жидкости на сепарационном элементе 4 и далее через сопло 14 попадает на лопатки силовой турбины 12, а капли рабочей жидкости, большая часть которых за счет кривизны сепарационного элемента 4 отбрасывается на поверхность фитиля 5, поглощаются им и совместно с неиспарившимися каплями, поступающими из форсунки 21, за счет капиллярных сил движутся в испарительную часть камеры 2, как в обычной тепловой трубе.

Таким образом, ТТД обеспечивает возможность получения механической энергии за счет утилизации вторичных тепловых энергоресурсов различного потенциала (энергии сбросных вод, отходящих газов и т.д.), тепловых ресурсов природных источников (энергии солнца, воды и т.д.) при любой ориентации в пространстве, что обеспечивает его высокую эффективность в самых различных ситуациях.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.с. №1574842, Мкл. F 01 К 17/04, 1990.

2. А.с. №769038, Мкл. F 01 K 17/06, 1980.

3. И.Н.Сушкин. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973, 480 с.

4. В.В.Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. - Минск: Высш. школа, 1988, 170 с.

5. Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. тр. - М., 1990, 157 с.

Изобретение относится к теплоэнергетике. Теплотрубный двигатель содержит помещенные в одном корпусе, соединенные между собой испарительную камеру, находящуюся в контакте с горячей средой, адиабатно-изоэнтропную камеру, конденсационную камеру, находящуюся в контакте с холодной средой, питательный насос и силовую турбину. Изобретение позволяет повысить эффективность теплового двигателя. 1 ил.

Теплотрубный двигатель, содержащий последовательно соединенные между собой испарительную камеру, находящуюся в контакте с горячей средой, силовую турбину, конденсационную камеру, находящуюся в контакте с холодной средой, питательный насос, отличающийся тем, что испарительная камера, силовая турбина, конденсационная камера, питательный насос помещены в один корпус, испарительная камера выполнена с торцевой стенкой, внутренняя поверхность которой снабжена канавками и покрыта тонким слоем пористого материала, и с покрытыми изнутри фитилем боковыми стенками и глухой перегородкой с вогнутым перфорированным сепарационным элементом, которой отделена от покрытой изнутри фитилем адиабатно-изоэнтропной камеры, через боковые стенки и слои фитиля которой насквозь пропущен вал, на который насажено колесо силовой турбины с лопатками, сообщающейся с испарительной камерой через паровое сопло, соединенное со стыковочной кромкой вогнутого перфорированного сепарационного элемента глухой перегородки, а через патрубок мятого пара - с конденсационной камерой, боковые стенки которой также покрыты фитилем, являющимся продолжением фитиля адиабатно-изоэнтропной камеры, при этом один конец вала силовой турбины соединен с рабочим органом, а на другой насажен ротор питательного насоса, который всасывающим отверстием сообщается с резервуаром рабочей жидкости, выполненным в форме цилиндрической трубы, размещенной в толще фитиля, а напорным трубопроводом, снабженным на конце форсункой, сообщается с испарительной камерой.