КОАКСИАЛЬНЫЙ ТЕПЛОТРУБНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК F01K17/00 

Предлагаемое 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].

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

Более близким к предлагаемому изобретению является коаксиальный теплотрубный двигатель (преобразователь тепловой энергии в механическую), содержащий последовательно расположенные испарительную камеру, находящуюся в контакте с горячей средой, рабочую камеру, внутри которой устроены коаксиально, друг за другом силовые турбины, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры по нормали к ней, конденсационную камеру, находящуюся в контакте с холодной средой, питательный насос [2].

Основными недостатками известного устройства 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.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности теплового двигателя.

Технический результат достигается в коаксиальном теплотрубном двигателе (КТТД), содержащем последовательно расположенные испарительную камеру, находящуюся в контакте с горячей средой, рабочую камеру, внутри которой устроены коаксиально, друг за другом силовые турбины, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры по нормали к ней, конденсационную камеру, находящуюся в контакте с холодной средой, питательный насос, причем испарительная камера выполнена в форме цилиндрического колпака, соединенного с рабочей камерой через кольцевое уплотнение и снабжена каплеотбойником, внутренние боковые стенки ее покрыты фитилем, соединенным с решеткой, выполненной из тонкого слоя пористого материала, покрывающей внутреннюю поверхность торцевой стенки, рабочая камера выполнена в форме цилиндрической трубы с ограничительным кольцом и винтом на наружной поверхности, конденсационная камера, соединенная с рабочей камерой через кольцевое уплотнение, выполнена в форме цилиндрического колпака и состоит из обоймы, закрывающей винтовую поверхность рабочей камеры, которая образует питательный насос, и конденсационной зоны, внутренние боковые стенки которой покрыты фитилем, в свою очередь, частично покрытым втулкой с фланцем и соединенным с решеткой, выполненной из тонкого слоя пористого материала, покрывающей внутреннюю поверхность торцевой стенки, причем конденсационная камера соединена с испарительной через питательный насос напорным трубопроводом, снабженным на конце форсункой.

На фиг.(1-5) представлен предлагаемый коаксиальный теплотрубный двигатель (КТТД).

КТТД содержит расположенные по ходу движения пара: испарительную камеру 1, выполненную в форме цилиндрического колпака, снабженную каплеотбойником 2, внутренняя поверхность боковых стенок которой покрыта фитилем 3, соединенным с решеткой 4, выполненной из тонкого слоя пористого материала, покрывающей внутреннюю поверхность торцевой стенки, и соединенную через кольцевое уплотнение 5 с рабочей камерой 6, которая выполнена в форме цилиндрической трубы с кольцевым буртиком 7, и винта 8 на наружной поверхности, внутри которой устроены коаксиально друг за другом силовые турбины 9, 10, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры 6 по нормали к ней, конденсационную камеру 11, также соединенную с рабочей камерой 6 через кольцевое уплотнение 12, выполненную в форме цилиндрического колпака и состоящую из обоймы 13, покрывающей винтовую часть 8 рабочей камеры 6, образуя питательный винтовой насос 14 с кольцевыми всасывающей и напорной камерами 15, 16, и конденсационной зоны 17, внутренние боковые стенки которой покрыты фитилем 18, в свою очередь, частично покрытым втулкой 19 с фланцем 20 и соединенным с решеткой 21, выполненной из тонкого слоя пористого материала, покрывающей внутреннюю поверхность торцевой стенки конденсационной камеры 11, соединенной с испарительной камерой 1 через питательный насос 14 напорным трубопроводом 22, снабженным на конце форсункой 23.

В основе работы предлагаемого КТТД 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], устройство и принцип действия винтового насоса [4, с.347] и высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, которые делятся на три участка: зона испарения (подвода теплоты), адиабатная зона (переноса теплоты) и зона конденсации (отвода теплоты), покрытых изнутри фитилем и частично заполненных рабочей жидкостью - переносчиком теплоты, в качестве которой используются вода, спирты, хладоны, жидкие металлы т.д. [5, с.106].

Предлагаемый КТТД работает следующим образом.

Предварительно на открытом участке наружной поверхности рабочей камеры 6 монтируют ротор (на фиг.(1-5) не показан), жестко соединяя его с камерой 6, и неподвижную часть исполнительного механизма (например, электрогенератора, насоса, компрессора и т.д.). Перед началом работы из камер 1, 6, 11 КТТД удаляют воздух и заполняют фитили 3, 18, пористый материал решеток 4, 21, полость питательного насоса 14 и напорный трубопровод 22 рабочей жидкостью, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости на фиг.(1-5) не показаны), после чего КТТД устанавливают таким образом, чтобы испарительная камера 1 контактировала с горячей средой, а конденсационная камера 11 с холодной и жестко фиксируют их. В результате нагрева торца испарительной камеры 1 происходит испарение рабочей жидкости с его внутренней поверхности, причем пористый материал решетки 4 предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности торца и, таким образом, интенсифицирует процесс испарения [6, с.22], образуется пар с давлением, равным давлению, развиваемому питательным насосом 14, который, проходя через каплеотбойник 2, освобождается от уносимых капель рабочей жидкости, а фитиль 3 поглощает эти капли и снова транспортирует их в зону испарения. Очищенный пар поступает в рабочую камеру 6 на лопатки последовательно расположенных силовых турбин 9, 10, вращая корпус рабочей камеры 6, и соответственно сообщает вращательное движение винту 8 питательного насоса 14 и вращающий момент М ротору исполнительного механизма, в результате чего питательный насос 14 перемещает рабочую жидкость и создает требуемое давление в ней, а исполнительный механизм производит полезную работу, после чего в полости рабочей камеры 6 происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижением его температуры и давления [3, с.331]. Далее, отработавший мятый пар поступает в неподвижную конденсационную камеру 11, давление в которой значительно меньше, чем в испарительной камере 1, конденсируется там за счет контакта наружной поверхности камеры 11 с холодной средой, после чего образовавшийся конденсат рабочей жидкости всасывается пористым материалом решетки 21, которая увеличивает скорость движения конденсата к фитилю 18 и под воздействием капиллярных сил и разрежения во всасывающей камере 15, насосом 14 через напорную камеру 16 подается в напорный трубопровод 22 и форсунку 23 под давлением, величина которого определяет рабочее давление пара в испарительной камере 1. В камере 1 форсунка 23 разбрызгивает рабочую жидкость по внутренней поверхности ее торцевой стенки, где происходит вышеописанный процесс испарения, после чего образовавшийся пар освобождается от капель рабочей жидкости и далее цикл повторяется.

Таким образом, предлагаемый КТТД обеспечивает возможность получения механической и электрической 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, М.кл. F01K 17/04, 1990.

2. Пат. РФ №2056606, Мк.л. F28D 15/02, 1996.

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

4. Т.М.Башта др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. - М: Машиностр., 1982, 424 с.

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

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

Изобретение относится к теплоэнергетике. Коаксиальный теплотрубный двигатель содержит испарительную камеру, выполненную в форме цилиндрического колпака, соединенного с рабочей камерой через кольцевое уплотнение, и снабжена каплеотбойником, внутренние боковые стенки ее покрыты фитилем, соединенным с решеткой, выполненной из тонкого слоя пористого материала, покрывающей внутреннюю поверхность торцевой стенки, рабочая камера выполнена в форме цилиндрической трубы с ограничительным кольцом и винтом на наружной поверхности, конденсационная камера, соединенная с рабочей камерой через кольцевое уплотнение, выполнена в форме цилиндрического колпака и состоит из обоймы, закрывающей винтовую поверхность рабочей камеры, которая образует питательный насос, и конденсационной зоны, и внутренние боковые стенки которой покрыты фитилем, в свою очередь, частично покрытым втулкой с фланцем и соединенным с решеткой, выполненной из тонкого слоя пористого материала, покрывающей внутреннюю поверхность торцевой стенки, причем конденсационная камера соединена с испарительной через питательный насос напорным трубопроводом, снабженным на конце форсункой. Изобретение позволяет повысить эффективность теплового двигателя. 5 ил.

Коаксиальный теплотрубный двигатель (КТТД), содержащий последовательно расположенные испарительную камеру, находящуюся в контакте с горячей средой, рабочую камеру, внутри которой устроены коаксиально друг за другом силовые турбины, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры по нормали к ней, конденсационную камеру, находящуюся в контакте с холодной средой, питательный насос, отличающийся тем, что испарительная камера выполнена в форме цилиндрического колпака, соединенного с рабочей камерой через кольцевое уплотнение и снабжена каплеотбойником, внутренние боковые стенки ее покрыты фитилем, соединенным с решеткой, выполненной из тонкого слоя пористого материала, покрывающей внутреннюю поверхность торцевой стенки, рабочая камера выполнена в форме цилиндрической трубы с ограничительным кольцом и винтом на наружной поверхности, конденсационная камера, соединенная с рабочей камерой через кольцевое уплотнение, выполнена в форме цилиндрического колпака и состоит из обоймы, закрывающей винтовую поверхность рабочей камеры, которая образует питательный насос, и конденсационной зоны и внутренние боковые стенки которой покрыты фитилем, в свою очередь, частично покрытым втулкой с фланцем и соединенным с решеткой, выполненной из тонкого слоя пористого материала, покрывающей внутреннюю поверхность торцевой стенки, причем конденсационная камера соединена с испарительной через питательный насос напорным трубопроводом, снабженным на конце форсункой.