КОАКСИАЛЬНО-ТОРЦЕВОЙ ТЕПЛОТРУБНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК F01K17/06 

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 устройство (тепловой двигатель) для утилизации тепла огнетехнического агрегата, содержащее последовательно соединенные между собой парогенератор (испарительную камеру), подключенный к огнетехническому агрегату (горячей среде), силовую турбину, помещенную в корпус (рабочую камеру), конденсатор (испарительную 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.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности теплового двигателя.

Поставленная задача реализуется в коаксиально-торцевом теплотрубном двигателе (КТТТД), который содержит последовательно расположенные испарительную камеру, находящуюся в контакте с горячей средой, рабочую камеру, конденсационную камеру, находящуюся в контакте с холодной средой, питательный насос, причем испарительная камера, внутренняя поверхность торца и боковых стенок которой покрыты решеткой, выполненной из тонкого слоя пористого материала, снабжена сепаратором и жестко соединена с транспортной камерой, выполненной из жесткого или гибкого материала, которая также жестко соединена с кольцевой обоймой, снабженной кольцевым буртиком, внутри которой коаксиально помещен цилиндрический корпус, соединенный с ней через кольцевые уплотнения с винтом на наружной поверхности, которые совместно образуют питательный винтовой насос, с всасывающей и напорной кольцевыми камерами, а внутри цилиндрического корпуса последовательно расположены рабочая камера, в которой устроены коаксиально друг за другом силовые турбины, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры по нормали к ней, и отделенная от нее шайбой конденсационная камера с фитилем на внутренней поверхности боковой стенки, сообщающимся через отверстия в ней с всасывающей камерой питательного насоса, соединенного с испарительной камерой напорным трубопроводом, изготовленным из жесткого или гибкого материала, снабженным разбрызгивающим устройством и проходящим через полость транспортной камеры.

На фиг.1 - 4 представлен предлагаемый коаксиально-торцевой теплотрубный двигатель (КТТТД).

КТТТД содержит расположенные по ходу движения пара: испарительную камеру 1, выполненную в форме цилиндрического колпака, снабженную сепаратором 2, внутренняя поверхность торца боковых стенок которой покрыты решеткой 3, выполненной из тонкого слоя пористого материала, жестко соединенную с транспортной камерой 4, из жесткого или гибкого материала, которая также жестко соединена с кольцевой обоймой 5, снабженной кольцевым буртиком 6, внутри которой коаксиально помещен цилиндрический корпус 7, соединенный с ней через кольцевые уплотнения 8, 9, с винтом 10 на наружной поверхности, которые совместно образуют питательный винтовой насос 11 с всасывающей и напорной кольцевыми камерами 12 и 13, причем внутри корпуса 7 последовательно расположены рабочая камера 14, в которой устроены коаксиально друг за другом силовые турбины 15, 16, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры 14 по нормали к ней, и отделенная от нее шайбой 17 конденсационная камера 18 с фитилем 19 на внутренней поверхности боковой стенки, сообщающимся через отверстия 20 в ней с всасывающей камерой 12 питательного насоса 11, соединенного с испарительной камерой 1 напорным трубопроводом 21, снабженным разбрызгивающим устройством 22 и размещенным внутри транспортной камеры 4.

В основе работы предлагаемого КТТТД 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 КТТТД работает следующим образом.

Предварительно к наружной поверхности торца конденсационной камеры 18 крепят рабочий орган исполнительного механизма, например ротор электрогенератора, насоса, компрессора и.д. (на фиг.1-4 не показан), таким образом, чтобы поток холодной среды в результате вращения ротора турбулизовался и, таким образом, значительно интенсифицировался процесс теплопередачи при конденсации пара рабочей жидкости в конденсационной камере 18. Перед началом работы из камер 1, 4, 14, 18 КТТТД удаляют воздух и заполняют фитиль 19, пористый материал решетки 3, полость питательного насоса 11 и напорный трубопровод 21 рабочей жидкостью, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости (на фиг.1-4 не показаны), после чего КТТД устанавливают таким образом, чтобы испарительная камера 1 контактировала с горячей средой, а конденсационная камера 18 - с холодной. В результате нагрева торца испарительной камеры 1 происходит испарение рабочей жидкости с ее внутренней поверхности, причем наличие пористого материала решетки 3 на внутренней поверхности торца и боковых стенок предотвращает образование паровой пленки и, таким образом, интенсифицирует процесс испарения [6, с.22], а также способствует улавливанию и транспортировке капель неиспарившейся рабочей жидкости в зону испарения. Образовавшийся пар с давлением, равным давлению, развиваемому питательным насосом 11, проходит через сепаратор 2, освобождается от уносимых капель рабочей жидкости, а пористый материал решетки 3 поглощает эти капли и снова транспортирует их в зону испарения. Очищенный пар проходит через транспортную камеру 4 и поступает в рабочую камеру 14 на лопатки последовательно расположенных силовых турбин 15, 16, вращая цилиндрический корпус 7 и, соответственно, сообщает вращательное движение винту 10 питательного насоса 11 и вращающий момент М ротору исполнительного механизма, в результате чего питательный насос 11 перемещает рабочую жидкость и создает требуемое давление в ней, а исполнительный механизм производит полезную работу, после чего в полости рабочей камеры 14 происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижением его температуры и давления [3, с.331]. Далее отработавший мятый пар поступает во вращающуюся конденсационную камеру 18, давление в которой значительно меньше, чем в испарительной камере 1, конденсируется там за счет контакта наружной поверхности камеры 11 с холодной средой, причем скорость конденсации значительно увеличивается в результате турбулизации потока холодной среды, после чего образовавшийся конденсат рабочей жидкости под действием центробежной силы, возникающей в результате вращения испарительной камеры, отбрасывается на периферию, освобождая место для конденсации новых порций пара и уменьшая толщину конденсатной пленки, что также увеличивает скорость конденсации [3, с.172] и поглощается фитилем 19. Из фитиля 19 рабочая жидкость под воздействием капиллярных сил и разрежения во всасывающей камере 12 насосом 11 через напорную камеру 13 поступает в напорный трубопровод 21 и разбрызгивается устройством 22 под давлением, величина которого определяет рабочее давление пара в испарительной камере 1. В камере 1 рабочая жидкость разбрызгивается таким образом, что распределяется по внутренней поверхности ее не только торцевой, но и боковых стенок, увеличивая тем самым поверхность теплопередачи и, соответственно, ее скорость, в результате чего происходит вышеописанный процесс испарения, очистки образовавшегося пара от капель рабочей жидкости и далее цикл повторяется. При этом если транспортная камера 4 и напорный трубопровод 21 изготовлены из гибкого материала, то можно изменять ориентацию в пространстве конденсационной камеры 18 и, соответственно, исполнительного механизма независимо от ориентации испарительной камеры 1.

Таким образом, предлагаемый КТТТД 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, Мкл. F01K 17/04, 1990.

2. А.с. №769038, Мкл. F01K 17/06, 1980.

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

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

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

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

Изобретение относится к теплоэнергетике. Коаксиально-торцевой теплотрубный двигатель содержит испарительную камеру, внутренняя поверхность которой покрыта решеткой из пористого материала, с сепаратором, соединенную с транспортной камерой, которая также соединена с кольцевой обоймой, снабженной кольцевым буртиком, внутри которой коаксиально помещен цилиндрический корпус, соединенный с ней через кольцевые уплотнения с винтом на наружной поверхности, которые совместно образуют питательный винтовой насос, а внутри цилиндрического корпуса последовательно расположены рабочая камера, в которой устроены силовые турбины, жестко закрепленные к внутренней поверхности стенки рабочей камеры по нормали к ней, и отделенная от нее шайбой конденсационная камера с фитилем на внутренней поверхности боковой стенки, сообщающимся с питательным насосом, соединенным с испарительной камерой напорным трубопроводом, снабженным разбрызгивающим устройством и проходящим через полость транспортной камеры. Изобретение позволяет повысить эффективность теплового двигателя. 1 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Коаксиально-торцевой теплотрубный двигатель (КТТТД), включающий последовательно расположенные испарительную камеру, находящуюся в контакте с горячей средой, рабочую камеру, конденсационную камеру, находящуюся в контакте с холодной средой, питательный насос с трубопроводом, отличающийся тем, что испарительная камера, внутренняя поверхность торца и боковых стенок которой покрыты решеткой, выполненной из тонкого слоя пористого материала, снабжена сепаратором и жестко соединена с транспортной камерой, которая также жестко соединена с кольцевой обоймой, снабженной кольцевым буртиком, внутри которой коаксиально помещен цилиндрический корпус, соединенный с ней через кольцевые уплотнения с винтом на наружной поверхности, которые совместно образуют питательный винтовой насос, с всасывающей и напорной кольцевыми камерами, а внутри цилиндрического корпуса последовательно расположены рабочая камера, в которой устроены коаксиально друг за другом силовые турбины, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры по нормали к ней, и отделенная от нее шайбой конденсационная камера с фитилем на внутренней поверхности боковой стенки, сообщающимся через отверстия в ней с всасывающей камерой питательного насоса, соединенного с испарительной камерой напорным трубопроводом, снабженным разбрызгивающим устройством и проходящим через полость транспортной камеры.2. Коаксиально-торцевой теплотрубный двигатель по п.1, отличающийся тем, что транспортная камера и напорный трубопровод выполнены из жесткого материала.3. Коаксиально-торцевой теплотрубный двигатель по п.1, отличающийся тем, что транспортная камера и напорный трубопровод выполнены из гибкого материала.