КОАКСИАЛЬНЫЙ МУЛЬТИТЕПЛОТРУБНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2010 года по МПК F01K25/00 F28D15/02 

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.

Известен 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 [1].

Основными недостатками известного преобразователя тепловой энергии в механическую являются невозможность утилизации низкопотенциальных вторичных и природных тепловых энергоресурсов, громоздкость конструкции и невозможность работы при изменении ориентации в пространстве, что сужает область его применения и в конечном счете снижает его эффективность.

Более близким к предлагаемому изобретению является коаксиальный теплотрубный двигатель, который содержит последовательно расположенные испарительную камеру, находящуюся в контакте с горячей средой, снабженную каплеотбойником, внутренние боковые стенки ее покрыты фитилем, соединенным с решеткой, выполненной из тонкого слоя пористого материала, покрывающей внутреннюю поверхность торцевой стенки, рабочую камеру, выполненную в форме цилиндрической трубы с кольцевым буртиком и винтом на наружной поверхности, внутри ее устроены коаксиально друг за другом силовые турбины, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры по нормали к ней, конденсационную камеру, соединенную с рабочей камерой через кольцевое уплотнение, состоящую из обоймы, закрывающей винтовую поверхность рабочей камеры, образуя питательный насос, и конденсационной зоны, внутренние боковые стенки которой покрыты фитилем, 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.

Основными недостатками известного коаксиального теплотрубного двигателя являются размещение ротора насоса на наружной поверхности корпуса, что затрудняет увязку его параметров (напора, производительности и т.д.) с мощностью устройства, незначительная площадь контакта с горячей и холодной средами и обусловленная этим малая мощность (меньше 1 кВт), что ограничивает область его применения при утилизации низкопотенциального тепла вторичных и природных источников в промышленных масштабах и снижает его эффективность.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение мощности коаксиального теплотрубного двигателя и связанные с этим возможность его применения в промышленных масштабах при утилизации тепла (в том числе и низкопотенциального) в различных отраслях народного хозяйства и повышение эффективности.

Поставленная задача реализуется в коаксиальном мультитеплотрубном двигателе (КМТТД), который содержит последовательно расположенные испарительную камеру, находящуюся в контакте с горячей средой, состоящую из вертикальных испарительных гильз, внутренняя боковая поверхность которых покрыта тонкими полосами пористого материала, образующими между собой канавки, а торца - решеткой из таких же полос, соединенных открытым торцом с крышкой сепарационной секции с внутренней поверхностью, покрытой полосами того же пористого материала, в которой расположен распределительный коллектор, снабженный форсунками, размещенными в центре входа в испарительные гильзы, отделенную снизу каплеотбойником, выполненным в виде вогнутого перфорированного щита, с поверхностью боковых стенок, покрытой фитилем и соединенной через кольцевое уплотнение с рабочей камерой, выполненной в форме цилиндрической трубы, соединенной снаружи с рабочим органом, внутри которой устроены коаксиально друг за другом силовые турбины, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры по нормали к ней, которая соединена через кольцевое уплотнение с конденсационной камерой, состоящей из цилиндрической распределительной секции, днище которой покрыто массивом фитиля с отверстиями и выполнено с отверстиями, к которым присоединены открытыми торцами вертикальные конденсационные гильзы с внутренней боковой поверхностью, покрытой полосами, а торца - решеткой из полос пористого материала, образующих между собой канавки и соединенных с массивом фитиля, в центре которого устроен цилиндрический резервуар с перфорированными стенками и питательный насос, ротор которого насажен на вал, жестко соединенный с осью силовой турбины, а напорный трубопровод - с распределительным коллектором в испарительной камере.

На фиг.(1-7) представлен предлагаемый коаксиальный мультитеплотрубный двигатель (КМТТД).

КМТТД содержит расположенные по ходу движения пара: испарительную камеру 1, состоящую из вертикальных испарительных гильз 2, внутренняя боковая поверхность которых покрыта полосами, а торца - решеткой из полос пористого материала 3, образующих между собой канавки 4 и соединенных открытым торцом с крышкой сепарационной секции 5 с внутренней поверхностью, также покрытой полосами того же фитиля 3, в которой расположен распределительный коллектор 6, снабженный форсунками 7, размещенными в центре входа в испарительные гильзы 2, отделенную снизу каплеотбойником, выполненным в виде вогнутого перфорированного щита 8, с поверхностью боковых стенок, покрытой фитилем 9 и соединенной через кольцевое уплотнение 10 с рабочей камерой 11. Камера 11 выполнена в форме цилиндрической трубы, соединенной снаружи с рабочим органом (не показан), внутри которой устроены коаксиально друг за другом силовые турбины 12, 13, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры 11 по нормали к ней, и соединена с конденсационной камерой 14 через кольцевое уплотнение 15. Конденсационная камера 14 состоит из цилиндрической распределительной секции 16, днище которой покрыто массивом фитиля 17 с отверстиями и выполнено с отверстиями, к которым присоединены открытыми торцами вертикальные конденсационные гильзы 18, с внутренней боковой поверхностью, покрытой решеткой из полос пористого материала 3, образующих между собой канавки 4, торца - решеткой из того же материала, и соединенных с массивом фитиля 17. В центре фитиля 17 устроен цилиндрический резервуар с перфорированными стенками 19, в котором помещен питательный насос 20, ротор которого насажен на вал 21, жестко соединенный с осью силовой турбины 13, а напорный трубопровод 22 - с распределительным коллектором 6.

В основе работы предлагаемого КМТТД 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 КМТТД работает следующим образом.

Предварительно на открытом участке наружной поверхности рабочей камеры 11 монтируют ротор (не показан), жестко соединяя его с камерой 11 и неподвижной частью рабочего органа (например, электрогенератора, насоса, компрессора и т.д.). Перед началом работы из камер 1, 11, 14 КМТТД удаляют воздух и заполняют фитили 9, 18, пористый материал полос и решеток 3, цилиндрический резервуар 19, полость питательного насоса 20, напорный трубопровод 22 и коллектор 6 рабочей жидкостью, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости не показаны), после чего КМТТД устанавливают таким образом, чтобы испарительная камера 1 контактировала с горячей средой, а конденсационная камера 14 - с холодной, и жестко фиксируют их. В результате нагрева испарительных гильз 2 испарительной камеры 1 происходит испарение рабочей жидкости с внутренней поверхности испарительных гильз 2, причем пористый материал полос и решетки 3 предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности стенки и, таким образом, интенсифицирует процесс испарения [6, с.22], образуется пар с давлением, равным давлению, развиваемому питательным насосом 20, который, проходя через вогнутый перфорированный сепарационный щит 8, освобождается от уносимых капель рабочей жидкости, которые отбрасываются на фитиль 9 и пористый материал 3, поглощающие эти капли и снова транспортирующие их в зону испарения. Очищенный пар поступает в рабочую камеру 11 на лопатки последовательно расположенных силовых турбин 12, 13, вращая их совместно с корпусом рабочей камеры 11, и соответственно сообщает вращательное движение ротору питательного насоса 20 и вращающий момент М ротору рабочего органа, в результате чего питательный насос 20 перемещает рабочую жидкость и создает требуемое давление в ней, а рабочий орган производит полезную работу. В полости вращающейся рабочей камеры 11 происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижением его температуры и давления [3, с.331], после чего отработавший мятый пар поступает в неподвижную конденсационную камеру 14, давление в которой значительно меньше, чем в испарительной камере 1. Пар конденсируется в конденсационных гильзах 18 за счет контакта их наружной поверхности с холодной средой, после чего образовавшийся конденсат рабочей жидкости всасывается пористым материалом полос и решетки 3, фитилем 18 и под воздействием капиллярных сил и разрежения поступает во всасывающее отверстие насоса 20. Далее рабочая жидкость через напорный трубопровод 22, коллектор 6 и форсунки 7 под давлением, создаваемым насосом 20, величина которого определяет рабочее давление пара в испарительной камере 1, разбрызгивается по внутренней поверхности испарительных гильз 2, где происходит вышеописанный процесс испарения, после чего образовавшийся пар освобождается от капель рабочей жидкости на щите 8 и цикл повторяется.

Как следует из описания работы устройства, мощность КМТТД можно увеличивать путем увеличения количества испарительных 2 и конденсационных 18 гильз, число которых теоретически может быть сколь угодно большим и практически ограничено лишь конструктивными и технологическими соображениями. Соответственно максимальная мощность КМТТД может быть также очень значительной.

Таким образом, предлагаемый КМТТД позволяет значительно увеличить количество механической и электрической энергии, получаемой за счет утилизации вторичных и природных тепловых энергоресурсов различного потенциала, что обеспечивает его высокую эффективность.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.с. СССР №2056606 F28D 15/02, 1981.

2. Патент РФ №2320878 F01K 17/00, 2008.

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: Высш. школа, 1988, 170 с.

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

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к тепловым двигателям. Предложенный коаксиальный мультитеплотрубный двигатель содержит испарительную и конденсационную камеры, состоящие из вертикальных гильз, внутренняя поверхность которых покрыта полосами и решеткой из пористого материала и фитилем, соединенных открытыми торцами с крышками соответствующих распределительных (сепарационных) секций. В испарительной камере, отделенной снизу вогнутым перфорированным каплеотбойником, расположен распределительный коллектор, снабженный форсунками, размещенными в центре входа в испарительные гильзы. Испарительная и конденсационная камеры соединены через кольцевое уплотнение с рабочей камерой, внутри которой установлены коаксиально друг за другом силовые турбины, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры по нормали к ней. В центре распределительного коллектора устроен цилиндрический резервуар и питательный насос, соединенный с распределительным коллектором испарительной камеры. Изобретение позволяет повысить эффективность теплового двигателя. 7 ил.

Коаксиальный мультитеплотрубный двигатель, содержащий последовательно расположенные испарительную камеру, в которой помещены форсунка, соединенная с напорным трубопроводом, и каплеотбойник, внутренняя поверхность покрыта решеткой из тонкого слоя пористого материала, находящуюся в контакте с горячей средой, соединенную через кольцевое уплотнение с рабочей камерой, выполненной в форме цилиндрической трубы, соединенной снаружи с рабочим органом, внутри которой устроены коаксиально друг за другом силовые турбины, жестко закрепленные периферийными кромками лопастей к внутренней поверхности стенки рабочей камеры по нормали к ней, которая соединена через кольцевое уплотнение с конденсационной камерой, внутренняя поверхность которой также покрыта решеткой из тонкого слоя пористого материала, находящейся в контакте с холодной средой, питательный насос, отличающийся тем, что испарительная камера состоит из вертикальных испарительных гильз, с внутренней поверхностью боковых стенок, покрытой полосами тонкого слоя пористого материала, образующими между собой канавки, а торцы - решеткой из таких же полос, и соединенных открытым торцом с крышкой сепарационной секции с внутренней поверхностью, также покрытой полосами пористого материала, в которой расположен распределительный коллектор, снабженный форсунками, размещенными в центре входа в испарительные гильзы, отделена от рабочей камеры снизу каплеотбойником, выполненным в виде вогнутого перфорированного щита с поверхностью боковых стенок, покрытой фитилем, конденсационная камера состоит из цилиндрической распределительной секции, днище которой покрыто массивом фитиля с отверстиями и выполнено с отверстиями, к которым присоединены открытыми торцами вертикальные конденсационные гильзы с внутренней поверхностью боковых стенок, покрытой полосами, образующими между собой канавки, а торцы - решеткой из пористого материала, и соединенными с массивом фитиля, в центре которого устроен цилиндрический резервуар с перфорированными стенками, в котором помещен питательный насос, ротор которого насажен на вал, жестко соединенный с осью силовой турбины, а напорный трубопровод - с распределительным коллектором в испарительной камере.