Способ подвода и отвода тепла в термоакустическом двигателе и устройство для его реализации Российский патент 2023 года по МПК F02G1/43 

Изобретение относится к термоакустическим генераторам мощности, а именно к термоакустическим двигателям, преобразующим тепловую энергию в энергию акустической волны и далее в электроэнергию. Изобретение может быть использовано в ракетно-космической технике, гелиоэнергетике и энергосбережении.

Известен одноступенчатый термоакустический двигатель с бегущей волной, включающий резонатор в виде закольцованной трубы и ступень, усиливающую акустические колебания, состоящую из горячего и холодного теплообменников и регенератора между ними (Ceperley P.Н. A pistonless Stirling engine - the traveling wave heat engine // J. Acoust. Soc. Am. 1979. Vol. 66, №5. P. 1508-1513. DOI: https://doi.org 10.112/1.383505). При увеличении разности температур между теплообменниками усиление в регенераторе становиться больше, чем затухание при прохождении волны через остальные элементы и происходит самозапуск двигателя. Данная конструкция имеет недостаточную эффективность вследствие потерь на трение по причине высокой колебательной скорости газа в регенераторе. К тому же в данном двигателе наличие разности фаз между давлением и скоростью газа в зоне регенератора приводит к дополнительным потерям.

Известен способ шумоглушения и устройство для утилизации акустической энергии в выхлопных системах энергетических установок (Патент RU 2626192, опубл. 24.07.2017 г.). Согласно способу, основанному на принципе снижения уровня акустической мощности осциллирующего потока газа в выхлопной системе, акустическая волновая энергия, в выхлопной системе двигателя или в выпускной магистрали сжатого газа компрессора направляется в специально организованные акустические тракты, содержащие, по крайней мере, одну пульсационную турбину, которая, преобразуя акустическую энергию осциллирующего газового потока в механическую и далее в электрическую энергию, отбирает часть общей акустической энергии от газа в выхлопной системе энергетической установки, в результате чего снижается уровень акустического давления в выпускном трубопроводе энергетической установки и, таким образом, реализуют двойной положительный эффект: шумоглушение и получение дополнительной энергии.

Известен вариант четырехступенчатого термоакустического двигателя с бегущей волной, каждая ступень которого включает в себя холодный и горячий теплообменники и регенератор между ними, термальную буферную трубку, вторичный холодный теплообменник, нагрузка и резонатор (Горшков И.Б., Петров В.В. Численное моделирование кольцевого четырехступенчатого термоакустического двигателя с бегущей волной // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. 2018. Т. 18, вып. 4. С. 285-296. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2018-18-4-285-296). Вторичный холодный теплообменник установлен для того, чтобы не допустить прогрева полости резонатора горячим теплообменником, что может привести к увеличению потерь. В термоакустических двигателях в качестве нагрузки может использоваться линейный электрогенератор или электрогенератор на базе пульсационной турбины.

Данный четырехступенчатый термоакустический двигатель с бегущей волной и способ его работы приняты в качестве прототипа к изобретению.

Недостатком прототипа является сложность конструкции и увеличение гидравлических сопротивлений вследствие установки вторичного теплообменника и наличия нагрузки.

Технической задачей, на которое направлено предлагаемое изобретение, является повышение термодинамической эффективности в термоакустическом двигателе за счет упрощения его конструкции, снижения гидравлических и акустических сопротивлений в контуре термоакустического двигателя.

Конструктивным решением, обеспечивающим достижение данной технической задачи, является объединение функции теплообменника и направляющего аппарата пульсационной турбины. Теплообменники конструктивно представляют собой набор пластин. Направляющие аппараты пульсационной турбины представляют собой также наборы тонких профилей (лопаток) с эквидистантно расположенными друг относительно друга поверхностями. При этом направляющий аппарат пульсационной турбины по количеству лопаток и их суммарной поверхности может быть выполнен таким, чтобы кроме организации движения газового потока обеспечить необходимый подвод, либо отвод тепла, то есть выполнить функцию теплообменника.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом термоакустическом двигателе, содержащем холодный и горячий теплообменники, регенератор между ними, резонатор, согласно изобретению, за горячим теплообменником в направлении распространения акустической волны установлена пульсационная турбина, при этом неподвижные лопатки входного и выходного направляющих аппаратов пульсационной турбины выполнены за одно с их корпусами, снаружи которых сформированы проточные камеры для подачи теплоносителя для отвода тепла, а сами корпуса направляющих аппаратов и корпус рабочего колеса выполнены отдельно, причем электрогенератор размещен в корпусе рабочего колеса турбины.

Кроме того, лопатки входного и выходного направляющих аппаратов пульсационной турбины спрофилированы таким образом, чтобы они выполняли функцию пневмодиода - подавления циркуляционных потоков газа.

Сущность предложенных технических решений поясняется чертежами, где:

- на Фиг. 1 представлена схема предлагаемого термоакустического двигателя;

- на Фиг. 2 представлен конструктивный вариант, где направляющий аппарат пульсационной турбины выполняет функцию холодного теплообменника для отвода тепла в термоакустическом двигателе;

- на Фиг. 3 представлен конструктивный вариант, где направляющий аппарат пульсационной турбины выполняет функцию горячего теплообменника для подвода тепла в термоакустическом двигателе, работающего на отрицательных температурных уровнях;

- на Фиг. 4 представлен конструктивный вариант, где направляющий аппарат пульсационной турбины выполняет функцию горячего теплообменника для подвода тепла в термоакустическом двигателе, работающего на положительных температурных уровнях.

Термоакустический двигатель содержит холодный теплообменник 1, регенератор 2, горячий теплообменник 3, направляющий аппарат пульсационной турбины 4, рабочее колесо пульсационной турбины 5, электрогенератор 6, резонатор 7.

Термоакустический двигатель работает следующим образом. К рабочему телу (газу), находящемуся внутри резонатора 7 с помощью холодного теплообменника 1 и горячего теплообменника 3 отводится или подводится тепло. В регенераторе 2 формируется необходимое распределение температуры с соответствующим градиентом и реализуется термоакустический эффект преобразования тепла в энергию волны. Далее кинетическая энергия осциллирующего газа на рабочем колесе пульсационной турбины 5 преобразуется в механическую работу и с помощью электрогенератора 6, размещенного в неподвижном корпусе турбины 6, в электроэнергию. На Фиг. 1 направляющий аппарат пульсационной турбины 4 выполняет функцию вторичного холодного теплообменника 8, то есть осуществляет отвод тела в термоакустическом двигателе, чтобы не допустить прогрева полости резонатора горячим теплообменником 3. Причем отвод тепла может осуществляться как входным, так и выходным направляющим аппаратов пульсационной турбины 4.

На Фиг. 2 представлен конструктивный вариант, где направляющий аппарат пульсационной турбины 4 выполняет функцию холодного теплообменника 1 для отвода тепла на входе в регенератор в термоакустического двигателя. То есть подвод тепла осуществляется в горячем теплообменнике 3, а отвод тепла лопатками выходного направляющего аппарата пульсационной турбины 4. В регенераторе 2 формируются необходимое распределение температуры и генерация волны.

На Фиг. 3 представлен конструктивный вариант, где направляющий аппарат пульсационной турбины 4 выполняет функцию «условно» горячего теплообменника 3 для подвода тепла на выходе из регенератора в термоакустическом двигателе.

Так как работоспособность пульсационной турбины объективно ограничивается температурным уровнем материалов, то желательно, чтобы уровень температуры на пульсационной турбине не превышал допустимого. Выполнение условий допустимых температур может иметь место, например, при утилизации низкопотенциального тепла (холода) криогенной жидкости при ее регазификации для отвода тепла от термоакустического двигателя и использовании внешнего тепла окружающей среды или другого вторичного тела промышленных выбросов для подвода тепла в термоакустическом двигателе, то есть во входном направляющем аппарате пульсационной турбины 4.

На Фиг. 4 представлен конструктивный вариант, где направляющий аппарат пульсационной турбины 4 выполняет функцию горячего теплообменника 3 для подвода тепла в термоакустическом двигателе, работающего на положительных температурных уровнях. То есть в холодном теплообменнике 1 и вторичном холодном теплообменнике 8 осуществляется отвод тепла, а подвод тепла обеспечивается входным направляющим аппаратов пульсационной турбины 4 от окружающей среды или других источников тепла.

Решение указанных технических задач в предлагаемом изобретении позволит снизить гидравлические и акустические сопротивления в контуре термоакустического двигателя, повысить его термодинамическую эффективность за счет объединения функции теплообменника и направляющего аппарата пульсационной турбины, и тем самым упростить конструкцию термоакустического двигателя.

Изобретение относится к термоакустическим генераторам мощности, а именно к термоакустическим двигателям, преобразующим тепловую энергию в энергию акустической волны и далее в электроэнергию. Изобретение может быть использовано в ракетно-космической технике, гелиоэнергетике и энергосбережении. Термоакустический двигатель работает следующим образом. К рабочему телу (газу), находящемуся внутри резонатора 7, с помощью холодного теплообменника 1 и горячего теплообменника 3 отводится и подводится тепло. В регенераторе 2 формируется необходимое распределение температуры с соответствующим градиентом и реализуется термоакустический эффект преобразования тепла в энергию волны. Далее кинетическая энергия осциллирующего газа на рабочем колесе пульсационной турбины 5 преобразуется в механическую работу и с помощью электрогенератора 6, размещенного в корпусе рабочего колеса турбины 6, в электроэнергию. Направляющий аппарат пульсационной турбины 4 выполняет функцию вторичного холодного теплообменника 8, то есть осуществляет отвод тела в термоакустическом двигателе, не допуская прогрева полости резонатора горячим теплообменником 3. Причем отвод тепла может осуществляться как входным, так и выходным направляющими аппаратами пульсационной турбины 4. Решение указанных технических задач в предлагаемом изобретении позволит снизить гидравлические и акустические сопротивления в контуре термоакустического двигателя, повысить его термодинамическую эффективность за счет объединения функции теплообменника и направляющего аппарата пульсационной турбины, и тем самым упростить конструкцию термоакустического двигателя. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Термоакустический двигатель, содержащий холодный и горячий теплообменники и регенератор между ними, резонатор, отличающийся тем, что за горячим теплообменником в направлении распространения акустической волны установлена пульсационная турбина, при этом неподвижные лопатки входного и выходного направляющих аппаратов пульсационной турбины выполнены за одно с их корпусами, снаружи которых сформированы проточные камеры для подачи теплоносителя для отвода тепла, а сами корпуса направляющих аппаратов и корпус рабочего колеса выполнены отдельно, причем электрогенератор размещен в корпусе рабочего колеса турбины.

2. Термоакустический двигатель по п. 2, отличающийся тем, что лопатки входного и выходного направляющих аппаратов пульсационной турбины спрофилированы таким образом, чтобы они выполняли функцию пневмодиода - подавления циркуляционных потоков газа.