ТЕПЛОВОЙ БЛОК ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА Российский патент 2024 года по МПК F02G1/43 F02G1/53 F02G1/55 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно - к устройству теплового блока двигателей, работающих по циклу Стирлинга, и может быть использовано в различных двигательных установках Стирлинга, применяемых в изолированных районах, в космическом пространстве и т.д., и там, где неэффективно или невозможно применять двигатели внутреннего сгорания, а также паровые двигатели или турбины.

Известен двигатель Стирлинга [RU 2100634, опубл. 27.12.1997], содержащий по меньшей мере один цилиндр вытеснителя, в котором перемещается вытеснительный поршень, разделяющий объем цилиндра на горячую и холодную полости. При этом нагреватель, регенератор и охладитель установлены последовательно в магистрали, соединяющей горячую и холодную полости. Охладитель содержит цилиндрическую рубашку охлаждения, заполненную охлаждающей жидкостью и охватывающую цилиндр с поршнем, снабженную двумя кольцевыми коллекторами, подключенными к патрубкам подвода и отвода жидкости. Охладитель, выполненный по типу "труба в трубе", содержит кольцевые каналы, образованные при помощи втулок с внутренними отверстиями, расположенными равномерно по диаметру цилиндра в рубашке охлаждения, по которым циркулирует рабочее тело.

Недостатком данного устройства является недостаточный теплообмен цилиндрических стенок каналов охладителя с рабочей средой, что уменьшает эффективность двигателя.

Известен двигатель Стирлинга [RU 2008489, опубл. 28.02.1994], содержащий по меньшей мере один цилиндр с верхней крышкой-нагревателем, обращенной к внешнему источнику теплоты, вытеснительный и рабочий поршни, размещенные в цилиндре и разделяющие его объем на горячую полость, холодную полость и буферную полость, охладитель, регенератор и нагреватель, установленные последовательно в магистрали, соединяющей горячую и холодную полости, причем нагреватель выполнен в виде диска с размещенными в нем профилированными каналами, одна часть которых соединяет горячую полость с периферией диска, которая сообщена с другой частью каналов, соединяющих периферию диска с регенератором, при этом каналы нагревателя выполнены в виде усеченной по образующей цилиндрической трубы, обращенной большей своей поверхностью к источнику теплоты.

Недостатком этого двигателя являются необходимость использования в нагревателе диска с каналами, имеющего большую жесткость и толщину для того, чтобы выдерживать высокое давление рабочего тела (газа) внутри. Вторым недостатком является то, что для обеспечения требуемого теплового потока необходимо использовать большие габариты диска нагревателя, что затрудняет использование данной конструкции в многопоршневых двигателях. Третьим недостатком является низкая эффективность теплопередачи в охладителе, содержащим канал, в котором рабочее тело охлаждается за счет охлаждения стенок внешней рубашкой охладителя с циркулирующим в нем холодным теплоносителем.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является тепловой блок двигателя Стирлинга [RU 2788798, опубл. 24.01.2023], состоящий из последовательно соединенных нагревателя, регенератора, охладителя и цилиндра вытеснителя с установленным в нем поршнем-вытеснителем. Нагреватель и охладитель имеют рубашки, в которые через входной и выходной патрубки подается горячий или холодный теплоноситель для передачи или отвода тепла от внешних источников. Объем, образованный зазором между внутренними поверхностями нагревателя или охладителя и цилиндром вытеснителя, заполнен сыпучим материалом, обладающим хорошей газопроницаемостью и теплопроводностью, который обменивается теплом с рабочим телом.

В связи с неравномерностью распределения сыпучего материала по объему и отсутствием надежного теплового контакта его частиц со стенками нагревателя и охладителя в тепловом блоке имеются зоны с различным гидравлическим сопротивлением и коэффициентом теплопередачи, а уменьшение объема сыпучего материала в результате тепловых деформаций в процессе работы теплового блока приводит к снижению теплопередачи рабочему телу, что является основными недостатками теплового блока.

Техническим результатом изобретения является увеличение эффективности работы теплового блока двигателя Стирлинга за счет более эффективной передачи тепла от стенок нагревателя и охладителя рабочему телу, а также упрощение конструкции.

Технический результат достигается тем, что тепловой блок двигателя Стирлинга содержит последовательно соединенные нагреватель, регенератор и охладитель, образованные цилиндром вытеснителя с установленным в нем поршнем-вытеснителем и внешним цилиндром с зазором между ними, заполненным металлическими спиралями с большой теплопроводностью в области нагревателя и охладителя и теплоаккумулирующим материалом в области регенератора, также нагреватель и охладитель содержат расположенные снаружи внешнего цилиндра рубашки с горячим и холодным теплоносителем соответственно, содержащие входной и выходной патрубки, при этом нижняя часть внешнего цилиндра соединена с коллектором, содержащим аксиальный канал с расположенным в нем штоком поршня-вытеснителя и канал сообщения с рабочим цилиндром, а верхние части обоих цилиндров заканчиваются головками цилиндров, при этом в центре головки цилиндра вытеснителя выполнено отверстие.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами:

- фигура 1 - тепловой блок двигателя Стирлинга;

- фигура 2 - поперечное сечение нагревателя теплового блока.

Теловой блок двигателя Стирлинга, как представлено на фигуре 1, включает следующие основные части:

1 - нагреватель;

2 - регенератор;

3 - охладитель;

4 - внешний цилиндр;

5 - цилиндр вытеснителя;

6 - головка внешнего цилиндра;

7 - головка цилиндра вытеснителя;

8 - рубашка нагревателя;

9 - рубашка охладителя;

10а - спирали нагревателя;

10, - спирали охладителя;

11 - теплоаккумулирующий материал;

12 - поршень-вытеснитель;

13 - отверстие в головке цилиндра вытеснителя;

14 - коллектор;

15 - шток поршня-вытеснителя;

16 - канал сообщения с рабочим цилиндром.

Как представлено на фигурах 1 и 2, заявляемый тепловой блок двигателя Стирлинга содержит последовательно расположенные нагреватель 1, регенератор 2 и охладитель 3. Нагреватель 1 теплового блока образован верхней частью внешнего цилиндра 4 и цилиндра вытеснителя 5, заканчивающимися головками цилиндров 6 и 7 соответственно, а также рубашкой нагревателя 8, снабженной входными и выходными патрубками (на фигурах отдельно цифрами не отмечены), в которой циркулируют горячий теплоноситель. Зазор между стенками внешнего цилиндра 4 и цилиндра вытеснителя 5 заполнен металлическими спиралями 10а.

Охладитель теплового блока 3 образован нижней частью внешнего цилиндра 4 и цилиндра вытеснителя 5, а также рубашкой охладителя 9, снабженной входными и выходными патрубками, в которой циркулируют холодный теплоноситель. Зазор между стенками внешнего цилиндра 4 и цилиндра вытеснителя 5 в охладителе 3 также заполнен металлическими спиралями 10б.

Металлические спирали 10а и 10б выполняют из металла, обладающего высокой теплопроводностью. Данные спирали плотно укладывают в зазор между стенками цилиндров слоями по окружности зазора так, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт между витками спиралей и стенками цилиндров 4 и 5, а также низкое газодинамическое сопротивление для движения рабочего тела.

Регенератор 2 также образован внешним цилиндром 4 и цилиндром вытеснителя 5, зазор между которыми заполнен теплоаккумулирующим материалом 11.

Внутри цилиндра вытеснителя 5 находится поршень-вытеснитель 12, показанный на фигуре 1 в нижней «мертвой» точке. Для прохождения рабочего тела через нагреватель 1, регенератор 2 и охладитель 3 в верхней части головки цилиндра вытеснителя 7 выполнено отверстие 13.

Внешний цилиндр 4 в своей нижней части закреплен на коллекторе 14, содержащим аксиальный канал (отдельно фигурах не отмечен), в котором перемещается шток поршня-вытеснителя 15, жестко соединенный с ним. Также коллектор содержит канал сообщения с рабочим цилиндром 16, через который рабочее тело (газ) из подпорпшевого пространства поступает в рабочий цилиндр двигателя.

Заявляемый тепловой блок двигателя Стирлинга работает следующим образом.

Тепло, поступающее от горячего теплоносителя, циркулирующего внутри рубашки нагревателя 8, соединяющейся входным и выходным патрубками с внешним источником горячего теплоносителя, через стенку внешнего цилиндра 4 передается металлическим спиралям нагревателя 10а и, далее, рабочему телу.

Аналогично охлаждение рабочего тела происходит посредством его контакта с металлическими спиралями охладителя 10б, передающим тепло через стенки внешнего цилиндра 4, охлаждаемые холодным теплоносителем, циркулирующем внутри рубашки охладителя 9, соединяющейся входным и выходным патрубками с источником холодного теплоносителя.

Таким образом, металлические спирали нагревателя 10а поддерживаются при высокой температуре, близкой к температуре горячего теплоносителя, а металлические спирали охладителя 106 поддерживается при низкой температуре, близкой к температуре холодного теплоносителя.

При движении поршня-вытеснителя 12 из нижней «мертвой» точки вверх, рабочее тело (газ) поступает из надпоршевого пространства через отверстие в головке цилиндра вытеснителя 13 в нагреватель 1, где при прохождении через металлические спирали нагревателя 10а осуществляется его нагрев. При дальнейшем движении рабочего тела его тепло передается теплоаккумулирующему материалу 11 регенератора 2. Дальнейшее движение рабочего тела сопровождается его охлаждением при прохождении через металлические спирали охладителя 106.

Рабочее тело, прошедшее зоны нагревателя, регенератора и охладителя поступает в подпоршневое пространство, собирается над коллектором 14 и через его зазор с цилиндром вытеснителя 5 и канал 16 подается в рабочий цилиндр.

При перемещении рабочего тела в подпоршневое пространство происходит его охлаждение до температуры, близкой к температуре охладителя. При этом происходит падение давления рабочего тела, передающееся через канал 16 в рабочий цилиндр, где производится его сжатие.

При перемещении рабочего тела в надпоршневое пространство происходит его нагревание до температуры, близкой к температуре нагревателя. При этом происходит увеличение давления рабочего тела, которое передается через канал 16 в рабочий цилиндр, где оно совершает полезную работу расширения.

Пример конкретного выполнения теплового блока.

Тепловой блок двигателя Стирлинга, выполненный в соответствии с представленным выше описанием, в котором нагреватель и охладитель в зазоре величиной 3,5 мм между внешним цилиндром и цилиндром вытеснителя (внешний диаметр цилиндра вытеснителя 80 мм, высота 210 мм) заполнены металлическими спиралями из проволоки 12Х18Н10Т диаметром 0,5 мм. Внешний диаметр спиралей в исходном состоянии 4 мм, коэффициент заполнения 20%.

Измерение гидравлического сопротивления и коэффициента теплоотдачи проводилось при следующих параметрах: теплоноситель - воздух при атмосферном давлении, расход воздуха на входе 0,0042 м³/сек. Температура теплоносителя в рубашке нагревателя 250°С, охладителя - 18°С, измерение температур осуществляется термопарой К-типа. Гидравлическое сопротивление измерялось водяным дифференциальным манометром.

Измеряемые характеристики эффективности теплопередачи заявляемого изобретения сравнивались с характеристиками прототипа, в котором в качестве засыпного материала в зазоре между цилиндрами использовались кусочки металлической спирали диаметром 3 мм и высотой 3 мм из проволоки 12Х18Н10Т диаметром 0,5 мм.

Данные проведенных испытаний представлены в таблице ниже.

По полученным данным в ходе испытания заявляемого изобретения в сравнении с прототипом гидравлические потери были уменьшены в 3,9 раза, а тепловая мощность увеличилась в 1,46 раза, что подтверждает заявляемый технический результат.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно двигателям, работающим по циклу Стирлинга. Тепловой блок двигателя Стирлинга содержит последовательно соединенные нагреватель 1, регенератор 2 и охладитель 3, образованные цилиндром 5 вытеснителя с установленным в нем поршнем-вытеснителем и внешним цилиндром 4 с зазором между ними, заполненным металлическими спиралями 10а, 10б с большой теплопроводностью в области нагревателя 1 и охладителя 3 и теплоаккумулирующим материалом 11 в области регенератора 2. Нагреватель 1 и охладитель 3 содержат расположенные снаружи внешнего цилиндра 4 рубашки 8, 9 с горячим и холодным теплоносителем соответственно, содержащие входной и выходной патрубки. Нижняя часть внешнего цилиндра 4 соединена с коллектором 14, содержащим аксиальный канал с расположенным в нем штоком 15 поршня-вытеснителя и канал 16 сообщения с рабочим цилиндром, а верхние части обоих цилиндров 4, 5 заканчиваются головками цилиндров 6, 7, при этом в центре головки цилиндра вытеснителя 7 выполнено отверстие 13. Технический результат - увеличение эффективности работы теплового блока двигателя Стирлинга за счет более эффективной передачи тепла от стенок цилиндров нагревателя и охладителя рабочему телу, а также упрощение конструкции. 2 ил., 1 табл.

Тепловой блок двигателя Стирлинга содержит последовательно соединенные нагреватель, регенератор и охладитель, образованные цилиндром вытеснителя с установленным в нем поршнем-вытеснителем и внешним цилиндром с зазором между ними, заполненным металлическими спиралями с большой теплопроводностью в области нагревателя и охладителя и теплоаккумулирующим материалом в области регенератора, также нагреватель и охладитель содержат расположенные снаружи внешнего цилиндра рубашки с горячим и холодным теплоносителем соответственно, содержащие входной и выходной патрубки, при этом нижняя часть внешнего цилиндра соединена с коллектором, содержащим аксиальный канал с расположенным в нем штоком поршня-вытеснителя и канал сообщения с рабочим цилиндром, а верхние части обоих цилиндров заканчиваются головками цилиндров, при этом в центре головки цилиндра вытеснителя выполнено отверстие.