СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА С УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ Российский патент 2025 года по МПК F02G1/43 F02G1/55 

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к энергомашиностроению, а конкретно к свободнопоршневым двигателям Стирлинга (далее СПДС), которые известны надежностью, длительным сроком службы и отсутствием необходимости периодического обслуживания, что наделяет их функциональными и универсальными показателями для возможности успешного использования в промышленности и конкурирования с известными аналогами.

Уровень техники

СПДС известны своей высокой надежностью и длительным сроком службы без необходимости технического обслуживания. В настоящее время СПДС в основном используются в системах малой генерации электроэнергии. СПДС отличаются разнообразием в выборе источника тепла, что позволяет использовать любой источник тепла, например отходящее тепло и солнечную энергию.

СПДС могут эффективно преобразовывать тепло в электричество, обеспечивая устойчивое и децентрализованное энергетическое решение. Эффективный теплообмен при процессах нагрева и охлаждения, происходящих внутри СПДС, имеет критическое значение для их эффективной и надежной работы.

Из уровня техники известен двигатель на базе цикла Стирлинга с улучшенным теплообменником (см. US 7000390, кл. F01B29/10, опубл. в 2006 г. [1]).

Известное решение [1] относится к энергомашиностроению, а именно к внутреннему теплообменнику СПДС.

Известный двигатель на базе цикла Стирлинга с улучшенным теплообменником представляет собой усовершенствованный СПДС, имеющий вытеснитель, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения в цилиндре под давлением, который содержит рабочее тело, и теплообменники, находящиеся в теплопроводящем контакте с цилиндром под давлением для передачи тепла между внутренней и внешней частью цилиндра под давлением.

Известный двигатель на базе цикла Стирлинга [1] отличается способностью эффективно передавать тепло между рабочим телом и внутренними теплообменниками.

Основной особенностью известного решения [1] является внутренний теплообменник в виде кольцевого канала, образованного из теплопроводящей твердой массы и теплопроводно соединенного с внутренней частью цилиндра под давлением. Кольцевой канал имеет центральную ось и противоположные в осевом направлении грани со множеством линейных проходов через кольцо и противоположные грани. Каналы находятся в жидкостном сообщении с рабочим телом для протекания рабочего тела через каналы и передачи тепловой энергии между массой и рабочим телом.

В качестве недостатка известного решения [1] следует отметить следующий.

Эффективность теплоотвода внутреннего теплообменника, а именно охладителя, снижается из-за возвратно-поступательного движения рабочего тела в том же кольцевом канале. Рабочее тело, выходя из регенератора и протекая через охладитель, отдает тепло теплоносителю, постоянно циркулирующему в рубашке охлаждения, и направляется в объем с минимальной температурой (объем сжатия). Затем рабочее тело поступает обратно в охладитель (по тому же кольцевому каналу) с более низкой температурой и направляется в объем с максимальной температурой (объем расширения). В процессе теплообмена температура стенки охладителя снижается, и, следовательно, это приводит к уменьшению градиента температуры между стенкой и теплоносителя в рубашке охлаждения.

Из уровня техники известен охладитель СПДС с линейным генератором (см. https://elibrary.ru/download/elibrary_46605448_51609017.PDF [2]).

Известное решение [2] относится к энергомашиностроению и может применяться в СПДС с линейным генератором.

Известная система [2] характерна тем, что каналы внутреннего теплообменника (охладителя) разделены в зависимости от направления рабочего газа для повышения эффективности теплоотвода в системе охлаждения СПДС с линейным генератором. Дополнительно в конструкцию включены постоянный магнит и электромагнит, выполненные в виде колец для организации течения рабочего тела в этих каналах в зависимости от направления.

В качестве недостатка решения [2] следует отметить следующий.

Использование в двигателе дополнительных возвратно-поступательных компонентов, таких как постоянный магнит для реорганизации потока рабочего тела в каналах охладителя в зависимости от направления, усложняет конструкцию двигателя и влияет на надежность двигателя. Кроме того, отсутствие изоляции между каналами охладителя снижает максимально возможную эффективность отвода тепла.

Наиболее близким с точки зрения технической сути к заявляемому изобретению следует считать тепловой блок СПДС, известный из публ. RU 2757746, кл. F02G1/043, опубл. в 2021 г. [3]).

Известное из уровня техники решение [3] относится к области двигателестроения, а именно к устройству теплового блока двигателей, работающих по циклу Стирлинга, и может быть использовано в различных СПДС, применяемых в изолированных районах, в космическом пространстве и т.д., а также там, где неэффективно или невозможно применять двигатели внутреннего сгорания, а также паровые двигатели или турбины.

Известный из публикации [3] тепловой блок содержит цилиндр с поршнем- вытеснителем, нагреватель, регенератор и охладитель.

В соответствии с замыслом известного решения [3] нагреватель теплового блока состоит из наружного и внутреннего цилиндров, а также головки цилиндра, содержащих внутренние полости, при этом внутренний цилиндр нагревателя в своей верхней части соединяется над стенками цилиндра вытеснителя с наружным цилиндром нагревателя, а в нижней части - с головкой цилиндра с образованием единого объема для циркуляции горячего теплоносителя, при этом охладитель теплового блока охватывает нижнюю часть цилиндра вытеснителя и образован рубашкой охлаждения, также на боковых поверхностях нагревателя и охладителя, контактирующих с цилиндром вытеснителя, нанесены продольные щелевые каналы.

Имеющаяся в известном тепловом блоке СПДС [3] “мертвая” часть двигателя занимает определенную часть объема рабочего пространства, что существенно снижает эффективность теплоотвода от охладителя, а также разбалансирует процессы теплопередачи, ухудшая тем самым относительные показатели устойчивости и стабильности при непосредственной эксплуатации автономной энергетической системы.

Раскрытие изобретения

Технической проблемой предлагаемого изобретения является создание усовершенствованного СПДС с заметно улучшенными технико-эксплуатационными показателями.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является реализация указанного назначения по созданию модифицированной вариации СПДС, эксплуатация которого сопровождается увеличенным теплоотводом от охладителя, что позволяет увеличить перепад температур и уменьшить “мертвый” объем двигателя.

Заданный технический результат и рассматриваемая техническая проблема достигаются в результате того, что блок охлаждения свободнопоршневого двигателя Стирлинга содержит охладительное устройство с изолированным делителем потока, выполненным с возможностью предотвращения теплообмена между образованными входным и выходным каналами, усиливая при этом эффективность отвода тепла с единовременным исключением влияния на температуру подвижного рабочего тела, прохождение которого по первому каналу производится из имеющегося объема расширения с предельно максимальной температурой в имеющийся объем сжатия с предельно минимальной температурой, а по второму каналу производится наоборот из имеющегося объема сжатия с предельно минимальной температурой в имеющийся объем расширения с предельно максимальной температурой.

Предлагается к рассмотрению усовершенствованная новая вариация СПДС, который является универсальным в использовании, надежным, обладает длительным сроком службы, имеет улучшенные функциональные параметры, а также высокие технико-эксплуатационные показатели, которые проявляются в увеличении теплоотвода от охладителя, позволяя увеличивать перепад температур и уменьшать нежелательный, но имеющий место быть так называемый “мертвый” объем двигателя.

В соответствии с изобретательским замыслом, имеющийся в составе СПДС охладитель (охладительное устройство) подразделяется на каналы, первый из которых служит для течения рабочего тела из объема с максимальной температурой (объем расширения) в объем с минимальной температурой (объем сжатия), а другой для течения рабочего тела из объема с минимальной температурой (объем сжатия) в объем с максимальной температурой (объем расширения), при этом охладитель имеет суживающиеся и расширяющиеся входы и выходы, что способствует прохождению рабочего тела в необходимом канале в зависимости от его направления, а как таковое образование каналов в охладителе с разной отдаленностью от имеющейся рубашки охлаждения позволяет теплообменнику поддерживать более высокие температуры поверхности самого охладителя (охладительное устройство), что приводит к повышению эффективности отвода тепла от охладителя.

Указанное рабочее тело, выходящее из зоны сжатия, будет оказывать минимальное влияние на температуру поверхности охладителя, взаимодействующего с наружным контуром охладителя, а изолированный делитель потока исключает возможность теплообмена между каналами, что позволяет максимально повысить эффективность отвода тепла из канала, расположенного ближе к рубашке охлаждения, и в сущности не влиять на температуру рабочего тела, вытекающего из зоны сжатия в объем с максимальной температурой (объем расширения).

Предлагаемый блок охлаждения СПДС образует совокупность технических признаков, достаточных для достижения заданного технического результата, заключающегося в реализации назначения по созданию модифицированной вариации СПДС, эксплуатация которого сопровождается увеличенным теплоотводом от охладителя, что позволяет увеличить перепад температур и уменьшить “мертвый” объем двигателя, в связи с чем обеспечивается решение обозначенной технической проблемы по созданию, усовершенствованного СПДС с заметно улучшенными технико-эксплуатационными показателями.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан продольный разрез, предлагаемого СПДС при перетекании рабочего тела из объема с максимальной температурой (объем расширения) в объем с минимальной температурой (объем сжатия);

На фиг. 2 показан фрагмент продольного разреза охладителя при перетекании рабочего тела из объема с максимальной температурой (объем расширения) в объем с минимальной температурой (объем сжатия);

На фиг. 3 показан фрагмент продольного разреза охладителя при перетекании рабочего тела из объема с минимальной температурой (объем сжатия) в объем с максимальной температурой (объем расширения).

Осуществление изобретения

Предлагаемый блок охлаждения СПДС поясняется конкретными примерами выполнения и реализации, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядным образом демонстрируют достижение указанной совокупностью существенных признаков указанного технического результата, а также решение существующей технической проблемы.

На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 числовыми позициями обозначены следующие части и элементы, используемые при осуществлении предлагаемого изобретения:

1 - вытеснитель;

2 - нагреватель;

3 - регенератор;

4 - вход в охладитель при перетекании рабочего тела из объема с максимальной температурой (объем расширения);

5 - выход из охладителя при перетекании рабочего тела из объема с максимальной температурой (объем расширения);

6 - выход теплоносителя из рубашки охлаждения;

7 - внутренний корпус;

8 - рабочий поршень;

9 - плоская пружина;

10 - буферная зона;

11 - внешний корпус;

12 - линейный генератор переменного тока;

13 - постоянный магнит;

14 - стенка рубашки охлаждения;

15 - вход теплоносителя в рубашки охлаждения;

16 - внешний канал охладителя;

17 - внутренний канал охладителя;

18 - объем с минимальной температурой (объем сжатия);

19 - объем с максимальной температурой (объем расширения);

20 - изолированный делитель потока;

21 - выход из охладителя при перетекании рабочего тела из объема с минимальной температурой (объем сжатия);

22 - вход в охладитель при перетекании рабочего тела из объема с минимальной температурой (объем сжатия).

Итак, блок охлаждения СПДС содержит охладительное устройство с изолированным делителем потока 20.

Изолированный делитель потока 20 выполнен с возможностью предотвращения теплообмена между образованными входным и выходным каналами (16,17), усиливая при этом эффективность отвода тепла с единовременным исключением влияния на температуру подвижного рабочего тела.

Прохождение рабочего тела по первому каналу производится из имеющегося объема расширения 19 с предельно максимальной температурой в имеющийся объем сжатия 18 с предельно минимальной температурой, а по второму каналу производится наоборот из имеющегося объема сжатия 18 с предельно минимальной температурой в имеющийся объем расширения 19 с предельно максимальной температурой.

Осуществляется предлагаемый блок охлаждения СПДС следующим образом.

Предлагаемый СПДС включает в себя два подвижных компонента, а именно вытеснитель 1 и рабочий поршень 8, которые встроены во внутренний 7 и внешний 11 корпус двигателя. Движение рабочего поршня 8 и вытеснителя 1 связано динамикой давления рабочего тела, в качестве которого используется гелий. Вытеснитель 1 прикреплен к плоской пружине 9, образующей резонансную систему, при этом рабочий поршень 8 совершает возвратно-поступательное движение под действием газовой пружины в буферной зоне 10.

Сначала тепло внешнего источника энергии передается рабочему телу в нагревателе 2. Вытеснитель 1 перемещает рабочее тело из объема расширения 19 в объем сжатия 18. Рабочее тело поступает через регенератор 3 в охладитель 4. Рабочее тело вынуждено перетекать через внешний канал охладителя 16 ближе к стенке рубашки охлаждения 14 за счет выполненного расширенным входа 4 и вытекать из сужающегося канала внешнего канала охладителя 5. Сужение и расширение каналов 16 и 17 в охладителе организуется изолированным делителем потока 20. Тепло от рабочего тела отводится внешнему теплоносителю, поступающему в рубашку охлаждения 15 и затем выходящему из него через выход 6.

Затем рабочий поршень 8 движется вверх, а вытеснитель 1 - вниз, сжимая рабочее тело и перемещая рабочее тело из объема сжатия 18 в объем расширения 19. Рабочее тело вынуждено перетекать через внутренний канал 17 охладителя, который находится дальше от стенки рубашки охлаждения 14 за счет расширенного входа 22, и вытекать из сужающегося канала внутреннего канала охладителя 21. Затем рабочее тело поступает через регенератор 3 в нагреватель 2, и процесс повторяется циклически. Результирующее циклическое изменение давления в двигателе, приводящее к механической работе, преобразуется в электрическую энергию. Электрическая энергия вырабатывается линейным генератором переменного тока 12, в котором к рабочему поршню 8 прикреплен постоянный магнит 13, производящий электричество непосредственно за счет линейного хода рабочего поршня 8, движущегося через возбужденную катушку втулки линейного генератора 12.

В результате реорганизации потока рабочего тела внутри охладителя по двум каналам 16 и 17 в зависимости от направления потока повышается эффективность теплоотвода в охладителе, поскольку течение рабочего тела из объема сжатия 18 обратно в объем расширения 19 не приводит к снижению температуры стенки рубашки охлаждения 14, поддерживая более высокий перепад температур между рабочим телом, вытекающим из зоны расширения 19, и стенкой рубашки охлаждения 14. Применение статического изолированного делителя потока 20 снижает сложность разделения охладителя на два канала 16 и 17, а также не влияет на надежность двигателя.

Кроме того, изолированный делитель потока 20 предотвращает передачу тепла между каналами 16 и 17 при течении рабочего тела из объема сжатия 18 обратно в объем расширения 19, обеспечивая максимально возможную эффективность отвода тепла.

Указанные усовершенствования приводят к снижению температуры рабочего тела в двигателе, что приведет к увеличению КПД двигателя за счет увеличения перепада температур в цикле, также это приводит к уменьшению размеров охладителя при той же тепловой нагрузке охладителя, уменьшению мертвого объема двигателя, что в конечном счете приводит к увеличению выходной мощности двигателя.

Предлагаемое изобретение найдет широкое применение в промышленности и может быть успешно использовано в системах малой генерации электроэнергии.

Изобретение может быть использовано в свободнопоршневых двигателях Стирлинга. Блок охлаждения свободнопоршневого двигателя Стирлинга содержит охладительное устройство с изолированным делителем (20) потока. Делитель (20) потока выполнен с возможностью предотвращения теплообмена между образованными входным и выходным каналами. Обеспечивается эффективность отвода тепла с единовременным исключением влияния на температуру подвижного рабочего тела. Прохождение подвижного рабочего тела по первому каналу производится через вход (4) из имеющегося объема расширения с предельно максимальной температурой. Через выход (5) подвижное рабочее тело попадает в имеющийся объем сжатия с предельно минимальной температурой. По второму каналу прохождение подвижного рабочего тела производится наоборот из имеющегося объема сжатия с предельно минимальной температурой в имеющийся объем расширения с предельно максимальной температурой. Технический результат заключается в увеличении теплоотвода от охладителя. 3 ил.

Блок охлаждения свободнопоршневого двигателя Стирлинга, содержащий охладительное устройство с изолированным делителем потока, выполненным с возможностью предотвращения теплообмена между образованными входным и выходным каналами, усиливая при этом эффективность отвода тепла с единовременным исключением влияния на температуру подвижного рабочего тела, прохождение которого по первому каналу производится из имеющегося объема расширения с предельно максимальной температурой в имеющийся объем сжатия с предельно минимальной температурой, а по второму каналу производится наоборот из имеющегося объема сжатия с предельно минимальной температурой в имеющийся объем расширения с предельно максимальной температурой.