Парожидкостный двигатель Советский патент 1992 года по МПК F01K19/08 

Изобретение относится к теплотехнике и гидравлике, а именно к устройствам для преобразования тепловой энергии в механическую энергию колебаний жидкости, и может найти применение в малой энергетике в качестве привода насосов.

Известен парожидкостный двигатель, содержащий последовательно соединенные испаритель, парожидкостный канал, холодильник и нагнетательно-всасывающую трубу со всасывающим и нагнетательным патрубками и размещенными на них обратными клапанами.

Недостатком данного устройства является низкий КПД парожидкостного цикла из-за больших необратимых потерь, связанных с тем, что при входе жидкости в испаритель только незначительная часть ее после нагревания переходит в пар, а остальная жидкость, вошедшая в испаритель, нагревается и необратимо уносит значительную часть теплоты из испарителя без преобразования в работу.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является парожидкостный двигатель, содержащий последовательно соединенные испаритель, парожидкостный канал, холодильник и нагнетательно-всасывающую трубу, заполненную жидкостью,вы- полняющей одновременно роль рабочего тела и жидкого поршня, а испаритель со стороны, противоположной парожидкост- ному каналу, соединен с последним допол- нительным трубопроводом, который

VJ VI

О 00

кэ

Ьь

снабжен камерой, заполненной газовой смесью.

Недостатком этого устройства является постепенное уменьшение количества неконденсирующегося газа в рабочей зоне двигателя за счет перехода части парогазовых пузырьков, образующихся в жидком поршне при осуществлении процессов термодинамического цикла, в нагнетательно- всасывающую трубу, в которой эти пузырьки всплывают и уже не возвращаются в рабочую зону двигателя, то есть неконденсирующийся газ постепенно выводится из рабочей зоны двигателя. Уменьшение же количества неконденсирующегося газа приводит к снижению эффективности термодинамического цикла за счет увеличения необратимых потерь.

Целью изобретения является повышение КПД, эффективности преобразования работы термодинамического цикла, устойчивости и надежности в работе.

Поставленная цель достигается тем, что в парожидкостном двигателе, содержащем последовательно соединенные между собой испаритель, парожидкостный канал, холодильник и всасывающе-нагнетательную трубу, заполненные рабочей жидкостью, об- раз9ющей жидкий поршень, а также клапан- ный гидравлический насос и камеру, заполненную газовой смесью, согласно изобретению, испаритель совмещен с клапан- ным гидравлическим насосом для перекачки горячей жидкости, выполненным в виде теплоизолированной полости с отверстием в основании, соединенным с па- рожидкостным каналом, к нижней боковой стенке которой подключен входной патрубок, а к вершине крышки, имеющей коническую форму, выходной патрубок, при этом в полости установлена упругая мембрана, жестко прикрепленная по периметру к ее основанию с образованием полости испарителя переменного обьема, часть обьема которого заполнена смесью пара рабочей жидкости и неконденсирующихся в диапазоне рабочих температур газов, а парожидкостный канал и холодильник выполнены в виде двух вертикально установленных коаксиальных труб, причем нижний конец внутренней трубы подсоединен к всасывающей трубе большего сечения с образованием канала U-образ- ной формы, а нижний конец наружной трубы подсоединен к нагнетательной трубе меньшего сечения также с образованием канала U-образной формы, при этом верхний участок внутренней трубы выполнен в форме конуса, вершина которого расположена на входе в испаритель, на боковой поверхности которого выполнены отверстия, а верхняя часть всасывающей трубы совмещена с камерой, заполненной газовой смесью, в которой герметично установлен выходной участок нагнетательной трубы в

виде усеченного конуса с центральным отверстием, обращенным к поверхности рабочей жидкости, причем насос оснащен поперечной горизонтальной перегородкой, перекрывающей часть сечения полости на0 coca, а входной патрубок проходит через основание полости насоса перед подключением его к боковой стенке полости в зоне между перегородкой и мембраной.

Сопоставительный анализ заявляемого

5 решения и прототипа показывает, что парожидкостный двигатель отличается от известного тем, что испаритель совмещен с клапанным насосом для прокачки горячего теплоносителя, который одновременно яв0 ляется источником тепла для двигателя, а столб жидкости над упругой мембраной в полости клапанного насоса выполняет роль маховика, который улучшает термодинамические характеристики цикла. Заполнение

5 части объема испарителя неконденсирующимся газом или смесью газов обеспечивает повышение термодинамической эффективности цикла за счет эффекта образования пузырьков в жидкости, которые в

0 результате гидродинамических процессов обеспечивают впрыск в испаритель дозированного количества жидкости, полностью переходящей в парообразное состояние, повышают максимальное давление в рабо5 чем объеме двигателя и обеспечивают регенерацию отработанного тепла. Выполнение парожидкостного канала и холодильника в виде двух коаксиальных труб и отделение всасывающей трубы от нагнетательной, а

0 также выполнение указанного соотношения между диаметрами этих труб позволяет создать циркуляцию жидкости в контуре парожидкостного двигателя, что при размещении камеры с неконденсирующим5 ся газом в верхней части всасывающей трубы и установке в камере выходного участка нагнетательной трубы в виде усеченного конуса с отверстием, обращенным к поверхности рабочей жидкости, позволяет

0 обеспечить хорошее перемешивание рабочей жидкости и неконденсирующегося газа в холодной зоне двигателя, что в свою очередь обеспечивает высокое насыщение жидкости неконденсирующимся газом и до5 ставку ее в парожидкостный канал, где по мере повышения температуры жидкости растворенный газ выделяется в пузырьки. В результате газовые пузырьки, уходящие из парожидкостного канала в нагнетательную трубу, возвращаются в парожидкостный канал по всасывающей трубе, обеспечивая поддержание постоянного количества газа в рабочем объеме и рабочей жидкости, что повышает надежность и устойчивость двигателя в работе.

На чертеже изображена принципиальная схема парожидкостного двигателя.

Двигатель содержит испаритель 1 (парогенератор), размещенный в полости 2 клапанного гидравлического насоса для перекачки горячей жидкости и образованный упругой мембраной 3 и основанием 4 полости 2 насоса с отверстием 5, подключенным к последовательно соединенным между собой парожидкостному каналу 6 и холодильнику 7, выполненным в виде двух вертикально установленных коаксиальных труб, из которых внутренняя труба 8 своим концом подключена к всасывающей трубе 9 большего сечения с образованием канала U-образной формы, а наружная труба 10 своим нижним концом подсоединена к нагнетательной трубе 11 меньшего сечения также с образованием канала U-образной формы, при этом верхний участок 12 внутренней трубы имеет форму конуса с вершиной, расположенной на входе в испаритель 1, на боковой поверхности которого выполнены отверстия 13, а верхняя часть всасывающей трубы 9 совмещена с камерой 14, заполненной газовой смесью, в которой герметично установлен выходной участок 15 нагнетательной трубы 11 в виде усеченного конуса с отверстием, обращенным к поверхности рабочей жидкости.

Полость 2 клапанного насоса теплоизолирована теплоизоляцией 16. К нижней части боковой стенки полости 2 подсоединен входной патрубок 17 с обратным клапаном 18, а к крышке 19 конической формы в ее вершине подключен выходной патрубок 20 с обратным клапаном 21. Каналы двигателя заполнены рабочей жидкостью, выполняющей одновременно роль рабочего тела и жидкого поршня, а часть объема испарителя заполнена смесью пара рабочей жидкости и неконденсирующихся в диапазоне рабочих температур газов. Для улучшения условий передачи тепла от горячей жидкости к рабочему телу в испарителе парожидкостного двигателя всасывающий патрубок перед подключением к полости насоса в зоне между перегородкой и мембраной проходит через ее основание в виде параллельных каналов, а затем за счет установки в полости насоса поперечной горизонтальной перегородки 22, переключающей часть сечения полости, горячая вода проходит вдоль поверхности упругой мембраны 3.

Парожидкостный двигатель работает следующим образом.

Для запуска парожидкостного двигателя в полость 2 гидравлического насоса под- 5 ают подлежащую перемещению насосом среду, например, теплую воду из солнечного коллектора. Через стенки испарителя 1 теплоту перекачиваемой среды получает находящееся в испарителе рабочее тело в виде

0 парогазовой смеси и жидкости. Жидкость рабочего тела закипает, а неконденсирующийся газ нагревается, что приводит к увеличению количества пара в испарителе 1 и к увеличению в нем давления парогазовой

5 смеси. Под действием этого давления упругая мембрана 3 испарителя выпучивается, увеличивая объем испарителя 1, При этом происходит уменьшение объема полости 2 насоса с возрастанием давления в ней и, как

0 следствие, вытеснение из полости 2 насоса перекачиваемой среды в распылительные сети системы отопления и горячего водоснабжения.

Под действием давления парогазовой

5 смеси рабочая жидкость перемещается по внутренней 8 и наружной 10 трубами и поступает соответственно во всасывающую 9 и нагнетательную 11 трубы. Поскольку диаметр внутренней трубы 8 значительно мень0 ше диаметра всасывающей трубы 9, а диаметр наружной трубы 11 значительно больше диаметра нагнетательной трубы 11, подъем жидкости в нагнетательной трубе 11 будет существенно выше, чем во всасываю5 щей трубе 9. В результате замыкание конца нагнетательной трубы 11 на всасывающую трубу 9 через камеру 14, запопненную неконденсирующимся газом, обеспечивает, во-первых, циркуляцию рабочей жидкости в

0 контуре парожидкостного двигателя и, во- вторых, насыщение рабочей жидкости неконденсирующимся газом при ударе струи жидкости, выходящей из конического участка 15 нагнетательной трубы 11, о ее поверх5 ность в камере 14, при котором происходит захват жидкой струей неконденсирующегося газа, причем размещение камеры 14 в наиболее холодной части контура двигателя позволяет обеспечить максимальное насы0 щение рабочей жидкости неконденсирующимся газом.

Процесс расширения парогазовой смеси над жидкостью в парожидкостном канале протекает по принципу затопленных паро5 газовых струй с образованием в жидкости в конце рабочего хода парогазовых пузырьков и образованием значительного прогиба поверхности жидкости на границе раздела фаз с увеличением площади этой поверхности. Это позволяет интенсифицировать процесс конденсации отработанного пара в конце рабочего хода за счет увеличения теп- лообменной поверхности между паром и жидкостью при образовании конуса конденсации и парогазовых пузырьков, Интенсификация процесса конденсации отработанного пара ускоряет этот процесс и обеспечивает более полную конденсацию отработанного пара. Пои этом часть образовавшихся пузырьков будет уноситься с жидкостью в нагнетательную трубу 11, а из нее-в камеру 14.

Энергия, затраченная на поднятие столба жидкости в полости 2 насоса, при увеличении объема полости испарителя 1 возвращается в цикл, когда давление парогазовой смеси снижается в процессе ее расширения с совершением работы по перемещению жидкого поршня и становится ниже давления столбы жидкости в полости 2 насоса, которое начинает выталкивать парогазовую смесь из испарителя, обеспечивая возможность преобразования энергии вытесненной из испарителя парогазовой смеси, а также энергия столба жидкости в полости 2 насоса, в дополнительную работу по перемещению рабочей жидкости в процессе рабочего хода. Кроме того, вытеснение парогазовой смеси из испарителя обеспечивает уменьшение мертвого объема двигателя, что сви- детельствует о более глубоком преобразовании энергии парогазовой смеси в работу, что при наличии изменяющейся площади теплообменной поверхности повышает термодинамическую эффективность цикла предложенного двигателя. После конденсации отработанного пара, охлаждения неконденсирующегося газа и отвода тепла от рабочей жидкости в холодильнике 7, завершаются процессы рабочего хода. Как только давление парогазовой смеси в рабочем объеме за счет конденсации отработанного пара и перехода части газа в жидкость в виде пузырьков станет ниже давления в камере, начнется обратное движение жидкости в обоих U-об- разных каналах в сторону испарителя.

При обратном ходе жидкость, во внутренней трубе 8, насыщенная неконденсирующимся газом, будет двигаться со значительно большей скоростью, чем в межтрубном пространстве. Поскольку эта жидкость является более холодной, чем жидкость в межтрубном пространстве, то при своем движении в сторону испарителя 1 она будет отбирать тепло от жидкости, движущейся в межтрубном пространстве, обеспечивая процесс регенеративного подогрева рабочей жидкости во внутренней трубе 8, движущейся в сторону испарителя 1, Нагрев насыщенной неконденсирующимся газом жидкости сопровождается выделением газа в виде пузырьков и испарением в них пара, за счет чего пузырьки будут увеличиваться в размерах. При понижении давления рабочего тела пузырьки смеси неконденсирующихся газов являются очагами испарения в них окружающей рабочей жидкости и аккумулируют ее тепловую энергию. Испарение рабочей жидкости в объем

0 пузырьков сопровождается ее охлаждением, в результате чего уменьшается количество тепла, передаваемого от рабочего тела окружающей среде в холодильнике 7. Таким образом, в предложенном двигателе осуще5 ствляется двухступенчатая регенерация отработанного тепла, что существенно повышает его термодинамическую эффективность по сравнению с прототипом. После того как рабочая жидкость с парогазовыми

0 пузырьками, движущимися по внутренней трубе 8, достигнет конического участка с отверстиями, часть ее вместе с пузырьками будет попадать в межтрубное пространство и затем смешиваться с рабочей жидкостью,

5 находящейся в ней, а другая часть в виде брызг от лопнувших пузырьков направится в испаритель 1.

Жидкость, попавшая в межтрубное пространство, обеспечивает конденсацию от0 работанного пара. Парообразование жидкости на теплообменной поверхности испарителя 1 приведет к повышению давления парогазовой смеси в рабочем объеме, в результате чего произойдет упругая дефор5 мация мембраны 3 испарителя 1, что приведет к многократному увеличению теплообменной поверхности испарителя 1. Кроме того, повышение давления в рабочем объеме приведет к концентрации пузырьков

0 у границы раздела фаз в межтрубном пространстве при приближении жидкого поршня к испарителю 1 и их несимметричному схлопыванию с образованием высокоскоростных струй из окружающей пузырьки жид5 кости, нагреваемой в процессе их схлопывания. Эти струи практически мгновенно попадают в испаритель 1 и распределяются по всей теплообменной поверхности. Возможно также, что при дви0 жении рабочей жидкости к испарителю 1 часть ее, насыщенная парогазовыми пузырьками е виде пены, войдет в испаритель 1. Однако в обоих случаях в испаритель попадает ограниченное количество жидкости,

5 которая полностью испаряется на теплообменной поверхности испарителя 1. Жидкий поршень при обратном ходе останавливается у входа в испаритель 1 из-за резкого увеличения давления в рабочем объеме в результате описанных выше процессов, что

существенно уменьшит необратимые потери на нагревание жидкости и последующего отвода этого тепла без совершения работы. Перед входом в испаритель 1 пузырьки сжимаются с повышением термодинамического потенциала их содержимого, которое выбрасывается из жидкого поршня в испаритель 1, с образованием брызг и струй, возвращая тем самым в зону нагрева парогазовую смесь повышенного потенциала для повторного использования, а также дозированное количество жидкости.

На этом завершаются процессы обратного хода, после чего термодинамический цикл повторяется в указанной последовательности.

Унос из рабочего объема с пузырьками неконденсирующегося газа в процессе рабочего хода компенсируется постоянным подводом такого же количества неконденсирующегося газа в рабочий объем с жидкостью, насыщенной этим газом, подаваемой по внутренней трубе 8 во время обратного хода, что позволяет поддерживать в рабочем объеме постоянное количество неконденсирующегося газа. Это позволяет существенно повысить устойчивость и надежность двигателя в работе, а отсутствие обратных клапанов .в контуре двигателя обеспечивает дополнительное повышение его надежности.

Таким образом, предложенный двигатель обладает повышенным КПД, высокой устойчивостью и надежностью в работе за счет двойной регенерации энергии, повышенной теплообменной поверхности испарителя, минимального мертвого объема, поддержания постоянного количества неконденсирующегося газа в рабочем объеме и отсутствием обратных клапанов в контуре парожидкостного двигателя.

Формула изобретения

Парожидкостный двигатель, содержащий последовательно соединенные между собой испаритель, парожидкостный канал, холодильник и всасывающе-нагнетатель- ную трубу, заполненные рабочей жидкостью, образующей жидкостной поршень, а

также клапанный гидравлический насос и камеру, заполненную газовой смесью, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, эффективности преобразования ра- 5 боты термодинамического цикла, устойчивости и надежности работы, испаритель совмещен с клапанным гидравлическим насосом для перекачки горячей жидкости, последний выполнен в виде теплоизолирован0 ной полости с отверстием в основании, соединенным с парожидкостным каналом, в . нижней части боковой стенки насоса подключен входной патрубок, а к вершине крышки, имеющей коническую форму, под5 ключей выходной патрубок, при этом в полости насоса установлена упругая мембрана, жестко закрепленная по периметру корпуса с образованием полости испарителя переменного объема, часть объема которого заполне0 на смесью пара рабочей жидкости и неконденсирующихся в диапазоне рабочих температур газов, парожидкостный канал и холодильник выполнены в виде двух вертикально установленных коаксиальных труб,

5 нижний конец внутренней трубы подсоединен к всасывающей трубе большого сечения с образованием канала U-образной формы, нижний конец наружной трубы подсоединен к нагнетательной трубе меньшего сече0 ния с образованием канала U-обраэной формы, верхний участок внутренней трубы выполнен в форме конуса, вершина которого расположена на входе в испаритель, на боковой поверхности последнего выполне5 ны отверстия, верхняя часть всасывающей трубы совмещена с камерой, заполненной газовой смесью, в которой герметично установлен выходной участок нагнетательной трубы, выполненный в виде усеченного ко0 нуса с центральным отверстием, обращенным к поверхности рабочей жидкости, насос снабжен горизонтальной перегородкой, закрепленной на стенке корпуса с возможностью частичного перекрытия полости

5 насоса, а входной патрубок проходит через днище корпуса насоса и подключен к отверстию в его боковой стенке в зоне между перегородкой и мембраной.

2t

Сущность изобретения- испаритель совмещен с клапанным гидравлическим насосом для перекачки горячей жидкости и выполнен в виде теплоизолированной полости с отверстием в основании, соединенным с парожидкостным каналом. В нижней части боковой стенки насоса расположен входной патрубок, к вершине конической крышки присоединен выходной патрубок. В полости насоса установлена упругая мембрана, жестко закрепленная по периметру корпуса с образованием полости испарителя переменного объема. Часть объема заполнена смесью пара рабочей жидкости и неконденсирующихся в диапазоне рабочих температур газов. Холодильник выполнен в виде двух вертикально установленных коакси- альныхтруб. Нижний конец внутренней трубы подсоединен к всасывающей трубе большего сечения с образованием канала U-образной формы. Нижний конец наружной трубы подсоединен к нагнетательной трубе меньшего сечения с образованием канала U-образной формы. Верхний участок внутренней трубы выполнен в виде конуса, вершина к-рого расположена на входе в испаритель. 1 ил.