Парожидкостный двигатель Советский патент 1992 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к тепловым двигателям, а именно к двигателям внешнего нагрева с жидким поршнем и может найти применение в качестве привода насосов.

Известен парожидкостной двигатель, содержащий последовательно соединенные испаритель, парожидкостной канал, холодильник и нагнетательно-всасывэющую трубу, заполненные жидкостью, выполняющей одновременно роль рабочего тела и жидкого поршня, а испаритель со стороны, противоположной парожидкостному каналу, соединен с последним дополнительным трубопроводом, который снабжен камерой, заполненной газовой смесью. Недостатком этого устройства является постепенно 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 уменьшению эффективности термодинамического цикла за счет увеличения необратимых потерь.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является парожидкостной двигатель, содержащий последовательно соединенные испаритель, ларожидкостной канал, холодильник и нагнетательно-всасывающую трубу, соединенную с клапанным гидравлическим насосом, образующим канал U-образной формы, причем испаритель, парожидкостной канал и холодильник заполнены рабочей жидкостью, выполняющей одновременно роль рабочего тела и жидкого поршня, а между рабочей и перекачиваемой насосом жидкостями в U-образ- ном канале размещена промежуточная жидкость, инертная по отношению к рабочей и перекачиваемой жидкостям и недопускающая смешения с ними, плотность которой выше плотности рабочей и перекачиваемой насосом жидкости.

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 после нагревания переходит в пар, а остальная жидкость, вошедшая в испаритель, нагревается и необратимо уносит значительную часть теплоты из испарителя без преобразования в работу.

Цель изобретения - повышение КЛД, устойчивости и надежности работы.

Поставленная цель достигается тем, что в парожидкостном двигателе, содержащем

последовательно соединенные испаритель с продольными ребрами с внешней стороны, парожидкостной канал, холодильник и нагнетательно-всасывающую трубу, соединенную с клапанами гидравлическим насо0 сом, образующие канал U-образной формы, причем испаритель, парожидкостной канал и холодильник заполнены рабочей жидкостью, выполняющей одновременно роль рабочего тела и жидкого поршня, а между

5 рабочей и перекачиваемой насосом жидкостями в U-образном канале размещена промежуточная жидкость, инертная по отношению к рабочей и перекачиваемой жидкостям и не допускающая смешения с ними, 0 плотность которой выше плотности рабочей и

перекачиваемой насосом жидкости, согласно изобретения, парожидкостной канал с внутренней стороны на границе с холодильником снабжен турбулизатором, а испаритель

5 с внутренней стороны имеет продольные ребра покрытые слоем капиллярно-пористого материала, при этом часть объема испарителя заполнена смесью пара рабочей жидкости и неконденсирующихся в диапа0 зоне рабочих температур газов, при этом турбулизатор выполнен либо в виде кольцевых выступов с внутренней стороны парожидкостного канала на границе с холодильником, либо в виде нескольких ре5 шеток, установленных внутри парожидкостного канала в его поперечном сечении на границе с холодильником. Сопоставительный анализ заявляемого решения и прототипа показывает, что парожидкостной

0 двигатель отличается от известного испарителем, имеющим развитую теплообменную поверхность в виде внутренних продольных ребер, которые вместе с внутренней поверхностью испарителя покрыты слоем капил5 лярно-пористого материала, что улучшает условия теплообмена между нагревающей средой и рабочим телом двигателя, в результате повышается выработка пара в испарителе и, как следствие, повышается единичная

0 мощность двигателя. Заполнение части объема испарителя неконденсирующимся газом или смесью газов обеспечивает повышение термодинамической эффективности цикла за счет эффекта, связанного с образованием

5 пузырьков в жидкости, которые в результате гидродинамических процессов обеспечивают впрыск в испаритель дозированного количества жидкости, полностью переходящей в парообразное состояние, повышают максимальное давление в рабочем объем двигателя и обеспечивают регенерацию отработанного тепла. Снабжение же парожидкост- ного адиабатического участка на границе с холодильником турЬулизатором позволяет повысить интенсивность образования пузырьков в конце рабочего хода за счет тур- булизации потока в момент прохождения через турбулизатор границы раздела фаз.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема парожидкостного двигателя; на фиг. 2 - вариант выполнения турбулизатора в виде решетки с крупными ячейками.

Двигатель содержит последовательно соединенные испаритель 1, парожидкост- ной адиабатический канал 2 и холодильник 3. Испаритель 1 выполнен в виде заглушенного с торца канала, стенки которого с наружной и внутренней стороны снабжены продольными ребрами 4 и 5 соответственно, причем внутренние ребра 5 вместе с внутренней поверхностью испарителя 1 покрыты слоем капиллярно-пористого материала, а парожидкостной канал 2 с внутренней стороны на границе с холодильником 3 снабжен турбулизатором, который может быть выполнен либо в виде решетки 7 с крупными ячейками. Холодильник 3 подключен к нагнетательно-всасывающей трубе 8, соединенной с клапанным насосом, выполненным в виде трубы с нагнетательным 9 и всасывающим 10 участками с установленными в них обратными клапанами 11 и 12 соответственно. Испаритель 1, парожидкостной канал 2 и холодильник 3 заполнены рабочей жидкостью 13, выполняющей одновременно роль рабочего тела и жидкого поршня, а между рабочей 13 и перекачиваемой насосом жидкостями размещена промежуточная жидкость 14, не допускающая смешения с ними.

Парожидкостной двигатель работает следующим образом.

Перед началом работы двигатель и насос заправляются рабочей жидкостью 13, промежуточной жидкостью 14 и перекачиваемой насосом жидкостью, а в испаритель 1 вводится неконденсирующийся газ в количестве составляющем часть объема испарителя 1. Затем к рабочему телу в испаритель 1 подводится, а в холодильнике 3 от него отводится теплота. В испарителе 1 тепло нагревающей среды передается рабочему телу в виде парогазовой смеси и жидкости. Парогазовая смесь нагревается, а жидкость рабочего тела после нагревания в результате кипения частично переходит в пар, что приводит к увеличению количества пара в испарителе 1 и кувеличению в нем давления парогазовой смеси Под действием давления парогазовой смеси рабочая жидкость

перемещается по парожидкостному адиабатическому каналу 2 и холодильнику 3. Вместе с рабочей жидкостью по U-образному каналу перемещается промежуточная жидкость и перекачиваемая, которая открывает обратный клапан 11 на нагнетательном патрубке 9 насоса и вытесняется из него для дальнейшего использования.

Процесс расширение парогазовой сме0 си над жидкостью в парожидкостном канале протекает по принципу затопленных парогазовых струй с образованием в жидкости в конце рабочего хода парогазовых пузырьков, иЪбразованием значительного прогиба

5 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 теп0 лообменной поверхности между паром и жидкостью при образовании конуса конденсации и парогазовых пузырьков. Интенсификация процесса конденсации отработанного пара ускоряет этот процесс и обеспечивает более

5 полную конденсацию отработанного пара. Размещение турбулизатора в парожидкостном канале 2 на границе с холодильником 3 позволяет интенсифицировать процесс образования пузырьков в конце рабочего хода

0 жидкого поршня, поскольку при движении границы раздела фаз через турбулизатор происходит дополнительное завихрение жидкости вблизи границы раздела фаз. При этом, образование дополнительного количества

5 пузырьков происходит как при рабочем, так и при обратном ходе в момент прохождения границы раздела фаз в зоне турбулизатора. При небольших диаметрах парожидкостного адиабатического канала 2 наиболее эф0 фективным является выполнение турбулизатора в виде кольцевых выступов 6, так как турбилизация границы раздела фаз в виде конуса в пристенной области парожидкостного канала 2 приводит к более ин5 тенсивному образованию пузырьков в ядре потока, чем при выполнении турбулизатора в виде решетки 7, Увеличение же диаметра парожидкостного канала 2 будет снижать эффективность турбулизации адрес потока

0 с помощью кольцевых выступов 6, поэтому при больших диаметрах парожидкостного канала 2 более эффективным является тур- булизация жидкости вблизи границы раздела фаз с помощью турбулизатора, выполненного

5 в виде решетки 7 с крупными ячейками. Введение турбулизатора в парожидкостной двигатель, увеличивающего количество пузырьков в жидкости в конце рабочего хода, позволяет увеличить количество жидкости впрыскиваемой в виде струй и брызг в испаритель, что увеличивает единичную мощность двигателя. Кроме того, промежуточная жидкость предотвращает потерю неконденсирующегося газа из рабочего объема двигателя, так как она является бо- лее плотной, чем рабочая жидкость, и не допускает проникновения в нее парогазовых пузырьков, что повышает устойчивость и надежность работы двигателя по парогазовому жидкопоршневому термодинэмиче- скому циклу.

Процессы рабочего хода включают следующие:

1. Расширение рабочего тела с подводом тепла и совершением работы; 2. Кон- денсацию пара из парогазовой смеси в конце рабочего хода на поверхности жидкости, инжектируемой из пристенного слоя в зону конденсации; 3. Образование газовых пузырьков в основном потоке жидкости; 4. Понижение давления в рабочем объеме ниже давления насыщения жидкости, инжектируемой в основно й поток; 5. Отвод в холодильнике части отработанного тепла, переданного жидкости основного потока.

После остановки жидкого поршня, под действием разницы давлений, образовавшегося в конце рабочего хода, начинается ускоренное движение рабочей жидкости вместе с парогазовыми пузырьками, а также вместе с промежуточной и перекачиваемой жидкостями в обратную сторону к испарителю 1. В связи с тем, что давление в рабочем объеме двигателя к концу рабочего хода становится ниже давления во всасывающей трубе 10 перед обратным клапаном 12, происходит закрытие клапана 11 на нагнетательном трубопроводе 9 насоса и открытие обратного клапана 12 на всасывающем трубопроводе 10, В результате в нагнетатель- но-всасывающему трубопроводу 10. При понижении давления рабочей жидкости пузырьки смеси неконденсирующихся газов являются очагами испарения в них окружающей рабочей жидкости и аккумулируют ее тепловую энергию. Испарение рабочей жидкости в объеме пузырьков сопровождается ее охлаждением, в результате чего уменьшается количество тепла передаваемого от рабочей жидкости окружающей ере- де в холодильнике 3. При ускоренном движении двухфазного потока парогазовые пузырьки, имеющие значительно меньшую присоединенную массу, должны приобре- сти большее ускорение по сравнению с жид- костью, что приведет к концентрации их у границы раздела фаз. По мере приближения к поверхности раздела фаз пузырьки будут попадать в область более низкого давления и их размеры будут увеличиваться, а давление понижаться. Понижение давления в пузырьках приведет к дальнейшему испарению в них жидкости и, следовательно, к дальнейшему ее охлаждению. Ряд пузырьков, достигших границы с рабочим объемом, разрываются с выбросом парогазовой смеси в рабочий объем и образованием над жидкой фазой мелких капель, которые будут попадать в испаритель 1 и испаряться, повышая давление в рабочем объеме паро- жидкостного двигателя. Повышение давления в рабочем объеме приведет к дальнейшей концентрации пузырьков у границы раздела фаз при приближении рабочей жидкости к испарителю 1 и их несимметричному схлопыванию с образованием высокоскоростных струй из окружающей пузырьки жидкости, нагреваемой в процессе их схлопывания. Эти струи практически мгновенно попадают в испаритель 1 на развитые поверхности с пористым покрытием и распределяются по всейтеплообменной поверхности. Возможно также, что при движении рабочей жидкости к испарителю 1 часть ее, насыщенная парогазовыми пузырьками, в виде пены, войдет в испаритель 1, Однако в обеих случаях в испаритель попадает ограниченное, дозированное количество жидко сти, которая полностью испаряется на теплообменной поверхности испарителя 1. Жидкость при обратном ходе останавливается у входа в испаритель 1 из-за резкого увеличения давления в рабочем объеме в результате описанных выше процессов, что существенно уменьшает необратимые потери на нагревание жидкости и последующего отвода тепла без совершения работы. Перед входом в испаритель 1 пузырьки сжимаются с повышением термодинамического потенциала их содержимого, которое выбрасывается из рабочей жидкости 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 про- цессы обратного хода, после чего термодинамический цикл повторяется в указанной последовательности.

Таким образом, предложенный двигатель обладает повышенным КПД, высокой устойчивостью и надежностью работы за счет реализации регенеративного парогазового жидкопоршневого термодинамического цикла, возможность которого связана с образованием в рабочей жидкости пузырьков при введении в испаритель неконденсирующегося в диапазоне рабочих температур газа или смеси газов, размещением в паро- жидкостном канале на границе с холодильником турбулизатора, а также предотвращением уноса из рабочего обьема неконденсирующегося газа и выполнением испарителя с развитой теплообменной поверхностью. Формула изобретения 1. Парожидкостный двигатель, содержащий последовательно соединенные испаритель с продольными ребрами с внешней стороны, парожидкостный канал, холодильник и нагнетательно-всасываю- щую трубу, соединенную с клапанным гидравлическим насосом, образующим канал U-образной формы, причем испаритель, парожидкостный канал и холодильник заполнены рабочей жидкостью, выполняющей одновременно роль рабочего тела и жидкого поршня, а между рабочей и перекачиваемой насосом жидкостями в U-образном канале размещена промежуточная жидкость, инертная по отношению к рабочей и перекачиваемой жидкостям и не допускающая смешения с ними, плотность которой

выше плотности рабочей и перекачиваемой насосом жидкости, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, устойчивости и надежности работы, парожидкостный кэнал с внутренней стороны на границе с холодильником снабжен турбулизатором, а испаритель с внутренней стороны имеет продольные ребра, которые покрыты слоем капиллярно-пористого материала, при этом

часть объема испарителя заполнена смесью пара рабочей жидкости и неконденсирующихся в диапазоне рабочих температур газов. 2. Двигатель по п. 1,отличающийся тем, чТЬ турбулизатор выполнен в виде кольцевых выступов с внутренней стороны паро- жидкостного канала на границе с холодильником.

З.Двигатель по п.1,отличающийся тем, что турбулизатор выполнен в виде нескольких решеток, установленных внутри парожидкостного канала в его поперечном сечении на границе с холодильником.

Сущность изобретения: двигатель содержит последовательно соединенные испаритель 1, парожидкостчой адиабатический канал 2 и холодильник 3. Испаритель 1 выполнен в виде заглушенного с торца канала, стенки которого с наружной и внутренней стороны снабжены продольными ребрами 4 и 5 соответственно, причем внутренние ребра 5 вместе с внутренней поверхностью испарителя 1 покрыты слоем капиллярно-пористого материала, а парожидкостной канал 2 с внутренней стороны на границе с холодильником 3 снабжен турбулизатором, который может быть выполнен в виде решетки 7 с крупными ячейками. Холодильник 3 подключен к нагнетательно-всасывающей трубе 8, соединенной с клапанным насосом, выполненным в виде трубы с нагнетательным 9 и всасывающим 10 участками с установленными в них обратными клапанами 11 и 12 соответственно. Испаритель 1, парожидкостной канал 2 и холодильник 3 заполнены рабочей жидкостью 13, выполняющей одновременно роль рабочего тела и жидкого поршня, а между рабочей 13 и перекачиваемой насосом жидкостями размещена промежуточная жидкость 14, не допускающая смещения с ними. 2 з. п. ф-лы, 2 ил. Ј Фиг 2 VJ Ч| О 00 VJ О