Тепловой двигатель Советский патент 1992 года по МПК F03G7/00 

1

(21)4778349/06

(22)08.01.90

(46)30.11.92. Бюл. №44

(75) Ю.С. Макаренков и В.И. Воронин

(56)Авторское свидетельство СССР № 1118797, кл. F 03 G 7/00. 1982.

(54) ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

(57)Использование: преобразователь тепловой энергии в механическую, электрическую при использовании, например, солнечного тепла, в том числе для авторотации различных аппаратов, для утилизации тепловых источников с малыми перепадами температур. Сущность изобретения: двигатель содержит герметичные, частично заполненные рабочим телом испарительную

камеру и конденсатор, соединенные посредством паро- и конденсатопроводов с заборниками, при этом испарительная камера и конденсатор выполнены с капиллярно-пористой структурой, причем последняя отделяет жидкостную полость испарительной камеры от ее паровой полости, соединенной паровыми каналами с приемной камерой конденсатора, при этом паровые каналы на входе в приемную камеру конденсатора выполнены в виде инжекторов с соплом, а приемная камера конденсатора посредством сквозных каналов, выполненных в капиллярно-пористой структуре испарительной камеры, сообщена с жидкостной полостью испарительной камеры. 4 з.п.ф- лы, 7 ил.

Изобретение относится к теплотехнике и представляет собой двигатель в виде теп- лопередающего устройства с преобразованием тепловой энергии в механическую.

Может найти применение как экологически чистый преобразователь тепловой энергии в механическую, электрическую при использовании, например, солнечного тепла, в том числе для авторотации различных аппаратов. Позволяет утилизировать тепловые источники с малым перепадом температур и т.д.

Известен тепловой двигатель, содержащий корпус, жестко соединенный с ним ис- точник высоких и низких температур, раз- мещенный в корпусе заполненный легко- кипящим рабочим телом основной сильфон, одно основание которого неподвижно соединено с корпусом, а второе снабжено покрытым капиллярно-пористым материалом

диском, являющимся крышкой сильфона и элементом отвода тепла, установленным в корпусе с возможностью осевого перемещения до контакта с источником низкой температуры и жестко соединенным со штоком отбора мощности. Для повышения эффективности теплового двигателя он снабжен дополнительным сильфоном меньшего диаметра, установленным соосно с основным с образованием общей для обоих внутренней полости и имеющим крышку со стороны, противоположной основному сильфону, являющейся элементом подвода тепла и установленной с возможностью осевого перемещения до контакта с источником высокой температуры, причем крышка дополнительного сильфона имеет пористое покрытие и соединена с диском основного сильфона жестким капиллярным элементом.

Х|

00

со ел

00

К недостаткам указанного двигателя можно отнести: возвратно-поступательный ход штока отбора мощности требует, как правило, механизма преобразования во вращательное движение, наличие деформирующихся эластичных элементов конструкции ограничивает срок их службы, сложность конструкции.

Наиболее близким по технической сущности является двигатель, содержащий заполненную легкокипящим телом герметичную камеру с зонами подвода и отвода тепла, соединенными размещаемой внутри камеры капиллярной структурой со стенками камеры, имеющими неподвижный участок, соединенный при помощи эластичного участка с подвижным участком, устройством с возможностью осевого перемещения и связанным со штоком отбора мощности.

Основные недостатки двигателя наличие возвратного холостого хода, возвратно- поступательный ход штока отбора мощности требует, как правило, механизма преобразования во вращательное движение, наличие деформирующихся элементов конструкции ограничивает срок службы, сложность конструкции.

Целью изобретения является выработка механической энергии вращения путем циркуляции рабочего тела в направлении, противоположном направлению вращения двигателя.

Цель достигается тем, что тепловой дви- татель содержит герметичные частично заполненные рабочим телом конденсатор и испарительную камеру, соединенные посредством паро- и конденсатопроводов с заборниками, при этом конденсатор и испарительная камера выполнены с капиллярно- пористой структурой, причем последняя отделяет жидкостную полость испарительной камеры от ее паровой полости, соединенной паровыми каналами с приемной камерой конденсатора, при этом паровые каналы на входе в приемную камеру конденсатора выполнены в виде инжекторов с соплом, а приемная камера конденсатора посредством основных каналов, выполненных в капиллярно-пористой структуре испарительной камеры, сообщена с жидкостной полостью испарительной камеры.

Для выработки механической энергии вращения двигатель выполнен осесиммет- ричным с возможностью вращения вокруг оси симметрии, при этом испарительная камера размещена над конденсатором и отделена от последнего теплоизолирующим слоем, выполненным толщиной, не превышающей величины капиллярного напора капиллярно-пористой структуры, а инжекторы

с соплом паровых каналов расположены концентрично оси вращения перпендикулярно радиусу.

Двигатель может быть выполнен цилиндрической или конической формы. Теплоизоляционный слой может быть выполнен в виде вакуумной полости. Испарительная камера и конденсатор могут быть выполнены с радиальными перегородками, разделяю0 щими их на секторы, при этом каждый сектор испарительной камеры соединен посредством паропровода с последующим сектором конденсатора, а каждый из последних посредством конденсатопровода 5с последующей секцией испарительной камеры.

В известных конструкциях двигателей, основанных на заполненной легкокипящим телом герметичной камере с зонами подво0 да и отвода тепла, соединенными размещенной внутри камеры капиллярной структурой, на стенках камеры вместо нагрева и охлаждения рабочего тела в подвижной камере с изменяемым объемом

5 предлагается избыточное давление в испарительной камере создавать и поддерживать за счет использования значительной части капиллярного напора жидкой фазы рабочего тела в капиллярной структуре, отде0 лягащей испарительную камеру от конденсатора с преобразованием этого давления в механическую энергию в непрерывном цикле перемещения паровой и жидкой фазы рабочего тела по окружности двигате5 ля за счет срабатывания давления, например, в инжекторах с соплами и созданием таким образом вращающего момента двигателя в направлении, противоположном перемещению рабочего тела.

0 В связи с тем, что отличительные признаки, обеспечивающие совместно с известными (общими с прототипом) признаками достижение цели, не обнаружены в известных источниках, авторы считают, что предло5 женное техническое решение соответствует критерию существенные отличия.

На фиг.1 представлен общий вид двигателя; на фиг.2 - сечение по инжектору; на фиг.З -сечение по заборнику инжектора: на

0 фиг.4 - продольное сечение по секционированному конденсатору; на фиг.5 - поперечное сечение по конденсатопроводу секционированного двигателя; на фиг.6 - продольное сечение по секционированной

5 испарительной камере; на фиг.7а и 76 - поперечное сечение по каналам испарительной камеры.

Двигатель содержит герметичные частично заполненные рабочим телом испарительную камеру 1, конденсатор 2, соединенные посредством конденсатопроводов 3 и паропроводов 4 с заборниками, при этом испарительная камера 1 и конденсатор 2 выполнены с капиллярно-пористой структурой 5 и 6, причем капиллярно-пористая структура 5 отделяет жидкостную полость испарительной камеры 1 от ее паровой полости, соединенной паровыми каналами 5 с приемной камерой конденсатора 2, при этом паровые каналы 8 выполнены в виде инжекторов с соплом 9, а приемная камера конденсатора 2 посредством сквозных каналов 10, выполненных в капиллярно-пористой структуре 5 испарительной камеры 1, сообщена с жидкостной полостью 7 испари- тельной камеры 1.

Двигатель выполнен осесиммегричным с возможностью вращения вокруг оси симметрии 17, при этом испарительная камера

1размещена над конденсатором 2 и отде- лена от последнего теплоизоляционным слоем 11, выполненным толщиной, не превышающей величины капиллярного напора капиллярно-пористой структуры 5 и 6, а инжекторы с соплом 9 паровых каналов 8 рас- положены концентрично оси вращения 17, перпендикулярно радиусу.

Двигатель может быть выполнен цилиндрической или конической формы.

Теплоизоляция 11 может быть выполне- на в виде вакуумной полости.

Испарительная камера 1 и конденсатор

2двигателя могут быть выполнены с радиальными перегородками 12 и 13 (см.фиг.46), разделяющими их на секторы, при этом каждый сектор испарительной камеры 1 соединен посредством паропровода 4 (см.фиг.4) с последующим сектором конденсатора 2, а каждый из последних посредством конденсатопроводов 14 (см.фиг.5) - с последующей секцией испарительной камеры 1.

Двигатель работает следующим образом. При подаче тепловой энергии к испари- тельной камере 1 давлением пара жидкость выталкивается из пароотводных каналов 8, паропроводов 4 и инжекторов 9 в приемную камеру конденсатора 2, частично заполняя ее. При этом капиллярно-пористая структу- ра в конденсатопроводе 3 является гидрозатвором, обеспечивающим повышенное давление пара в испарительной камере 1 относительно конденсатора 2, отделяет жидкостную полость от паровой и одновре- менно является капиллярным насосом для подачи жидкой фазы рабочего тела в испарительную камеру 1 из конденсатора 2. Для подачи по капиллярно-пористой структуре конденсатопровода 3 при повышенном давлении в испарительной камере 1 относительно конденсатора 2 и расположении ее над конденсатором, толщина слоя изоляции между ними ме должна превышать величины капиллярного напора в капиллярно-пористой структуре. Кроме того, капиллярная структура 5 испарительной камеры 1 увеличивает интенсивность испарения, -а капиллярная структура 6 является сборником конденсата в конденсаторе 2. Весь поток образующегося пара направляется через паропроводы 4 и сопла инжекторов 9 и в приемную камеру конденсатора 2. увлекая за собой через инжекторы 9 из жидкостной полости 7 испарительной камеры 1 часть жидкой фазы рабочего тела. В конденсаторе 2 происходит конденсация пара в пространстве, заполненном постоянно циркулирующим рабочим телом.

В результате конденсации струи пара и обмена импульсами между потоком сконденсировавшегося пара и жидкостью происходит преобразование тепловой и кинетической энергии пара в статический напор. За счет этого напора происходит циркуляция теплоносителя по замкнутому контуру с соответствующей кратностью потоков жидкости и пара.

При выходе парожидкостной смеси через инжекторы с соплами 9, расположенными концентрично перпендикулярно радиусу, создается вращающий момент, осуществляющий вращение осесимметрич- ного двигателя относительно оси симметрии 17.

Двигатель цилиндрической конструкции представляет оптимальную форму осе- симметричного двигателя.

Выполнение испарительной камеры 1 и конденсатора 2 в виде поверхностей с углом наклона к горизонту, определяемым в каждой точке поверхности по формуле, позволяет, при необходимости, исключить противодействие центробежных сил, возникающих в частицах циркулирующего рабочего тела, действию капиллярных сил.

Учитывая значительный перепад температур между испарительной камерой 1 и конденсатором 2, их развитые поверхности, а также необходимость выполнения минимальных расстояний между ними, должна быть обеспечена их надежная взаимная теплоизоляция для уменьшения перетекания тепла. Поэтомутеплоизоляция 11 может быть выполнена в виде вакуумной полости.

Выполнение испарительной камеры 1 и конденсатора 2 с радиальными перегородками, разделяющими их на секторы, создает условия для более равномерного распределения рабочего тела как в паровой, так и в жидкой фазе по объему устройства, например, при неравномерном нагреве поверхности испарительной камеры 1, или при качке (изменении ориентации относительно вектора ускорения силы тяжести), т.е. повысить КПД двигателя. При этом каждый сектор испарительной камеры 1 соединен посредством паропровода 9 (см.фиг.4) с последующим сектором конденсатора 2, а каждый из последних посредством конденсатопрово- дов 14 (см.фиг.5) - с последующей секцией испарительной камеры 1.

Циркуляция рабочего тела в замкнутом объеме позволяет использовать теплоноситель с заданными параметрами - температурой испарения, кипения,теплоемкостью, смачиваемостью и т.д. для создания оптимального теплового цикла. Конструкция двигателя не имеет эластичных деталей, трущихся сочленений, за исключением подшипников оси вращения (при их наличии), что позволяет иметь практически неограниченный ресурс двигателя.

Учитывая известную зависимость увеличения капиллярного напора при уменьшении размера пор капиллярной структуры при одновременном увеличении гидравлического сопротивления перемещения жидкой фазы рабочего тела, в предлагаемой конструкции с минимальным расстоянием между камерой испарения и конденсатором, возможно создание конденсатопрово- дов с капиллярной структурой с весьма малым размером пор и развитой площадью, что позволит обеспечить необходимый капиллярный напор при достаточно низком гидравлическом сопротивлении.

Формула изобретения 1.Тепловой двигатель, содержащий герметичные частично заполненные рабочим телом конденсатор и испарительную камеру, соединенные посредством паро- и кон- денсатопроводов с заборниками, при этом

Ґ /

I Т I ,J I T« I . i

/

±

L

, | | Ц I I I

конденсатор и испарительная камера выполнены с капиллярно-пористой структурой, причем последняя отделяет жидкостную полость испарительной камеры от ее паровой

полости, соединенной паровыми каналами с приемной камерой конденсатора, при этом паровые каналы на входе в приемную камеру конденсатора выполнены в виде инжекторов с соплом, а приемная камера

конденсатора посредством сквозных каналов, выполненных в капиллярно-пористой структуре испарительной камеры, сообщена с жидкостной полостью испарительной камеры, отличающийся тем, что, с

целью повышения эффективности путем получения дополнительной механической энергии, он выполнен осесимметричным с возможностью вращения вокруг оси симметрии, при этом испарительная камера

размещена над конденсатором и отделена от последнего теплоизоляционным слоем, выполненным толщиной, не превышающей величины капиллярного напора капиллярно-пористой структуры, а инжекторы

паровых каналов расположены концентрич- но оси вращения, перпендикулярно радиусу.

формы.

З.Двигатель по п.1, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что он выполнен конической формы. 4.Двигатель по п.1-3, отличающий- с я тем, что теплоизоляционный слой выполней в виде вакуумной полости.

б.Двигатель по п.4, отличающий- с я тем, что испарительная камера и конденсатор выполнены с радиальными перегородками, разделяющими их на секторы, при

этом каждый сектор испарительной камеры соединен посредством паропровода с последующим сектором конденсатора, а каждый из последних посредством конден- сатопроводов - с последующей секцией испарительной камеры.

T« I . i

/

±

N

Ц

со ю со со г-

г N

8

д-дг

3

п

№ #

8

лг-ж

12

Фиг. 6

ЛГ-JZT