Парожидкостный двигатель Советский патент 1993 года по МПК F01K19/08 

Изобретение относится к области тепловых двигателей, а более конкретно к двигателям внешнего нагрева с жидким поршнем, и может найти применение в качестве привода насосов, вентиляторов, электрогенераторов, а также в качестве двигателей плавучих, колесных и летательных транспортных средств.

Целью изобретения является повышение КПД, эффективности преобразования

работы термодинамического цикла, устойчивости и надежности работы.

На фиг.1 изображена принципиальная схема парожидкостного двигателя; на фиг.2 - вариант подвода нагревающей среды в виде органического топлива, сжигаемого в межреберном пространстве испарителя с помощью горелочных устройств; на фиг.З - схема подвода тепла к испарителю с помощью солнечного концентратора.

GO

Двигатель содержит последовательно соединенные испаритель 1, парожидкост- ный канал 2 и холодильник 3. Испаритель 1 выполнен в виде заглушенного с торца канала 4, вдоль образующих которого установлены полые ребра 5, внутренняя полость каждого из которых сообщена с каналом 4 испарителя 1 парожидкостным каналом 2, а сверху заглушена, причем часть объема заполнена смесью пара рабочей жидкости и не конденсирующихся в диапазоне рабочих температур газов, Парожидкостный канал 2 и холодильник 3 выполнены в виде двух коаксиальных труб, расположенных вертикально, причем нижний конец внутренней трубы 6 подсоединен к всасывающей трубе 7 большего сечения с образованием канала U-образной формы, а нижний конец наружной трубы 8 подсоединен к нагнетательной трубе 9 меньшего сечения так же с образованием канала U-образной формы, при этом верхний участок 10 внутренней трубы имеет форму конуса с вершиной, распб/юженной на входе в испаритель, на боковой поверхности которого выполнены отверстия 11, а верхняя часть всасывающий трубы 7 совмещена с камерой 12, заполненной газовой смесью, в которой над уровнем жидкости установлено рабочее колесо 13 гидротурбины, над которым размещен выходной участок 14 нагнетательной трубы 9 в виде усеченного конуса, ось которого направлена на лопатки 15 рабочего колеса 13, а вал 16 турбины имеет герметичный выход за пределы камеры 12, при этом в парожидко- стном участке канала 2 между внутренней 6 и наружной 8 трубами размещена вставка 17, выполненная в виде продольных каналов одинакового сечения и формы, заполняющих все сечение межтрубного пространства, и установленная ниже уровня отверстий в конической части 10 внутренней трубы 6. Внутренние поверхности испарителя покрыты слоем капиллярно-пористого материала. Повод тепла к испарителю производится с помощью нагревающей среды либо в виде различных теплоносителей, либо потока солнечного излучения. Кроме этого, в качестве источника тепла могут использоваться радиоизотопные источники тепла. Пример использования в качестве нагревающей среды высокотемпературного теплоносителя представлен на фиг.2. Испаритель 1 окружен теплоизолиро- ванным кожухом 18с образованием камер сгорания 19 в каждом из промежутков между ребрами, в основании которых размещены горелки 20. В нижней части кожуха 18 между ребрами выполнены отверстия для подвода в камеры сгорания 19 топлива по

трубопроводам 21 к горелкам 20 и воздуха по трубопроводам 22, подключенным к коллекторам 23 и 24 соответственно, К воздушному коллектору 24 подключен

воздухопровод 25, а на теплоизолирован- ном кожухе 18 установлена выхлопная труба 26, в которой размещен регенеративный воздушный теплообменник 27, подключенный с одной стороны к воздухопроводу 25,

ас другой стороны к входному воздуховоду 28. Пример использования солнечного излучения представлен на фиг.З. Испаритель 1 помещен в фокус солнечного концентратора 29. Торцевая поверхность испарителя по5 крыта тепловой изоляцией 30, а вокруг его боковой поверхности с селективным покрытием размещены светопроницаемые панели 31.

Парожидкостный двигатель работает

0 следующим образом.

Перед началом работы двигатель заправляется рабочей жидкостью, а в испаритель 1 и камеру 1-2 вводится неконденсирующийся газ. Затем к рабочему

5 телу в испарителе 1 подводится, а в холодильнике 3 от него отводится теплота, Тепло нагревающей среды передается рабочему телу двигателя в виде парогазОвой смеси и жидкости. Жидкость рабочего тела закипа0 ет, а неконденсирующийся газ нагревается, что приводит к увеличению в нем давления парогазовой смеси. Под действием давления парогазовой смеси рабочая жидкость перемещается по внутренней трубе 6, кана5 лам вставки 17 и холодильнику 3 и поступает соответственно во всасывающую 7 и нагнетательную 9 трубы. Поскольку диаметр внутренней трубы 6 значительно меньше диаметра всасывающей трубы 7, а диаметр

0 наружной трубы 8 значительно больше диаметра нагнетательной трубы 9, подъем жидкости в нагнетательной трубе 9 будет существенно выше, чем во всасывающей 7. В результате, замыкание конца нагнета5 тельной трубы 9 на всасывающую 7 через камеру 12 и турбину в рабочим колесом 13 обеспечивает, во-первых, преобразование кинетической энергии струи жидкости в крутящий момент на валу 16 рабочего колеса 13

0 турбины, во-вторых, циркуляцию рабочей жидкости в контуре парожидкостного двигателя и, в-третьих, насыщение рабочей жидкости неконденсирующимся газом при ударе струй.жидкости, выходящих из межло5 паточных промежутков рабочего колеса 13 турбины, о ее поверхность в камере 12, при котором происходит захват жидкой струей неконденсирующегося газа, причем размещение камеры 12 в наиболее холодной части контура двигателя позволяет обеспечить

максимальное насыщение рабочей жидкости неконденсирующимся газом.

Процесс расширения парогазовой смеси над жидкостью в парожидкостном канале, как показали исследования на стеклянных моделях, протекает по принципу затопленных парогазовых 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 теплообменной 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. При этом часть образовавшихся пузырьков будет уноситься с жидкостью в нагнетательную трубу 9, а из нее в камеру 12.

При выполнении стенок полых ребер 5 испарителя 1 жесткими объемы этих полостей остаются неизменными при изменении давления рабочего тела, что требует уменьшения объема этих полостей для уменьшения мертвого объема двигателя. При выполнении стенок полых ребер упругими первоначальный объем этих полостей может быть равен нулю, а по мере повышения давления рабочего тела стенки ребер будут изгибаться, увеличивая объем этих полостей, а следовательно, и теплообменную поверхность испарителя. При понижении давления рабочего тела в испарителе 1 в конце рабочего хода стенки ребер 5 возвращаются в первоначальное состояние, уменьшая мертвый объем двигателя до минимума, то есть до размеров центрального канала 4 испарителя 1, обеспечивая, кроме уменьшения мертвого объема двигателя, возможность преобразования вытесненной из полостей ребер 5 испарителя 1 парогазовой смеси в дополнительную работу по перемещению рабочей жидкости в процессе рабочего хода, что повышает термодинамическую эффективность цикла предложенного двигателя. После конденсации отработанного пара, охлаждения неконденсирующегося газа и отвода тепла от рабочей жидкости в холодильнике 3 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 LJ-образных каналах в сторону испарителя 1.

Увеличение количества пузырьков, об разующихся в жидкости в конце рабочего хода, при размещении в парожидкостном канале 2 вставки 17 с продольными каналами одинаковой формы и сечения, заполняющими все сечение межтрубного пространства, обусловлено следующим. Об0 разование пузырьков в жидкости, движущейся по гладкому каналу под действием расширяющегося парогазового потока, возможно только при определенных условиях, аналогичных тем, которые имеют место в

5 затопленных парогазовых струях, когда в вершине конуса затопленной парогазовой струи за счет завихрений образуются пузырьки, движущиеся вдоль оси потока, при этом, чем больше диаметр парожидкостного

0 канала, тем меньше количество пузырьков будет приходится на единицу площади сечения канала, так как в затопленных струях пузырьки формируются только в вершине конуса затопленной струи. Как показали ис5 следования на стеклянных моделях при использовании в качестве рабочей жидкости парожидкостного канала 2 начинают образовываться уже при диаметрах 4 мм. Поэтому, чем больше будет затопленных струй,

0 тем большее количество пузырьков будет образовываться на единицу площади сечения парожидкостного канала 2. Выбор количества каналов во вставке 17 будет определяться единичной мощностью двига5 теля, поскольку, чем больше единичная мощность двигателя, тем большее количество пузырьков требуется для обеспечения эффективной регенерации тепла отработанного пара и образования требуемого коли0 чества пара в испарителе при струйном впрыске в испаритель жидкости в виде брызг и струй при разрыве пузырьков на границе раздела фаз. Поэтому для увеличения единичной мощности двигателя необхо5 димо увеличивать площадь сечения межтрубного пространства парожидкостного канала 2 для размещения в нем вставки 17 с соответствующим количеством продольных каналов, то есть необходимо обес0 печить пропорциональное увеличение диаметра парожидкостного канала и количества образующихся пузырьков, так как каждый канал вставки 17 является источником образования пузырьков.

5 При обратном ходе жидкость во внутренней трубе 6, насыщения 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 6, движущейся в сторону испарителя 1. Нагрев насыщенной неконденсирующимся газом жидкости сопровождается выделением из нее газа в виде пузырьков и испарением в них пара, за счет чего пузырьки будут увеличиваться в размерах. На определенной высоте холодильника 3 температуры жидкостей в межтрубном пространстве и во внутренней трубе 6 сравниваются. При понижении давления рабочего тела пузырьки смеси неконденсируются. 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 пузырьков сопровождается ее охлаждением, в результате чего уменьшается количество тепла, передаваемого от рабочего тела окружающей среде в холодильнике 3. Таким образом, в предложенном двигателе осуществляется двухступенчатая регенерация тепла, что существенно повышает его термодинамическую эффективность по сравнению с прототипом. После того, как рабочая жидкость с парогазовыми пузырьками, движущимися по внутренней трубе б, достигнет конического участка с отверстиями, часть ее вместе с пузырьками будет попадать в межтрубное пространство и затем смешиваться с рабочей жидкостью, находящейся в ней, а другая часть в виде брызг от лопнувших пузырьков направится в испаритель 1. Парообразование жидкости на теплообмен- ной поверхности испарителя 1 приведет к повышению давления парогазовой смеси в рабочем объеме, в результате чего произойдет упругая дефдрмация стенок ребер 5 испарителя 1, что приведет к многократному увеличению теплообменной поверхности испарителя. Кроме этого, повышение давления в рабочем объеме приведет к концентрации пузырьков 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 жидкости, нагреваемой в процессе их схлопывания. Эти струи практически мгновенно попадают в испаритель 1 на развитые поверхности с пористым покрытием и распределяются по всей теплообменной 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 обоих случаях в испаритель

попадет ограниченное, дозированное количество жидкости, которая полностью испаряется на теплообменной поверхности испарителя 1. Жидкий поршень при обратном ходе останавливается у входа в испари0 тель 1 из-за резкого увеличения давления в рабочем объеме в результате описанных выше процессов, что существенно уменьшает необратимые потери на нагревание жидкости и последующий отвод тепла без совер5 шения работы. Перед входом в испаритель 1 пузырьки сжимаются с повышением термодинамического потенциала их содержимого, которое выбрасывается из жидкого поршня в испаритель 1 с образованием

0 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 обрат5 ного хода, после чего термодинамический цикл повторяется в указанной последовательности.

Унос из рабочего объема с пузырьками неконденсирующегося газа в процессе ра0 бочего хода компенсируется постоянным подводом такого же количества неконденсирующегося газа в рабочий объем с жидкостью, насыщенной этим газом, подаваемой по внутренней трубе 6 во время обратного

5 хода, что позволяет поддерживать в рабочем объеме постоянное количество неконденсирующегося газа. Это позволяет повысить устойчивость и надежность работы двигателя, а отсутствие обратных клапа0 нов в контуре двигателя обеспечивает дополнительное повышение его надежности.

Работа теплогенератора, изображенного на фиг.2, в котором в качестве нагреваю5 щейсреды используется высокотемпературный теплоноситель в виде сжигаемого органического топлива, осуществляется следующим образом. В горелки 20 каждой камеры сгорания 19 по0 дается по трубопроводам 21 и 22 соответственно топливо и воздух, которые после смешения сгорают в камере сгорания 19, передавая теплоту через стенки ребер 5 испарителя 1 рабочему телу двигателя. Дымо5 вые газы из камеры сгорания 19 отводятся в выхлопную трубу 26, где охлаждаются, отдавая в регенеративном теплообменнике 27 теплоту воздуху, подаваемому в камеру сгорания, что обеспечивает утилизацию тепла дымовых газов, и повышает температуру горения, в результате повышается КПД тепло- генератора и обеспечивается полное сгорание топлива.

Работа солнечного теплогенератора, изображенного на фиг.З, осуществляется следующим образом. Солнечное излучение с помощью концентратора 29 концентрируется и передается в солнечный теплообменников котором поток излучения проходит через светопроницаемые панели 31 и попадает на селективное покрытие поверхности испарителя, В результате стенки испарителя разогреваются, передавая теплоту рабочему телу двигателя.

Таким образом, предложенный двигатель обладает повышенным КПД, высокой устойчивостью и надежностью работы за счет двойной регенерации энергии, повышенной поверхности испарителя, минимального мертвого объема, поддержания постоянного количества неконденсирующегося газа в рабочем объеме и отсутствия обратных клапанов в контуре парожидкост- ного двигателя. Кроме этого, сем энергии с вала гидротурбины 13, установленной в контуре двигателя, позволяет расширить область его применения, а установка в парожидкостном канале вставки 17 с продольными каналами одинакового размера и формы позволяет увеличить единичную мощность двигателя.

Формула изобретения 1. Парожидкостный двигатель, содержащий соединенные между собой испаритель, парожидкостные каналы, холодильник, нагнетательную и всасывающую трубы, заполненные выполняющей функции рабочего тела и жидкого поршня жидкостью, а также гидравлический насос и заполненную газовой смесью камеру, отличающийся тем, что, с целью повышению КПД и расширения функциональных возможностей путем выработки дополнительной энергии, он дополнительно снабжен вставкой и размещенной в камере

гидравлической турбиной с рабочим колесом, вал которой герметично выведен за пределы камеры, при этом парожидкостный канал и холодильник выполнены в виде двух

вертикально расположенных коаксиальных труб, причем трубы в нижней части подсоединены соответственно внутренняя - к всасывающей большего сечения и наружная - к нагнетательной меньшего сечения трубам

с-образованием U-образных каналов, при этом нагнетательная труба имеет выходной конец в виде усеченного конуса и размещена им в камере над рабочим колесом гидравлической турбины, верхний конец

парожидкостного канала подсоединен к испарителю, выполненному в виде заглушенного с верхнего торца канала, наружная поверхность которого образована расположенными по образующей полыми ребрами,

а внутренняя поверхность покрыта слоем капиллярно-пористого материала, при этом верхний конец внутренней трубы выполнен с конусообразной вершиной, на боковой поверхности которой имеются отверстия, и

размещен на входе в испаритель, а вставка размещена в межтрубном пространстве парожидкостного канала под верхним концом внутренней трубы и выполнена с продольными каналами одинаковой формы и сечения.

2. Двигатель по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что стенки полых ребер канала испарителя выполнены из упругих пластин с примыканием последних друг к другу в исходном состоянии.

3. Двигатель по п.1,отличающийся тем, что испаритель имеет теплоизолиро- ванный кожух с тяговой трубой, а в качестве нагревающей среды используется пламя го- релки, установленной в промежутке между каждой парой ребер испарителя.

4. Двигатель по п.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что он снабжен солнечным концентратором, а испарителем помещен в фокусе солнечного концентратора и имеет двухслойный прозрачный кожух.

Фиг.1

фиг 2

Использование: в области тепловых двигателей с жидким поршнем, преимущественно в качестве привода насосов, вентиляторов, электрогенераторов, а также в качестве двигателей плавучих, колесных и других транспортных средств. Сущность изобретения: в парожидкостном двигателе, содержащем испаритель, парожидкостный канал, холодильник и нагнетательно-всасы- вающую трубу, заполненные рабочей жидкостью, выполняющей функции рабочего тела и одновременно жидкого поршня; гидравлический насос и камеру, заполненную газовой смесью, испаритель выполнен в виде заглушенного с торца канала, вдоль образующих которого установлены полые ребра, внутренняя полость каждого из которых сообщена с каналом испарителя и парожидкостным каналом. Наружная поверхность испарителя имеет тепловой контакт с нагревающей средой. Парожидкостный канал и холодильник выполнены в виде двух коаксиальных труб, расположенных вертикально, причем нижний конец внутренней и нижний конец наружной труб подсоединены соответственно к всасывающей и нагнетательной трубам с образованием каналов U-образной формы. Верхний участок внутренней трубы имеет форму конуса, на боковой поверхности которого выполнены отверстия, и расположен на входе в испаритель. В камере с газовой смесью над уровнем жидкости установлено рабочее колесо гидротурбины, над которым размещен выходной участок нагнетательной трубы. Вал турбины имеет герметичный выход за пределы камеры, а в парожидкостном участке канала между внутренней и наружной трубами размещена вставка, выполненная в виде продольных каналов одинакового сечения и формы, заполняющих все сечение межтрубного пространства и установленных ниже уровня отверстий в конической части внутренней трубы, 3 з.п. ф-лы, 3 ил.